CN107302131B - 一种应用于uwb/wlan的频率可重构滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线，所述应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线包括：辐射结构、馈电结构、滤波结构、射频控制结构、反射结构及介质基板。本发明可以实现超宽带状态，2.4GHz WLAN窄带状态和5.8GHz WLAN窄带状态之间的频带切换；集成设计滤波器，通过控制二极管的通断，使得天线可以在宽带或窄带状态切换工作，并且由于集成的滤波功能，窄带状态可以实现良好的频率选择性和高谐波抑制特性。

Description

一种应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的使用日趋频繁，无线频谱的紧缺限制了无线通信的进一步发展，适用于超宽带和多频段的天线变得尤为重要。为了解决上述的问题，可以采用频率可重构天线，使得天线动态地在多个频段上工作，同时辐射的方向图保持大致不变。在无线通信系统中，当将滤波器与天线级联时会加入匹配电路以避免器件间阻抗失配和性能恶化，使得系统变得结构复杂，尺寸和损耗也会变大。西安电子科技大学申请的专利“一种具有端射特性的频率可重构滤波天线”(申请号201410440608.6)中提出了一种具有端射特性的频率可重构滤波天线，该天线结构采用三个辐射单元组成的共形偶极子，通过在各单元适合的位置加载射频PIN二极管，通过调节其通断状态，改变了天线的电尺寸，从而实现频率可重构特性，与此同时，将滤波结构与频率可重构天线集成设计。采用该天线能够很好的满足卫星通信对具有高通断比、高频可重构天线的需求。但是该天线结构的不足之处在于：第一，其滤波结构是采用横向排列在微带馈电结构侧面的三个滤波单元，滤波单元间距较大，造成天线体积增大，增加系统的载荷要求。第二，由于滤波单元是矩形金属贴片，因此，所产生的滤波特性还不够理想。在文献“A Wideband-to-NarrowbandTunable Antenna Using A Reconfigurable Filter”中提出了一种频率可重构单极子天线。该天线由集成带通滤波器的微带线馈送RF信号，通过控制二极管的通断，天线可以在宽带状态或窄带状态下工作。在窄带状态下，采用两个变容二极管连续地将天线工作频率从3.9GHz调频到4.82GHz。采用该天线结构可以实现窄带的连续调频。但是，该天线结构的不足之处在于集成设计的带通滤波器的工作频带较窄，因此天线结构的可调频范围较小。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的滤波天线结构复杂，尺寸和损耗较大，可调范围较小。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线。
本发明是这样实现的，一种应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线，所述应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线包括：辐射结构、馈电结构、滤波结构、射频控制结构、反射结构及介质基板；位于介质板上层的辐射结构与馈电结构直接连接，滤波结构集成在馈电结构的微带馈线中，射频控制结构用来控制二极管的通断状态，分别位于滤波结构的一侧和馈电结构上，位于介质板下层的反射结构位于馈电结构，滤波结构，射频控制结构的下侧。
进一步，位于介质基板上层的辐射结构是椭圆形单极子；椭圆形单极子的长边与宽边的比值为2；辐射结构与微带馈线直接连接，微带馈线，微带馈线与滤波结构集成后再连接到微带馈线中。
进一步，馈电结构由三端口微带依次馈送RF信号；滤波结构采用分布在微带馈线两侧的开环带通滤波器和发卡带通滤波器；射频控制结构包括三个射频PIN管、四个电感、四个电容、四个接地过孔和四条高阻抗偏置线。
进一步，在微带馈线的缝隙处加载一个PIN二极管，在微带馈线和开环带通滤波器之间的缝隙处加载一个PIN二极管，在微带馈线和发卡带通滤波器之间的缝隙处加载一个PIN二极管；在与PIN二极管的阳极连接的微带线上分别加载四个电感，高阻抗偏置线、高阻抗偏置线、高阻抗偏置线、高阻抗偏置线接在各自电感后延长至介质板边缘，四个电容各自一端接接地过孔，另一端并联接在高阻抗偏置线上。
进一步，PIN二极管加载处的缝隙宽度为0.3mm；高阻抗偏置线的宽度为0.3mm。
进一步，位于介质基板下层的反射结构是金属地板。
本发明的优点及积极效果为：采用椭圆形单极子作为辐射贴片，在椭圆形单极子实现超宽带状态的前提下，在微带馈线的两侧集成设计滤波结构。在滤波结构和微带馈线连接处加载PIN二极管，并采用PIN二极管的射频控制结构；利用三个独立的端口依次进行馈送RF信号，并通过射频PIN二极管控制RF选择，从而可以实现超宽带状态，2.4GHz WLAN窄带状态和5.8GHz WLAN窄带状态之间的频带切换；集成设计滤波器，通过控制二极管的通断，使得天线可以在宽带或窄带状态切换工作，并且由于集成的滤波功能，窄带状态可以实现良好的频率选择性和高谐波抑制特性。
本发明适用于UWB/WLAN无线通信多功能系统。通过控制PIN二极管的通断，可以实现从宽带状态到窄带状态的调频；并且在窄带状态可以实现良好的频率选择性和高谐波抑制特性。本发明适用于包含UWB和WLAN频段的未来多通信功能系统。
本发明采用频率可重构天线代替多频/超宽带天线，对于移动互联网设备和智能电话等无线平台应用来访问WLAN、UWB等无线频谱时，可以根据系统的需求，自适应地选择合适的通信频段。本发明集成的滤波结构为天线提供了良好的频率选择性和高谐波抑制特性。本发明将频率可重构天线和滤波器集成设计成频率可重构滤波天线，不仅可以实现天线动态地在多个频段上工作，也能使得天线实现RF系统的小型化，同时天线的频率选择性和谐波抑制性得到提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的加载PIN二极管细节示意图。
图3是本发明实施例提供的图1的背面结构示意图。
图4是本发明实施例提供的工作在宽带状态下的反射系数特性曲线示意图。
图5是本发明实施例提供的工作在2.4GHz WLAN窄带状态下的反射系数特性曲线示意图。
图6是本发明实施例提供的工作在5.8GHz WLAN窄带状态下的反射系数特性曲线示意图。
图7是本发明实施例提供的在宽带状态下的3.5GHz的辐射方向示意图。
图8是本发明实施例提供的在宽带状态下的5.8GHz的辐射方向示意图。
图9是本发明实施例提供的在窄带状态下的2.45GHz的辐射方向示意图。
图10是本发明实施例提供的在窄带状态下的5.5GHz的辐射方向示意图。
图11是本发明实施例提供的在宽带与窄带状态下的增益示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明包括辐射结构、馈电结构、滤波结构、射频控制结构及介质基板；辐射结构采用椭圆形单极子；馈电结构采用三端口微带馈电。滤波结构采用分布在微带馈线两侧的带通滤波器结构；射频控制结构包括射频元件PIN管、电感、电容、接地过孔和高阻抗偏置线。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1-图3所示，本发明实施例提供的应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线包括：辐射结构、馈电结构、滤波结构、射频控制结构及介质基板1；位于介质基板1上层的辐射结构是椭圆形单极子2，辐射结构与微带馈线3直接连接，微带馈线4和微带馈线5与滤波结构集成后再连接到微带馈线3中，馈电结构由三端口微带3、4、5依次馈送RF信号；滤波结构采用分布在微带馈线3两侧的开环带通滤波器6和发卡带通滤波器7；射频控制结构包括三个射频PIN管、四个电感15、四个电容16、四个接地过孔17和四条高阻抗偏置线；在微带馈线3的缝隙处加载一个PIN二极管8，在微带馈线3和开环带通滤波器6之间的缝隙处加载一个PIN二极管9，在微带馈线3和发卡带通滤波器7之间的缝隙处加载一个PIN二极管10；在与PIN二极管的阳极连接的微带线上分别加载四个电感15，高阻抗偏置线11、高阻抗偏置线12、高阻抗偏置线13、高阻抗偏置线14接在各自电感15后延长至介质板边缘，四个电容16各自一端接接地过孔17，另一端并联接在高阻抗偏置线上，其中，高阻抗偏置线均为金属线。位于介质基板1下层的是金属地板19。
本发明中介质基板1的相对介电常数为4.4，基板厚度为1mm，介质板的长度和宽度均为40mm。椭圆形单极子的长边为17mm，短边为8.5mm，与椭圆形单极子直接连接的微带馈线3的长度为19.5mm，宽度为2mm。微带馈线4和5的宽度为2mm，开环带通滤波器6左边的微带馈线4长度是4.5mm，右边的长度是5.2mm。发卡带通滤波器7左边的微带馈线5长度是5.1mm，右边的长度是3.5mm。本发明中的滤波器基于其中心频率设计的，开环带通滤波器6的总长度约为2.45GHz的二分之一波长，发卡带通滤波器7由三阶U形谐振器实现，U形谐振器的总长度约为5.8GHz的二分之一波长，一阶和三阶谐振器长度较短于二阶谐振器，是为了更好地实现谐振特性。用于加载射频PIN二极管的缝隙宽度为0.3mm，射频PIN二极管的型号是MA4AGBL912，正向导通时可等效为一个4Ω的电阻，反向截止时可等效为一个由4kΩ和0.025pF组成的并联电路模型。用于驱动二极管的射频控制电路中，电感的值为30nH，电容值为2.2pF，高阻抗偏置线11的长度为19.5mm、高阻抗偏置线12的长度为17mm、高阻抗偏置线13的长度为19.5mm、高阻抗偏置线14的长度为6mm。金属地板的长度为19mm。宽度为40mm，两个切口三角形的长度和宽度均等于6mm。
图2中的三个二极管8、9、10分别表示3个射频二极管，整个天线工作频段的切换就是由这三个二极管完成。当二极管8导通，二极管9、10断开时，此时由微带馈线3馈送RF信号，两个带通滤波器不作用，天线工作在超宽带状态，覆盖的频段从2.7GHz到11GHz；当二极管9导通，二极管8、10断开时，微带馈线5馈送RF信号，开环带通滤波器产生滤波作用，使得天线工作在2.4GHz WLAN频段；当二极管10导通，二极管8、9断开时，微带馈线4馈送RF信号，发卡带通滤波器产生滤波作用，使得天线工作在5.8GHz WLAN频段。
图4、图5、图6分别为本发明工作在宽带和窄带状态下的反射系数特性曲线示意图。从图中可以看出：本发明可以在超宽带状态的带宽为87.5％，在2.4GHz WLAN窄带状态的带宽为11.6％，在5.8GHz WLAN窄带状态的带宽为14.5％。
图7、图8、图9、图10分别为本发明在宽带和窄带状态下的辐射方向示意图。从图中可以看到：本发明在两种状态下，不同频率处的辐射方向图大致相同。
图11为本发明在宽带与窄带状态下的增益示意图。从图中可以发现：本发明在宽带状态下的增益为1-2.2dB，在2.4GHz WLAN窄带状态的增益为0.96-1.1dB，在5.8GHz WLAN窄带状态的增益为1.18-1.72dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线，其特征在于，所述应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线包括：辐射结构、馈电结构、滤波结构、射频控制结构、反射结构及介质基板；
位于介质板上层的辐射结构与馈电结构直接连接，滤波结构集成在馈电结构的微带馈线中，射频控制结构用来控制二极管的通断状态，分别位于滤波结构的一侧和馈电结构上，位于介质板下层的反射结构位于馈电结构，滤波结构，射频控制结构的下方；
位于介质基板上层的辐射结构是椭圆形单极子；椭圆形单极子的长边与宽边的比值为2；辐射结构与第一微带馈线直接连接，第二微带馈线和第三微带馈线与不同的滤波结构集成后再通过PIN二极管连接到第一微带馈线中，第四微带馈线与第一微带馈线通过PIN二极管连接；
馈电结构由三端口微带依次馈送RF信号；滤波结构采用分布在微带馈线两侧的开环带通滤波器和发卡带通滤波器；射频控制结构包括三个射频PIN管、四个电感、四个电容、四个接地过孔和四条高阻抗偏置线；
在微带馈线的缝隙处加载一个PIN二极管，在微带馈线和开环带通滤波器之间的缝隙处加载一个PIN二极管，在微带馈线和发卡带通滤波器之间的缝隙处加载一个PIN二极管；在与PIN二极管连接的微带线上分别加载四个电感，第一高阻抗偏置线、第二高阻抗偏置线、第三高阻抗偏置线、第四高阻抗偏置线接在各自电感后延长至介质板边缘，四个电容各自一端接接地过孔，另一端并联接在高阻抗偏置线上。
2.如权利要求1所述的应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线，其特征在于，PIN二极管加载处的缝隙宽度为0.3mm；高阻抗偏置线的宽度为0.3mm。
3.如权利要求1所述的应用于UWB/WLAN的频率可重构滤波天线，其特征在于，位于介质基板下层的反射结构是金属地板。
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