本发明提出了一种E面宽窄波束切换可重构天线。主要解决现有天线波束宽度不足、模式单一的问题。其包括上、下层介质基板(7)和(1)，下层介质基板的上下表面分别有印制地板(2)和馈线(9)，印制地板与上层介质基板之间固定有两个平行的中间层介质基板(3)和(4)，这两个中间层介质基板上分别印制有金属壁(5)和(6)，上层介质基板的上表面印制有微带辐射贴片(8)，该微带辐射贴片和两个金属壁的中间均开有矩形缝隙，每条缝隙中均设有N个控制开关，通过改变这些控制开关的导通电压，控制微带辐射贴片和两个金属壁的导通或断开，实现天线宽窄波束两种状态的切换。本发明E面波束宽、尺寸小、剖面低，可用于成像搜索和通信系统。
1.一种E面宽窄波束切换可重构天线，包括下层介质基板（1）和上层介质基板（7），下层介质基板（1）的上下表面分别有印制金属地板（2）和微带馈线（9），印制金属地板（2）与上层介质基板（7）之间固定有两个平行的第一中间层介质基板（3）和第二中间层介质基板（4），这两个中间层介质基板上分别印制有第一金属壁（5）和第二金属壁（6），上层介质基板（7）的上表面印制有矩形微带辐射贴片（8），其特征在于：所述微带辐射贴片（8）的中间蚀刻有第一矩形缝隙（81），第一矩形缝隙（81）中印制有N个第一控制开关（82），5≤N≤10；该开关与矩形微带辐射贴片（8）和上层介质基板（7）三者形成天线辐射结构；
所述两个金属壁（5，6）的中间分别蚀刻有第二矩形缝隙（51）和第三矩形缝隙（61），这两个矩形缝隙中分别印制有N个第二控制开关（52）和第三控制开关（62）；
所述两个平行的中间层介质基板（3，4）与两个金属壁（5，6）、第二控制开关（52）、第三控制开关（62），这六者形成天线的短路加载结构；
通过改变第一控制开关（82）、第二控制开关（52）和第三控制开关（62）的导通电压，控制微带辐射贴片（8）和两个金属壁（5，6）的导通或断开，实现天线状态的切换。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一控制开关（82）、第二控制开关（52）和第三控制开关（62），均为微机电系统MEMS开关，当第一控制开关（82）断开、第二控制开关（52）与第三控制开关（62）连通时，天线方向图呈现E面宽波束；当第一控制开关（82）连通，第二控制开关（52）与第三控制开关（62）断开时，天线方向图呈现E面窄波束。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，矩形微带辐射贴片（8）的长Lp为29mm‑31mm，宽Wp为27mm‑29mm，其第一矩形缝隙（81）的长与矩形微带辐射贴片（8）的长Lp相同，第一矩形缝隙（81）的宽A1为矩形微带辐射贴片（8）宽Wp的0.02，第一矩形缝隙（81）边缘与微带辐射贴片（8）的长边距离D1为Wp/2‑A1/2。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述两个金属壁（5，6）的尺寸相同，其长边与矩形微带辐射贴片（8）的长Lp相同，宽Wb1为4mm‑6mm；两个金属壁的第二矩形缝隙（51）和第三矩形缝隙（61）尺寸相同，其长边与金属壁的长Lp相同，宽与第一矩形缝隙（81）的宽A1相同，第二矩形缝隙（51）和第三矩形缝隙（61）与各自金属壁的长边的距离D2均为Wb1的1/2。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一中间层介质基板（3）和第二中间层介质基板（4）均采用介电常数为2.25、正切角损耗为0.001的材料，且两者的尺寸相同，长与矩形微带辐射贴片（8）的长Lp相同，宽Wb2为4mm‑5mm，厚度H1均为0.5mm‑1.5mm；第一中间层介质基板（3）和第二中间层介质基板（4）之间的距离D4为6mm‑8mm。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述上层介质基板（7）和下层介质基板（1）均采用介电常数为2.25，正切角损耗为0.001的材料；上层介质基板（7）长La为49mm‑51mm，宽Wa为47mm‑49mm，厚度H2为0.3mm‑0.7mm；下层介质基板（1）长和宽A2为85mm‑90mm，厚度与第一中间层介质基板（3）和第二中间层介质基板（4）的厚度H1相同；上层介质基板（7）与下层介质基板（1）的距离Wb2为Wb1‑H1。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述印制金属地板（2）为正方形，边长与下层介质基板（1）的长A2相同；印制金属地板（2）上蚀刻的矩形缝隙（21）长Ls为13mm‑15mm，宽Ws为2.5mm‑3.5mm，与印制金属地板（2）一边的距离D5为(A2‑Ws)/2，与印制金属地板（2）另一边的距离D6为(A2‑Ls)/2。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述微带馈线（9）长Lf为47mm‑49mm，宽Wf为
E面宽窄波束切换可重构天线
技术领域
[0001] 本发明属于天线技术领域，特别涉及一种E面宽窄波束切换可重构天线，可用于成像搜索系统、通信系统。
背景技术
[0002] 随着无线通信、现代雷达、电子对抗等技术的迅猛发展，对天线性能的要求也在不断提高。根据具体的应用背景，当需要精准定位、高精度寻找目标时，人们需要某一特定方向的波束很窄的天线来实现这一目标。当需要快速大面积成像搜索时，人们需要天线的波束足够宽。目前的天线多为固定波束，只能实现单一目标。为了实现天线波束宽度的改变，方向图可重构天线应运而生。方向图可重构天线可以在保持频率以及其他电参数基本不变的情况下，改变天线的辐射方向图，使天线具有不同的工作模式。
[0003] 现有的可重构天线天线单元通常选择微带天线，微带天线的结构由介质基板、辐射体及接地板构成。介质基板的厚度远小于波长，基板底部的金属薄层与接地板相接，正面则通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。辐射片的形状根据要求可进行多种变化。微波集成技术和新型制造工艺的兴起推动了微带天线的发展。相比于传统天线，微带天线不仅体积小，重量轻，低剖面，易共形，而且易集成，成本低，适合批量生产，此外还兼备电性能多样化等优势。
[0004] 在方向图可重构天线领域，许多学者进行了深入研究。例如P.Sooksumrar和M.Krairiksh在Proceedings of the Asia‑Pacific Microwave Conference 2011期刊上发表的论文"Compact Pattern Reconfigurable Yagi Patch Antenna"提出利用高模八木贴片天线作为方向图可重构天线，可以在平面结构周围进行方向图切换。该天线电压驻波比小于1.2，增益超过8.9dBi，E面半功率波束宽度为96°，但该方向图可重构天线的波束宽度比较窄。
[0005] 文献“A novel wide beam circular polarization antenna—Microstrip‑Dielectric antenna”通过微带天线在法线方向辐射最大，电磁波在介质基片生成切向电场的特性，增加最大介质基片的面积拓展了波束宽度，波束宽度可达180°，形成宽波束，但这种方法导致天线的尺寸较大。
[0006] 文献“ACompact,Low‑Profile Wire Antenna Applied to Wide‑Angle Scanning Phased Array”通过在微带贴片天线上短路加载的方式增大了天线的波束宽度，波束宽度可达150°，形成宽波束，并且天线尺寸较小，但其不足是：仅能实现单一工作模式，无法实现宽窄波束的切换。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提出一种E面宽窄波束切换可重构天线，利用MEMS开关实现天线宽波束和窄波束两种状态的切换，解决现有可重构天线存在的波束宽度窄和宽波束微带天线存在的尺寸大、模式单一的不足。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提出的一种E面宽窄波束切换可重构天线，包括下层介质基板1和上层介质基板7，下层介质基板1的上下表面分别有印制金属地板2和微带馈线9，印制金属地板2与上层介质基板7之间固定有两个平行的中间层介质基板3和4，这两个中间层介质基板上分别印制有第一金属壁5和第二金属壁6，上层介质基板7的上表面印制有矩形微带辐射贴片8，其特征在于：
[0009] 所述微带辐射贴片8的中间蚀刻有矩形缝隙81，该矩形缝隙81中印制有N个第一控制开关82，5≤N≤10；
[0010] 所述两个金属壁5和6的中间分别蚀刻有矩形缝隙51和61，这两个矩形缝隙中分别印制有N个第二控制开关52和第三控制开关62；
[0011] 所述两个平行的中间层介质基板3和4与两个金属壁5和6及第二控制开关52、第三开关62，这六者形成天线的短路加载结构；
[0012] 通过改变第一控制开关82、第二控制开关52和第三控制开关62的导通电压，控制微带辐射贴片8和两个金属壁5和6的导通或断开，实现天线状态的切换。
[0013] 进一步，所述第一控制开关82、第二控制开关52和第三控制开关62，均为微机电系统MEMS开关，当第一控制开关82断开、第二控制开关52与第三控制开关62连通时，天线方向图呈现E面宽波束；当第一控制开关82连通，第二控制开关52与第三控制开关62断开时，天线方向图呈现E面窄波束。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0015] 第一，本发明在方向图可重构天线中，通过在微带辐射贴片和两个金属壁中间开缝并加载开关，控制金属贴片上电流的通断，可实现天线E面方向图在宽波束和窄波束之间切换。
[0016] 仿真结果表明，本发明宽波束状态下天线E面波束宽度为149.6°，相比现有天线具有较宽的波束宽度，窄波束状态下天线E面波束宽度约为55°，增益可达7dBi。天线在两种状态下均具有良好性能，实用性强。
[0017] 第二，本发明通过金属壁将微带辐射贴片与金属地板连接，以短路加载的方法，极大展宽了天线E面的波束宽度，同时保留了传统微带天线交叉极化低、尺寸小的优点。并通过加载开关，获得E面方向图的波束重构能力，使得本发明天线具有宽波束和窄波束两种工作模式，实用性强。
附图说明
[0018] 图1为本发明实施例的整体结构示意图；
[0019] 图2为图1的分层结构示意图；
[0020] 图3为图2中的上层介质基板上表面的微带辐射贴片的结构示意图；
[0021] 图4为图2中的两个中间层介质基板、上层介质基板和下层介质基板的示意图；
[0022] 图5为图2中的中间层介质基板上对应的表面金属壁的结构示意图；
[0023] 图6为图2中的金属地板及金属地板上的缝隙结构示意图；
[0024] 图7为图2中的微带馈线的结构示意图；
[0025] 图8为本发明实施例的回波损耗特性曲线图；
[0026] 图9为本发明实施例的增益曲线图；
[0027] 图10为本发明实施例在xoz面和yoz面的辐射方向图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明的具体实施例和效果做进一步详细描述：
[0029] 参照图1、图2，本实施例包括下层介质基板1、金属地板2、中间的两个介质基板3和4、第一金属壁5、第二金属壁6、上层介质基板7、矩形微带辐射贴片8和微带馈线9，其中：
[0030] 所述上层介质基板7和下层介质基板1自上而下排列，中间两个介质基板3和4平行放置在上层介质基板7与下层介质基板1之间，形成天线的支撑结构。
[0031] 所述金属地板2印制在下层介质基板1的上表面，金属地板2中间蚀刻有矩形缝隙21，微带馈线9印制在下层介质基板1的下表面，三者形成馈源结构，为天线提供电磁波辐射。
[0032] 所述矩形微带辐射贴片8印制在上层介质基板7的上表面，微带辐射贴片8中间蚀刻有矩形缝隙81，该矩形缝隙81中印制有N个第一控制开关82，5≤N≤10。三者形成天线辐射结构。
[0033] 所述第一金属壁5印制在第一中间层介质基板3表面，第二金属壁6印制在第二中间层介质基板4表面，第一金属壁5的中间蚀刻有矩形缝隙51，该矩形缝隙51中印制有N个第二控制开关52。第二金属壁6的中间蚀刻有矩形缝隙61，该矩形缝隙61中印制有N个第三控制开关62。这六个部分形成天线的短路加载结构。
[0034] 所述N个第一控制开关82、N个第二控制开关52和N个第三控制开关62，通过改变其导通电压，实现天线宽窄波束状态的切换。当第一控制开关82连通、第二控制开关52和第三控制开关62断开时，天线处于窄波束状态，此时的天线辐射可以等效为两个相距Lp的等幅同向磁流；当第一控制开关82断开、第二控制开关52和第三控制开关62连通时，天线处于宽波束状态。微带辐射贴片8被矩形缝隙81分成两个矩形贴片，这两个矩形贴片分别通过金属壁5和6接地，此时微带辐射贴片中心缝隙81处电场最大，可以用一个等效磁流表示，实现了天线波束宽度在E面的展宽。
[0035] 参照图3：矩形微带辐射贴片8的长Lp为29mm‑31mm，宽Wp为27mm‑29mm，其缝隙81的长与矩形微带辐射贴片8的长Lp相同，缝隙81的宽A1为矩形微带辐射贴片8宽Wp的0.02，缝隙81边缘与微带辐射贴片8的长边距离D1为Wp/2‑A1/2。本实例取但不限于Lp为30mm，Wp为28mm，矩形缝隙81中印制的第一控制开关82设为5个。
[0036] 参照图4：下层介质基板1、两个中间层介质基板3和4及上层介质基板7，均采用介电常数为2.25、正切角损耗为0.001的介质材料。两个中间层介质基板3和4尺寸相同，长Lp为29mm‑31mm，宽Wb2为4mm‑5mm，厚度H1均为0.5mm‑1.5mm，这两个中间层介质基板之间的距离D4为6mm‑8mm。上层介质基板7的长La为49mm‑51mm，宽Wa为47mm‑49mm，厚度H2为0.3mm‑0.7mm；下层介质基板1的长和宽A2为85mm‑90mm，厚度为H1。上层介质基板7与下层介质基板1之间的距离Wb2为Wb1‑H2。本实例取但不限于Lp为30mm，Wb2为4.5mm，H1为1mm，D4为7mm，La为
50mm，Wa为48mm，H2为0.5mm，A2为90mm，Wb2为4.5mm。
[0037] 参照图5：两个金属壁5和6的尺寸相同，其长边与矩形微带辐射贴片8的长Lp相同，宽Wb1为4mm‑6mm；第一金属壁5中的缝隙51与第二金属壁6中的缝隙61尺寸相同，其长边与金属壁的长Lp相同，宽与缝隙81的宽A1相同，这两个缝隙51和61与各自金属壁的长边的距离D2均为Wb1的1/2。本实例取但不限于Lp为30mm，Wb1为5mm，A1为0.5mm，D2为2.5mm，两个缝隙51和61中分别印制的第二控制开关52和第三控制开关62均为5个。
[0038] 上述第一控制开关82、第二控制开关52和第三控制开关62均采用微机电系统MEMS开关。
[0039] 参照图6：金属地板2为正方形，其边长与下层介质基板1的长A2相同，其中间的矩形缝隙21长Ls为13mm‑15mm，宽Ws为2.5mm‑3.5mm，且与金属地板10一边的距离D5为(A2‑Ws)/2，与金属地板10另一边的距离D6为(A2‑Ls)/2。该矩形缝隙21的长与宽大小对天线的谐振点影响较大，因此需要合理调节其数值才会使天线的性能达到最佳。本实例取但不限于A2为
90mm，Ls为14mm，Ws为3mm，D5为43.5mm，D6为38mm。
[0040] 参照图7：印制在下层介质基板1下表面的微带馈线9，其长Lf为47mm‑49mm，宽Wf为2mm‑4mm。该微带馈线作用主要有两个：一是负责传输射频信号，二是负责调节天线的阻抗匹配。只有当天线的馈电单元阻抗匹配时，天线的辐射性能和辐射效率才会得到提高。本实例取但不限于Lf为48mm，宽Wf为3mm。
[0041] 本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
[0042] 仿真内容
[0043] 仿真1，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例的回波损耗参数进行仿真计算，结果如图8所示。
[0044] 从参照图8可以看出，以回波损耗参数≤‑10dB为标准，本实例的宽波束工作带宽为3.36‑3.59GHz，窄波束的工作带宽为3.35‑3.6GHz。两者的带宽基本一致，表明本发明天线可以在频率范围内进行波束转换，极大地提高了天线的工作效率以及其实用性。
[0045] 仿真2，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例的增益进行仿真计算，结果如图9所示。
[0046] 从参照图9可以看出，当开关在窄波束状态时，天线的增益均在7dBi以上，且其峰值增益可达到9.5dBi。当开关在宽波束状态时，天线的最高增益为2.5dBi。
[0047] 仿真3，利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例两个频点处的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图10所示，其中：图10(a)和图10(b)为实施例天线在3.4GHz处宽窄波束的E面和H面辐射方向图，图10(c)和图10(d)为实施例天线在3.475GHz处宽窄波束的E面和H面辐射方向图。
[0048] 从图10(a)可以看出，天线在3.4GHz处的窄波束状态时，其主极化方向图在端射方向呈现较好的辐射特性，且交叉极化水平在‑35dB以下；
[0049] 从图10(b)可以看出，天线在3.4GHz处的宽波束状态时，其主极化方向图有较好的全向辐射特性，波束宽度可达140°，且交叉极化水平在‑40dBi以下；
[0050] 从图10(c)可以看出，天线在3.475GHz处的窄波束状态时，其主极化方向图在端射方向呈现较好的辐射特性，且交叉极化水平在‑35dBi以下；
[0051] 从图10(d)可以看出，天线在3.475GHz处的宽波束状态时，其主极化方向图有较好的全向辐射特性，波束宽度可达149.6°，且交叉极化水平在‑40dBi以下。
[0052] 以上仿真结果说明，本发明天线通过在微带贴片上加载两个金属壁，极大地展宽了天线E面的波束宽度，并通过给微带贴片和金属壁加载控制开关，实现天线宽波束和窄波束两种状态之间的转换，且天线在两种状态下均拥有良好的辐射方向图。
