CN102832450B - 一种新型双频频率与极化可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型双频频率与极化可重构天线，它包括三层结构：正面为大小两块金属层和射频PIN二极管以及电容、中间为介质板层和输入端口、介质板层反面为金属馈线，所述的金属层结构是：在整个金属面上蚀刻出方形螺旋型大缝隙和直角形小缝隙构成大小两块金属层。同时将射频PIN二极管和两个隔直电容跨接在大小缝隙上，通过控制二极管的工作状态，以达到可重构的功能。本发明可以工作在1.6GHz、3.0GHz两个主流的无线通信频段上，在1.6GHz上为右旋圆极化状态，在3GHz为线极化状态。天线在两个工作频段上都具有较大的带宽。以上特点使得此发明有很大的工程应用前景。

Description

一种新型双频频率与极化可重构天线

技术领域

本发明涉及一种新型双频频率与极化可重构天线。属于无线通信领域中具有复合可重构功能的可重构天线范畴。

背景技术

随着现代通信技术的发展与发达，携带雷达的地面或者海上移动交通工具大规模出现，诸如火车轮船以及一些移动中继设备等，在其本身携带通信设备的工作频带之外，往往需要卫星导航设备，包括GPS、伽利略以及我们中国自主研发的北斗导航系统等。导航系统与S波段雷达工作在不同频段，使用了不同的无线电频谱。目前通用的解决方案就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。应对这些问题许多学者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。具有频率与极化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

本发明针对目前导航系统与S波段雷达使用的两个频段：1.6GHz、3.0GHz，提供一种新型双频频率与极化可重构天线，使其在两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）    在传统微带缝隙天线的基础上，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）    天线在高频频段上工作时，螺旋形缝隙的相交部分耦合使得天线得以在高频频段上辐射波束宽度较窄的线极化信号。

（3）    利用缝隙辐射的特点，二极管的正负极焊接在同一平面，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 =3.5，厚度h=1.5mm。采用侧面微带线馈电和平面微带结构。

（5）    加工后的天线共分三层：即正面的金属层和射频PIN二极管以及电容、中间的介质板层和输入端口、介质板层反面的金属馈线，所述的金属层结构是：在整个金属面上蚀刻出方形螺旋型缝隙以及电容的跨接缝隙后的剩余部分。同时将射频PIN二极管和两个隔直电容跨接在缝隙上，通过控制二极管的工作状态，以达到可重构的功能。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种新型的具有频率和极化同时可重构的微带天线，包括三层结构：正面为大小两块金属层和焊接在天线上的射频PIN二极管及电容、中间为介质基板层、介质基板背面为微带线馈线。其特征在于在正面是由整个金属面上蚀刻出方形螺旋形大缝隙和直角形小缝隙从而构成大小两块金属层。

所述的微带天线是由背面微带线馈电、正面的方形螺旋形缝隙为辐射体，通过在合适的位置上控制二极管的状态实现可重构性能。缝隙的长度决定了天线的工作频率，二极管截止时，方形螺旋形大缝隙全部工作，此时缝隙上的面电流垂直并相差90°相位，故成圆极化状态。二极管导通时，两段缝隙分别工作，W5段缝隙对W3强烈的耦合使得右侧缝隙得以工作，二极管分割的两段缝隙基本等长，约为缝隙总长度的一半，故高频频率约为低频频率的二倍。天线工作的两个频段上的阻抗都能接近50欧姆。天线的辐射特性主要由方形螺旋形缝隙、以及跨接在缝隙两端的两个电容以及射频PIN二极管所决定。

所述的方形螺旋形缝隙可以通过改变其缝隙长度和间距获得极好的圆极化特性。

所述的介质板层为介电常数=3.5的介质板，该介质板厚度h =1.5mm。

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，另一种是单口径多频天线。前者是通过多个口径馈电实现多个频段，后者是在单个口径上同时实现多频工作。前者由于多口径的存在，使得天线结构复杂，设计困难，成本高。而后者则会在同一时刻接受多个射频信号，增加了串扰。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）               天线在工作的两个频段上满足极化要求，适用于GPS、北斗等导航系统的1.6GHZ为右旋圆极化，适用于雷达系统的3.0GHz为垂直极化。

（3）               此天线设计中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，设计直流偏置电路和接地孔的步骤。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）               此天线的设计创新在于首先对方形螺旋缝隙型天线进行了可重构。

（5）               此天线在两个工作频段的辐射方向图大致保持不变，增益较大。同时在这两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 是本发明新型双频频率和极化可重构天线结构的正视图。

     图2 是本发明新型双频频率和极化可重构天线结构的后视图。

图3 是本发明新型双频频率和极化可重构天线所用介质板层示意图。

     图4 是本发明新型双频频率和极化可重构天线工作在1.6GHz的频率响应示意图。

     图5 是本发明新型双频频率和极化可重构天线工作在3.0GHz的频率响应示意图。

     图6 是本发明新型双频频率和极化可重构天线工作在1.6GHz的圆极化轴比示意图。

     图7 是本发明新型双频频率和极化可重构天线工作在1.6GHz的交叉极化辐射方向图。

     图8 是本发明新型双频频率和极化可重构天线工作在3.0GHz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~图3，本新型双频频率与极化可重构天线，包括三层结构：正面为大小两块金属层（1、2）以及隔直电容（3）和射频PIN二极管（4），中间为介质基板（8）和SMA接头（7），介质基板背面为金属馈线（5、6），其特征是在正面是由整个金属面上蚀刻出方形螺旋型大缝隙（9）从而构成大小两块金属层（1、2），利用该大缝隙作为天线的辐射部分，并且在正面的大小两块金属层（1、2）之间的大缝隙（9）上加载射频PIN二极管（4）和在小缝隙（10）上加载电容（3-1、3-2）使天线获得频率与极化可重构的功能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

     所述所述二极管（4）的位置使得天线在1.6GHz和3.0GHz工作时均获得了很好的阻抗匹配和较大的带宽。

实施例三：

图1是本实施例的正视图，由金属层和射频PIN二极管以及隔直电容构成；图2是本实施例的后视图，由金属馈线构成；图3是本实施例所使用的介质板层，厚度为H。此天线结构的尺寸如下：

L1=100mm，L2=23.5mm，L3=49mm，L4=8mm，L5=41mm，L6=6mm，L7=4mm，L8=22mm，L9=22.4mm

W1=100mm，W2=27mm，W3=42mm，W4=45mm，W5=27mm，W6=2.5mm，W7=6mm，W8=5mm，W9=49mm，W10=2mm，W11=48.2mm，W12=3.6mm

H=0.8mm。

此天线是非对称结构，馈线（5）和馈线（6）构成了共面波导的微带馈线。在工作的两个频段上，馈线的特性阻抗都约等于50欧姆，使得馈线与50欧姆SMA接头相连接的端口金属层（6）之间能获得较好的阻抗匹配。

图1中的电容（3-1）、电容（3-2）分别表示两个电容，PIN二极管（4）表示一个射频PIN二极管。整个天线工作频率的切换就是由二极管完成。二极管的位置决定了天线的工作频段，L7和L8是通过理论设计和仿真后得到的结果。PIN二极管（4）导通时，天线工作在3.0GHz；PIN二极管（4）截止时，天线工作在1.6GHz。本发明中使用的射频PIN二极管为Infineon公司的BAR64-02V。

图1中小块金属层（2）为直流隔离区，作用是在隔离区引入直流电，使得二极管可以工作。

图1中大块金属层（1）的W5部分在于调节天线在1.6GHz时的轴比特性。

图2中馈线（5）是微带馈线，可以通过对其长度和宽度的调节对两个工作频段的阻抗匹配做一个均衡，使得天线在两个工作频段上都能有较好的阻抗匹配。

图4、图5分别显示了天线工作在两个频段上时的回波损耗的仿真结果。

图6显示了天线工作在低频频段上时0°方位角上的轴比仿真结果。

图7、图8分别显示了天线工作在两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：

（1）    天线在2个工作频段上都能到达-18dB以下的回波损耗，1.6GHz的带宽可以达到20%，3.0 GHz的带宽约为10%。

（2）      天线在低频工作频段上呈现较好的圆极化状态。且有不小的增益，1.6GHz的增益可以达到5dB，3dB轴比带宽为6%。

（3）      天线在高频工作频段上呈现较好的方向性，增益高达7dB，HPBW仅有50°，这几乎是微带型单元天线可以做到的窄波束的极限了，具有极好的指向性。

Claims (5)

1.一种新型双频频率与极化可重构天线，包括三层结构：正面为大小两块金属层（1、2）以及隔直电容（3）和射频PIN二极管（4），中间为介质基板（8）和SMA接头（7），介质基板背面为金属馈线（5、6），其特征是在正面是由整个金属面上蚀刻出方形螺旋型大缝隙（9）和小缝隙（10）从而构成大小两块金属层（1、2），所述的大金属层是由方形螺旋型大缝隙（9）构成，而小金属层由方形螺旋型大缝隙（9）和小缝隙（10）共同构成，利用该大缝隙作为天线的辐射部分，并且在正面的大小两块金属层（1、2）之间的大缝隙（9）上加载射频PIN二极管（4）和在小缝隙（10）上加载电容（3-1、3-2）使天线获得频率与极化可重构的功能。

2.根据权利1所述的一种新型双频频率与极化可重构天线，其特征在于所述二极管（4）的位置使得天线在1.6GHz和3.0GHz工作时均获得了很好的阻抗匹配和较大的带宽。

3.根据权利1所述的一种新型双频频率与极化可重构天线，其特征在于所述大缝隙（9）的内钩段（W5）的设计使得天线工作在1.6GHz时获得了很好的圆极化状态。

4.根据权利1所述的一种新型双频频率与极化可重构天线，其特征在于所述小块金属层（2）为直流隔直区，使得天线顺利的实现了对射频PIN二极管的电控制。

5.根据权利1所述的一种新型的三频频率可重构天线，其特征在于所述介质基板（8）的介电常数 =3.5，该介质板厚度h =1.5mm。