CN106299649A - 电控频率可重构的超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电控频率可重构的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线、超宽带多模谐振器、接地直流馈电板、PIN管、窄带谐振器、接地板以及同轴电缆，其中，介质基板包括相对的第一表面和第二表面；辐射贴片、微带馈线、超宽带多模谐振器、接地直流馈电板、PIN管和窄带谐振器均贴设于介质基板的第一表面，接地板贴设于介质基板的第二表面；同轴电缆包括外导体和内导体，内导体和微带馈线相连，外导体和接地板相连。多模谐振器为天线提供了良好的阻带抑制作用，通过控制PIN管的通断，能够实现天线超宽带工作模式和窄带工作模式之间的切换，窄带谐振器能够实现天线窄带频率的自由调节，有效地实现了天线的多功能、小型化和超宽带的频率可重构特性。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种电控频率可重构的超宽带天线。
背景技术
随着现代无线技术的发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，多功能，体积小，超宽带已成为了天线研究的重要方向。其中，可重构超宽带天线是一大研究热点，实现电控频率可重构的方法主要有：一是采用机械式移动的方法，实现天线的频率可重构特性，但该方法采用了机械方式，模式切换精确度不能保证，天线体积较大；二是通过使用PIN管和多个辐射分支实现了两个频点的相互切换，但该方法只具备在单一频点上切换的功能，不具备超宽带特性与电控频率频点选择特性；三是通过N个辐射单元与N-1个电子开关，来实现频率可重构的超宽带天线特性，但该方法使用电子开关个数较多，制作较为复杂，天线体积也较大。因此，设计一种能够实现超宽带和窄带之间自由调节的可重构超宽带天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现超宽带和窄带之间自由调节的可重构的超宽带天线。
为了实现上述目的，本发明提供一种电控频率可重构的超宽带天线，包括：介质基板，包括相对的第一表面和第二表面；辐射贴片，贴设于所述介质基板的第一表面；微带馈线，贴设于所述介质基板的第一表面；超宽带多模谐振器，贴设于所述介质基板的第一表面，一端通过第一交指耦合结构连接于所述辐射贴片，另一端通过第二交指耦合结构连接于所述微带馈线；接地直流馈电板，贴设于所述介质基板的第一表面，位于所述第二交指耦合结构中的中间微带线和所述微带馈线之间；PIN管，贴设于所述介质基板的第一表面，位于所述第二交指耦合结构中的中间微带线和所述接地直流馈电板之间；窄带谐振器，贴设于所述介质基板的第一表面；接地板，贴设于所述介质基板的第二表面；同轴电缆，包括外导体和内导体，内导体和所述微带馈线相连，外导体和所述接地板相连。
可选地，所述超宽带多模谐振器包括环形贴片和矩形贴片，所述矩形贴片的一端与所述环形贴片相连，另一端分别与第一交指耦合结构中的中间微带线和第二交指耦合结构中的中间微带线垂直相连。
可选地，所述矩形贴片与所述第一交指耦合结构中的中间微带线的连接处设置有第三电感。
可选地，所述辐射贴片包括第一类椭圆形贴片和第二类椭圆形贴片，第一类椭圆贴片上开设有类椭圆形孔，第二类椭圆形贴片位于所述类椭圆形孔中。
可选地，所述接地板形成为一侧边缘为凸形圆弧的类矩形板，所述凸形圆弧的顶端开设有矩形槽。
可选地，所述窄带谐振器包括高压直流馈电板、变容二极管以及接地直流馈电板，所述高压直流馈电板和变容二极管之间通过第一电感和第一微带线相连接，所述接地直流馈电板和变容二极管之间通过第二电感和第二微带线相连接。
可选地，所述第一微带线和所述第二微带线形成为直角折线型。
可选地，所述介质基板为Rogers4350B，其相对介电常数为3.48，损耗正切角为0.0037，基板厚度H＝1.524mm。
通过上述技术方案，多模谐振器为天线提供了良好的阻带抑制作用，通过控制PIN管的通断，能够实现天线超宽带工作模式和窄带工作模式之间的切换，窄带谐振器能够实现天线窄带频率的自由调节，有效地实现了天线的多功能、小型化和超宽带的频率可重构特性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线整体结构示意图；
图2是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线的俯视图；
图3是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线，在超宽带工作模式下的电磁能量传输路径图；
图4是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线，在窄带工作模式下的电磁能量传输路径图；
图5是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线的后视图；
图6是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线的侧视图；
图7是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线，超宽带工作模式下S11参数随频率变化的曲线图；
图8是本发明提供的电控频率可重构的超宽带天线，窄带工作模式下变容二极管不同电容值情况下S11参数随频率变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明提供一种电控频率可重构的超宽带天线，包括介质基板0、辐射贴片、微带馈线4、超宽带多模谐振器、接地直流馈电板7、PIN管12、窄带谐振器、接地板17以及同轴电缆。其中，介质基板0包括相对的第一表面和第二表面；辐射贴片、微带馈线4、超宽带多模谐振器、接地直流馈电板7、PIN管12以及窄带谐振器均贴设于介质基板0的第一表面；超宽带多模谐振器的一端通过第一交指耦合结构连接于辐射贴片，另一端通过第二交指耦合结构连接于微带馈线4；接地直流馈电板7位于第二交指耦合结构中的中间微带线32和微带馈线4之间；PIN管12位于第二交指耦合结构中的中间微带线32和接地直流馈电板7之间；接地板17，贴设于介质基板0的第二表面；同轴电缆，包括外导体和内导体，内导体和微带馈线4相连，外导体和接地板17相连。
通过上述技术方案，多模谐振器为天线提供了良好的阻带抑制作用，通过控制PIN管的通断，能够实现天线超宽带工作模式和窄带工作模式之间的调节，窄带谐振器能够实现天线窄带频率的自由调节，有效地实现了天线的多功能、小型化和超宽带的频率可重构特性。
其中，在本发明提供的实施方式中，如图1和图2所示，超宽带多模谐振器包括环形贴片1和矩形贴片2，矩形贴片2的一端与环形贴片1相连，另一端分别与第一交指耦合结构中的中间微带线31和第二交指耦合结构中的中间微带线32相连，并且矩形贴片2与中间微带馈线31和32均垂直，矩形贴片2与第一交指耦合结构中的中间微带线31的连接处设置有第三电感11。超宽带多模谐振器为天线提供了良好的阻带抑制作用，具体地，天线在超宽带工作模式下，电磁能量的路径如图3所示，首先，通过50Ω同轴电缆的内导体作为天线的馈电端口，PIN管12位于第二交指耦合结构中的中间微带线32和接地直流馈电板7之间，当PIN管12处于关闭状态时，超宽带多模谐振器处于工作状态，该天线可以工作在UWB3.1GHz～10.6GHz频段的超宽带模式，在这个超宽带范围内，该天线具有稳定的方向图且能够实现增益，可作为发射天线和接收天线；当PIN管12处于打开状态时，超宽带多模谐振器处于接地状态，天线的工作模式由窄带谐振器决定。
进一步地，在本发明提供的实施方式中，如图1和图4所示，窄带谐振器包括高压直流馈电板13、变容二极管8以及接地直流馈电板14，高压直流馈电板13和变容二极管8之间通过第一电感10和第一微带线15相连接，接地直流馈电板14和变容二极管8之间通过第二电感10和第二微带线15相连接，第一微带线15和第二微带线15形成为直角折线型，利用变容二极管8的直流馈电电压的大小来改变变容二极管8的电容值，从而可以调节天线在窄带模式下的工作频率。
其中，在本发明第一交指耦合结构中间的微带馈线31、第二交指耦合结构中间的微带馈线32以及多模谐振器为天线提供良好的阻带抑制能力，多模谐振器和双边的第一交指耦合结构和第二交指耦合结构可视为滤波器超宽带路径部分。通过交指耦合结构耦合到辐射贴片后端，具体地，辐射贴片包括第一类椭圆形贴片5和第二类椭圆形贴片6，第一类椭圆贴片5上开设有类椭圆形孔，第二类椭圆形贴片6位于类椭圆形孔中，在第一类椭圆贴片5内部嵌入第二类椭圆贴片6，用第二类椭圆贴片6的基模抑制第一类椭圆贴片5的二次模，能够实现可重构天线的超宽带状态下的方向图稳定设计，从而提高超宽带天线的高频辐射特性。
具体地，在本发明提供的实施方式中，如图2和图4所示，介质基板0为Rogers4350B(罗杰斯4350B)，其相对介电常数为3.48，损耗正切角为0.0037，基板厚度H＝1.524mm，采用这种材料主要是由于该介质基板的损耗角低，对于辐射效率有一定保证；接地板17形成为一侧边缘为凸形圆弧的类矩形板，圆弧的半长轴为0.5*W，半短轴为GL1+GL2-GL3，为了更好的匹配，凸形圆弧的顶端开设有矩形槽16，矩形槽16的长度GL1＝3.5mm～4.5mm，宽度GW1＝5mm～6mm；具体地，上述第一类椭圆贴片5和第二类椭圆贴片6均由两个具有相同半长轴而离心率不同的半椭圆形拼接而成，第一类椭圆贴片5的半长轴R3＝8mm～9mm，其组成的两个半椭圆的半短轴长分别为7mm～8mm和8mm～9mm，第二类椭圆贴片6嵌在第一类椭圆贴片5的内部，两者不接触，类椭圆形孔的半长轴R4＝3mm～4mm，半短轴分别为3.3mm～4.5mm和2.5mm～3.5mm，第二类椭圆贴片6的半长轴R5＝2mm～3mm，半短轴分别为3.5mm～4.5mm和2mm～3mm，类椭圆形孔和第二类椭圆贴片6的圆心间距L10＝0.1mm～0.2mm；环形贴片1的外环半径R1＝5mm～6mm，内环半径R2＝1mm～2mm，外环圆心至第一交指耦合结构中间微带线31和第二交指耦合结构中间微带线32连接端的距离W3＝7mm～9mm，环形贴片1与垂直于交指结构中间微带线的矩形微带线缝隙为0.1mm～0.3mm；变容二极管8的长度为0.5mm～1.5mm，其宽度为0.1mm～0.5mm，变容二极管8两侧直接与微带线相连，第一微带线15与交指型耦合结构耦合部分长度为1mm～3mm，耦合位置距离直流馈电板7连接电感长度L7＝2.5mm～4.5mm。直流馈电板7长和宽均为L3＝0.5mm～1.5mm；接地孔9的直径为R6＝0.1mm～0.5mm；上述第一交指耦合结构和第二交指耦合结构中间微带馈线的长度L2＝7mm～8mm，宽度为W5＝0.3mm～0.5mm；第一交指耦合结构和第二交指耦合结构中间微带馈线的上、下两微带馈线的长度L2＝7mm～8mm，L7＝7mm～8mm，宽度为W6＝0.2mm～0.5mm。电感片长度为0.5mm～1.5mm，电感片宽度为0.3mm～0.5mm，PIN管12长度为0.5mm～1.5mm，宽度为0.3mm～0.5mm。
为了获得多功能、小型化、频率可重构的超宽带天线，需对本发明所设计的超宽带天线中各组件的尺寸进行不断调整，如表1所示，为各组件最佳的尺寸组合，并根据表中的尺寸使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到该天线S11参数进行分析：在超宽带工作模式下，如图6所示，10dB带宽为3.009GHz～10.781GHz，完全涵盖了UWB的3.1GHz到10.6GHz，即整个UWB工作频带内匹配良好，且10.9GHz-14GHz频段内，S11小于-3dB，具有良好的阻带抑制；在窄带工作模式下，如图7所示，通过变容二极管8的偏置电压，可以实现该天线在窄带工作模式下工作频率的有效调节；此外，该超宽带天线由于是集成设计，因此具有小型化、结构紧凑、易于制造和调试等优势，同时，外形简单美观。
表1.各参数最佳尺寸表
注：L代表介质基板0的长度；W代表介质基板0的宽度，R1、R2分别代表超宽带多模谐振器环形贴片1内外圆半径长度，R3、R4、R5分别代表各个类椭圆辐射贴片的半长轴长度，R6代表接地孔9直径，L1代表类椭圆辐射贴片圆心距离馈电端口的距离，L2表示交指结构伸出部分的长度，L3表示高压直流馈电板13的长度，L4表示变容二极管8与交指结构馈电侧的条带耦合长度，L5表示变容二极管8长度，L6表示变容二极管8与交指结构辐射片侧的条带耦合长度，L7表示交指结构中间微带馈线的长度，L8表示垂直交指结构的多模谐振器矩形条带2宽度，L9表示辐射贴片矩形结构长度，L10表示类椭圆孔和第二类椭圆贴片6的圆心间距；W1表示辐射贴片矩形结构宽度，W2接地孔9距离交指耦合结构的距离，W3表示环形贴片1的圆心到基板下边缘的距离；W4表示变容二极管8微带线15的宽度，W5表示交指耦合结构中间微带线的宽度，W6表示交指耦合结构中上、下微带线的宽度；H代表介质基板0的厚度；h代表覆铜的厚度，即各种微带线、微带贴片的厚度。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (8)
1.一种电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，包括：
介质基板，包括相对的第一表面和第二表面；
辐射贴片，贴设于所述介质基板的第一表面；
微带馈线，贴设于所述介质基板的第一表面；
超宽带多模谐振器，贴设于所述介质基板的第一表面，一端通过第一交指耦合结构连接于所述辐射贴片，另一端通过第二交指耦合结构连接于所述微带馈线；
接地直流馈电板，贴设于所述介质基板的第一表面，位于所述第二交指耦合结构中的中间微带线和所述微带馈线之间；
PIN管，贴设于所述介质基板的第一表面，位于所述第二交指耦合结构中的中间微带线和所述接地直流馈电板之间；
窄带谐振器，贴设于所述介质基板的第一表面；
接地板，贴设于所述介质基板的第二表面；
同轴电缆，包括外导体和内导体，所述内导体和所述微带馈线相连，所述外导体和所述接地板相连。
2.根据权利要求1所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述超宽带多模谐振器包括环形贴片和矩形贴片，所述矩形贴片的一端与所述环形贴片相连，另一端分别与第一交指耦合结构中的中间微带线和第二交指耦合结构中的中间微带线垂直相连。
3.根据权利要求2所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述矩形贴片与所述第一交指耦合结构中的中间微带线的连接处设置有第三电感。
4.根据权利要求1所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述辐射贴片包括第一类椭圆形贴片和第二类椭圆形贴片，第一类椭圆贴片上开设有类椭圆形孔，第二类椭圆形贴片位于所述类椭圆形孔中。
5.根据权利要求1所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述接地板形成为一侧边缘为凸形圆弧的类矩形板，所述凸形圆弧的顶端开设有矩形槽。
6.根据权利要求1所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述窄带谐振器包括高压直流馈电板、变容二极管以及接地直流馈电板，所述高压直流馈电板和变容二极管之间通过第一电感和第一微带线相连接，所述接地直流馈电板和变容二极管之间通过第二电感和第二微带线相连接。
7.根据权利要求6所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述第一微带线和所述第二微带线形成为直角折线型。
8.根据权利要求1所述的电控频率可重构的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板为Rogers4350B，其相对介电常数为3.48，损耗正切角为0.0037，基板厚度H＝1.524mm。
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