CN104852137B

CN104852137B - 小型化频率可重构微带缝隙天线

Info

Publication number: CN104852137B
Application number: CN201510260485.2A
Authority: CN
Inventors: 韩丽萍; 王彩霞; 陈新伟; 张文梅
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: CN104852137A

Abstract

本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，特别涉及频率可重构微带天线设计，具体为一种小型化频率可重构微带缝隙天线，解决了目前无线通信系统天线数量多、射频前端集成度低的技术难题。它包括三层，上层为微带馈线，中间层为介质基板，下层为接地板。所述接地板刻蚀两个L型开路缝隙和一个U型短路缝隙，所有缝隙关于接地板中心左右对称。为了实现频率可重构，在每个缝隙中分别加载一个PIN二极管，通过控制二极管的不同组合状态使得天线产生四个工作模式。本发明可以工作在第四代移动通信系统2.3GHz、航空移动遥测系统4.4GHz以及无线局域网系统5.8GHz频段，结构简单，成本低、可靠性好，满足无线通信系统紧凑、高集成的要求。

Description

小型化频率可重构微带缝隙天线

技术领域

本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，特别涉及紧凑、高集成频率可重构微带天线设计，具体为一种小型化频率可重构微带缝隙天线。

背景技术

随着无线通信技术的蓬勃发展，诸多无线通信系统（例如第四代移动通信系统TD-LTE，航空移动遥测系统AMT以及无线局域网系统WLAN等）可以集成到一个通信平台上。不同无线通信系统的天线结构和尺寸不尽相同，如果多个通信系统集成后仍然使用各自的天线，将会引起无线通信系统的设备体积庞大以及系统间干扰增加等问题。为了解决这些问题，国内外学者提出了频率可重构天线，在保证方向图以及极化方式不变的情况下，根据通信要求适时改变天线的工作频率，在电子对抗干扰和保密通信等诸多方面得到广泛应用。频率可重构天线通过引入开关器件（例如PIN二极管、MEMS开关）改变天线辐射单元的相对位置或者电流分布，使其能根据实际应用环境的需求实时改变天线工作频段，从而满足通信系统的需求。

近年来，国内外学者提出多种频率可重构天线，但是它们共同的缺点是天线所能达到的性能较差，具体表现在天线体积较大，结构复杂，甚至有些形式的天线因结构复杂而无法实现。因此如何设计出高性能且结构简单的频率可重构天线是一个仍然有待于解决的技术难题。微带缝隙天线具有结构简单、容易加工制作，体积小、易于与微带电路集成等优点，在雷达技术、空间科学、生物医学领域以及各种无线通信系统得到越来越广泛的应用。因此，研究频率可重构微带缝隙天线是解决无线通信系统紧凑、高集成技术难题的有效途径。

发明内容

本发明的目的是解决目前无线通信系统天线数量多、设备体积大、集成度低的技术问题，提供一种小型化频率可重构微带缝隙天线。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种小型化频率可重构微带缝隙天线，包括上层的微带馈线、中间层的介质基板及下层的接地板；所述微带馈线为阶梯型馈线；所述接地板刻蚀两个L型开路缝隙和一个U型短路缝隙，其中两个L型开路缝隙以接地板一条中心线为轴对称刻蚀；U型短路缝隙的水平枝节与该中心线垂直相交；三个PIN二极管分别加载于两个L型开路缝隙和U型短路缝隙之上；所述接地板还刻蚀有四个偏置缝隙，十个隔直电容加载于偏置缝隙之上。

通过控制二极管的不同组合状态实现频率可重构功能；所述接地板刻蚀两个对称L型开路缝隙，改善天线的阻抗带宽和交叉极化；所述接地板刻蚀四个偏置缝隙，在偏置缝隙上加载隔直电容，能够有效地减少直流信号和射频信号的串扰，改善天线辐射性能。

进一步的，所述接地板刻蚀L型开路缝隙的长度对应于最小工作频率的四分之一导波波长，天线尺寸为27 mm × 25 mm。

在两个L型开路缝隙和一个U型短路缝隙中分别加载一个PIN二极管（6-1、6-2、6-3），通过控制二极管的不同组合状态，使得天线产生四个工作模式。在第三PIN二极管6-3断开的情形下，天线工作在两个双频模式。当第一PIN二极管6-1和第二PIN二极管6-2断开时（state 1），L型缝隙一端开路，缝隙长度为1/4导波波长，天线谐振频率为2.3GHz和4.4GHz，当第一PIN二极管6-1和第二PIN6-2导通时（state 2），L型缝隙末端从“开路状态”变为“短路状态”，缝隙长度为1/2导波波长，天线谐振频率为4.4GHz和5.8GHz；相反，在第三PIN二极管6-3导通情形下，天线工作在两个单频模式。同理，当第一PIN二极管6-1和第二PIN二极管6-2断开时（state 3），天线谐振频率为2.3GHz，当第一PIN二极管6-1和第二PIN二极管6-2导通时（state 4），天线谐振频率为5.8GHz。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）天线尺寸为27 mm × 25 mm，与传统半波长天线相比，天线尺寸减小了32.5%；

（2）接地板采用对称结构，展宽了天线的带宽，降低了天线的交叉极化；

（3）天线偏置电路加载在接地板上，有效减少直流信号和射频信号的串扰，改善天线辐射性能；

（4）本发明可以工作在第四代移动通信系统（TD-LTE）2.3GHz、航空移动遥测系统（AMT）4.4GHz以及无线局域网系统（WLAN）5.8GHz频段，天线结构简单，成本低，容易加工制作，为无线通信系统紧凑、高集成提供行之有效的解决途径。

附图说明

图1为本发明所述的小型化频率可重构微带缝隙天线的正视图。

图2为本发明所述的小型化频率可重构微带缝隙天线的后视图。

图3为本发明所述的小型化频率可重构微带缝隙天线各个工作模式的回波损耗曲线。

图4为本发明所述的小型化频率可重构微带缝隙天线工作在2.3GHz的辐射方向图。

图5为本发明所述的小型化频率可重构微带缝隙天线工作在4.4GHz的辐射方向图。

图6为本发明所述的小型化频率可重构微带缝隙天线工作在5.8GHz的辐射方向图。

1为微带馈线，2为介质基板，3为接地板，4为L型开路缝隙，5为U型短路缝隙，6-1为第一PIN二极管，6-2为第二PIN二极管，6-3为第三PIN二极管，7-1为第一偏置缝隙，7-2为第二偏置缝隙，7-3为第三偏置缝隙，7-4为第四偏置缝隙，8为隔直电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如附图1、2所示，一种小型化频率可重构微带缝隙天线，包括上层的微带馈线1、中间层的介质基板2及下层的接地板3；所述微带馈线1为阶梯型馈线；所述接地板3刻蚀两个L型开路缝隙4和一个U型短路缝隙5，其中两个L型开路缝隙4以接地板3一条中心线为轴对称刻蚀；U型短路缝隙5的水平枝节与该中心线垂直相交；三个PIN二极管6-1、6-2、6-3分别加载于两个L型开路缝隙4和U型短路缝隙5之上；所述接地板3还刻蚀有四个偏置缝隙7-1、7-2、7-3、7-4，十个隔直电容8加载于偏置缝隙7-1、7-2、7-3、7-4之上。

所述接地板3刻蚀L型开路缝隙4的长度对应于最小工作频率的四分之一导波波长，天线尺寸为27 mm × 25 mm。

两个L型开路缝隙4的垂直枝节对称分布在作为对称轴的中心线两侧且与该中心线平行，水平枝节由垂直枝节的底部延伸至与该垂直枝节相邻的接地板3侧边边缘；U型短路缝隙5位于两个L型开路缝隙4的上方；三个PIN二极管分别加载于U型短路缝隙5的水平枝节的中心以及两个L型开路缝隙4的水平枝节靠近接地板3侧边的一端。

所述四个偏置缝隙包括第一偏置缝隙7-1、第二偏置缝隙7-2、第三偏置缝隙7-3和第四偏置缝隙7-4；第一偏置缝隙7-1和第二偏置缝隙7-2呈倒L型且对称分布在中心线的两侧并同时位于U型短路缝隙5的上方，第一偏置缝隙7-1和第二偏置缝隙7-2由水平段和竖直段组成，竖直段对称分布于中心线两侧，水平段由竖直段顶部延伸至邻近的接地板3侧边；第三偏置缝隙7-3和第四偏置缝隙7-4呈竖直状且对称分布在中心线的两侧并分别位于两个L型开路缝隙4的水平枝节的下部；第三偏置缝隙7-3以及第四偏置缝隙7-4分别由两个L型开路缝隙4的水平枝节的下部延伸至接地板的底边；第一偏置缝隙7-1和第二偏置缝隙7-2的两个端部以及弯折处均加载有一个隔直电容8；第三偏置缝隙7-3和第四偏置缝隙7-4的上下端均加载有一个隔直电容8。

所述介质基板2采用介电常数为3.48，厚度为0.8mm的Rogers 4350B介质基板。

阶梯型馈线的上半部分长度为9.6mm，宽度为8mm，下半部分长度为7mm，宽度为1.68mm；所述接地板3上L型开路缝隙4水平枝节长度为10.2mm，垂直枝节长度为7.5mm，U型短路缝隙5水平枝节长度为12mm，垂直枝节长度为1mm，L型开路缝隙4和U型短路缝隙5的宽度均为1mm，偏置缝隙7-1、7-2、7-3、7-4的宽度均为0.3mm。

两个对称L型开路缝隙使得天线能够获得较大的阻抗带宽和较小的交叉极化；偏置缝隙及其上的隔直电容能够有效减少直流信号和射频信号的串扰。

附图3示出了小型化频率可重构微带缝隙天线各个工作模式的回波损耗曲线，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。从图中可以看出，当天线工作在state 1（三个PIN二极管都断开）时，天线谐振频率为2.3GHz和4.4GHz；当天线工作在state 2（6-3断开, 6-1和 6-2导通）时，天线谐振频率为4.4GHz和5.8GHz；当天线工作在state 3（6-3导通, 6-1和 6-2断开）时，天线谐振频率为2.3GHz；当天线工作在state4（三个二极管都导通）时，天线谐振频率为5.8GHz。在|S ₁₁|<-10dB的情况下，三个工作频率的相对带宽分别为4.7%，6.3%，5.7%。

附图4-6分别示出了小型化频率可重构微带缝隙天线在2.3GHz、4.4GHz和5.8GHz的辐射方向图。从图中可以看出，天线在三个频率的辐射性能稳定，E面方向图呈“8”字型，H面方向图是全向型。同时，由于天线的结构对称，交叉极化基本低于-20dB，在一些角度交叉极化会大于-20dB，可能主要是由于偏置线的影响。

Claims

1.一种小型化频率可重构微带缝隙天线，包括上层的微带馈线（1）、中间层的介质基板（2）及下层的接地板（3）；其特征在于所述微带馈线（1）为阶梯型馈线；所述接地板（3）刻蚀两个L型开路缝隙（4）和一个U型短路缝隙（5），其中两个L型开路缝隙（4）以接地板（3）一条中心线为轴对称刻蚀；U型短路缝隙（5）的水平枝节与该中心线垂直相交；三个PIN二极管分别加载于两个L型开路缝隙（4）和U型短路缝隙（5）之上；所述接地板（3）还刻蚀有四个偏置缝隙，十个隔直电容（8）加载于偏置缝隙之上。

2.如权利要求1所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，所述接地板（3）刻蚀L型开路缝隙（4）的长度对应于天线最小工作频率的四分之一导波波长，天线尺寸为27mm × 25 mm。

3.如权利要求1或2所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，两个L型开路缝隙（4）的垂直枝节对称分布在作为对称轴的中心线两侧且与该中心线平行，水平枝节由垂直枝节的底部延伸至相邻的接地板（3）侧边边缘；U型短路缝隙（5）位于两个L型开路缝隙（4）的上方；三个PIN二极管分别加载于U型短路缝隙（5）的水平枝节的中心以及两个L型开路缝隙（4）的水平枝节靠近接地板（3）侧边的一端。

4.如权利要求1或2所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，所述四个偏置缝隙包括第一偏置缝隙（7-1）、第二偏置缝隙（7-2）、第三偏置缝隙（7-3）和第四偏置缝隙（7-4）；第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）呈倒L型且对称分布在中心线的两侧并同时位于U型短路缝隙（5）的上方，第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）由水平段和竖直段组成，竖直段对称分布于中心线两侧，水平段由竖直段顶部延伸至邻近的接地板（3）侧边；第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）的竖直段下端均与U型短路缝隙（5）相连接；第三偏置缝隙（7-3）和第四偏置缝隙（7-4）呈竖直状且对称分布在中心线的两侧并分别位于两个L型开路缝隙（4）的水平枝节的下部；第三偏置缝隙（7-3）以及第四偏置缝隙（7-4）分别由两个L型开路缝隙（4）的水平枝节的下部延伸至接地板的底边；第三偏置缝隙（7-3）的上端和其对应的L型开路缝隙（4）的水平枝节相连，第四偏置缝隙（7-4）的上端和其对应的L型开路缝隙（4）的水平枝节相连；第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）的两个端部以及弯折处均加载有一个隔直电容（8）；第三偏置缝隙（7-3）和第四偏置缝隙（7-4）的上下端均加载有一个隔直电容（8）。

5.如权利要求3所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，所述四个偏置缝隙包括第一偏置缝隙（7-1）、第二偏置缝隙（7-2）、第三偏置缝隙（7-3）和第四偏置缝隙（7-4）；第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）呈倒L型且对称分布在中心线的两侧并同时位于U型短路缝隙（5）的上方，第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）由水平段和竖直段组成，竖直段对称分布于中心线两侧，水平段由竖直段顶部延伸至邻近的接地板（3）侧边；第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）的竖直段下端均与U型短路缝隙（5）相连接；第三偏置缝隙（7-3）和第四偏置缝隙（7-4）呈竖直状且对称分布在中心线的两侧并分别位于两个L型开路缝隙（4）的水平枝节的下部；第三偏置缝隙（7-3）以及第四偏置缝隙（7-4）分别由两个L型开路缝隙（4）的水平枝节的下部延伸至接地板的底边；第三偏置缝隙（7-3）的上端和其对应的L型开路缝隙（4）的水平枝节相连，第四偏置缝隙（7-4）的上端和其对应的L型开路缝隙（4）的水平枝节相连；第一偏置缝隙（7-1）和第二偏置缝隙（7-2）的两个端部以及弯折处均加载有一个隔直电容（8）；第三偏置缝隙（7-3）和第四偏置缝隙（7-4）的上下端均加载有一个隔直电容（8）。

6.如权利要求1或2所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，所述介质基板（2）采用介电常数为3.48，厚度为0.8mm的Rogers 4350B介质基板。

7.如权利要求3所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，所述介质基板（2）采用介电常数为3.48，厚度为0.8mm的Rogers 4350B介质基板。

8.如权利要求1或2所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，阶梯型馈线的上半部分长度为9.6mm，宽度为8mm，下半部分长度为7mm，宽度为1.68mm；所述接地板（3）上L型开路缝隙（4）水平枝节长度为10.2mm，垂直枝节长度为7.5mm，U型短路缝隙（5）水平枝节长度为12mm，垂直枝节长度为1mm，L型开路缝隙（4）和U型短路缝隙（5）的宽度均为1mm，偏置缝隙的宽度均为0.3mm。

9.如权利要求3所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，阶梯型馈线的上半部分长度为9.6mm，宽度为8mm，下半部分长度为7mm，宽度为1.68mm；所述接地板（3）上L型开路缝隙（4）水平枝节长度为10.2mm，垂直枝节长度为7.5mm，U型短路缝隙（5）水平枝节长度为12mm，垂直枝节长度为1mm，L型开路缝隙（4）和U型短路缝隙（5）的宽度均为1mm，偏置缝隙的宽度均为0.3mm。

10.如权利要求4所述的小型化频率可重构微带缝隙天线，其特征在于，阶梯型馈线的上半部分长度为9.6mm，宽度为8mm，下半部分长度为7mm，宽度为1.68mm；所述接地板（3）上L型开路缝隙（4）水平枝节长度为10.2mm，垂直枝节长度为7.5mm，U型短路缝隙（5）水平枝节长度为12mm，垂直枝节长度为1mm，L型开路缝隙（4）和U型短路缝隙（5）的宽度均为1mm，偏置缝隙的宽度均为0.3mm。