CN102255137A - 可变频微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变频微带天线，包括：一个地板；一个辐射板；一个连接器，该连接器通过设置于辐射板上的馈电点连接到辐射板；从地板下可以通过该连接器激励到辐射板，形成电磁辐射；至少有两个短路板，短路板导通状态可控，该短路板通过设置于辐射板边缘的连接点一端连接到辐射板，另一端连接到地板，通过控制短路板导通状态可以控制辐射板与地板的连接状态。本发明的可变频微带天线通过改变短路板的接通状态改变工作频率，工作在一个很宽的频带内，提高天线的性能。

Description

可变频微带天线

技术领域

本发明涉及一种可变频微带天线的设计方法，尤其涉及一种辐射板和地板之间通过多个短路板连接，短路板的导通/断开状态可控的可变频微带天线。 

背景技术

当今无线通信技术的迅速发展带动了多模移动终端的发展，由于各种通信标准的工作频段不同，移动终端的天线需要同时支持多个工作频段。但是，传统微带天线由于受到尺寸、带宽、效率等基本关系的限制，很难同时满足小型化、宽频带、多频带的要求。目前大部分多模移动终端都采用多频天线或者采用多天线的方案，但是随着新通信标准的应用，传统多频天线的覆盖频段数量不能满足要求，而受到移动终端体积的限制，在有限空间内采用多天线将会产生很强的互耦合，而且多天线还将导致终端成本和能耗的提高，所以天线问题将成为今后多模技术发展的阻碍。

一方面，可变频天线并不覆盖一个很宽的工作频段，而是提供一些可供选择的工作频段，天线的工作频率可以随着不同的天线设置而改变，满足多模移动终端的要求。另一方面，天线调谐还可用于补偿由于邻近效应或周围环境改变而导致的频率失谐，这点对于移动终端极为重要，由于终端所处的环境是未知的，受到环境影响，移动终端天线的工作频率可能发生偏移，导致发射信号的质量下降，采用可变频天线的移动终端可以根据所处环境调节其天线的工作频率保证发射信号的质量。国外对此类天线研究较多,国内研究较少,从实现方法上大体可以分为以下五类:

1.  改变辐射板结构的可变频天线

2.  改变辐射板加载电容的可变频天线

3.  改变馈源位置的可变频天线

4.  采用馈源匹配电路的可变频天线

5.  采用可变介电常数材料的可变频天线。

方法1将辐射板分成几个部分，并采用PIN二极管、砷化镓场效应管、微电子机械系统开关等开关器件相互连接，通过改变开关状态控制电流在辐射板上的流动，使天线工作在不同的频段。方法2在辐射板上加载可变电容，通过调节电容值，改变天线的工作频段。方法3使用了多个馈源，由于多个馈源和辐射板的连接位置不同，因此不同馈源馈电时天线的工作频率也不同。方法4采用馈源匹配电路，通过电路方式调节天线的工作频率。方法5采用可变介电常数的材料，当在介质材料两端加不同的偏置电压时，材料的介电常数不同，由基本辐射原理可知天线的工作频率将随介电常数的改变而改变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种频率可变的平面倒F天线。由于平面倒F天线辐射板上的电流经过短路板流向地板，改变天线短路板的位置后，天线的等效电流路径、谐振长度也随之改变，从而达到改变天线工作频率的目的。实际应用中可以采用辐射板和地板之间由多条位置不同的短路板连接的天线结构，通过控制短路板导通/断开的状态，达到改变短路板位置的效果。导通时电流经过短路板流向地板，相当于此位置安放了短路板，断开时电流不可以通过，相当于此位置不存在短路板。天线短路板的导通/断开状态既可以通过附加在短路板上的开关器件进行手动调节，也可以通过移动终端软件控制。

根据本发明提供的一种可变频微带天线，包括：金属地板、矩形辐射板、短路板、同轴连接器，辐射板与金属地板平行放置，同轴连接器的外芯连接到金属地板，内芯连接到辐射板上的馈电点（同轴电缆的内芯与辐射板的连接点称为馈电点），以激励辐射板辐射电磁波，金属地板和辐射板之间设置两个（或多个）位置不同的短路板，通过控制短路板导通/断开的状态，使得同一时刻只有一个短路板导通，其他短路板断开，以此达到改变短路板位置的效果（导通时电流经过短路板流向地板，相当于此位置安放了短路板，断开时电流不可以通过，相当于此位置不存在短路板）。天线短路板的导通/断开状态既可以通过附加在短路板上的开关器件进行手动调节，也可以通过移动终端软件控制。

整个天线至少设置两个短路板（也可设置多个短路板），当天线设置两个短路板时（分别位于辐射板短边和长边），其中，辐射板与金属地板平行放置，短路板用来连接辐射板与金属地板，一个短路板的一端连接到辐射板的短边的边缘，另一端连接到金属地板，短路板与辐射板和金属地板均垂直。另外一个（或多个）短路板的一端连接到辐射板的长边的边缘，另一端连接到金属地板，同样与辐射板和金属地板均垂直。从辐射片顶部向下看，位于辐射板短边的短路板（一个）和位于辐射板长边的短路板（一个或多个）的位置关系成L形，天线具有两个可变的工作频率。当天线设置多个短路板时，可设置为一个位于辐射板短边，其他位于辐射板长边，则天线具有多个可变的工作频率。

随着短路板位置不同，辐射板上的电流通过短路板流向地板所经过的路径也不相同，随着短路板位置沿着辐射板边缘不断向远离（或靠近）馈电点的方向移动，辐射板上等效电流路径长度不断改变，天线谐振长度也随之不断变化，天线可以工作在不同的频段，所以可以通过改变短路板位置改变天线工作频率。

可以在辐射板和地板之间设置两个（或者多个）短路板相连接，在某一时刻只有一个短路板是导通的，其他短路板是断开的，辐射板上的电流通过导通的短路板流向地板，对应一个天线工作频率。当此短路板断开，其他短路板（其中之一）导通时，天线辐射板上的电流通过其他短路板流向地板，对应其他天线工作频率。采取此结构可以实现通过改变短路板位置改变天线工作频率。这种可变频结构的微带天线，克服了传统微带天线工作带宽窄、工作频段固定，不可以根据需要进行改变的缺点，是一种非常有前途的小型多频、宽频微带天线的解决方案。相比其他变频天线的设计方法，此设计过程简便、天线结构简单、可靠、成本低廉。同时，相比于普通的其他不可变频的多频或单频微带天线，本发明的可变频微带天线可以通过调节短路板的宽度,来调节天线和馈源之间的阻抗匹配。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述和权利要求，本发明的其他目的和成就将显而易见，并可对本发明有全面的理解。

附图说明

图1是本发明实施例的主视图；

图2是本发明实施例的左视图；

图3是本发明实施例的俯视图；

图4是本发明实施例的随短路板位置变化的回波损耗图；

图5是本发明实施例的回波损耗测试曲线图。

具体实施方式

平面倒F天线具有低剖面、重量轻、成本低的特点，因此广泛应用于移动终端设备中。平面倒F天线不同于一般微带天线，辐射板和地板之间由一个短路板相连接，因此体积缩小为普通微带天线的二分之一，短路板的位置、宽度固定不变。通过研究发现，平面倒F天线短路板的位置及宽度对天线工作频率、方向图、带宽等参数都有影响。因此，通过改变短路板位置及宽度可以达到调节平面倒F天线工作频率、方向图等参数的目的。

本发明提出一种新型的改变平面倒F天线工作频率的天线，包括：金属地板、矩形辐射板、短路板、辐射板、同轴连接器。

辐射板和地板之间由两个（或者多个）短路板相连接，一个短路板沿辐射板短边放置，至少一个短路板沿辐射板长边放置，沿辐射板两边放置的短路板位置相互垂直。通过控制一个或多个短路板的导通/断开状态，改变天线的工作频率。

短路板一端连接到辐射板的边缘，另一端连接到金属地板，同轴连接器的外芯连接到金属地板，内芯连接到辐射板上，从地板下可以通过该连接器激励到辐射板，形成电磁辐射。

所述短路板位置和导通状态可控（由短路板上的开关或者终端软件控制），随着短路板位置不同，辐射板上的电流通过短路板流向地板所经过的路径不相同，天线工作频率也不同。因此，通过改变平面倒F天线的短路板位置来改变天线的工作频率。

比如，在某一时刻控制某块短路板导通，其他短路板断开，辐射板上的电流通过导通的短路板流向地板，对应一个天线工作频率。当控制该导通的短路板断开，其他短路板（其中之一）导通时，天线辐射板上的电流通过其他短路板流向地板，对应其他天线工作频率。改变平面倒F天线的短路板位置，可以经由控制短路板的开关状态来改变天线工作频率，短路板的位置滑动可变，在短路板上设置有开关，控制短路板的导通和断开，开关可以是机械开关，通过手动调节短路版的导通和断开，以及短路板的位置，也可以是电动控制开关，通过移动终端发送控制命令控制控制断开和闭合，以使短路板导通和断开，此方法可以在很大的范围内调节天线的工作频率、并且设计简单、制作成本低。

下面结合附图，通过具体实施例详细说明本发明的技术方案。

参考图1，本实施例的可变频微带天线包括：金属地板、矩形辐射板、基板、发泡材料块、同轴连接器、沿辐射板短边放置的短路板、沿辐射板长边放置的短路板。

基板3位于金属地板1的上方，与金属地板1平行设置，矩形金属贴片2设置在基板3的上表面作为辐射板,馈电点位于矩形辐射板较长的中轴线上，同轴连接器的外芯52连接到金属地板1，同轴连接器的内芯51穿过基板3连接到辐射板上的馈电点，以激励金属贴片2，辐射电磁波。

金属地板和辐射板之间设置多个导通/断开状态可控的短路板连接，控制短路板的导通/开关状态，使得同一时刻只有一个短路板导通，另一个短路板断开，以此达到改变短路位置的效果。短路板的导通/断开状态，可有短路板上的开关控制手动控制，也可由终端软件控制。

本实施例中矩形的金属贴片2为微带天线的辐射板，一方面，在不改变天线性能的前提下，可以采取多种措施减小辐射板尺寸，例如在辐射板上开槽，或者将辐射片折叠。另一方面，根据不同的应用，辐射板也可以有多种的设置方式。例如，可以是一个自支撑的金属薄片，而不必包括一个基板，也可以在一个基板上采用附着、沉积、印刷和边缘用螺丝固定的方式，形成辐射板。

同样，本发明的金属地板也可以是一个自支撑的金属片或者是采用与辐射板类似的方式，形成在一个基板上。

本实施例以设置两块短路板的情况进行说明，参考图2，可以看到天线包括两块短路板（短路板6和短路板7），两块短路板位于辐射板和金属地板之间。短路板6一端连接辐射板短边边缘，另一端连接金属地板，与辐射板、金属地板相垂直（辐射板与金属地板相平行）。短路板7一端连接辐射板长边边缘，另一端连接金属地板，同样与辐射板、金属地板相垂直，短路板6和短路板7之间相互垂直放置。短路板也可以有多种的设置方式，例如，该短路板可以是一个圆柱形金属导体，而不必是金属片的形式。

同轴连接器5的内芯51穿过基板3连接到矩形辐射板2的馈电点。实例中馈电点位于辐射板长轴轴线或靠近轴线附近位置，并且靠近短路板6的区域中，但是如果偏离这一区域，可能会使得天线的性能显著变坏。

在金属地板1和基板3之间还可以加一层发泡材料块4，发泡材料块4主要起固定和绝缘作用。由于发泡材料块4的支撑可以使天线更加牢固，不易损坏。一般而言，发泡材料块4选择介电常数与空气接近的材料，如发泡聚苯烯塑料。如果选择的发泡材料块4的介电常数与空气不接近，则根据介电常数调整天线地板和辐射板之间的距离使之匹配。

当然，本发明金属地板和辐射板之间也可以用塑料螺钉支撑，固定而不用整块的发泡材料块。或者在要求不高的情况下，也可以采用带支撑作用的连接器来解决固定和支撑的问题。

参考图4，图中曲线是短路板6断开，短路板7导通，并且短路板7沿着辐射板长边向远离馈电点的方向移动时的回波损耗曲线变化图。回波损耗-10dB以下的范围定义为天线的带宽，也就是天线的工作频段，从图中可以看出，随着短路板7不断向远离馈电点的方向移动时，天线的工作频段逐渐向右移动，因此，通过改变短路板7的位置可以改变天线的工作频段。

参考图5，“天线A仿真S11”曲线是短路板6接通，短路板7断开时的天线回波损耗图。“天线B仿真S11” 曲线是短路板7接通，短路板6断开时的天线回波损耗图。回波损耗-10dB以下的范围定义为天线的带宽，从图中可以看出，在回波损耗-10dB上，“天线A仿真S11”曲线和“天线B仿真S11”曲线的开口位于两个不同位置，天线可以工作在两个频段。可以通过短路板6和短路板7上的开关，控制短路板6和短路板7的导通状态。

以上实施例仅用以说明，而非限制本发明的技术方案，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均涵盖在本发明的权利要求保护的范围之中。 

Claims (7)

1.一种可变微带天线，包括：金属地板、辐射板、短路板、同轴连接器，其特征在于，辐射板与金属地板平行设置，同轴连接器的外芯连接到金属地板，同轴连接器的内芯连接到辐射板上的馈电点，馈电点对外进行电连接，以激励辐射板辐射电磁波，金属地板和辐射板之间设置多个位置可变的短路板，短路板与辐射板和金属地板均垂直，短路板上设置开关，用于控制短路板的导通和断开，通过变化各短路板的位置和控制短路板的导通和断开改变天线工作频率。

2.根据权利要求1所述的可变微带天线，其特征在于，矩形金属贴片设置在基板的上表面作为辐射板。

3.根据权利要求1所述的可变微带天线，其特征在于，馈电点位于靠近外侧一块短路板的辐射板长轴附近的区域。

4.根据权利要求1所述的可变微带天线，其特征在于，当天线设置两个短路板时，短路板分别位于辐射板短边和长边，短路板的一端连接到辐射板短边的边缘，另一端连接到金属地板，另外一个短路板的一端连接到辐射板的长边的边缘，另一端连接到金属地板，天线具有两个可变的工作频率。

5.根据权利要求1所述的可变微带天线，其特征在于，当天线设置多个短路板时，一个短路板设置在辐射板短边位置，其他短路板设置在辐射板长边位置，天线具有多个可变的工作频率。

6.根据权利要求1-5其中之一所述的可变微带天线，其特征在于，根据回波损耗控制短路板的滑动位置，短路板滑动位置使其回波损耗在-10dB范围内。

7.根据权利要求2-5其中之一所述的可变微带天线，其特征在于，在金属地板和基板之间加一层发泡材料块，选择介电常数与空气接近的发泡材料块。

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