CN102394352B - 双频宽带可重构微带天线 - Google Patents

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双频宽带可重构微带天线包括有辐射帖片(6)、微带槽线(3)、馈电电路(4)、用于控制频率转换实现频率重构的电控开关(5),辐射帖片(6)包括微带伞形振子(1)和与微带伞形振子(1)相连的微带折合振子(2);微带伞形振子(1)位于微带折合振子(2)之下并由微带槽线(3)相连,构成微带天线的正面;馈电电路(4)包括两段连接后近似U形的微带线,构成微带天线的背面,所述U形的微带线位于微带伞形振子(1)的背面且开口向下,电控开关(5)处于馈电电路(4)的两段微带线的之间。通过电子开关在双频宽带上高速切换,可实现频谱的共享和信息的高效传输,提高频谱利用率。

Description

双频宽带可重构微带天线
技术领域
本发明属于无线电天线领域,涉及一种可重构微带天线,尤其适用于认知无线电领域。
背景技术
众所周知,无线电通信频谱是一种非常宝贵的自然资源。随着无线技术的迅速发展和雷达、导航、通信、遥测、遥感、电子对抗等需求的不断增长,以及无线通信在人们工作、生活和娱乐中的应用范围不断扩展。现有频谱资源的紧缺已成为无线电技术领域无法回避的重要问题。为了解决频谱资源匮乏问题,提高频谱的利用率,一种革命性的智能频谱共享技术——认知无线电(CR)技术被提出并得到了业界的欢迎。认知无线电技术从频谱再利用的思想出发,通过智能管理感知外界环境,通过学习,实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等),自适应的调整其内部状态,从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对频谱资源的有效利用。
认知无线电技术的发展对天线技术也提出了新的要求,在尽可能不增加天线数目和设备的情况下,让天线在尽量宽的频带或者多个频带上工作,具有多个工作模式并具有良好的传输特性是业界追求的目标。可重构天线以其多频带集成、结构紧凑、体积小、重量轻、成本低的特点受到了业界的青睐。
该天线面向无线电技术特别是认知无线电技术,根据频谱开发和分配情况以及无线通信的具体要求,实现在不同频段的频谱共享和信息的高效传输,提高频谱利用率,针对一个平台需要多个天线的难题,该天线也同样适用,而且不增加天线的尺寸和设备的成本。
发明内容
技术问题:天线工作受到频带的限制,在无线电技术特别是目前正在兴起的认知无线电技术中,如何实现双频天线集成,且要体积小、结构紧凑、频带宽、电性能优良是一个挑战性的课题。本发明的目的是开发一种双频宽带可重构微带天线,通过电子开关在双频宽带上高速切换,可实现频谱的共享和信息的高效传输,提高频谱利用率。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供一种双频宽带可重构微带天线,该天线包括有辐射帖片、微带槽线、馈电电路、用于控制频率转换实现频率重构的电控开关,辐射帖片包括微带伞形振子和与微带伞形振子相连的微带折合振子,在辐射帖片中间开有T形槽构成微带槽线,
微带伞形振子位于微带折合振子之下并由微带线相连,构成微带天线的正面;馈电电路包括两段连接后近似U形的微带线,构成微带天线的背面,所述U形的微带线位于微带伞形振子的背面且开口向下,电控开关处于馈电电路的两段微带线的之间。
微带折合振子的两个微带臂末端是短路的,当天线工作在双频的低频段时,使微带折合振子末端短路点到馈电点的电长度等于λlow / 4,λlow为低频工作时中心频率的导波长,当天线工作在双频的高频段时,使馈电点到微带折合振子末端短路点的电长度为λhigh / 2,λhigh高频工作时中心频率的导波长。
馈电点到槽线末端短路点的距离d在λlow/6~λlow/4或者λhigh / 4~3λhigh / 8之间,λlow为低频工作时中心频率的导波长,λhigh高频工作时中心频率的导波长。
当λlow / 4 ≠ λhigh / 2时,则折中选取馈电点到微带折合振子末端短路点的长度介于λlow / 4与λhigh / 2之间,λlow为低频工作时中心频率的导波长,λhigh高频工作时中心频率的导波长。
有益效果:
1)天线是由微带伞形振子天线和微带折合振子天线加以合理的构造组合而成,具有天线结构紧凑、尺寸小、重量轻、共用简单的馈电,频带转换通过电控开关(亦可通过机械开关控制),操作简单,控制方便。
2)天线在工作频段内具有宽带特性。工作在低频段,可以实现大于25%的相对工作带宽;工作在高频段,可以实现大于47%的相对工作带宽(天线的驻波VSWR<2)。
3)微带振子臂呈现伞形,通过控制振子臂的下倾角度可以控制天线方向性图的主瓣宽度,在频带内天线的方向性图具有较好的稳定性。
4)采用成熟的PCB(印刷电路)加工工艺,易批量生产,加工精度较高、电性能稳定的天线。
附图说明
图1a、双频宽带可重构微带天线透视图;
图1b、双频宽带可重构微带天线的底面图;
图1c、双频宽带可重构微带天线的顶面图;
图2、3.6GHz双频宽带可重构微带天线回波损耗图; 
图3、2.4GHz双频宽带可重构微带天线回波损耗图; 
图4、2.4GH时天线方向性图仿真结果;
图5、2.4GH时天线方向性图实测结果;
图6、3.6GHz时天线方向性图仿真结果;
图7、3.6GHz时天线方向性图实测结果。 
其中有:     
1—微带折合振子;2—微带伞形振子;3—微带槽线
4—馈电电路; 5—电控开关;6—辐射贴片(包括微带折合振子和微带伞形振子);
w1为微带伞形振子天线的水平臂长,
w2为微带折合振子天线的臂长,
w3为馈电的微带线宽度,
wb为馈电电路地板的宽度,
la为馈电点与折合振子天线中心之间的距离,
fedw1-fedw3 为馈电电路中各节微带线的宽度,
fedl1-fedl3   为馈电电路中各节微带线的长度,
fw1   为微带折合振子下臂的宽度,
fw2   为微带折合振子上臂的宽度,
q1    为高频工作时微带线的谐振长度,
q1+q2 为低频工作时微带线的谐振长度,
d     为馈电点到槽线末端短路点的距离,
dw    为微带伞形振子臂的宽度,
slot1,slot2分别为第一、第二段微带槽线的宽度,
φ    为微带伞形振子臂下倾角度,
x     是电控开关接入点。
具体实施方式   
双频宽带可重构微带天线由微带伞形振子和微带折合振子构成的辐射贴片、微带槽线、馈电电路及电控开关组成,微带折合振子位于微带伞形振子之上并由微带槽线相连,处于辐射贴片异侧面的两段微带线构成馈电电路,中间插入电控开关(也可以是机械开关)。该天线是将结构紧凑、性能优良的微带伞形振子和微带折合振子加以巧妙的构造组合,采用结构简单的微带-槽线耦合馈电方式,双频段共用馈电,并通过电控开关控制馈电电路微带线的谐振长度,从而实现天线在两个不同频段上进行工作转换,到达频率可重构的目的。
双频宽带可重构微带天线,包括介质基板、微带伞形振子、微带折合振子、馈电电路和控制频率切换的电控开关。介质基板的上层金属表面是由两段微带线构成的馈电电路,下层金属表面是由微带伞形振子和微带折合振子组成的辐射贴片,中间开有“T”形槽构成微带槽线,微带伞形振子和微带折合振子通过微带槽线连接,由微带线与微带槽线交汇处的馈电点到微带折合振子短路末端的电长度介于λlow / 4与λhigh / 2之间(λlow为低频工作时中心频率的导波长,λhigh高频工作时中心频率的导波长)。双频段共用馈电,馈电采用微带-槽线耦合方式,馈电点到槽线的底端短路点的距离d在λlow/6~λlow/4或者λhigh / 4~3λhigh / 8之间;馈电电路的微带线终端开路,电控开关安装在馈电电路的两段微带线之间,控制馈电电路微带线的谐振长度,实现双频之间的切换。当开关导通时,天线工作在低频段,馈电点到微带开路端长度为λlow /4;当开关断开时,天线工作在高频段,馈电点到微带开路端长度为λhigh /4。
参见图1-7,双频宽带可重构微带天线,该天线包括辐射帖片6、微带槽线3、馈电电路4、用于控制频率转换实现频率重构的电控开关5,辐射帖片6包括微带伞形振子1和与微带伞形振子1相连的微带折合振子2。
微带伞形振子1位于微带折合振子2之下并由微带线相连,馈电电路4包括两段微带线构成U形微带线。
微带伞形振子1和微带折合振子2位于辐射帖片一面的金属层上,馈电电路4位于辐射帖片的另一面的金属层上,是一开口朝下的U形微带线,相对与微带槽线3中心对称,低端与发射/接收电路相连,电控开关5处于馈电电路4的两段微带线的中间。
微带折合振子2的两个微带臂末端是短路的,当天线工作在双频的低频段时,使微带折合振子2末端短路点到馈电点的电长度等于λlow / 4,λlow为低频工作时中心频率的导波长,即理论上微带折合振子在微带伞形振子馈电点等效阻抗为无穷大(实际上足够大即可),以阻止电流流入微带折合振子,仅使微带伞形振子在低频工作;当天线工作在双频的高频段时,使馈电点到微带折合振子2末端短路点的电长度为λ high / 2,λ high高频工作时中心频率的导波长,这样使微带折合振子对馈电点呈现很小的阻抗,电流流入微带折合振子使其工作。由于微带折合振子臂的长度w2相对于工作频率是固定量(接近λ high/ 2),因此,恰当的选取微带伞形振子和微带折合振子之间的距离la,可使其满足上述条件。
电控开关5用于控制馈电电路4微带线的谐振长度来实现天线在双频段之间的切换,电控开关5闭合/导通状态,天线工作于低频段,此时馈电电路微带线的谐振长度,即微带开路末端到馈电点的电长度为λ low / 4;电控开关断开状态,天线工作于高频段,此时微带线的谐振长度变短至λ high / 4,电控开关的位置就在距离馈电点λ high / 4处,λ low为低频工作时中心频率的导波长,λ high高频工作时中心频率的导波长。
馈电点到槽线末端短路点的距离d在λlow/6~λlow/4或者λhigh / 4~3λhigh / 8之间,λ low为低频工作时中心频率的导波长,λ high高频工作时中心频率的导波长。具体取值取决于天线实际应用中高低工作频率的比值。
λ low / 4 ≠ λ high / 2时,则折中选取馈电点到微带折合振子末端短路点的长度介于λlow / 4与λhigh / 2之间,λ low为低频工作时中心频率的导波长,λ high高频工作时中心频率的导波长。
微带伞形振子在双频中的低频起作用,微带折合振子在双频中的在高频起作用。
天线的馈电采用微带与槽线耦合的方式,微带与槽线交汇处为馈电点,馈电电路采用多节微带变换方式实现天线的阻抗匹配。
馈电电路采用多节微带变换方式实现天线的阻抗匹配,其中多节微带中的微带的宽度不同。
微带伞形振子1和微带折合振子2构造的组合、距离l a 的选取,以及馈电电路各段微带线的长度、电控开关安装的位置,槽线长度d的值等。微带折合振子2的两个微带臂末端是短路的,当天线工作在双频的低频段时,使微带折合振子2末端短路点到馈电点的电长度等于λ low / 4(λ low为低频工作时中心频率的波长),即理论上微带折合振子2在微带伞形振子1馈电点等效阻抗为无穷大(实际上足够大即可),以阻止电流流入微带折合振子,仅使微带伞形振子在低频段工作;当天线工作在双频的高频段时,使馈电点到微带折合振子2末端短路点的电长度为λ high / 2(λ high高频工作时中心频率的导波长),这样使微带折合振子2对馈电点呈现很小的阻抗,电流流入微带折合振子2使其工作。由于微带折合振子2臂的长度相对于工作频率是固定量(接近λ/ 2),因此根据电磁场与微波技术中的传输线原理,恰当的选取微带伞形振子1和微带折合振子2之间的距离l , 可使其满足上述条件并使微带伞形振子1和微带折合振子2分别工作在两个频段而互不干扰。当λ low / 4 ≠ λ high / 2时,则折中选取馈电点到微带折合振子末端短路点的长度,使其介于λlow / 4与λhigh / 2之间。
馈电电路4的馈电采用微带与槽线耦合方式,微带线与背面微带槽线交汇处即为馈电点,在馈电点实现微带与槽线耦合,馈电电路采用多节宽度不同的微带线相连的方式实现天线的阻抗变换并匹配,在馈电电路两段微带线中间处用电控开关将其相连。
电控开关5位置也是双频正常工作的关键之一,电控开关5用于控制馈电电路微带线的谐振长度来实现天线在双频段的切换。电控开关闭合(导通)状态,天线工作于低频段,此时馈电电路中微带线开路端到馈电点的电长度约为λ low / 4;电控开关断开状态,天线工作于高频段,此时微带线的谐振长度变短,馈电点到微带开路端电长度约为λ high / 4,所以选择电控开关的位置在距离馈电点λ high / 4处。
馈电点到槽线的末端短路点的距离d是又一关键参数。由于槽线在末端短路,在低频段工作时,经过λlow/4电长度,在馈电点呈现的等效阻抗最大;在高频段工作时,经过λhigh / 4电长度,在馈电点呈现的等效阻抗也最大,从而保证了天线在两个频段都具有较好的驻波特性(VSWR(电压驻波系数)<2)。但d不可能同时满足高低两频段的要求,折中取值在λlow/6~λlow/4或者λhigh / 4~3λhigh / 8之间,具体取值取决于高低工作频率的比值。
实施实例
我们在2.4GHz和3.6GHz两个频段上实现了双频宽带可重构微带天线。其中基片介电常数为2.65,基片厚度为1mm。具体设计参数见表1。
表1 (单位:mm,deg)
w1 w2 w3 wb la fedw1 fedw2 fedw3
53.34 35.29 10.25 20.00 17.91 2.60 2.48 1.61
fedl1 fedl2 fedl3 fw1 fw2 q1 q2 d
11.63 9.90 9.51 6.60 0.90 14.43 13.72 25.73
dw slot1 slot2
Figure 344036DEST_PATH_IMAGE001
(o)
h      
8.42 2.85 1.47 10.4 1.00      
    天线的仿真及测试结果参见图2-图7。
双频宽带可重构微带天线的工作原理:
双频宽带可重构微带天线利用微带伞形振子和微带折合振子天线的固有特性,合理的将其组合在一起,选用了同一种微带-槽线耦合馈电方式,通过改变馈电电路微带谐振长度(从微带线末端到馈电点的距离),即θ b 若是q1对应的工作在高频时的电长度;θ c 是q1+q2对应的工作在低频时的电长度,则θ θ c 分别对应各自中心频率的λ g /4λ g 是天线工作频段中心频率的导波长),可使天线在馈电点处匹配,从而在不同的频段之间切换。馈线采用多节微带变换,实现输入端阻抗匹配。该天线辐射贴片中微带伞形振子工作在低频段,微带折合振子工作在高频段,微带折合振子末端短路点到馈电点的长度介于λ low / 4与λ high / 2之间,在馈电点可以实现不同频率下电流的分流,使两天线振子之间能够互不干扰的独立工作,从而实现天线的频率重构。当微带折合振子长度固定时,可调节微带振子臂和折合振子臂之间的距离la实现上述目的。此外,根据高低工作频率的比值,恰当的选择d能同时满足高低两频段的阻抗匹配的要求,本例中折中取值在λlow/6~λlow/4或者λhigh / 4~3λhigh / 8之间。
    双频宽带可重构微带天线有以下发明创造点:
将两种宽带微带伞形振子和折合振子天线巧妙地构造组合在一起,形成了一种结构简单、紧凑,共用馈电,频率切换方便,具有双频宽带特性的新型可重构天线。该天线的创造点是:其一,天线结构紧凑,两副天线合二为一;其二,采用统一的馈电方式;在电性能上,可重构双频天线可以各自独立工作在相应的宽频段上而互不干扰。关键点是通过合理选取两种振子臂的长度、两者之间的距离、电控开关的位置、微带线的谐振长度及槽线到底边短路点的距离。该设计不仅保持了宽带微带伞形振子和折合振子天线原有的优良性能,而且两者融合后依然保持了原有的高性能,且有很好的隔离特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种双频宽带可重构微带天线,其特征在于:该天线包括有辐射帖片(6)、微带槽线(3)、馈电电路(4)、用于控制频率转换实现频率重构的电控开关(5),辐射帖片(6)包括微带伞形振子(1)和与微带伞形振子(1)相连的微带折合振子(2),在辐射帖片(6)中间开有T形槽构成微带槽线(3),
微带伞形振子(1)位于微带折合振子(2)之下并微带线相连,构成微带天线的正面;馈电电路(4)包括两段连接后近似U形的微带线,构成微带天线的背面,所述U形的微带线位于微带伞形振子(1)的背面且开口向下,电控开关(5)处于馈电电路(4)的两段微带线的之间;
微带折合振子(2)的两个微带臂末端是开路的,T型槽线在微带折合振子(2)的两个微带臂末端处是短路的,当天线工作在双频的低频段时,使T型槽线在微带折合振子(2)的两个微带臂末端处短路点到馈电点的电长度等于λlow/4,λlow为低频工作时中心频率的导波长,当天线工作在双频的高频段时,使馈电点到T型槽线在微带折合振子(2)的两个微带臂末端处短路点的电长度为λhigh/2,λhigh为高频工作时中心频率的导波长。
2.根据权利要求1所述的双频宽带可重构微带天线,其特征在于:馈电点到槽线末端短路点的距离d在λlow/6~λlow/4或者λhigh/4~3λhigh/8之间,λlow为低频工作时中心频率的导波长,λhigh高频工作时中心频率的导波长。
3.根据权利要求1所述的双频宽带可重构微带天线,其特征在于:当λlow/4≠λhigh/2时,则折中选取馈电点到T型槽线在微带折合振子(2)的两个微带臂末端处短路点的长度介于λlow/4与λhigh/2之间,λlow为低频工作时中心频率的导波长,λhigh高频工作时中心频率的导波长。
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