CN104393400B - 一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，该天线包括两单极子辐射金属条带、两正交容性加载寄生环、变容二极管频率调节单元、条形馈线、接地板及两正交设置的量角器形介质板；两寄生环分别置于两正交的量角器形介质板上，单极子和寄生环分别位于介质板的前表面和后表面，介质板垂直置于接地板上；两寄生环中间间隙加载变容二极管，每个寄生环连接有两个电感，变容二极管的外接直流源正负极分别与两电感相连；条形馈线连接两单极子辐射金属条带底端。本天线通过加载电感以隔离寄生环上交变流对驱动变容二极管的直流源的影响，采用近场谐振寄生振子技术天然隔离连接天线上的直流源与馈电源，保证天线辐射场的稳定性和较高的辐射效率。

Description

一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对多频带、多业务的实现提出了更高的要求。天线频率捷变和辐射场圆极化可以满足无线通信对多频带、多方位通信的要求。用一个天线替代几个天线以重构的方式来实现频率捷变，大幅度减小了天线体积和利用数量。但迄今为止，能同时实现阻抗频率捷变和圆极化辐射场频率捷变的电小天线还未见报道。

一般情况下，天线实现圆极化场要首先产生两幅度相等正交且相位相差π/2的电场或磁场，调节天线瞬时频率实现频率捷变，此时工作带宽得到展宽。实现天线频率捷变的方法有：在天线上加载变容二极管或开关调节天线的频带，如在接地板窄槽间加载二极管，控制二极管通断实现频率可调；在辐射贴片边缘加载变容二极管，连续控制变容二极管容值，调节谐振频率；使用微机电开关实现小尺寸天线的频率捷变；使用差分馈电结合集成电路获得频率捷变特性。电小天线中，实现天线圆极化场人们比较感兴趣的方法是产生两个幅度相等相位相差π/2的线极化场，再合成圆极化场。但很多情况下，天线的带外干扰和无源损耗较高，且稳定性较差。

因此，目前急需一种能够有效减小天线的带外干扰、无源损耗以及外接电路带来的不稳定性的圆极化频率捷变电小天线。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，该天线通过加载变容二极管和正交容性寄生环同时实现了阻抗频率捷变和圆极化辐射场频率捷变。使用电感阻止容性环交变流进入直流源，采用NFRP技术天然隔离连接天线上的直流源与馈电源。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，包括两单极子辐射金属条带、两正交容性加载寄生环、变容二极管频率调节单元、条形馈线、铜质圆盘形接地板及两正交设置的量角器形介质板；其中：两正交容性寄生环分别置于两正交的量角器形介质板上，两单极子辐射金属条带和两正交容性加载寄生环分别位于量角器形介质板的前表面和后表面，两正交的量角器形介质板垂直设置于铜质圆盘形接地板上；变容二极管频率调节单元由变容二极管、容性环、电感、传输线组成；两正交容性寄生环中间间隙加载变容二极管，每个容性寄生环连接有两个电感，驱动变容二极管的外接直流源正负极分别与两电感相连；条形馈线连接两单极子辐射金属条带底端，与50Ω馈电源相连。

进一步，所述量角器形介质板材料为Rogers Duroid 5880，介电常数为2.2，损耗角正切值0.0009，半径为18-22mm，厚度为0.45-0.55mm；两量角器分别沿x方向、y方向垂直接地板放置；铜质圆盘形接地板的厚度为0.017mm。

进一步，所述两条单极子辐射金属条带，其中一单极子辐射金属条带置于x方向介质板前表面，长12-14mm，宽1-2mm，其底边缘距接地板0.4-0.6mm，右边缘距y方向介质板前表面9-11mm；另一条形单极子辐射贴片置于y方向介质板前表面，长14-16mm，宽1-2mm，其底边缘距接地板0.4-0.6mm，左边缘距x方向介质板前表面9-11mm。

进一步，所述正交容性加载寄生环为近似半环形金属结构，中间蚀刻间隙将其分成两个1/4环结构；一容性加载寄生环置于x方向介质板背面，外半径18-22mm，内半径17-19mm，其顶端中间位置间隙宽0.7-1.3mm；两1/4环底边缘距接地板0.1-0.3mm，底端朝环心方向伸出长3-6mm，宽0.7-1.3mm的金属条形腿；另一容性加载寄生环置于y方向介质板背面，外半径18-22mm，内半径16-18mm，其中部间隙和底端结构与前一寄生环相同。

进一步，所述x方向介质板中间开有长18-19mm，宽1.3-1.8mm，厚0.5-0.6mm的槽，y方向介质板顶端中间位置开有长1.8-2.2mm，宽1.3-1.8mm，厚0.5-0.6mm的槽。

进一步，所述条形馈线水平放置，距接地板0.4-0.6mm，两端连接两单极子辐射金属条带底端；馈线中部连接SMA接口内芯，内芯半径0.4-0.5mm，内芯顶端高出接地板顶面0.4-0.6mm，距两正交介质板前表面5.5-6.5mm；SMA接口连接50Ω同轴电缆。

进一步，接地板中间挖有一半径为1.68mm的过孔，过孔圆心与SMA内芯重合，以便于安装SMA接口，SMA接口外导体与接地板连接。

进一步，接地板上挖有另外三个过孔，半径均为1mm，处于两正交介质板半包围的另外三个区域，距两正交介质板14.14mm，直流导线经三个过孔穿过接地板。

本发明的有益效果在于：本发明同时实现了天线的阻抗与圆极化辐射场的同时频率捷变，该天线通过采用NFRP技术阻止驱动变容二极管的直流源对单极子辐射贴片馈电源的影响，而目前大多数频率捷变天线采用集总电容隔离直流源，降低了天线的辐射效率和增益。该天线采用电感隔离容性寄生环上的交变流对直流源的影响，提高了天线辐射场的稳定性。本发明所述天线具有较高的辐射效率(在频率捷变带宽内大于85％)，尺寸小，结构简单，易于制造，可用于多频带抗干扰无线通信系统中。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述电小天线的整体三维结构图；

图2为本发明所述电小天线的YZ平面侧视图；

图3为本发明所述电小天线的XZ平面侧视图；

图4为本发明所述电小天线的俯视图；

图5为本电小天线在不同变容二极管容值情况下得到的S参数和AR参数对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明所述电小天线的整体三维结构图如图1所示。不同视角图：主视图、侧视图、俯视图分别如图2、图3、图4所示。天线的主要组成部分有：两正交放置的量角器形介质板1、2，铜质圆盘形接地板3，两正交放置的容性加载寄生环4、5，两单极子辐射金属条带6、7，连接两单极子条带底端水平放置的条形馈线8，条形馈线8经SMA接口内芯9连接50Ω同轴电缆内导体，SMA接口内芯与条形馈线8中心连接。

具体来说，在本实施例中：

量角器形介质板1半径为R₁，厚度为H₁，材料为Rogers Duroid 5880。其电介质常数2.2，损耗角正切值0.0009。1前表面放置长度为L₁，宽度为W₁的单极子辐射金属条带6。6底端边缘与接地板间留有尺寸G₁的间隙，其右边缘与介质板2前表面垂直距离为L₂。1背面放置容性加载寄生金属环4，其外半径R₁，内半径R₂，4顶端蚀刻宽G₂的间隙10，将4分成两个1/4金属环，一变容二极管横跨间隙10焊接于4顶端。变容二极管采用Skyworks公司的SMV1770-079LF型号，其损耗电阻小(0.4Ω)，两端可加载的直流偏置电压范围0-5V，相应容值范围31.2-5pF。两1/4环顶部各连有一隔离电感，连接位置离介质板2前表面垂直距离L₃，电感离容性环顶部内边缘垂直距离L₄，外接可变直流源正负极经两电感驱动变容二极管，连续动态地改变变容二极管的容值，实现天线的频率捷变。两1/4金属环底端与接地板间留有宽度为G₃的间隙，其沿环中心方向伸出长度为L₅，宽度为W₂的金属条形腿11。

介质板1中间开有一长条形槽12，尺寸L₆×W₃×H₂，介质板2顶部开有一短条形槽13，尺寸L₇×W₃×H₂。两槽在介质板顶端交叉，使两正交介质板中间没有交叠部分。2前表面放置长为L₈，宽为W₁的单极子辐射金属条带6，6底端边缘距接地板G₁，其左边缘距介质板1前表面L₂。2背面放置容性寄生环5，其外半径为R₁，内半径为R₃，其他结构与容性加载寄生环4情况相同。

两单极子辐射金属条带6、7由一水平放置的条形馈线8连接在一起，8距接地板G₁。铜质接地板半径为R₄，厚度为H₃，中间挖有4个过孔14、15、16、17，其位置如图1所示。过孔14半径为R₅，中心离介质板1、2前表面垂直距离均为L₉。过孔14用于安装SMA接口，SMA接口内芯9半径为R₆，长度为L₁₀，高出接地板G₁与条形馈线8中心处相连。SMA接口与50Ω同轴电缆相连。过孔15、16、17半径均为R₇，距介质板1、2均为L₁₁，连接两正交容性寄生环4、5的直流电源线可通过这三个过孔穿过接地板3，以较短的线长放置于天线场辐射端，减小直流线电流对天线辐射场的干扰。直流电源线紧贴介质板和接地板，并垂直介质板底端边缘放置，进一步减小对辐射场的影响。

使用HFSS 13.0依据上述天线结构进行仿真优化设计，得到天线的最优参数为：

R₁＝20mm，H₁＝0.508mm，L₁＝13.4mm，L₂＝10.3mm，W₁＝1.5mm，G₁＝0.5mm，R₂＝17.5mm，G₂＝1mm，L₃＝3.5mm，L₄＝2.1mm，G₃＝0.2mm，L₅＝4.5mm，W₂＝1mm，L₆＝18.5mm，W₃＝1.508mm，H₂＝0.526mm，L₇＝1.96mm，L₈＝15mm，R₃＝17mm，R₄＝100mm，H₃＝2mm，R₅＝1.68mm，L₉＝5.5mm，L₁₀＝15.5mm，R₆＝0.445mm，R₇＝1mm。L₁₁＝14.14mm。天线上金属铜箔的厚度为0.017mm。

两容性寄生环分别贴于两正交的量角器形介质板上，介质板垂直置于圆盘形接地铜板之上，近似构成一磁偶极子，产生平行于接地板的线极化磁场。经过优化设计，两容性寄生环产生的线极化磁场相位相差π/2，幅度相等，实现右旋圆极化场。

所设计的两正交容性寄生环(其结构及参数略有差异)，引起两个主要的谐振频率，产生主要的圆极化场，两单极子辐射条带产生的辐射场相对很小，不足以影响容性寄生环的辐射场。另一方面，两正交容性寄生环充当近场谐振寄生振子(NFRP)，由处于介质板另一面的条形单极子近场激励。两容性寄生环产生场之间的耦合度很小，一个容性寄生环参数的改变对另一个容性寄生环场的影响较小，这样可独立地调节两容性寄生环参数，产生各自相应的谐振模式。

两容性寄生环上变容二极管容值的变化，产生频率捷变的辐射场。同时改变两变容二极管容值，每次保持两容值相等，使每次频率捷变产生两相邻重叠的频带。又因两正交容性寄生环场间的耦合度很小，那么一个容性环参数的变化对另一个环场的影响较小，天线双带(各由两容性寄生环引起)的特性保持不变，从而能实现两个辐射模式相互叠加的频率捷变。

所述电小天线进一步完成加工制作，实测其性能参数。所选变容二极管两端加载直流偏置电压5V、2.1V、0.73V、0V条件下，对应的容值分别为5pF、10pF、20pF、31.2pF，在暗室调节天线上变容二极管容值为前述4值，分别实测天线的S参数和AR参数，得到相应的S曲线和AR曲线。为清晰说明同时实现频率捷变和圆极化特性，将S曲线和AR曲线画在同一幅图中进行对比，如图5所示。

依据图5，实测天线-10dB频率捷变范围1.3215-1.4081GHz，带宽86.6MHz(6.35％分数带宽)，是变容二极管容值取5pF情形下(加载5V偏置电压)阻抗带宽44.3MHz(3.19％)的1.99倍。天线AR<3dB频率捷变范围1.3416-1.3953GHz，带宽53.7MHz(3.92％)，是变容二极管容值取31.2pF(没有加载偏置电压)情形下带宽11.6MHz(0.84％)的4.67倍。捷变频带内的远场增益保持高于5.5dB。

|S₁₁|曲线中相邻两凹点分别对应由两容性寄生环引起的谐振中心，两个谐振模式之间相位差为π/2，从而实现圆极化辐射场。当变容二极管的容值从5pF逐步增加到31.2pF时，天线的谐振频率和AR<3的工作频率范围均随之下移。对每一个容值，AR<3频带内AR值最低频率点近似对应|S₁₁|<-10dB频带的中心频率，且频带内两谐振频率点的|S₁₁|值都小于-15dB，天线在实现频率捷变的条件下同时实现了圆极化场。仿真结果进一步表明，在捷变频内该天线的辐射效率大于85％。天线的瞬时阻抗带宽随变容二极管容值的变化而不同，各容值对应的天线瞬时阻抗带宽相互重合，得到扩大的天线捷变阻抗带宽，对应的AR<3的带宽叠加得到天线的捷变AR带宽。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，其特征在于：包括两单极子辐射金属条带、两正交容性加载寄生环、变容二极管频率调节单元、条形馈线、铜质圆盘形接地板及两正交设置的量角器形介质板；其中：两正交容性寄生环分别置于两正交的量角器形介质板上，两单极子辐射金属条带和两正交容性加载寄生环分别位于量角器形介质板的前表面和后表面，两正交的量角器形介质板垂直设置于铜质圆盘形接地板上；变容二极管频率调节单元由变容二极管、容性环、电感、传输线组成；两正交容性寄生环中间间隙加载变容二极管，每个容性寄生环连接有两个电感，驱动变容二极管的外接直流源正负极分别与两电感相连；条形馈线连接两单极子辐射金属条带底端，与50Ω馈电源相连；

所述量角器形介质板材料为Rogers Duroid 5880，介电常数为2.2，损耗角正切值0.0009，半径为18-22mm，厚度为0.45-0.55mm；两量角器分别沿x方向、y方向垂直接地板放置；

铜质圆盘形接地板的厚度为0.017mm；

所述两条单极子辐射金属条带，其中一单极子辐射金属条带置于x方向介质板前表面，长12-14mm，宽1-2mm，其底边缘距接地板0.4-0.6mm，右边缘距y方向介质板前表面9-11mm；另一条形单极子辐射贴片置于y方向介质板前表面，长14-16mm，宽1-2mm，其底边缘距接地板0.4-0.6mm，左边缘距x方向介质板前表面9-11mm；

所述正交容性加载寄生环为近似半环形金属结构，中间蚀刻间隙将其分成两个1/4环结构；一容性加载寄生环置于x方向介质板背面，外半径18-22mm，内半径17-19mm，其顶端中间位置间隙宽0.7-1.3mm；两1/4环底边缘距接地板0.1-0.3mm，底端朝环心方向伸出长3-6mm，宽0.7-1.3mm的金属条形腿；另一容性加载寄生环置于y方向介质板背面，外半径18-22mm，内半径16-18mm，其中部间隙和底端结构与前一寄生环相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，其特征在于：所述x方向介质板中间开有长18-19mm，宽1.3-1.8mm，厚0.5-0.6mm的槽，y方向介质板顶端中间位置开有长1.8-2.2mm，宽1.3-1.8mm，厚0.5-0.6mm的槽。

3.根据权利要求1所述的一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，其特征在于：所述条形馈线水平放置，距接地板0.4-0.6mm，两端连接两单极子辐射金属条带底端；馈线中部连接SMA接口内芯，内芯半径0.4-0.5mm，内芯顶端高出接地板顶面0.4-0.6mm，距两正交介质板前表面5.5-6.5mm；SMA接口连接50Ω同轴电缆。

4.根据权利要求3所述的一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，其特征在于：接地板中间挖有一半径为1.68mm的过孔，过孔圆心与SMA内芯重合，以便于安装SMA接口，SMA接口外导体与接地板连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于容性加载寄生环的圆极化频率捷变电小天线，其特征在于：接地板上挖有另外三个过孔，半径均为1mm，处于两正交介质板半包围的另外三个区域，距两正交介质板14.14mm，直流导线经三个过孔穿过接地板。