CN102437423B - 具有六波束选择性的平面型方向图可重构方法及天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信中的天线。提供一种能够进行更多方向图重构的天线，且更具实用性，本发明采取的技术方案是，具有六波束选择性的平面型方向图可重构天线：由天线基板、辐射单元层和接地板层所构成，辐射单元层是由位于中心的有源圆形贴片和周围环绕的矩形寄生贴片组成；矩形寄生贴片通过带线和微带线与天线中心圆形单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过控制二极管的通断状态使环绕的矩形寄生贴片选择性地向外辐射，天线的接地板层采用部分接地形式，接地板由中心圆形贴片和等角度间隔的矩形贴片连接而成，此外还包括天线基板，天线基板为材料是聚四氟乙烯的圆盘形。本发明主要应用于天线设计制造。

Description

具有六波束选择性的平面型方向图可重构方法及天线

技术领域

本发明涉及无线通信中的天线，具体讲，涉及具有六波束选择性的平面型方向图可重构天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，具有多重特性的天线已经引起了大量关注。而可重构天线作为一种新型天线，更是成为了近些年来研究的热点。可重构天线可以在一副天线上实现多副天线的功能，从而实现多种分集方式。作为可重构天线研究中的一个重要方面，方向图可重构天线可以通过开关控制实现方向图的选择性切换，从而实现了多种环境下的空间资源的有效利用。方向图可重构天线可以较好地改善系统增益，提高通信安全性，避免噪声干扰。同时通过定向辐射、接收也可以节约系统能量。

目前，国内外学者对于方向图可重构天线已做了大量的研究。传统的方向图可重构天线设计大多是基于相控阵技术。但采用这种技术设计的天线一般体积较大，成本较高且设计过程较为复杂。而具有对称结构的平面型天线能够在实现方向图重构的同时保持其阻抗带宽及频率特性的稳定性，且设计成本较低，从而引起了天线设计者的广泛研究。

文献[1]中，天线采用对称结构，通过控制夹在中间单极子和两边开路线之间的二极管的通断状态，实现了两种定向方向图的切换。但该天线只能重构两种方向图，方向图重构的可选择次数较少。

文献[2]中提到了一种带有倒L寄生单元的低剖面方向图可重构天线。天线由一个有源六边形贴片单元和两个加载开关的倒L形寄生单元组成。通过改变寄生单元上加载开关的通断状态，天线可以获得两种定向工作模式。这种天线尺寸较大且天线方向图的重构次数较少。

文献[3]中设计了一种带有准扇形寄生单元的方向图可重构天线。该天线由一个中心有源圆形贴片和周围环绕的五个准扇形寄生贴片组成，通过控制中心贴片和寄生贴片之间开关的通断状态，天线在方位面可以获得五个定向方向图重构。虽然这种天线可以实现较多次方向图重构，但天线的俯仰角方向图的最大方向在45度，没有处于水平面。此外，该天线是采用铜片的有无来代替开关的通断，没有采用实际的开关和控制电路。

[1]”Design of symmetric beam pattern reconfigurable antenna”,Electronics Letters.；

[2]“带有倒L寄生单元的低剖面方向图可重构天线”,清华大学学报（自然科学版）；

[3]“A Circular Disc-Shaped Antenna with Frequency and Pattern Reconfigurable Characteristics”,China-JapanJoint Microwave Conference Proceedings。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种能够进行更多方向图重构且更具实用性的天线，本发明采取的技术方案是，具有六波束选择性的平面型方向图可重构天线：由天线基板、辐射单元层和接地板层所构成，辐射单元层位于天线基板的一面，接地板层位于天线基板的另一面，辐射单元层是由位于中心的有源圆形贴片和周围环绕的矩形寄生贴片组成，矩形寄生贴片用作主辐射单元，矩形寄生贴片通过带线和微带线与天线中心圆形单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过电路控制二极管的通断状态使环绕的矩形寄生贴片选择性地向外辐射；天线的接地板层采用部分接地形式：接地板由中心圆形贴片和等角度间隔的矩形贴片连接而成，接地板上的矩形贴片的长度相对于辐射单元层的矩形贴片较长；天线基板为材料是聚四氟乙烯的圆盘形介质板。

天线基板为圆盘形，厚度为1.5mm，圆盘的半径为30mm，基板采用介电常数为2.65的PTFE聚四氟乙烯材料。

所述天线，包括6个矩形寄生贴片，在每个矩形贴片与中心圆形贴片连接的微带线中插入1个射频PIN二极管，整个天线共插入6个二极管，每相邻的两个矩形寄生贴片采用两个具有正极公共端的二极管，该公共端与中心圆形贴片之间连接一个电容，该公共端向外通过一个电感和一个电阻连接到单片机的正电压Vcc上，从而使得这六个射频二极管为共阳极二极管，每一个二极管的负极端通过一个电感连接到单片机的相应输入输出管脚。

一种具有六波束选择性的平面型方向图可重构方法，借助于具有六波束选择性的平面型方向图可重构天线实现，所述天线由天线基板、辐射单元层和接地板层所构成；辐射单元层位于天线基板的一面，接地板层位于天线基板的另一面；辐射单元层是由位于中心的有源圆形贴片和周围环绕的矩形寄生贴片组成，矩形寄生贴片用作主辐射单元，矩形寄生贴片通过带线和微带线与天线中心圆形单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过电路控制二极管的通断状态使环绕的矩形寄生贴片选择性地向外辐射；天线的接地板层采用部分接地形式：接地板由中心圆形贴片和等角度间隔的矩形贴片连接而成，接地板上的矩形贴片的长度相对于辐射单元层的矩形贴片较长；天线基板为材料是聚四氟乙烯的圆盘形；所述方法包括下列步骤：

在进行偏置电路控制时，先开始按微处理器复位键进行微处理器的初始化，然后根据需要选择6个定向波束按键和1个扫描按键的一个按键，通过微处理器中模块控制二极管通断，决定天线需要的工作模式。

本发明具有如下技术效果：

1.本发明中所提到的天线采用对称结构，天线主要由中心有源圆形贴片和周围寄生的六个矩形辐射单元组成。矩形贴片作为主辐射单元通过带线和微带线与天线中心单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过控制二极管使得环绕的矩形辐射贴片选择性的向外辐射，从而实现了六种方向图重构。

2.本发明中所提到的天线由于采用部分接地技术，使得天线俯仰角方向图的最大增益方向位于水平面。

3.本发明中提到的天线采用简单的矩形贴片作为主要辐射单元，结构较为简单，易于加工。

4.本发明提出的天线基板为圆盘形，该圆盘的半径仅为30mm,厚度只有1.5mm。尺寸相对同类情况大为减小。较小的天线尺寸既可以显著减少生产成本，也可以提高天线的实际应用性。

5.本发明中所提出的天线采用实际的射频PIN二极管，并且采用单片机（MCU）作为外围控制电路，使所设计的天线具有更强的实用性和可操作性。

附图说明

附图1：天线及偏置控制电路的实物图。

附图2：天线的结构图。图中：D1-D6表示射频PIN二极管，L1和W1分别表示矩形辐射贴片的长度和宽度，L5和W2分别表示带线的长度和宽度，L2和W3分别表示与带线相连的微带线的长度和宽度，L3表示微带线与中间圆形贴片圆心之间的距离，W7和W6分别表示与中间圆形贴片相连的微带线的宽度及中间较窄枝节的宽度，L6表示较窄枝节的长度，L7表示较窄枝节与中间圆形贴片之间的距离，R1表示辐射单元层上中心圆形贴片的半径；L4和W4分别表示接地板上矩形贴片的长度和宽度，W5表示相邻两个矩形贴片之间的距离，R2表示接地板上圆形贴片的半径。

附图3：天线的偏置控制电路图。

附图4：天线的频率工作特性。

附图5：天线的方位角方向图特性。

附图6：单片机的程序流程图。

具体实施方式

本发明中所提到的天线设计是基于平面型对称结构。天线主要是由辐射单元层和接地板层所构成。天线的馈电采用背面馈电。

天线的辐射单元层是由位于中心的有源圆形贴片和周围环绕的矩形寄生贴片组成。该天线选择矩形贴片作为主辐射单元，极大地简化了天线的结构。矩形辐射贴片通过带线和微带线与天线中心圆形单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管。通过控制二极管的通断状态使环绕的矩形辐射贴片选择性地向外辐射。天线的接地板层采用部分接地技术。接地板由中心圆形贴片和等角度间隔的矩形贴片连接而成。接地板上的矩形贴片的长度相对于辐射单元层的矩形贴片较长，对位于其左右方的矩形辐射单元具有一定的反射作用，有利于定向波束的形成。整个天线基板为圆盘形，厚度为1.5mm，圆盘的半径为30mm，基板采用介电常数为2.65的PTFE(聚四氟乙烯)材料。

此外，本发明所提到的天线中的射频PIN二极管的通断状态是由与该天线相连接的偏置电路来控制实现的。控制电路主要是通过采用Atmel89S52单片机以及载入自主编写的程序代码来实现的。所采用的射频PIN二极管的型号为Skyworks公司的SMP1345-79LF，控制电源可由单片机烧写器来提供，也可由型号为CR1220的纽扣电池来独立供电。

针对目前国内外对平面型方向图可重构天线研究的现状，本发明中的天线具有以下显著的特点：

1.目前平面型方向图可重构天线的重构次数一般以2-4次为主，具有较多次方向图重构特性的天线设计较少。本发明中所提到的天线采用对称结构，天线主要由中心有源圆形贴片和周围寄生的六个矩形辐射单元组成。矩形贴片作为主辐射单元通过带线和微带线与天线中心单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过控制二极管使得环绕的矩形辐射贴片选择性的向外辐射，从而实现了六种方向图重构。

2.现在大多数同类天线的俯仰角方向图的最大增益方向一般都不等于90度，即不在水平面上，如文献[2-3]中天线一样。本发明中所提到的天线由于采用部分接地技术，使得天线俯仰角方向图的最大增益方向位于水平面。

3.现在大部分天线的结构设计相对复杂。本发明中提到的天线采用简单的矩形贴片作为主要辐射单元，结构较为简单，易于加工。

4.现在同类方向图可重构天线的设计尺寸较大，不能满足现代通信对天线小型化的要求。本发明提出的天线基板为圆盘形，该圆盘的半径仅为30mm,厚度只有1.5mm。尺寸相对同类情况大为减小。较小的天线尺寸既可以显著减少生产成本，也可以提高天线的实际应用性。

5.目前所设计的方向图可重构天线，其控制开关大部分为理想的，即采用铜片的有无来代替实际开关的通断，而真正采用实际开关及控制电路的较少。本发明中所提出的天线采用实际的射频PIN二极管，并且采用单片机（MCU）作为外围控制电路，使所设计的天线具有更强的实用性和可操作性。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

本发明中所提到的天线采用Ansoft HFSS软件进行设计仿真。所设计天线的基板为半径为30mm的圆盘形介质板。介质板采用介电常数为2.65，厚度为1.5mm的聚四氟乙烯（PTFE）材料。天线的结构如图2所示，天线结构图中的具体结构尺寸如表1所示。

天线的偏置控制电路图如图3所示。偏置电路中的射频PIN二极管采用Skyworks公司的SMP1345-79LF（工作频率可达到6GHz），集总元件电阻、电感和电容的参数值如表2所示。控制电路中的MCU为Atmel89S52单片机。通过对单片机载入程序，可以控制天线实现相应的方向图重构特性。电路图中的电容都是起“隔直流通交流”的作用，电感都是起“隔交流通直流的作用”，电阻起调节电路中电流大小的作用。

如图3所示，从天线上引出了9根控制线，其中与电感L2，L5和L8连接的3条导线是直接连到单片机的正电压Vcc上，使得这6个射频二极管处于共阳极状态。其余6根线分别接到单片机Atmel89S52单片机的P0.0～P0.5端口上，通过控制这6个端口的高低电平来控制二极管的通断状态，即：低电平使得该端口二极管导通，高电平使得该端口二极管反向截止。单片机的P1.0～P1.6端口接一个8段数码管，用于显示天线工作在几号波束上。单片机的P3.0～P3.6接7个控制按键（6个定向波束按键和1个扫描按键）。另外一个按键是单片机的复位键。如图6所示，在进行偏置电路控制时，先开始按复位键进行单片机的初始化，然后根据需要选择按键（6个定向波束按键和1个扫描按键），决定天线需要的工作模式，因为这些工作模式（6种定向模式和1种扫描模式）是相互独立工作的，所以不存在相互影响。在天线工作的时候，可以随时按键切换到其他的工作模式。综上，总共从天线上引出9根线与控制电路相连。

通过矢量网络分析仪Agilent E5071B以及微波暗室对本专利中所提到的天线实物进行测试，测试结果与仿真结果具有较好的一致性，进一步验证本设计的有效性和可行性。

表1天线的结构尺寸(单位:mm)

表2偏置电路中集总元件的参数值

R1,R2,R3	L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9	C1,C2,C3
			510Ω	15nH	10pF

本发明中所提到的天线实现了在方位面内主波瓣方向图的重构。天线的工作频率可以完全覆盖5.2GHzWLAN(5.15-5.35GHz)频段，如图4所示。每一种重构状态下，方向图的主瓣增益都大于5dB，如图5所示。方向图的3dB波束宽度（主瓣宽度）约为60度，并且具有相对稳定的频率和增益特性。天线的增益大于5dBi，表明所设计的天线具有较强的辐射能力。

基于所设计天线的方向图增益与主瓣宽度的特点，通过单片机MCU对实际射频PIN二极管的控制，实现了六个方位面方向图的重构，可以有效地覆盖整个方位平面。也可以根据信号的方向，选择性的实施定向辐射，提高通信安全性，避免噪声干扰，节约系统能量。此外，该天线还可以在多径环境下，实现空间资源的有效利用。

本发明中所提到的天线可以在同一个平面内实现六种定向方向图重构，相对于文献[1-3]中所提到的天线，具有更多的方向图可重构次数，方向图重构的可选择性更加优越。该天线相对于文献[2]中所提到的天线具有更小的尺寸和更低的剖面，更加易于加工集成。此外，相比于文献[3]中用铜片的有无代替实际的开关，该天线采用单片机作为实际偏置电路，来控制射频PIN二极管的通断状态，使得所设计的可重构天线更加实际化，具有更强的实用性。并且可以通过对单片机载入不同的应用程序，来实现天线不同的方向图重构特性，使得本发明中的天线设计具有更强的灵活性。

Claims (3)

1.一种具有六波束选择性的平面型方向图可重构天线，其特征是，由天线基板、辐射单元层和接地板层所构成，辐射单元层位于天线基板的一面，接地板层位于天线基板的另一面，辐射单元层是由位于中心的有源圆形贴片和周围环绕的矩形寄生贴片组成，矩形寄生贴片用作主辐射单元，矩形寄生贴片通过带线和微带线与天线中心圆形单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过电路控制二极管的通断状态使环绕的矩形寄生贴片选择性地向外辐射，矩形寄生贴片共6个，在每个矩形贴片与中心圆形贴片连接的微带线中插入1个射频PIN二极管，整个天线共插入6个二极管，每相邻的两个矩形寄生贴片采用两个具有正极公共端的二极管，该公共端与中心圆形贴片之间连接一个电容，该公共端向外通过一个电感和一个电阻连接到单片机的正电压Vcc上，从而使得这六个射频二极管为共阳极二极管，每一个二极管的负极端通过一个电感连接到单片机的相应输入输出管脚；天线的接地板层采用部分接地形式：接地板由中心圆形贴片和3个等角度间隔的矩形贴片连接而成，接地板上的矩形贴片的长度相对于辐射单元层的矩形贴片较长；天线基板为材料是聚四氟乙烯的圆盘形介质板。

2.如权利要求1所述天线，其特征是，天线基板为圆盘形，厚度为1.5mm，圆盘的半径为30mm，基板采用介电常数为2.65的PTFE聚四氟乙烯材料。

3.一种具有六波束选择性的平面型方向图可重构方法，其特征是，借助于具有六波束选择性的平面型方向图可重构天线实现，所述天线由天线基板、辐射单元层和接地板层所构成；辐射单元层位于天线基板的一面，接地板层位于天线基板的另一面；辐射单元层是由位于中心的有源圆形贴片和周围环绕的矩形寄生贴片组成，矩形寄生贴片用作主辐射单元，矩形寄生贴片通过带线和微带线与天线中心圆形单元相连，在微带线中插入射频PIN二极管，通过电路控制二极管的通断状态使环绕的矩形寄生贴片选择性地向外辐射；矩形寄生贴片共6个，在每个矩形贴片与中心圆形贴片连接的微带线中插入1个射频PIN二极管，整个天线共插入6个二极管，每相邻的两个矩形寄生贴片采用两个具有正极公共端的二极管，该公共端与中心圆形贴片之间连接一个电容，该公共端向外通过一个电感和一个电阻连接到单片机的正电压Vcc上，从而使得这六个射频二极管为共阳极二极管，每一个二极管的负极端通过一个电感连接到单片机的相应输入输出管脚；天线的接地板层采用部分接地形式：接地板由中心圆形贴片和等角度间隔的3个矩形贴片连接而成，接地板上的矩形贴片的长度相对于辐射单元层的矩形贴片较长；天线基板为材料是聚四氟乙烯的圆盘形；所述方法包括下列步骤：

在进行偏置电路控制时，先开始按微处理器复位键进行微处理器的初始化，然后根据需要选择6个定向波束按键和1个扫描按键的一个按键，通过微处理器中模块控制二极管通断，决定天线需要的工作模式。

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