CN102437420A - 共面波导馈电的三频频率可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共面波导馈电的三频频率可重构天线。它包括上层的金属微带、中层的介质基板和下层的背面地板。金属微带包括辐射贴片、共面波导地板、共面波导馈线、匹配枝节和4个PIN二极管，共面波导地板包围着辐射贴片。共面波导地板与辐射贴片之间由四个PIN二极管连接，共面波导馈线位于共面波导地板下边中央开口处而与辐射贴片连成一体，匹配枝节与共面波导地板上部连成一体。背面地板是位于介质基板背面对应于共面波导地板下部和共面波导馈线下面的金属镀层，与金属微带共同构成微带天线。本发明可以工作在0.9GHz、1.8GHz、2.4GHz三个无线通信频段上，并且三个频段上的方向图大致保持不变,都具有较大的带宽，同时省去了开关偏置电路的设计，减小开关对天线辐射性能的影响。

Description

共面波导馈电的三频频率可重构天线

技术领域

本发明涉及一种共面波导馈电的三频频率可重构的微带天线。属于无线通信领域中具有多个频率可调的频率可重构天线范畴。

背景技术

当今无线通信技术飞速发展，只要有无线网络覆盖的地方人们可以自由地与他人通信或者进行数据的传送。新的无线技术不断地出现，所使用的无线频段也不断地在更新。例如GSM900系统，DCS1800系统,3G无线通信系统，WLAN无线局域网系统，WiMAX等系统都使用了不同的无线电频谱。目前通用的解决方案是在系统设备上架设多个相对应的天线。考虑到无线通信设备对各通信标准的支持与集成这以及未来新生的通信标准，这种方案的存在其缺点就是：架设天线数量多、频谱利用率小、设备体积增大、成本高，天线之间的干扰大。应对这些问题学者们提出了可重构天线的概念。其特点是在单一口径的天线上，动态改变其物理机构实现多个天线的功能。具有频率可重构功能的天线就可以使得天线动态地在多个频段上工作，各频段之间几乎没有干扰，同时辐射的方向图可以保持大致不变。

发明内容

本发明针对目前主流无线通信系统使用的三个频段：0.9GHz、1.8GHz、2.4GHz，提供一种共面波导馈电的三频频率可重构天线，使其在三个频段上都能实现较好的阻抗匹配，拥有较大的阻抗带宽，同时还能省去开关偏置电路的设计，减小开关对天线辐射性能的影响。

为达到上述目的，本发明的构思是：

（1）      天线由共面波导馈电，通过在辐射缝隙上并联开关元件改变其谐振长度达到频率可重构的目的。在此发明中使用的开关元件为射频PIN二极管。

（2）      天线工作在不同的频段上时，对于各频段工作的辐射缝隙采用不同的缝隙宽度，使得在这些频段上都能获得较好的阻抗匹配。

（3）      利用共面波导馈电天线的辐射体和接地平面共面的特点，二极管的正负极可以焊接在同一平面，省去了开关偏置电路和接地孔的设计。

（4）      本发明采用如下的介质板材料：介质基板选用介电常数为                                                

=2.65，厚度h=0.8mm。采用共面波导馈电和平面微带结构。

（5）      天线共分三层，即上层为金属共面波导结构，中间层是介质板层及输入输出端口，介质板材背面即下层为一层金属镀层，其中输入输出端口处焊接两个SMA接头，用于实际测量与应用。正面金属微带结构是有一个共面波导馈线，平面微带缝隙天线，以及射频PIN二极管组成，通过改变缝隙的宽度和PIN二极管的位置可以调整天线的工作频段及其阻抗匹配。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种新型的共面波导馈电的三频频率可重构天线，包括上层的金属微带、中层的介质基板和下层的背面地板，其特征在于所述金属微带包括辐射贴片、共面波导地板、共面波导馈线、匹配枝节和4个PIN二极管，所述共面波导包围着辐射贴片，共面波导地板与辐射贴片之间由四个PIN二极管连接，共面波导馈线位于共面波导地板下边中央开口车而与辐射贴片连成一体，匹配枝节与共面波导地板上部连成一体；所述背面地板是位于介质基板背面对应于共面波导地板下部和共面波导馈线下面的金属镀层，与所述金属微带共同构成微带天线。两组二极管的偏置方向相反，并且根据不同的工作频段放置在特定的位置上。当从馈电端口馈入不同的偏置电压的时候，天线工作在所设计的三个不同频段上。

所述辐射贴片左右两个边缘与共面波导地板之间的缝隙宽度相等，辐射贴片下边缘与共面波导地板间的缝隙宽度大于辐射贴片左右两个边缘与共面波导地板间的缝隙宽度。

所述缝隙可以通过改变其宽度对各个工作频段的阻抗匹配和阻抗带宽进行调整和均衡，能够使得天线在三个工作频段下都能有较好的阻抗特性。

所述辐射贴片的形状，并且直接与共面波导馈线相连形成一个整体。

所述介质板层为介电常数=2.65的介质板，该介质板厚度h =0.8mm。

所述匹配枝节的形状为矩形，其上边缘与共面波导地板直接连接成一个整体。

所述的正面微带天线和反面的金属镀层需要是导电性较好的金属材料，如金、银或铜。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

（1）      实现天线多个频段工作的方法通常有两种：一种是多口径天线，它是通过多个口径馈电实现多个频段，由于多个口径的存在，使得天线结构复杂，设计困难，成本高。另一种是单口径多频天线，它是在单个口径上同时实现多频工作，但是在同一时刻接收多个射频信号，增加了各个信号间的串扰。而本天线则可以通过开关动态得控制天线的工作频段，每次只有一个频段工作，而且还是单口径馈电，使得天线的设计复杂度降低，同时也提高了射频信号接受的可靠性。 

（2）      目前大多数的频率可重构天线是工作在两个频段上的，而此天线则可以工作在3个频段上，而且是三个主流无线通信系统使用的频段，具有较高的实用性。

（3）      此天线采用共面波导馈电使得微带天线的辐射体和接地面在同一平面，充当开关的二极管可以直接焊接在缝隙的两端。这样的设计摒弃了传统的可重构天线在辐射体上焊接开关，设计直流偏置电路，设计直流隔离区，设计接地孔的步骤。将开关对天线辐射特性的影响降低，同时也将天线的设计简化。

（4）      有些可重构天线在向二极管提供直流偏置的时候，需要在天线上焊接导线。这么做会影响天线的辐射特性，同时对天线集成入系统中带来不便。此天线则不需要焊接此类导线，只需直接在馈电端口馈入驱动二极管工作的电压就可以使天线工作。

（5）      此天线在三个工作频段的辐射方向图大致保持不变，增益也比较接近。同时在这三个频段上的阻抗带宽也较大，满足未来宽带信号的传输要求。

附图说明

图1 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线结构的正视图。

     图2 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线结构的后视图。

图3 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线所用介质板层示意图。

     图4 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线工作在2.4GHz的频率响应示意图。

     图5 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线工作在1.8GHz的频率响应示意图。

     图6 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线工作在0.9GHz的频率响应示意图。

     图7 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线工作在2.4GHz的E面和H面的辐射方向图。

     图8 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线工作在1.8GHz的E面和H面的辐射方向图。

图9 是本发明新型共面波导馈电的三频频率可重构天线工作在0.9GHz的E面和H面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：参见图1，本共面波导馈电的三频频率可重构天线，包括上层的金属微带、中层的介质基板2和下层的背面地板10，所述金属微带包括辐射贴片8，共面波导地板6、共面波导馈线7、匹配枝节4和4个PIN二极管1、3、5、9，所述共面波导地板6包围着辐射贴片8，共面波导地板6与辐射贴片之间由四个PIN二极管1、3、5、9连接，共面波导馈线7位于共面波导地板6下边中央开口处而与辐射贴片8连成一体，匹配枝节4与共面波导地板6上部连成一体；所述背面地板10是位于介质基板2背面对应与共面波导地板6下部和共面波导馈线7下面的金属镀层，与所述金属微带共同构成微带天线。

实施例二：参见图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述介质基板（2）尺寸95mm*110mm*0.8mm，上层和下层为金属涂层，材料为铜。

实施例三：本共面波导馈电的三频频率可重构天线分上中下三层。上层如图1所示，由金属微带天线和射频PIN二极管1、3、5、9构成；下层如图2所示，由金属背面地板构成；中间层如图3所示，为本实施例所使用的介质基板2，厚度为H。

此天线是左右对称结构，共面波导地板6和共面波导馈线7构成了共面波导的馈电形式，同时在与其相对应位置的介质基板2的另一侧有一层背面地板10，为金属镀层，以上这些构成了本发明的馈线结构。在工作的三个频段上，馈线的特性阻抗都约等于50欧姆，使得馈线与50欧姆SMA接头相连接能获得较好的阻抗匹配。辐射贴片8为本实施例的辐射结构，与馈线相接组成一片金属层。匹配枝节4为本实施例的阻抗匹配结构，与共面波导地板6相接组成另一片金属层。

图1中的四个PIN二极管1、3、5、9分别表示4个射频PIN二极管。整个天线工作频率的切换就是由这四个二极管完成。两个PIN二极管1、3偏置方向相同，另两个PIN二极管5、9偏置方向相同，而两组的PIN二极管偏置方向相反。这样的设计就使得在一组PIN二极管1、3导通的时候，另一组PIN二极管5、9截止，反之亦然。4个二极管的位置决定了天线的工作频段，具体的焊接位置是通过理论设计和仿真后得到的。一组PIN二极管1、3导通时，天线工作在2.4GHz；而另一组PIN二极管5、9导通时，天线工作在1.8GHz；四个二极管都截止时，天线工作在0.9GHz。本发明中使用的射频PIN二极管为Infineon公司的BAR64-02V。

图1中辐射贴片8上方和匹配枝节4间的缝隙的作用是使得天线工作在0.9GHz时可以获得较大的带宽。而辐射贴片8下方和共面波导地板6间的缝隙的作用是使天线工作在2.4GHz和1.8GHz时能够拥有较好的阻抗匹配和较大的带宽。

图1中匹配枝节4的作用是用于匹配天线工作在0.9GHz时的阻抗。其对天线工作在2.4GHz和1.8GHz时的阻抗匹配影响较小。

图1中辐射贴片8的作用是对所有三个工作频段的阻抗匹配做一个均衡，使得天线在三个工作频段上都能有较好的阻抗匹配。

图4、图5、图6分别显示了天线工作在三个频段上时的回波损耗的仿真结果。

图7、图8、图9分别显示了天线工作在三个频段上时的辐射方向图的仿真结果。

从仿真结果中可以得出：天线在3个工作频段上都能到达-30dB的回波损耗，2.4GHz的带宽可以达到25%，1.8GHz的带宽可以达到27%，0.9 GHz的带宽可以达到17%。天线在3个工作频段上的辐射方向图大致相同。且有不小的增益，2.4GHz的增益可以达到5dB，1.8GHz的带宽可以达到5dB，0.9 GHz的带宽可以达到4dB。

Claims (7)

1.一种共面波导馈电的三频频率可重构天线，包含上层的金属微带、中层的介质基板（2）和下层的背面地板（10），其特征在于所述金属微带包括辐射贴片（8），共面波导地板（6）、共面波导馈线（7）、匹配枝节（4）和4个PIN二极管（1、3、5、9），所述共面波导地板（6）包围着辐射贴片（8），共面波导地板（6）与辐射贴片之间由四个PIN二极管（1、3、5、9）连接，共面波导馈线（7）位于共面波导地板（6）下边中央开口处而与辐射贴片（8）连成一体，匹配枝节（4）与共面波导地板（6）上部连成一体；所述背面地板（10）是位于介质基板（2）背面对应与共面波导地板（6）下部和共面波导馈线（7）下面的金属镀层，与所述金属微带共同构成微带天线。

2.根据权利1所述的共面波导馈电的三频频率可重构天线，其特征在于所述介质基板（2）尺寸为95mm*110mm*0.8mm，上层和下层为金属涂层，材料为铜。

3.根据权利1所述的共面波导馈电的三频频率可重构天线，其特征在于辐射贴片（8）左右两个边缘与共面波导地板（6）间的缝隙宽度相等，辐射贴片（8）下边缘与共面波导地板（6）间的缝隙宽度大于辐射贴片（8）左右两个边缘与共面波导地板（6）间的缝隙宽度。

4.根据权利1所述的共面波导馈电的三频频率可重构天线，其特征在于辐射贴片（8）的形状是矩形，并且直接与共面波导馈线（7）相连形成一个整体。

5.根据权利1所述的共面波导馈电的三频频率可重构天线，其特征在于四个射频PIN二极管（1、3、5、9）焊接在辐射贴片（8）左右两个边缘与共面波导地板间（6）的缝隙上，两组二极管的偏置方向相反。

6.根据权利1所述的共面波导馈电的三频频率可重构天线，其特征在于匹配枝节（4）的形状为矩形，其上边缘与共面波导地板（6）直接连接成为一个整体。

7.根据权利1所述的共面波导馈电的三频频率可重构天线，其特征在于介质基板（2）的相对介电常数                                                

=2.65，该介质板厚度h =0.8mm。

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