CN104201464A - 一种频率可重构三频天线及方法 - Google Patents

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本发明涉及一种频率可重构三频天线及方法，该天线包括：介质基板、上层辐射贴片、下层辐射贴片，其中，上层辐射贴片由上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分构成；上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分位于介质基板的上层，其中上层辐射贴片的第二部分与下层辐射贴片通过金属化过孔相连构成辐射单元，第一电感、第二电感、第三电感分别位于上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分上，实现对三个频带的分别独立控制，能用于2.4/5.2/5.8GHzWLAN和3.5/5.5GHzWiMAX频率可重构三频天线及方法，并保持天线的辐射方向图基本不变。

Description

一种频率可重构三频天线及方法
技术领域
本发明属于天线领域，特别是一种频率可重构三频天线及方法，应用于无线通信系统。
背景技术
近年来，随着无线通信尤其是无线局域网(WLAN)与全球微波互联接入（WiMAX）的迅速发展，应用于WLAN和WiMAX频段的三频天线成为了众多专家学者研究的热点。随着许多三频天线的提出，人们对天线本身的性能要求也越来越高，天线的频率可重构性凭借其在实际工程应用中频带灵活性的优势成为了其中很重要的一个指标。因此，设计实现一种通过加载可调器件实现频率的可重构天线是很有意义的。目前一些实现天线频率可重构的方法已经被提出来，如专利申请号为：200810202308.9，专利名称为《可重构天线》的中国专利就提出了一种通过控制开关“通断”来实现天线工作频带的可重构天线，主要包括三个辐射单元，五个射频开关和将两者连接起来的馈电端口.天线通过开关控制器控制每个射频开关的“通”或“断”,从而改变三个辐射单元之间的不同的联通状态来实现天线在不同频带工作,即频率重构。但是该天线只能实现在各个工作频带之间的切换，不能实现某个工作频带频率的可重构。又如专利申请号：201210242584.4，专利名称为《DNA仿真型的频率可重构天线》的中国专利，又提出了一种双螺旋结构的可重构线天线，该天线主要由固定在接地板上的圆筒状介质板和同轴向绕制在圆筒状介质板外表面上的、同螺旋角的双螺旋金属导带构成，两条螺旋金属导带之间设有集总元件并分别与接地板和馈电电路相接，通过改变集总元件的种类以及位置，实现宽带、高增益和工作频点可调两种特性。但此发明需要馈电电路且结构比较复杂，这无疑提高了天线的设计难度和制造成本，此外，该天线不能实现各工作频带的分别独立可调。再如文献“Frequency-reconfigurable Dual-band Monopole Antenna for WiMAX Wireless Devices, X. L. Sun, S. W. Cheung, and T. I. Yuk, MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 56, NO. 1, PP. 49-55，January 2014”中设计的一种调节加载在辐射贴片上的电容来实现频率可重构的双频天线，但是该天线只覆盖了WiMAX频段，且只能实现对两个频段的频点可调，不能通过调节加载电容完成单频/双频工作状态间的切换。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术存在的不足，提供一种可应用于2.4/5.2/5.8GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMAX频率可重构三频天线及方法，并保持天线的辐射方向图基本不变。
实现上述目的技术是：一种频率可重构三频天线，其特征是：包括：介质基板、上层辐射贴片、下层辐射贴片，其中，上层辐射贴片由上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分构成；上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分位于介质基板的上层，其中上层辐射贴片的第二部分与下层辐射贴片通过金属化过孔相连构成辐射单元，第一电感、第二电感、第三电感分别位于上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分上，实现对三个频带的分别独立控制，上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分与微带馈线的上部相连，微带馈线的下部通过在侧面的SAM头与金属地板相连完成天线的馈电。
所述介质基板上部开一个半径为0.4mm的金属化过孔使上层辐射贴片的第二部分和下层辐射贴片通过金属化过孔相连。
所述下层辐射贴片是一个矩形贴片，位于介质基板底部金属地板的另一侧，通过一个半径为0.4mm的同轴金属化过孔与上层辐射贴片的第二部分的上部相连，用于单极子的辐射长度进而达到2.4GHz的WLAN频带。
所述金属地板由一个大的矩形和两个小的矩形组成，两个小的矩形位于大的矩形与微带馈线相连的另一侧的两端，并与较大的矩形相连。
一种频率可重构三频天线的方法：三个长度不一的上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分分别实现三个工作频段的控制，通过调节加载在上层辐射贴片的第一部分、上层辐射贴片的第二部分、上层辐射贴片的第三部分的第一电感、第二电感、第三电感的大小，分别实现对三个工作频带在第一工作状态单频/第二工作状态双频/第三工作状态三频工作状态间的切换；
其工作的低频频带是长度最长的上层辐射贴片的第二部分产生的，当第一电感和第三电感的值为零时，通过调节加载在上层辐射贴片的第二部分上的第二电感的值，实现了对第一个频段的调节；当电感分别取1.8nH, 3nH and 3.9nH时，第一个谐振频率点频率依次变为1.9GHz，2GHz，2.16GHz，同时第二个和第三个频段基本保持不变；
当加载在上层辐射贴片的第一部分上的第一电感的值大于20nH时，由于电感对交变电流的阻碍作用，能使上层辐射贴片的第一部分不工作，从而天线在高频频段不工作；当加载在上层辐射贴片的第二部分上的第二电感的值大于60nH时，使上层辐射贴片的第二部分不工作，天线在低频频段不工作；当加载在上层辐射贴片的第三部分上的第三电感的值大于15nH时，能使上层辐射贴片的第三部分不工作，天线在中频频段不工作；将上述三种状态进行两两组合，当加载在上层辐射贴片的第一部分和上层辐射贴片的第三部分上的第一电感和第三电感的值分别大于20nH和15nH时，可得到第一工作状态，同理得到第二工作状态和第三工作状态。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用的金属化过孔使得上层贴片与下层贴片相连，增加辐射贴片的长度以达到低频工作频段，实现了天线的小型化。
2、本发明采用的上层辐射贴片由三个单极子与馈线相连组成，结构简单，并且有效地实现了对三个频段的独立控制。
3、本发明采用的通过调节加载在三个单极子上的电感的大小来改变天线的性能，实现对三个工作频带的分别独立可调，并保持天线的辐射方向图基本不变。
4、本发明采用的通过调节加载在三个单极子上的电感的大小来改变天线的工作模式，能够实现天线在单频/双频/三频工作状态间的切换，使其在实际工程中更加灵活。
5、本发明采用的天线结构覆盖了2.4/5.2/5.8GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMAX频段，有着广泛的应用空间。
6、本发明采用的天线材料均为金属导体，使得天线加工方便，成本低，价格低廉，便于生产。
附图说明
图1为本发明实施例的结构俯视图；
图2为本发明实施例的结构背视图；
图3为本发明实施例的结构侧视图；
图4为本发明实施例的仿真S11结果；
图5为本发明实施例的天线增益图；
图6为本发明实施例对第一个频带的频率可重构；
图7为本发明实施例对第一个频带的频率可重构后在三个频点的E面归一化辐射方向图；
图8为本发明实施例对第一个频带的频率可重构后在三个频点的H面归一化辐射方向图；
图9为本发明实施例对第二个频带的频率可重构；
图10为本发明实施例对第二个频带的频率可重构后在三个频点的E面归一化辐射方向图；
图11为本发明实施例对第二个频带的频率可重构后在三个频点的H面归一化辐射方向图；
图12为本发明实施例对第三个频带的频率可重构；
图13为本发明实施例对第三个频带的频率可重构后在三个频点的E面归一化辐射方向图；
图14为本发明实施例对第三个频带的频率可重构后在三个频点的H面归一化辐射方向图；
图15为本发明实施例对天线在三个单频工作状态：状态1，状态2，状态3的仿真S11结果；
图16为本发明实施例对天线在三个双频工作状态：状态4，状态5，状态6的仿真S11结果。
图中，1、介质基板；2、上层辐射贴片的第一部分；3、上层辐射贴片的第二部分；4、上层辐射贴片的第三部分；5、下层辐射贴片；6、金属化过孔；7、第一电感；8、第二电感；9、第三电感；10、微带馈线；11、金属地板。
具体实施方式
下面结合实施例附图对本发明做进一步描述：
参见图1，图2和图3，一种频率可重构三频天线，包括：介质基板1、上层辐射贴片、下层辐射贴片5，其中，上层辐射贴片由上层辐射贴片的第一部分2、上层辐射贴片的第二部分3、上层辐射贴片的第三部分4构成；上层辐射贴片的第一部分2、上层辐射贴片的第二部分3、上层辐射贴片的第三部分4位于介质基板1的上层，其中上层辐射贴片的第二部分3与下层辐射贴片5通过金属化过孔6相连构成辐射单元，第一电感7、第二电感8、第三电感9分别位于上层辐射贴片的第一部分2、上层辐射贴片的第二部分3、上层辐射贴片的第三部分4上，实现对三个频带的分别独立控制，上层辐射贴片的第一部分2、上层辐射贴片的第二部分3、上层辐射贴片的第三部分4与微带馈线10的上部相连，微带馈线10的下部通过在侧面的SAM头与金属地板11相连完成天线的馈电。
所述介质基板1上部开一个半径为0.4mm的金属化过孔6使上层辐射贴片的第二部分3和下层辐射贴片5通过金属化过孔相连。
所述下层辐射贴片5是一个矩形贴片，位于介质基板1底部金属地板的另一侧，通过一个半径为0.4mm的同轴金属化过孔与上层辐射贴片的第二部分3的上部相连，用于单极子的辐射长度进而达到2.4GHz的WLAN频带，实现了天线的小型化。
所述金属地板11由一个大的矩形和两个小的矩形组成，两个小的矩形位于大的矩形与微带馈线相连的另一侧的两端，并与较大的矩形相连。
本发明的上层辐射贴片中的三个长度不一的单极子辐射贴片（上层辐射贴片的第一部分2、上层辐射贴片的第二部分3、上层辐射贴片的第三部分4）分别实现了三个工作频段的控制，通过调节加载在上层辐射贴片的第一部分2、上层辐射贴片的第二部分3、上层辐射贴片的第三部分4的第一电感7、第二电感8、第三电感9的大小，分别实现对三个工作频带的独立可调和天线在单频/双频/三频工作状态间的切换。
参见图4，本实施例中的三频天线实现了对2.4/5.2/5.8GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMAX频段的有效覆盖。
参见图5，本实施例中的三频天线，其三个工作频段的平均增益分别为0.95dBi，2.6dBi和3.84dBi。
参见图6，本实施例中的频率可重构三频天线，其工作的低频频带是长度最长的上层辐射贴片的第二部分3产生的，当第一电感7和第三电感9的值为零时，通过调节加载在上层辐射贴片的第二部分3上的第二电感8的值，实现了对第一个频段的调节；当电感分别取1.8nH, 3nH and 3.9nH时，第一个谐振频率点频率依次变为1.9GHz，2GHz，2.16GHz，同时第二个和第三个频段基本保持不变，从图7和图8中各谐振点的E面和H面辐射方向图可以看出在实现频率可重构的同时，辐射方向图基本不变。类似地，图9、10、11和图12、13、14分别给出了第二个频段和第三个频段随着上层辐射贴片的第三部分4（单极子辐射贴片）和上层辐射贴片的第一部分2（单极子辐射贴片）上分别加载的第三电感9和第一电感7的频率可重构及辐射方向图特性，可以看出，本发明的天线能很好地实现对三个频点的频率可重构。
参见图15、16，本实施例给出了电感对天线工作状态的作用。通过调节适当的电感值，能够使天线在单频/双频/三频共计7个工作模式间切换。当加载在上层辐射贴片的第一部分2（单极子辐射贴片）上的第一电感7的值大于20nH时，由于电感对交变电流的阻碍作用，能使上层辐射贴片的第一部分2不工作，从而天线在高频频段不工作，如状态4。同理，当加载在上层辐射贴片的第二部分3（单极子辐射贴片）上的第二电感8的值大于60nH时，能使上层辐射贴片的第二部分3不工作，天线在低频频段不工作，如状态6。当加载在上层辐射贴片的第三部分4上的第三电感9的值大于15nH时，能使上层辐射贴片的第三部分4不工作，天线在中频频段不工作，如状态5。将上述三种状态进行两两组合，如当加载在上层辐射贴片的第一部分2和上层辐射贴片的第三部分4上的第一电感7和第三电感9的值分别大于20nH和15nH时，可得到工作状态1，同理可以得到工作状态2和3。由上可知，通过加载适当值的电感，可以使天线在单频/双频/三频七种工作状态间切换。

Claims (5)

1.一种频率可重构三频天线，其特征是：包括：介质基板（1）、上层辐射贴片、下层辐射贴片（5），其中，上层辐射贴片由上层辐射贴片的第一部分（2）、上层辐射贴片的第二部分（3）、上层辐射贴片的第三部分（4）构成；上层辐射贴片的第一部分（2）、上层辐射贴片的第二部分（3）、上层辐射贴片的第三部分（4）位于介质基板（1）的上层，其中上层辐射贴片的第二部分（3）与下层辐射贴片（5）通过金属化过孔（6）相连构成辐射单元，第一电感（7）、第二电感（8）、第三电感（9）分别位于上层辐射贴片的第一部分（2）、上层辐射贴片的第二部分（3）、上层辐射贴片的第三部分（4）上，实现对三个频带的分别独立控制，上层辐射贴片的第一部分（2）、上层辐射贴片的第二部分（3）、上层辐射贴片的第三部分（4）与微带馈线（10）的上部相连，微带馈线（10）的下部通过在侧面的SAM头与金属地板（11）相连完成天线的馈电。
2.根据权利要求1所述的一种频率可重构三频天线，其特征是：所述介质基板（1）上部开一个半径为0.4mm的金属化过孔（6）使上层辐射贴片的第二部分（3）和下层辐射贴片（5）通过金属化过孔相连。
3.根据权利要求1所述的一种频率可重构三频天线，其特征是：所述下层辐射贴片（5）是一个矩形贴片，位于介质基板（1）底部金属地板的另一侧，通过一个半径为0.4mm的同轴金属化过孔与上层辐射贴片的第二部分（3）的上部相连，用于单极子的辐射长度进而达到2.4GHz的WLAN频带。
4.根据权利要求1所述的一种频率可重构三频天线，其特征是：所述金属地板（11）由一个大的矩形和两个小的矩形组成，两个小的矩形位于大的矩形与微带馈线相连的另一侧的两端，并与较大的矩形相连。
5.一种频率可重构三频天线的方法：三个长度不一的上层辐射贴片的第一部分（2）、上层辐射贴片的第二部分（3）、上层辐射贴片的第三部分（4）分别实现三个工作频段的控制，通过调节加载在上层辐射贴片的第一部分（2）、上层辐射贴片的第二部分（3）、上层辐射贴片的第三部分（4）的第一电感（7）、第二电感（8）、第三电感（9）的大小，分别实现对三个工作频带在第一工作状态单频/第二工作状态双频/第三工作状态三频工作状态间的切换；
其工作的低频频带是长度最长的上层辐射贴片的第二部分（3）产生的，当第一电感（7）和第三电感（9）的值为零时，通过调节加载在上层辐射贴片的第二部分（3）上的第二电感（8）的值，实现了对第一个频段的调节；当电感分别取1.8nH, 3nH and 3.9nH时，第一个谐振频率点频率依次变为1.9GHz，2GHz，2.16GHz，同时第二个和第三个频段基本保持不变；
当加载在上层辐射贴片的第一部分（2）上的第一电感（7）的值大于20nH时，由于电感对交变电流的阻碍作用，能使上层辐射贴片的第一部分（2）不工作，从而天线在高频频段不工作；当加载在上层辐射贴片的第二部分（3）上的第二电感（8）的值大于60nH时，使上层辐射贴片的第二部分（3）不工作，天线在低频频段不工作；当加载在上层辐射贴片的第三部分（4）上的第三电感（9）的值大于15nH时，能使上层辐射贴片的第三部分（4）不工作，天线在中频频段不工作；将上述三种状态进行两两组合，当加载在上层辐射贴片的第一部分（2）和上层辐射贴片的第三部分（4）上的第一电感（7）和第三电感（9）的值分别大于20nH和15nH时，可得到第一工作状态，同理得到第二工作状态和第三工作状态。
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