CN105281029B - 一种频率可重构天线 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种频率可重构天线，该天线包括：介质基板、金属背板、金属馈线、短支线、第一辐射分支、第二辐射分支、PIN二极管、接地过孔、高阻偏置线；其中金属背板位于介质基板下部的背面；金属馈线位于介质基板下部的正面，且高度高于金属背板；短支线位于介质基板上部的正面，一端与金属馈线相连，另一端分叉出第一辐射分支和第二辐射分支，第二辐射分支长于第一辐射分支；第一辐射分支的末端连接PIN二极管，PIN二极管末端通过接地过孔与位于介质基板上部背面的高阻偏置线一端连接，高阻偏置线另一端与金属背板连接。具有成本低、体积小、在不同工作频点上具有全向辐射的优点。

Description

一种频率可重构天线
技术领域
本发明涉及天线，具体是应用于无线通信领域的频率可重构天线。
背景技术
随着现代无线技术的快速发展，具备可重构特性的多功能多模天线成为无线领域的一大研究热点。通过该研究，天线的许多特性，例如，工作频点，辐射方向图和极化方式可以通过外部控制的方式进行动态改变。
其中，天线的频率可重构特性，包括频点的连续可调，工作带宽的变化，不同频点的切换等不同模式。在认知无线电，军事通信，电子对抗等领域，为了躲避不同频点的干扰信号，经常需要在不同的频点进行切换。最初，为了实现这一功能，人们设计了多个工作在不同频点的天线，然后再用阵列开关进行切换。该种方法需要单独设计阵列开关和不同的天线，技术难度大，成本高，并且由于多个天线同时并存，存在电磁干扰问题，且体积很大。
2008年1月发表在刊物"ELECTRONICS LETTERS"上的文章"Reconfigurable Dual-band Antenna with High Frequency Ratio(1.6:1)Using MEMS Switches"，通过在两块矩形辐射体之间加载PIN二极管的方式来实现频点可切换功能。该文中一共采用了6个MEMS开关管，设计成本较高。另外，虽然射频信号馈入方式比较简单，但是PIN二极管的电压偏置电路比较复杂，不如采用外置Bias-T的偏置方式简单。2009年发表在刊物"IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION"上第6期的文章"Microstrip PatchAntennas on Tunable Electromagnetic Band-Gap Substrates"提出在微带天线底部加载类似蘑菇的EBG结构阵列，通过在EBG结构上加载PIN二极管实现频点的可重构功能。该文提出的EBG阵列是由4×4个EBG结构单元构成，每个单元需要加载2个PIN二极管，整个天线一共使用了32个PIN二极管，该设计实现结构比较复杂且成本较高。2011年发表在刊物"IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS"上的第10卷的文章"A Dual-BandHigh-Gain Resonant Cavity Antenna With Orthogonal Polarizations",通过三层电路板设计和两个射频信号输入口实现了10GHz和11.6GHz两个频点的切换。设计较为复杂。2012年"MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS"的第3期的文章"ReconfigurableMicrostrip Patch Antenna for WLAN Software Defined Radio Applications"报道了一种可在2.4GHz和5.6GHz频点之间切换工作的天线，但是该结构采用了4个PIN二极管才实现了可重构功能，成本不低，且馈电方式是探针，不如微带馈电结构简单。2012年7月发表在刊物"Electromagnetics"上的文章"A New Compact Reconfigurable Patch Antenna forPolarization and Frequency Diversity"通过在辐射片上刻蚀槽线，放置PIN二极管的方式实现了频点可切换功能，但是也存在PIN二极管使用数量多，馈电方式(探针)复杂等问题。
发明内容
为了克服以上设计中，PIN二极管使用数量多，天线结构，馈电以及偏置电路设计复杂，且设计成本较高等问题，本发明提出一种频率可重构天线,达到只需采用一个PIN二极管，采用微带线输入信号，体积较小且整体结构简单的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是一种频率可重构天线，该天线包括：介质基板、金属背板、金属馈线、短支线、第一辐射分支、第二辐射分支、PIN二极管、接地过孔、高阻偏置线；其中金属背板位于介质基板下部的背面；金属馈线位于介质基板下部的正面，且高度高于金属背板；短支线位于介质基板上部的正面，一端与金属馈线相连，另一端分叉出第一辐射分支和第二辐射分支，第二辐射分支长于第一辐射分支；第一辐射分支的末端连接PIN二极管，PIN二极管末端通过接地过孔与位于介质基板上部背面的高阻偏置线一端连接，高阻偏置线另一端与金属背板连接。
进一步的所述第二辐射分支为短支线的延伸，其末段迂回180°后与头段保持平行，所述第一辐射分支位于第二辐射分支头段与尾段之间。
本发明一种频率可重构天线，本发明采用微带输入信号，整体结构简单，体积小；本发明只采用了一个PIN二极管即实现了天线的两个工作频点动态切换，成本低；相比较于探针馈电，微带馈线的设计有利于跟平面微波电路进行集成；该设计在不同工作频点上具有全向辐射方向图，且基本保持不变。
附图说明
图1是本发明的设计流程图；
图2是本发明设计流程中的双频天线图以及实施实例的尺寸标注；
图3是本发明提出的频率可重构天线；
图4是天线在PIN二极管“开”和“关”两种状态下的等效电路；
图5是本发明的整体设计图(包含Bias-T元件)；
图6是本发明实施例中的PIN二极管仿真模型；
图7是本发明实施例中的PIN二极管仿真结果；
图8是本发明实施例中步骤1所设计天线的回波损耗跟尺寸l1的关系图；
图9是本发明实施例中步骤1所设计天线的回波损耗跟尺寸l5的关系图；
图10是本发明实施例的回波损耗；
图11是本发明实施例的低频通带中心频点4GHz的辐射方向图；
图12是本发明实施例的高频通带中心频点7.06GHz的辐射方向图。
图2中1.金属背板，2.金属馈线，3.天线信号输入口，4.介质基板；图3中5.高阻偏置线，6.接地过孔，7.PIN二极管，8.第一辐射分支,9.第二辐射分支，10.短支线；图4中11.PIN二极管“开”时的天线等效电路图，12.PIN二极管“关”时的天线等效电路图，13.所示电路等效天线中的短支线，14.所示电路等效为二极管“关”时的辐射分支，PIN二极管以及高阻偏置线。15.所示电路等效为二极管“开”时的第二辐射分支，16.所示电路等效为二极管“开”时的第一辐射分支，PIN二极管和高阻偏置线；图5中17.Bias-T元件，18.用于连接Bias-T和天线的传输线；图11中19.为归一化的天线增益，20.为低频通带4GH处的xoy面辐射方向图，21.为低频通带4GH处的xoz面辐射方向图；图12中22.为高频通带7.06GH处的xoy面辐射方向图，23.为高频通带7.06GH处的xoz面辐射方向图。
具体实施方式
在图1中，加载二极管采用Skyworks公司的PIN二极管“DSG9500-000”，仿真模型如图6所示。通过调节图中的Rp阻值，来模拟PIN二极管的“开”和“关”。该仿真中，采用1000Ω和4Ω来分别模拟二极管的“关”和“开”。将该二极管模型串联在一段传输线上，得到仿真结果如图7所示。由图可知，该模型可以正确模拟PIN二极管的状态。在优化仿真阶段时，天线的回波损耗结果由以下步骤获得。首先，将天线的无源部分用Ansys公司的“Ansoft HFSS”(HFSS)软件进行仿真，提取出S参数模型，再导入Agilent公司的“Advanced DesignSystem”(ADS)，联合之前的PIN二极管模型进行联合仿真，最终得到结果。这样联合了时域有限差分法(HFSS)和有限元方法(ADS)的优点，可以更进一步保证仿真精度。
在图2所示实施例中，天线设计在介质基板上，基板采用Rogers 4350B基板，介电常数3.5，厚度0.508，介质损耗角正切0.004。天线的尺寸为(单位为：mm)：l1＝5.5,l2＝3,l3＝10,l4＝3.4,l5＝1.5,l6＝1,w1＝1,w2＝1.6,w3＝1,w4＝1,w5＝1,w6＝1,s＝0.2.。经过HFSS对该天线的仿真得到如图8和图9所示的回波损耗结果，由图可知，该双频天线的两个工作频点会随着l1的减小而同时上移，天线的高频通带的中心频点会随着l5增大而下移。由该性质，通过调节天线尺寸，可以最终得到想要的工作频点。
图3是实施例的最终设计天线图，尺寸和图2一样。PIN二极管的正极焊接在辐射分支2上，负极焊接在通孔上接地。
图4为所设计天线的等效电路图，可以辅助设计天线。
图5为所设计天线的整体图，包含了Bias-T元件。Bias-T元件采用了Mini-Circuits公司的TCBT-14R+。Bias-T元件可以同时输入直流和射频信号，并对两者进行隔离。
图10是实施例的回波损耗结果图。由图可知，该实施例可在4GHz和7.06GHz频点附近工作。

Claims (1)

1.一种频率可重构天线，该天线包括：介质基板、金属背板、金属馈线、短支线、第一辐射分支、第二辐射分支、PIN二极管、接地过孔、高阻偏置线；其中金属背板位于介质基板下部的背面；金属馈线位于介质基板下部的正面，且高度高于金属背板；短支线位于介质基板上部的正面，一端与金属馈线相连，另一端分叉出第一辐射分支和第二辐射分支，第二辐射分支长于第一辐射分支；第一辐射分支的末端连接PIN二极管，PIN二极管末端通过接地过孔与位于介质基板上部背面的高阻偏置线一端连接，高阻偏置线另一端与金属背板连接；其特征在于所述第二辐射分支为短支线的延伸，其末段迂回180°后与头段保持平行，所述第一辐射分支位于第二辐射分支头段与尾段之间。
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