CN104953258A

CN104953258A - 一种多频段可调谐天线

Info

Publication number: CN104953258A
Application number: CN201510304261.7A
Authority: CN
Inventors: 田雨; 高博; 童玲; 刘文涛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: CN104953258B

Abstract

本发明公开了一种多频段可调谐天线，采用带通滤波器集成超宽带天线的结构，使可调谐天线的工作频率由超带宽天线与带通滤波器的相交带宽所决定，这样通过控制发夹型微带线的长度来调节天线的谐振频率，改善了天线的阻抗匹配性能。在具体的配置中，带通滤波器采用RF MEMS开关和变容二极管联合调谐协同设计，从而实现极大地拓展调谐范围的目的。

Description

一种多频段可调谐天线

技术领域

本发明属于无线电通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种多频段可调谐天线。

背景技术

天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的必要元件。随着无线通讯技术的发展，在单一通信系统上集成多个功能信息模块如通信、多媒体、WIFI、导航、雷达等的发展需求正在不断增加，而根据国家无线电管理委员会对频谱资源的分配，这些功能模块都将工作在不同的频段，导致天线的数量或者是单一天线多频段化的需求将不断增加。但是天线数量的增加将导致通信系统体积、成本、重量不断增大、电磁不兼容等现象，而单一天线多频段化又会引起噪声干扰、信噪比降低等严重问题。因此，为了扩展系统功能的同时，满足系统小型化、模块简洁化、频率调节灵活化等要求，采用具有频率可控的可调谐天线解决了传统实现方案对无线通信技术发展的制约，是未来LTE/5G等无线通信领域的关键技术之一。

目前可调谐天线常见的实现方法主要是在天线缝隙中或者长度上单一地加载可变电容或者开关元件，通过外部直流偏置电压控制这些电子元件的状态进而改变天线的工作频率。但是采用可变电容加载的方法由于电容调谐率的限制，导致电容加载的可调谐天线的调谐范围很小；而开关的通断状态又只能进行天线离散频点的调谐，二者不能满足天线频率多样化的日益需求。此外，在天线的缝隙中或者长度上加载以上电子元件进行频率调谐时将改变天线的基本结构，造成其输入阻抗的大幅变化或者是辐射模式的变化，进而严重的影响天线的阻抗匹配或者是其他电磁参数。因此，此类可调谐天线存在输入阻抗变化明显、阻抗匹配性能差、可调谐范围窄等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多频段可调谐天线，在满足天线各项性能指标前提下，大幅度提高天线的频率可调谐范围，实现良好的阻抗匹配与驻波比，有非常良好的抗干扰性能。

为实现上述发明目的，本发明一种多频段可调谐天线，其特征在于，包括：

天线顶层，在介质基板的正面蚀刻体积为V的微带辐射贴片；以矩形微带贴片为原型，在矩形微带贴片的正面，标记A、B、C、D四个顶点，且满足AB＝CD＞AC＝BD；将AB置于水平方向，AC置于垂直方向；

以顶点A为原点，沿着矩形上边AB和左边AC，标记距离为R1的两点，即点A’和A”，再做过点A’和A”的垂线，其交点标记为a，以点a为圆心，R1为半径进行圆角化处理，同理，以顶点B为原点，找到圆心点b，同样进行半径为R1的圆角化处理；

以顶点C为原点，沿着矩形下边CD和左边CA，标记距离为R2的两点，即点C’和C”，再做过点C’和C”的垂线，其交点标记为c，以点c为圆心，R2为半径进行圆角化处理，同理，以顶点D为原点，找到圆心点d，同样进行半径为R2的圆角化处理；

以矩形微带贴片上边AB中点e为中心，开半径为R3的半圆孔；在点e的正下方，在剩余矩形微带贴片的中点f处，开半径为R4的圆孔；

按照上述方法处理完矩形微带贴片后，将CD边的中点标记为天线馈电网络的接入点；

天线馈电网络，采用基于传输线电耦合发夹型微带线的微带滤波器；在发夹型微带线上，安装有可调谐器件，其具体安装位置如下：

在微带线的A1、A2处分别焊接变容二极管D1、D2，在微带线的B1～B4处分别焊接RF-MEMS开关F1～F4，在微带线的C1～C7处分别焊接电阻R1～R7；

变容二极管D1、D2的正极均由微带线经过电阻R7后，从直流正极馈电端口K3馈入，其负极分别由微带线经过电阻R1、R2后，通过通孔T1统一接地于直流负极馈电端口；

RF-MEMS开关F1～F4，开关F1左边微带线经过电阻R1后，通过通孔T1与直流负极馈电端口相接，开关F1右边的微带线经过电阻R3后，通过通孔T2接地于直流负极馈电端口，开关F1的正极通过直流馈电端口K2馈入；同理，开关F2左、右两边微带线分别经过R2、R5后，通过通孔T1、T4接地于直流负极馈电端口，开关F2的正极由直流馈电端口K2馈入；开关F3左、右两边微带线分别经过了R5、R6后，通过通孔T4、T5接地于接地于直流负极馈电端口，开关F3的正极由直流馈电端口K1馈入；开关F4左、右两边微带线分别经过电阻R3、R4后，通过通孔T2、T3接地于直流负极馈电端口，开关F4的正极由直流馈电端口K1馈入；

天线底层，为金属导体做成的矩形接地板，矩形接地板位于天线馈电网络的正背面；

天线馈电网络输出端直接与微带辐射贴片连接，输入端通过连接头与射频前端连接，直流负极馈电端口接入直流电压源负极，直流正极馈电端口K1、K2、K3接入直流电压源正极；通过控制K3接入的电源电压，来控制变容二极管D1、D2电容值，实现天线频率的连续调节，通过控制K1、K2电压源至驱动电压U，使RF-MEMS开关的导通，实现天线频率离散变化。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种多频段可调谐天线，采用带通滤波器集成超宽带天线的结构，使可调谐天线的工作频率由超带宽天线与带通滤波器的相交带宽所决定，这样通过控制发夹型微带线的长度来调节天线的谐振频率，改善了天线的阻抗匹配性能。在具体的配置中，带通滤波器采用RF MEMS开关和变容二极管联合调谐协同设计，从而实现极大地拓展调谐范围的目的。

同时，本发明多频段可调谐天线还具有以下有益效果：

(1)、本发明的可调谐天线基于超宽带天线与带通滤波器进行集成设计，使天线具备窄带的频率带宽，具有良好地抗干扰能力。通过控制馈电网络中发夹型微带线长度来实现天线频率的调谐，具有更加良好地阻抗匹配；

(2)、本发明设计的可调谐天线以矩形微带单极天线为原型，采用边缘圆弧化和开圆孔的方法获得螺旋形阻抗渐变结构，扩展了天线理论上可达到的最大调谐范围,实际范围可根据现实需求由开关数量所决定。

(3)、本发明设计的天线馈电网络采用了基于传输线电耦合发夹型微带线的带通滤波器，使用RF MEMS开关和变容二极管联合调谐协同设计，通过控制RF MEMS开关的导通状态延伸滤波器长度来使天线在开关断开状态所能调节的频率范围发生偏移进而拓展了所能实现的调谐频段，这样通过增加一个RFMEMS开关，可多实现一个调谐频段，从而达到拓展调谐范围的目的。

附图说明

图1是本发明一种多频段可调谐天线的结构图；

图2是图1所示的微带辐射贴片结构图；

图3是图1所示的天线馈电网络结构图；

图4是图1所示的天线底层结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

以频率调谐范围在S波段(1.7GHz～3.1GHz)的可调谐天线为例：

考虑到天线的增益与性能，可调谐天线设计时选取材料ROGERS4533为介质基板，其介电常数为3.45，损耗角正切为0.002，尺寸(长×宽×厚)50×70×0.762mm³。

图1是本发明一种多频段可调谐天线的结构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种多频段可调谐天线，包括：

天线顶层是在介质基板1的正面蚀刻体积为V＝36×30×0.035mm³的微带辐射贴片3；如图2所示，其实施如下：以铜材质的矩形微带贴片为原型，在矩形微带贴的正面，标记A、B、C、D四个顶点，且满足AB＝CD＞AC＝BD；将AB置于水平方向，AC置于垂直方向；

以顶点A为原点，沿着矩形上边AB和左边AC，标记距离为R1＝6mm的两点，即点A’和A”，再做过点A’和A”的垂线，其交点标记为a，以点a为圆心，R1＝6mm为半径进行圆角化处理，同理，以顶点B为原点，找到圆心点b，同样进行半径为R1＝6mm的圆角化处理；

以顶点C为原点，沿着矩形下边CD和左边CA，标记距离为R2＝17.815mm的两点，即点C’和C”，再做过点C’和C”的垂线，其交点标记为c，以点c为圆心，R2＝17.815mm为半径进行圆角化处理，同理，以顶点D为原点，找到圆心点d，同样进行半径为R2＝17.815mm的圆角化处理；

以矩形微带贴片上边AB中点e为中心，开半径为R3＝12mm的半圆孔；在中点e的垂直方向下，以剩余矩形微带贴片的中点f为圆心，开半径为R4＝8.8mm的圆孔，圆孔的大小不能够破坏矩形微带贴片的结构；

按照上述方法处理完矩形微带贴片后，将CD边的中点标记为微带辐射贴片3与天线馈电网络2的接入点K；

天线馈电网络2采用基于传输线电耦合发夹型微带线的微带滤波器，其输入端接射频前端RF，输出端K接微带辐射贴片3；如图3所示，微带滤波器的发夹型微带线宽度为0.5mm，厚度为0.035mm，在发夹型微带线上，安装有可调谐器件，其具体安装位置如下：

在微带线的A1、A2处分别焊接变容二极管D1、D2，在微带线的B1～B4处分别焊接RF-MEMS开关F1～F4，在微带线的C1～C7处分别焊接电阻R1～R7；在本实施例中，变容二极管的型号为SMV1763-040LF，其容值变化为9pf～1.8pf，驱动电压为0～5V；RF-MEMS开关的型号为RMSW100HP，其驱动电压90V；电阻的型号为RC0201FR-07100KL，其阻值为100K欧姆；

变容二极管D1、D2的正极均由微带线经过电阻R7后，从直流正极馈电端口K3馈入，其负极分别由微带线经过电阻R1、R2后，通过通孔T1统一接地于直流负极馈电端口J；

RF-MEMS开关F1～F4起承接水平两边微带线的作用，开关对应位置上下接口的微带线通过馈电端口K1、K2接入直流正极控制电压，从而控制开关的通断状态。

如图3所示，开关F1左边微带线经过电阻R1后，通过通孔T1与直流负极馈电端口J相接，开关F1右边的微带线经过电阻R3后，通过通孔T2接地于直流负极馈电端口J，开关F1的正极通过直流馈电端口K2馈入；同理，开关F2左、右两边微带线分别经过R2、R5后，通过通孔T1、T4接地于直流负极馈电端口J，开关F2的正极由直流馈电端口K2馈入；开关F3左、右两边微带线分别经过了R5、R6后，通过通孔T4、T5接地于接地于直流负极馈电端口J，开关F3的正极由直流馈电端口K1馈入；开关F4左、右两边微带线分别经过电阻R3、R4后，通过通孔T2、T3接地于直流负极馈电端口J，开关F4的正极由直流馈电端口K1馈入；其中，通孔T1～T6均连通于天线底层；

如图4所示，天线底层为金属导体做成的矩形接地板4，矩形接地板位于天线馈电网络2的正背面，其宽度与介质基板1宽度相同，长度与天线馈电网络2长度相同，在天线底层上分布有T1～T5个与天线馈电网络2导通的接地通孔；

如图1所示，天线馈电网络2输出端直接与微带辐射贴片3连接，输入端通过连接头与射频前端连接，直流负极馈电端口J接入直流电压源负极，直流正极馈电端口K1、K2、K3接入直流电压源正极；通过控制K3所接入的电源电压，来控制变容二极管D1、D2电容值，实现天线频率的连续调节；通过控制K1、K2电压源至驱动电源U＝90V，使RF-MEMS开关的导通，实现天线频率离散变化；通过二者联合调谐频率，使频率调节的范围满足1.7GHz～3.1GHz；在本实施例中，连接头采用天线座SMA-KE，外螺内孔直插SMA座，阻值为50欧姆。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种多频段可调谐天线，其特征在于，包括：

以顶点A为原点，沿着矩形上边AB和左边AC，标记距离为R1的两点，即点A’和A”，再做过点A’和A’的垂线，其交点标记为a，以点a为圆心，R1为半径进行圆角化处理，同理，以顶点B为原点，找到圆心点b，同样进行半径为R1的圆角化处理；

以顶点C为原点，沿着沿着矩形下边CD和左边CA，标记距离为R2的两点，即点C’和C”，再做过点C’和C”的垂线，其交点标记为c，以点c为圆心，R2为半径进行圆角化处理，同理，以顶点D为原点，找到圆心点d，同样进行半径为R2的圆角化处理；

天线馈电网络，采用基于传输线电耦合发夹型微带线的微带滤波器；在发夹型微带线线上，安装有可调谐器件，其具体安装位置如下：

天线馈电网络输出端直接与微带辐射贴片连接，输入端通过连接头与射频前端连接，直流负极馈电端口接入直流电压源负极，直流正极馈电端口K1、K2、K3接入直流电压源正极；通过控制K3接入的电源电压，来控制变容二极管D1、D2电容值，实现天线频率的连续调节，通过控制K2、K3电压源至驱动电压U，使RF-MEMS开关的导通，实现天线频率离散变化。

2.根据权利要求1所述的多频段可调谐天线，其特征在于，所述的介质基板的材质为ROGER4533，介电常数为3.45，损耗角正切为0.02，厚度为0.762mm，且介质基板正面面积大于矩形微带贴片正面面积。

3.根据权利要求1所述的多频段可调谐天线，其特征在于，所述的变容二极管的型号为SMV1763-040LF，其容值变化为9pf～1.8pf，驱动电压为0～5V；所述的RF-MEMS开关的型号为RMSW100HP，其驱动电压90V；所述的电阻的型号为RC0201FR-07100KL，其阻值为100K欧姆。

4.根据权利要求1所述的多频段可调谐天线，其特征在于，所述的天线顶层和天线底层可有铜导体做成。