CN102299417A

CN102299417A - 小型化pifa可重构天线装置

Info

Publication number: CN102299417A
Application number: CN2011101560859A
Authority: CN
Inventors: 孟繁义; 冯昆鹏; 刘睿智
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2011-12-28

Abstract

小型化PIFA可重构天线装置，涉及可重构天线装置，为了解决目前缺少具有多频段特性、结构简单的小型天线的问题，它包括介质板、金属地板、射频开关二极管、天线的辐射单元和直流偏置电路，天线的辐射单元包括T型振子、短路耦合谐振枝、耦合传输带和短路传输带，T型振子的底端通过短路传输带与金属地板连通，短路耦合谐振枝邻近T型振子的上横枝中线的左侧的底边缘设置，且留有缝隙，耦合传输带设置在T型振子的中间竖枝的左侧，且耦合传输带右侧的上边缘通过射频开关二极管与短路耦合谐振枝的下边缘连通；金属地板和天线的辐射单元位于介质板的上表面的金属板，金属地板的上边缘与天线的下边缘形成寄生开槽。用于移动终端的无线接入天线。

Description

小型化PIFA可重构天线装置

技术领域

本发明涉及可重构天线装置。

背景技术

目前移动通信终端所用天线的标准结构是外置的单极子天线、螺旋天线和内置的平面倒F形天线(Planar Invert-F Antenna，PIFA)，这些天线结构存在各自的不足，尤其是其相对带宽均在10％以下，难以全面地满足应用的要求。针对传统的单极子天线和螺旋天线的缺点以及现代移动通信的多频段多种模式的具体要求，人们提出了各种改进方案，其中包括：基于变容二极管调谐的PIFA天线、开槽式多谐振枝单极子天线、复合式单极子天线和多馈点天线，然而这些多频天线要么体积过大，无法内置于移动通信终端；要么结构复杂，性能难以调解，始终无法满足人们对移动通信终端多频天线的迫切需求。2007年，Angus等人提出利用可重构方法对移动通信终端用内置式多频天线进行设计，并利用该方法设计出了一种可以满足GSM、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WLAN频段的通信要求的小型化多频内置天线。

采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径，从而减轻天线重量、降低成本并实现良好特性，这种天线就称为可重构天线。可重构天线作为一种新型的天线，其基本工作原理是通过改变天线的结构进而改变天线的电流分布来实现天线参数的重构以及不同的工作模式的切换。

需要指出的是，Angus等人提出了一个好方法，但是他们设计的天线并非完美，主要问题是结构复杂、加工困难。Angus设计的两种天线分别通过馈电点的切换和接地状态的转换来实现谐振长度的变化，从而覆盖GSM、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WLAN频段。这样就势必在天线的原有结构基础上添加射频开关以实现状态转换，导致天线结构趋于复杂，从而加大了加工难度。

为了满足低频通讯频段的设计要求，通常需要天线有很大的尺寸，这与移动设备尺寸有限之间产生了矛盾，然而，简单地增大天线尺寸很难满足带宽的需求，而且，随着移动设备功能的丰富，迫切的需求符合广路网络(WWAN)的天线，目前缺少具有多频段特性，结构简单的小型天线。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前缺少具有多频段特性、结构简单的小型天线的问题，提供一种小型化PIFA可重构天线装置。

小型化PIFA可重构天线装置，它包括介质板、金属地板、射频开关二极管、天线的辐射单元和直流偏置电路，天线的辐射单元包括T型振子、短路耦合谐振枝、耦合传输带和短路传输带，T型振子的底端通过短路传输带与金属地板连通，短路耦合谐振枝设置在邻近T型振子的上横枝中线的左侧的底边缘处，且留有缝隙，耦合传输带设置在T型振子的中间竖枝的左侧，且耦合传输带右侧的上边缘通过射频开关二极管与短路耦合谐振枝的下边缘连通；金属地板和天线的辐射单元位于介质板的上表面的金属板上，金属地板的上边缘与天线的辐射单元的下边缘之间形成寄生开槽，直流偏置电路的正、负极输出端分别对应连接在射频开关二极管的阳极和阴极上。

本发明提供的天线，能在较小的空间尺寸下满足频段间无相互耦合的要求，能够覆盖GSM850(0.824-0.894GHz)、GSM900(0.88-0.96GHz)、GSM1800(1.71-1.88GHz)、GSM1900(1.85-1.99GHz)、TD-SCDMA(1.880-1.92GHz、2.01-2.025GHz)、UMTS(1.92-2.17GHz)、LTE(2.3-2.4GHz)、ISM(2.4-2.458GHz)、IMT(3.4-3.6GHz)和WLAN与Wi-max(4.9-5.9GHz)，这十个无线通信频段，从而使得利用同一天线满足不同地区(不同标准)的移动通信、卫星通信、短距离通信和宽带接入通信成为可能，满足了移动无线通信系统兼容不同的通信模式的需要，为各种无线通信技术共存以及同一技术在不同国家采用不同频段工作的现实问题提供了解决方案，本发明构造的性能优越的多频可重构天线模型，通过添加射频开关二极管3，改变天线自身结构，从而对天线进行重构，使天线工作频段得到扩展，实现天线功能的高度集成；解决了低频段与天线尺寸间的矛盾，通过构造谐振枝产生多个谐振点实现增频，而且结构简单，采用了PCB设计方案，非常易于制造。用于便携式电脑、移动电话和移动多媒体设备的接入天线。

附图说明

图1为本发明的可重构天线的平面示意图，图2为本发明天线辐射部分的示意图，图3为本发明实施的低频段反射系数曲线，图中，实线的曲线对应的状态为开关闭合，虚线的曲线对应的状态为开关断开；图4为开关二极管通断对于IMT频段的影响，实线的曲线对应的状态为开关闭合，虚线的曲线对应的状态为开关断开；图5为开关二极管通断对于IMT频段的影响，实线的曲线对应的状态为开关闭合，虚线的曲线对应的状态为开关断开；图6为寄生开槽宽度对于本发明反射系数的影响，曲线61对应width(寄生开槽宽度)＝0mm、曲线62对应width＝0.5mm、曲线63对应width＝1.0mm、曲线64-width＝1.5mm，曲线65对应width＝2.0mm；图7为寄生开槽长度对于反射系数的影响曲线图，曲线71对应t(寄生开槽长度)＝39mm，曲线72对应t＝43mm、曲线73对应t＝47mm；图8为加工精度对于工作性能影响的分析图，曲线81对应y(耦合传输带与T型振子横枝的距离)＝4.74mm、曲线82对应y＝4.78mm、曲线83对应y＝4.82、4.84、4.86、4.88、4.90mm；图9为本发明辐射增益随频率变化的曲线图，实线为开关闭合，虚线为开关断开；图10为本发明实施方式二构成示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括介质板1、金属地板2、射频开关二极管3、天线的辐射单元5和直流偏置电路6，天线的辐射单元5包括T型振子7、短路耦合谐振枝8、耦合传输带9和短路传输带10，T型振子7的底端通过短路传输带10与金属地板2连通，短路耦合谐振枝8设置在邻近T型振子7的上横枝中线的左侧的底边缘处，且留有缝隙，耦合传输带9设置在T型振子7的中间竖枝的左侧，且耦合传输带9右侧的上边缘通过射频开关二极管3与短路耦合谐振枝8的下边缘连通；金属地板2和天线的辐射单元5位于介质板1的上表面的金属板上，金属地板2的上边缘与天线的辐射单元5的下边缘之间形成寄生开槽4，直流偏置电路6的正、负极输出端分别对应连接在射频开关二极管3的阳极和阴极上。

本发明提出一种可重构多频带无线移动通信终端平面天线，天线结构印制在介电常数为4.4的FR-4介质板上。

天线主体具有四条支路，其中T型振子7(FDCB)支路具有最长的回路，其长度大约为0.88GHz波长的四分之一，通过与倒L结构的耦合传输带9耦合，在GSM850/900频段产生一个很窄的谐振；T型振子7(FDE)支路具有次于最长回路的长度，与T型振子7(FDCB)回路的耦合相似，工作中产生1.68-2.57GHz的谐振带，覆盖GSM1800(1.71-1.88GHz)，GSM1900(1.85-1.99GHz)，TD-SCDMA(1.880-1.92GHz，2.01-2.025GHz)，UMTS(1.92-2.17GHz)，LTE(2.3-2.4GHz)，ISM(2.4-2.458GHz)频段；倒L结构的耦合传输带9(AG)长度约为5.5GHZ波长的四分之一，可以在4.9-5.9GHz范围内产生谐振，覆盖WLAN与Wi-max(4.9-5.9GHz)；短路耦合谐振枝8(HK)通过开关二极管3与耦合传输带9(AG)连接，形成与T型振子7臂(FD)间的耦合，接通二极管开关可以减小回路，形成(HK-DE)耦合回路，从而覆盖3.4-3.6GHz的IMT通讯频段。三个耦合缝隙Gap1、Gap2和Gap3的参数调整，可以精确的控制倒L结构与T型振子7间的耦合强度，从而权衡各个频段的宽度和中心频率，达到实际使用的需求。50Ω的同轴电缆通过馈电点A-A’与天线连接，上部通过A与倒L结构连接，下部通过A’与寄生开槽结构连接。

在天线与地板间的寄生开槽4是本发明的独特结构，寄生开槽4可以增加电流流经的长度，与地板的耦合有益于阻抗匹配和增加带宽，增加寄生开槽的最终效果可以使低频段增加一个谐振频率，从而增加带宽，由很窄的谐振转变为完全覆盖GSM850/900操作频段，同时，由于馈电点处于倒L结构的耦合传输带9与开槽之间，所以通过调整寄生开槽的结构参数还可以使天线与50Ω同轴电缆达到良好的阻抗匹配。

同时寄生开槽还是一个对于天线性能影响十分敏感的结构，图5显示，开槽可以在低频段增加一个在1.0GHz附近的谐振模式。

本发明立体结构的三维尺寸为100×30×1mm³。

具体实施方式二：结合图10说明本实施方式，具体实施方式一中的直流偏置电路6包括电阻R、电感L、开关K和10V电源，10V电源的正极连接在开关K的一端，开关K的另一端与电阻R的一端连接，电阻R的另一端与电感L的一端连接，电感L的另一端连接在射频开关二极管3的阳极，射频开关二极管3的阴极连接在10V电源的负极。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

直流偏置电路6是为了配合天线重构的匹配部分，可以控制射频开关二极管3的通断，电阻R限制最大电流小于10μA，22nH电感防止交变电流进入直流偏置电路6，电源选择为10V的电解电池。

图3是天线两种状态工作下的反射系数曲线，射频开关在图中标示处状态。从图中可以看出，本发明在GSM850(0.824-0.894GHz)、GSM900(0.88-0.96GHz)、GSM1800(1.71-1.88GHz)、GSM1900(1.85-1.99GHz)、TD-SCDMA(1.880-1.92GHz，2.01-2.025GHz)、UMTS(1.92-2.17GHz)、LTE(2.3-2.4GHz)、ISM(2.4-2.458GHz)、IMT(3.4-3.6GHz)、WLAN与Wi-max(4.9-5.9GHz)，这十个频段上的反射系数小于-6dB，可以满足上述频段的无线通讯需求。

图8是加工精度对于天线性能的影响。由于本发明在短路耦合谐振枝8(KH)与T型振子7间存在一个很窄的耦合缝隙，考虑到天线性能对其参数变化十分敏感，故对其进行分析。从图中可以发现，谐振枝的长度4.85-4.9mm范围内对于天线的性能影响很小，对于目前PCB电路板10μm的制作精度而言是十分容易满足的。这也体现了本发明易于制作的优点。

图9是天线辐射系能的指标，低频段增益0.3-2.4dBi，中频段1-2dBi，高频段2-3.5dBi，全向性能很好，适用于移动终端的无线接入天线。

按照本发明提供的多频多模可重构移动终端天线，包括介质板、地板导体、射频开关二极管、寄生开槽、辐射部分及直流偏置电路，其载体可以是FPC(柔性印刷电路板)、PCB(印刷电路板)、单独的塑料结构件或者终端机壳，其导体可以是铜箔、电镀或印刷的金属导体等，其射频开关可以是PIN二极管或MEMS(微机电系统)开关等。

Claims

1.小型化PIFA可重构天线装置，其特征是它包括介质板(1)、金属地板(2)、射频开关二极管(3)、天线的辐射单元(5)和直流偏置电路(6)，天线的辐射单元(5)包括T型振子(7)、短路耦合谐振枝(8)、耦合传输带(9)和短路传输带(10)，T型振子(7)的底端通过短路传输带(10)与金属地板(2)连通，短路耦合谐振枝(8)设置在邻近T型振子(7)的上横枝中线的左侧的底边缘处，且留有缝隙，耦合传输带(9)设置在T型振子(7)的中间竖枝的左侧，且耦合传输带(9)右侧的上边缘通过射频开关二极管(3)与短路耦合谐振枝(8)的下边缘连通；金属地板(2)和天线的辐射单元(5)位于介质板(1)的上表面的金属板上，金属地板(2)的上边缘与天线的辐射单元(5)的下边缘之间形成寄生开槽(4)，直流偏置电路(6)的正、负极输出端分别对应连接在射频开关二极管(3)的阳极和阴极上。

2.根据权利要求1所述小型化PIFA可重构天线装置，其特征在于直流偏置电路(6)包括电阻(R)、电感(L)、开关(K)和10V电源，10V电源的正极连接在开关(K)的一端，开关(K)的另一端与电阻(R)的一端连接，电阻(R)的另一端与电感(L)的一端连接，电感(L)的另一端连接在射频开关二极管(3)的阳极，射频开关二极管(3)的阴极连接在10V电源的负极。