本發(fā)明涉及天線領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種饋電網(wǎng)絡(luò)層、天線系統(tǒng)及其產(chǎn)生四種極化方式的方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展以及認(rèn)知無線電、MIMO、物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的興起，多功能通信在移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的需求越來越大。而多極化以及極化選擇技術(shù)則因其防止信道衰落、增強(qiáng)通信可靠性和信道容量的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用在多功能通信系統(tǒng)中。因此，天線多極化也是當(dāng)前天線領(lǐng)域一大研究熱點(diǎn)。

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線的四極化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的工作，畢奇等人公開了一種四極化天線和四極化多天線陣（畢奇、謝偉良，四極化天線和四極化多天線陣，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?01210231562 .8， 申請(qǐng)日2012 .07 .05），通過將四個(gè)具有不同極化方向的極化振子集成在一個(gè)天線振子中，實(shí)現(xiàn)了天線的四極化功能。只是該天線存在四個(gè)極化都是線極化，且四個(gè)天線振子間的極化隔離度并不好等缺點(diǎn)。Y-F. Wu 等人公開了一種可重構(gòu)的四極化縫隙耦合天線（Y-F. Wu, C-H. Wu, D-Y Lai, and F-C. Chen, “A Reconfigurable Quadri-Polarization Diversity Aperture-Coupled Patch Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 55, no. 3, pp.1009-1012, Mar.2007），通過在饋電網(wǎng)絡(luò)中加載射頻開關(guān)來控制信號(hào)通路來實(shí)現(xiàn)極化選擇。只是由于加載射頻開關(guān)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際加工困難、成本高等缺點(diǎn)。

綜上所述，目前出現(xiàn)的四極化天線實(shí)現(xiàn)方式在加工和性能兩方面難以實(shí)現(xiàn)兼顧，難以滿足市場(chǎng)的實(shí)際需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一種饋電網(wǎng)絡(luò)層。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種饋電網(wǎng)絡(luò)層，包括互成鏡像對(duì)稱的兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)；每個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)包括饋電輸入端口、Wilkinson功分器、慢波線結(jié)構(gòu)、Schiffman移相器和分支線定向耦合器；每個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)中的饋電輸入端口連接Wilkinson功分器的輸入端口，Wilkinson功分器的第一輸出端口依次連接慢波線結(jié)構(gòu)、Schiffman移相器和分支線定向耦合器的第一輸入端口；兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)通過交叉結(jié)構(gòu)的四個(gè)端口連接在一起；交叉結(jié)構(gòu)的第一端口和第三端口分別連接第一饋電網(wǎng)絡(luò)中的分支線定向耦合器的第二輸入端口和第二饋電網(wǎng)絡(luò)中的分支線定向耦合器中的第二輸入端口，交叉結(jié)構(gòu)的第二端口和第四端口分別連接第一饋電網(wǎng)絡(luò)中的Wilkinson功分器的第二輸出端口和第二饋電網(wǎng)絡(luò)中的Wilkinson功分器的第二輸出端口；兩個(gè)分支線定向耦合器中的四個(gè)輸出端口為饋電輸出端口。

一種包括上述饋電網(wǎng)絡(luò)層的天線系統(tǒng)，包括從下往上依次層疊的饋電網(wǎng)絡(luò)層、第二介質(zhì)基板層、金屬地層、第一介質(zhì)基板層和輻射層，以及垂直穿過饋電網(wǎng)絡(luò)層、第二介質(zhì)基板層、金屬地層、第一介質(zhì)基板層和輻射層，并且，電連接饋電網(wǎng)絡(luò)層和輻射層的金屬探針，其中，所述饋電網(wǎng)絡(luò)層采用如上述所述的饋電網(wǎng)絡(luò)層；并且，兩個(gè)分支線定向耦合器中的四個(gè)饋電輸出端口，通過四根金屬探針與輻射層的四個(gè)第一開孔電連接。

該輻射層包括四個(gè)尺寸一樣的正方形金屬貼片和一個(gè)“十”字型金屬貼片；四個(gè)正方形金屬貼片分別置于“十”字型金屬貼片劃分形成的四個(gè)象限內(nèi)；每個(gè)正方形金屬貼片的每邊分別平行于“十”字型金屬貼片的橫臂和縱臂，且其與橫臂和縱臂形成的縫隙的間距相等；“十”字型金屬貼片的四臂長(zhǎng)度小于正方形金屬貼片的邊長(zhǎng)；四個(gè)金屬探針在輻射層形成的四個(gè)第一開孔；該四個(gè)第一開孔分別位于“十”字型金屬貼片的四個(gè)頂端處；“十”字型金屬貼片通過金屬探針從饋電網(wǎng)絡(luò)層獲得能量，并通過耦合的方式將能量耦合到四個(gè)正方形金屬貼片。

具體地，該第一介質(zhì)基板層和第二介質(zhì)基板層的相對(duì)介電常數(shù)均為3.55；第一介質(zhì)基板層的厚度為2mm，第二介質(zhì)基板層的厚度為0.508mm。

作為優(yōu)選，該金屬探針為圓柱形，其直徑為1.2mm。

作為優(yōu)選，該Schiffman移相器是具有90°移相功能的移相器。

具體地，天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的工作頻率為2.45GHz；其對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)為λ= 122.4mm。

具體地，“十”字型金屬貼片的四臂長(zhǎng)度均為λ/4。

具體地，Wilkinson功分器、慢波線結(jié)構(gòu)、Schiffman移相器和分支線定向耦合器相互之間依次用50歐姆微帶線連接。

基于上述一種天線系統(tǒng)形成四種極化方式的方法，分別包括：

產(chǎn)生左旋圓極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口分別施加幅度為1相位為0°和幅度為0相位為0°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口上的響應(yīng)分別為幅度為1相位為0°、幅度為1相位為-90°、幅度為1相位為-180°和幅度為1相位為-270°，天線極化方式為左旋圓極化；

產(chǎn)生右旋圓極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口分別施加幅度為0相位為0°和幅度為1相位為0°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口上的響應(yīng)分別為幅度為1相位為-270°、幅度為1相位為-180°、幅度為1相位為-90°、幅度為1相位為0°，天線極化方式為右旋圓極化；

產(chǎn)生+45°線極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口分別施加幅度為1相位為0°和幅度為1相位為-90°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口上的響應(yīng)分別為幅度為1相位為0°、幅度為0相位為0°、幅度為1相位為-180°、幅度為0相位為0°，天線極化方式為+45°線極化；

產(chǎn)生-45°線極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口分別施加幅度為1相位為-90°和幅度為1相位為0°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口上的響應(yīng)分別為幅度為0相位為0°、幅度為1相位為-180°、幅度為0相位為0°、幅度為1相位為0°，天線極化方式為-45°線極化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明中的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效的提高了極化隔離度，保證了天線優(yōu)良的性能，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中交叉極化惡化的問題。

（2）本發(fā)明通過對(duì)饋電輸入端口采取不同的激勵(lì)方式來實(shí)現(xiàn)四極化天線功能，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單，減少對(duì)天線本身的設(shè)計(jì)的依賴，應(yīng)用推廣便捷、成本低。

（3）本發(fā)明設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單層基板對(duì)天線基板進(jìn)行饋電的方式，解決了現(xiàn)有技術(shù)中使用的通過改變天線振子的物理方向以及通過加載射頻開關(guān)來實(shí)現(xiàn)四極化天線而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、成本高的缺陷，保證了天線加工簡(jiǎn)單、易于集成的要求。

（4）本發(fā)明提出的用于實(shí)現(xiàn)四極化天線的新型饋電網(wǎng)絡(luò)其設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際應(yīng)用中所需頻率相關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，具有很好的可遷移性，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的輻射層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中饋電網(wǎng)路層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明工作頻率為2.5GHz時(shí)，天線極化模式為+45^o線極化時(shí)的方向圖。

圖5為本發(fā)明工作頻率為2.5GHz時(shí)，天線極化模式為-45^o線極化時(shí)的方向圖。

圖6為本發(fā)明工作頻率為2.5GHz時(shí)，天線極化模式為左旋圓極化時(shí)的方向圖。

圖7為本發(fā)明工作頻率為2.5GHz時(shí)，天線極化模式為右旋圓極化時(shí)的方向圖。

圖8為Schiffman移相器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為慢波線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1—正方形金屬貼片，2—“十”字型金屬貼片，3—第一開孔，4—交叉結(jié)構(gòu)，5—Schiffman移相器，6—Wilkinson功分器，61—饋電輸入端口，7—慢波線結(jié)構(gòu)，8—分支線定向耦合器，（81、82、83、84）—饋電輸出端口，9—輻射層，10—第一介質(zhì)基板層，11—第二介質(zhì)基板層，12—第二開孔，13—金屬探針，14—饋電網(wǎng)絡(luò)層，15—金屬地層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。

實(shí)施例

如圖1至圖3所示，一種天線系統(tǒng)，包括從下往上依次層疊的饋電網(wǎng)絡(luò)層14、第二介質(zhì)基板層11、金屬地層15、第一介質(zhì)基板層10和輻射層9，以及垂直穿過饋電網(wǎng)絡(luò)層14、第二介質(zhì)基板層11、金屬地層15、第一介質(zhì)基板層10和輻射層9，并且，電連接饋電網(wǎng)絡(luò)層14和輻射層9的金屬探針13；金屬探針13穿過金屬地層15時(shí)，形成四個(gè)不和金屬探針13建立電連接的第二開孔12；

輻射層9包括四個(gè)尺寸一樣的正方形金屬貼片1和一個(gè)“十”字型金屬貼片2；四個(gè)正方形金屬貼片1分別置于“十”字型金屬貼片2劃分形成的四個(gè)象限內(nèi)；每個(gè)正方形金屬貼片1的每邊分別平行于“十”字型金屬貼片2的橫臂和縱臂，且其與橫臂和縱臂形成的縫隙的間距相等；“十”字型金屬貼片2的四臂長(zhǎng)度小于正方形金屬貼片1的邊長(zhǎng)；四個(gè)金屬探針13在輻射層9形成的四個(gè)第一開孔3分別位于“十”字型金屬貼片2的四個(gè)頂端處；“十”字型金屬貼片2通過金屬探針13從饋電網(wǎng)絡(luò)層14獲得能量，并通過耦合的方式將能量耦合到四個(gè)正方形金屬貼片1；

饋電網(wǎng)絡(luò)層14包括互成鏡像對(duì)稱的兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)；每個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)包括饋電輸入端口61、Wilkinson功分器6、慢波線結(jié)構(gòu)7、Schiffman移相器5和分支線定向耦合器8；每個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)中的饋電輸入端口61連接Wilkinson功分器6的輸入端口，Wilkinson功分器6的第一輸出端口依次連接慢波線結(jié)構(gòu)7、Schiffman移相器5和分支線定向耦合器8的第一輸入端口；兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)通過交叉結(jié)構(gòu)4的四個(gè)端口連接在一起；交叉結(jié)構(gòu)4的第一端口和第三端口分別連接第一饋電網(wǎng)絡(luò)中的分支線定向耦合器8的第二輸入端口和第二饋電網(wǎng)絡(luò)中的分支線定向耦合器8的第二輸入端口，交叉結(jié)構(gòu)4的第二端口和第四端口分別連接第一饋電網(wǎng)絡(luò)中的Wilkinson功分器6的第二輸出端口和第二饋電網(wǎng)絡(luò)中的Wilkinson功分器6的第二輸出端口；兩個(gè)分支線定向耦合器8中的四個(gè)輸出端口為饋電輸出端口81、82、83、84，其通過四根金屬探針13與輻射層9的四個(gè)第一開孔3電連接。

具體地，第一介質(zhì)基板層10和第二介質(zhì)基板層11的相對(duì)介電常數(shù)均為3.55；第一介質(zhì)基板層10的厚度為2mm，第二介質(zhì)基板層11的厚度為0.508mm。

作為優(yōu)選，金屬探針13為圓柱形，其直徑為1.2mm。

作為優(yōu)選，Schiffman移相器5是具有90°移相功能的移相器。

作為優(yōu)選，Wilkinson功分器、慢波線結(jié)構(gòu)、Schiffman移相器和分支線定向耦合器相互之間依次用50歐姆微帶線連接。

具體地，天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的工作頻率為2.45GHz；其對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)為λ= 122.4mm。

具體地，“十”字型金屬貼片2的四臂長(zhǎng)度均為λ/4。

如圖4~7所示，基于上述新型天線與饋電網(wǎng)絡(luò)形成四種極化方式的方法，包括：

產(chǎn)生左旋圓極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口61分別施加幅度為1相位為0°和幅度為0相位為0°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口81、82、83、84上的響應(yīng)分別為幅度為1相位為0°、幅度為1相位為-90°、幅度為1相位為-180°和幅度為1相位為-270°，天線極化方式為左旋圓極化；

產(chǎn)生右旋圓極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口61分別施加幅度為0相位為0°和幅度為1相位為0°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口81、82、83、84上的響應(yīng)分別為幅度為1相位為-270°、幅度為1相位為-180°、幅度為1相位為-90°、幅度為1相位為0°，天線極化方式為右旋圓極化；

產(chǎn)生+45°線極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口61分別施加幅度為1相位為0°和幅度為1相位為-90°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口81、82、83、84上的響應(yīng)分別為幅度為1相位為0°、幅度為0相位為0°、幅度為1相位為-180°、幅度為0相位為0°，天線極化方式為+45°線極化；

產(chǎn)生-45°線極化方式的方法：對(duì)兩個(gè)饋電輸入端口61分別施加幅度為1相位為-90°和幅度為1相位為0°的激勵(lì)，四個(gè)饋電輸出端口81、82、83、84上的響應(yīng)分別為幅度為0相位為0°、幅度為1相位為-180°、幅度為0相位為0°、幅度為1相位為0°，天線極化方式為-45°線極化。

每個(gè)Wilkinson功分器6包括呈鏡像對(duì)稱的兩路微帶線組成；其中一路微帶線呈“S”型，另一路微帶線呈反“S”型；兩路微帶線的底部出口均與饋電輸入端口61連接；兩路微帶線的頂部出口分別為Wilkinson功分器6的第一輸出端口和第二輸出端口。

如圖9所示，每個(gè)慢波線結(jié)構(gòu)7的輸入端口連接相對(duì)應(yīng)的Wilkinson功分器6的第一輸出端口；每個(gè)慢波線結(jié)構(gòu)7的輸出端口通過50歐姆微帶線連接Schiffman移相器5；每個(gè)慢波線結(jié)構(gòu)7包括5個(gè)呈“E”字型微帶線，相鄰“E”字型通過兩外臂平行連接。

如圖8所示，每個(gè)Schiffman移相器5包括兩根平行的帶狀線，且兩根帶狀線在同一末端連接，兩根帶狀線的另一端分別為輸出端口和輸入端口。

每個(gè)分支線定向耦合器8包括一個(gè)為矩形窗口形狀的微帶線，其水平方向的兩根微帶線向左右兩邊平行延伸出去，分別構(gòu)成分支線定向耦合器8的兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口；兩個(gè)分支線定向耦合器8的四個(gè)輸出端口構(gòu)成饋電輸出端口81、82、83、84。

交叉結(jié)構(gòu)也稱為crossover結(jié)構(gòu)；其由兩根平行的微帶線，以及垂直于平行微帶線的三根微帶線構(gòu)成。兩根平行的微帶線的四個(gè)末端分別連接兩個(gè)Wilkinson功分器6的第二輸出端口和兩個(gè)分支線定向耦合器8的輸入端口。

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具有四種極化可重構(gòu)功能的新型天線及饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了四種不同的極化工作模式（水平線極化、垂直線極化、左旋圓極化、右旋圓極化），各種極化模式之間具有良好的極化隔離度。同時(shí)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成且成本低廉。

通過控制饋電網(wǎng)絡(luò)的饋電方式可以輕松實(shí)現(xiàn)四種不同計(jì)劃模式，包括兩種正交的線極化、左旋圓極化和右旋圓極化。

本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中使用的多天線振子和加載射頻開關(guān)導(dǎo)致的天線結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不易集成，交叉極化惡化，成本高的缺陷，同時(shí)保證了天線輻射性能優(yōu)良，極化隔離度高，而且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，加工成本低，非常適合大規(guī)模制造、加工與生產(chǎn)。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動(dòng)而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。