CN107394365B - 陷波可重构的超宽带差分天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陷波可重构的超宽带差分天线，主要解决现有超宽带差分天线陷波不可重构且体积大的技术问题。其包括微带馈线(1)、微带介质基板(2)、金属接地板(3)、和辐射单元(4)，微带馈线的两侧设有微带短路枝节(5)，金属接地板的中央设有缝隙线结构(6),两侧设有反射器(7)，辐射单元的前方设有引向器(8)。所述微带短路枝节包括均匀阻抗谐振器和变容二极管，通过调节变容二极管的控制电压实现对陷波中心频率的调节，同步改变每个均匀阻抗谐振器与微带馈线的间距，实现对一个陷波带宽的独立调节。本发明具有陷波中心频率可重构和体积小的优点，可用于移动通信。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体是一种超宽带差分天线，可用于移动通信。
背景技术
近些年，随着移动通信技术的快速发展，一个通信系统往往需要工作在多个通信模式，如果每种模式均采用一个天线将导致通信系统体积大、成本高，而超宽带天线能同时涵盖多个通信模式，占用体积小，成本较低，得到了广泛的研究。另一方面，由于差分系统对噪声有较好的抑制作用，能够提高系统的灵敏度，满足现代通信系统高质量的通信要求。而传统系统中一般射频前端器件是差分形式，天线为单端形式，它们之间通过巴伦相连，使用巴伦会造成损耗，从而导致系统效率降低、体积大、成本高。
因此，为了提高无线通信系统的抗干扰性，同时能够涵盖多个通信标准，近些年国内外很多研究机构和学者都致力于差分超宽带天线的研究。
2006年Nikolay等学者在天线领域的顶级期刊IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNASAND PROPAGATION上发表文章Planar Differential Elliptical UWB AntennaOptimization，但天线增益较低。
2010年Andrea所在的课题组在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION期刊上发表论文A Planar,Differential,and Directive UltrawidebandAntenna。文中基于两个圆盘单极子天线设计宽带差分天线，但由于采用两个天线导致整体尺寸相对较大。
2012年Li Li等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION期刊上发表论文Ultra-Wideband Differential Wide-Slot Antenna With Improved RadiationPatterns and Gain。文中改善了差分天线的方向图和增益，但是尺寸仍较大。
由于UWB系统频段跨度大，容易受到WiFi等窄带信号的干扰。因此近些年具有陷波特性的差分超宽带天线引起了业界的重视。2014年Zhi-hong Tu设计了一款具有陷波特性的差分超宽带天线。通过耦合一段二分之一波长传输线实现陷波特性。2015年ZhaoyangTang通过在辐射贴片中引入开口谐振环设计了具有三个陷波特性的差分超宽带天线。但由于前述文献依旧采用两个天线实现差分特性，所以天线的尺寸仍然较大。此外由于前述文献所述天线的陷波中心工作频率固定，不能灵活地根据需要而有选择性的对某一频率单独陷波，因此当所需要的陷波中心工作频率改变时，需重新设计天线，从而增加了通信系统的成本。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术缺陷，提供一种陷波可重构的超宽带差分天线，以独立控制陷波中心工作频率，根据需要有选择性的对某一频率进行单独陷波，满足移动通信系统小型化的需求，减小成本。
为实现上述目的，本发明的包括微带馈线1、微带介质基板2、金属接地板3、和辐射单元4，其特征在于：
微带馈线1的两侧设有微带短路枝节5；金属接地板3的中央设有缝隙线结构6；辐射单元4的前方设有引向器7；金属接地板3的两侧设有反射器8；
所述微带短路枝节5包括两条结构相同的L型微带枝节，这两条L型的微带枝节对称放置在U型微带馈线1的外侧，每条L型微带枝节均采用均匀阻抗谐振器，该均匀阻抗谐振器长度Ls为陷波中心工作频率的四分之一波长；同步改变每个均匀阻抗谐振器与微带馈线1的间距，以实现一个差模陷波带宽的独立调节；每个均匀阻抗谐振器均加载有变容二极管，同步改变变容二极管的控制电压，以实现一个差模陷波的中心频率独立调节。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明通过采用单个天线实现超宽带差分特性，尺寸小，结构紧凑，易于分析。
2.本发明通过耦合四分之一波长短路均匀阻抗谐振器来实现陷波，通过改变加载在谐振器上的变容二极管的控制电压，从而简便的实现对陷波中心工作频率的控制。
3.本发明通过改变微带短路枝节与微带馈线的间距，实现对陷波带宽的独立调节。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的顶部结构图；
图3为本发明的底部结构图；
图4为本发明实施例的不同控制电压条件下的天线反射系数仿真结果图；
图5为本发明实施例的不同控制电压条件下的天线反射系数实测结果图；
图6为本发明实施例1天线远场辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
实施例1：陷波中心工作频率为5.5GHz的超宽带差分天线。
参照图1、图2和图3，本实例的陷波可重构超宽带差分天线，包括一个微带馈线1、一个微带介质基板2、一个金属接地板3、一个辐射单元4、两条微带短路枝节5、一个缝隙线结构6、一个引向器7和两个反射器8。
所述微带馈线1是一个U型的差分输入端口，该U型差分输入端口由两条50欧姆的微带竖线和一条微带横线相连构成，两条50欧姆微带竖线用来传输差分信号，中间的一条微带横线作为U型的底边，用于给底部的缝隙线结构6馈电，以实现差模信号的传输和共模信号的抑制，达到宽带共模抑制的效果。对称的微带馈线结构和微带线到缝隙线的转换结构提高了天线的抗干扰性能，使天线具备了良好的交叉极化特性。由于差模部分和共模部分分开设计，能够在保证调整差模谐振频率的同时对共模抑制没有影响，简化了差分天线的设计过程以及后期调试。采用一对平行50欧姆微带线作为差分馈电端口，以得到良好的带内回波损耗。U型差分输入端口的微带横线长度Lf1为14.4mm，线宽Wf1为2.1mm；U型差分输入端口的两条平行50欧姆微带竖线的长度Lf2为16mm，线宽Wf2为1.6mm。
所述微带短路枝节5，包括两条结构相同的L型微带枝节，这两条L型的微带枝节对称放置在微带馈线1中两条微带竖线的外侧，每条L型微带枝节均采用均匀阻抗谐振器，均匀阻抗谐振器的长度Ls为陷波中心工作频率的四分之一波长，每个均匀阻抗谐振器均加载有变容二极管，同步改变变容二极管的控制电压，可影响均匀阻抗谐振器的等效长度，进而调节超宽带天线陷波中心频率的大小。均匀阻抗谐振器的等效长度取本实例的中心频率为5.5GHz陷波的的四分之一波长，近似为9.08mm，则变容二极管两端的控制电压为0.5V，每个均匀阻抗谐振器与微带馈线1的间距d为0.6mm。每个均匀阻抗谐振器均单端接有接地通孔。
所述缝隙线结构6，其放置在金属接地板3的中央，并且与金属接地板3的边缘垂直相接，并与U型微带馈线1底边的微带线正交，以实现能量耦合的最大化，同时使电场方向与X轴方向平行，增强天线的交叉极化特性。缝隙线结构6采用二阶阶梯阻抗型缝隙线，以减小天线的整体尺寸，通过改变二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls1、Ls2和宽度Ws1、Ws2，实现天线阻抗的良好匹配和对天线通带带宽的调节。本实例的第一阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls1为11.0mm，宽度Ws1为2.21mm；第二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls2为5.0mm，宽度Ws2为0.7mm。
所述辐射单元4，其采用半波长偶极子结构，该半波长偶极子安装在金属接地板3的前方，并且与金属接地板3连接，可有效减小天线尺寸；半波长偶极子结构包括两条馈线和两个振子，每个振子的长L3为13mm，由超宽带天线中心频率的四分之一波长优化而来，宽度Wm2为2.0mm；每条馈线长度L4为6.0mm，宽度Wm1为2.0mm，两条馈线的间距L5为5.0mm。
所述引向器7，其包括一条直线型微带线，该直线型微带线位于辐射单元4的前方，并且与半波长偶极子振子平行，直线型微带线的长度L7为11mm，由超宽带天线中心频率的二分之一波长优化得到，宽度Wm3为1.5mm，直线型微带线与半波长偶极子振子的间距L6为4.2mm，由超宽带天线中心频率的四分之一波长优化得到。
所述反射器8，其包括两条结构相同的直线型微带枝节，这两条直线型微带枝节放置在金属接地板3的两侧，并且与金属接地板3相连。两条直线型微带枝节与金属接地板构成了缺陷地结构，提高了天线增益。每条直线型微带枝节与辐射单元4的间距L8为6mm，由超宽带天线中心频率的四分之一波长优化得到；直线型微带枝节长度L9为5.7mm。
所述微带基板2，其长度L1为40mm，宽度W1为40mm，相对介电常数为2.65，高度为0.8mm。金属接地板3的长度L2为26mm，宽度W2为23mm。
实施例2：陷波中心工作频率为6.2GHz的超宽带差分天线。
本实例的结构与实施例1的结构相同，包括一个微带馈线1、一个微带介质基板2、一个金属接地板3、一个辐射单元4、两条微带短路枝节5、一个缝隙线结构6、一个引向器7和两个反射器8，其不同点在于结构参数发生变化。其中：
均匀阻抗谐振器的长度Ls取本实例陷波的中心频率为6.2GHz的四分之一波长，近似为8.04mm，故变容二极管两端的控制电压为10V。
U型差分输入端口的微带横线长度Lf1为14.6mm，线宽Wf1为1.9mm；
U型差分输入端口的两条50欧姆微带竖线的长度Lf2为15.8mm，线宽Wf2为1.8mm；
每个均匀阻抗谐振器与微带馈线1的间距d为0.6mm；
本实例的第一阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls1为10.8mm，宽度Ws1为2.4mm；第二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls2为4.6mm，宽度Ws2为0.9mm；
偶极子结构的振子长L3为13mm，宽度Wm2为1.9mm；
馈线长度L4为5.8mm，宽度Wm1为1.8mm，两条馈线的间距L5为4.9mm；
直线型微带线的长度L7为11mm，宽度Wm3为1.4mm，直线型微带线与偶极子振子的间距L6为4.1mm；每条直线型微带枝节与辐射单元4的间距L8为6mm；直线型微带枝节长度L9为5.7mm；
微带基板2的长度L1为39mm，宽度W1为39mm，相对介电常数为2.65,高度为0.8mm；
金属接地板3的长度L2为22mm,宽度W2为23mm。
实施例3：陷波中心工作频率为6.6GHz的超宽带差分天线。
本实例的结构与实施例1的结构相同，包括一个微带馈线1、一个微带介质基板2、一个金属接地板3、一个辐射单元4、两条微带短路枝节5、一个缝隙线结构6、一个引向器7和两个反射器8，其不同点在于结构参数发生变化。其中：
均匀阻抗谐振器的长度Ls取本实例陷波的中心频率为6.6GHz的四分之一波长，近似为7.6mm，故变容二极管两端的控制电压为30V。
U型差分输入端口的微带横线长度Lf1为14.0mm，线宽Wf1为2.1mm；
U型差分输入端口的两条平行50欧姆微带竖线的长度Lf2为16mm，线宽Wf2为1.6mm；
每个均匀阻抗谐振器与微带馈线1的间距d为0.6mm；
本实例的第一阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls1为11.4mm，宽度Ws1为2.0mm；第二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls2为5.4mm，宽度Ws2为0.5mm；
偶极子结构的振子长L3为13mm，宽度Wm2为2.2mm；馈线长度L4为6.3mm，宽度Wm1为2.2mm，两条馈线的间距L5为5.2mm；
直线型微带线的长度L7为11mm，宽度Wm3为1.6mm，直线型微带线与半波长偶极子振子的间距L6为4.3mm。每条直线型微带枝节与辐射单元4的间距L8为6mm；直线型微带枝节长度L9为5.7mm；
微带基板2的长度L1为44mm，宽度W1为44mm，相对介电常数为2.65,高度为0.8mm；
金属接地板3的长度L2为28mm,宽度W2为26mm。
本发明的效果可通过以下仿真与测试进一步说明。
仿真1，分别对上述三个实施例的天线在不同变容二极管控制电压下进行天线反射系数|S11|的仿真，其中实施例1的控制电压为U1＝0.5V，实施例2的控制电压为U2＝10V，实施例3的控制电压为U3＝30V，仿真结果为图4。
实测1，分别对上述三个实施例的天线在不同变容二极管控制电压下进行天线反射系数|S11|的测试，其中实施例1的控制电压为U1＝0.5V，实施例2的控制电压为U2＝10V，实施例3的控制电压为U3＝30V，测试结果为图5。
从图4和图5中可以看出，三个实施例的天线在不同变容二极管控制电压下，分别在3.9GHz到9.8GHz频率范围的通带内均能实现一个中心频率不同的陷波，其中：
控制电压为U1＝0.5V时，仿真天线陷波中心频率为5.5GHz，反射系数值为-2.4dB，测试天线陷波中心频率为5.49GHz，反射系数值为-2.9dB；
控制电压为U2＝10V时，仿真天线陷波中心频率为6.2GHz，反射系数值为-2.74dB，测试天线陷波中心频率为6.21GHz，反射系数值为-4.3dB；
控制电压为U3＝30V时，仿真天线陷波中心频率为6.5GHz，反射系数值为-2.48dB，测试天线陷波中心频率为6.51GHz，反射系数值为-2.58dB。
从仿真与实测结果可以看出，陷波可重构超宽带天线的仿真结果与实测结果基本一致。
仿真实测2，设定通带带宽范围为3.9GHz-9.8GHz，对实施例1所述天线分别在4GHz、7GHz和9GH三个频率点进行天线远场辐射性能的仿真和实测，结果如6图，其中，图6(a)为4GHz天线远场辐射方向图、图6(b)为7GHz天线远场辐射方向图和图6(c)为9GHz天线远场辐射方向图。
从图6可见，三个方向图的增益最大值所在的方向均在天线辐射远场E面90°与H面90°方向，表明天线有较好的端射辐射特性。
Claims (8)
1.一种陷波可重构的超宽带差分天线，包括微带馈线(1)、微带介质基板(2)、金属接地板(3)、和辐射单元(4)，微带馈线(1)位于微带介质基板(2)的顶部，金属接地板(3)、辐射单元(4)位于微带介质基板(2)的底部，信号从微带馈线(1)通过微带介质基板(2)耦合到金属接地板(3)，再由微带介质基板(2)最终传输到辐射单元(4)，其特征在于：
所述微带馈线(1)是一个U型的差分输入端口，该U型差分输入端口由两条50欧姆的微带竖线和一条微带横线相连构成，两条50欧姆微带竖线用来传输差分信号，中间的一条微带横线作为U型的底边，用于给底部的与微带横线相垂直的缝隙线结构(6)馈电，以实现差模信号的传输和共模信号的抑制，该微带馈线(1)的两侧设有微带短路枝节(5)；金属接地板(3)的中央设有缝隙线结构(6)；辐射单元(4)的前方设有引向器(7)；金属接地板(3)的两侧设有反射器(8)；
所述微带短路枝节(5)包括两条结构相同的L型微带枝节，这两条L型的微带枝节对称放置在U型微带馈线(1)的外侧，每条L型微带枝节均采用均匀阻抗谐振器，其长度Ls为陷波中心工作频率的四分之一波长；同步改变每个均匀阻抗谐振器与微带馈线(1)的间距，实现一个差模陷波带宽的独立调节；每个均匀阻抗谐振器均加载有变容二极管，同步改变变容二极管的控制电压，实现一个差模陷波的中心频率独立调节；
所述缝隙线结构(6)采用二阶阶梯阻抗型缝隙线，该二阶阶梯阻抗型缝隙线与金属接地板(3)的边缘垂直相接，并与U型微带馈线(1)底边的微带线正交，以实现能量耦合的最大化，通过改变二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls1、Ls2和宽度Ws1、Ws2，实现天线阻抗的良好匹配和对天线通带带宽的调节；
所述辐射单元(4)采用半波长偶极子结构，安装在金属接地板(3)的前方，并且与金属接地板(3)相接，该半波长偶极子结构包括两条馈线和两个振子；
所述引向器(7)采用一条直线型微带线。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第一阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls1为10.8mm-11.4mm，宽度Ws1为2.0mm-2.4mm；第二阶阶梯阻抗型缝隙线的长度Ls2为4.6mm-5.4mm，宽度Ws2为0.5mm-0.9mm。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，半波长偶极子结构的振子长L3为天线通带中心频率的四分之一导波波长，宽度Wm2为1.9mm-2.2mm；该半波长偶极子的两条馈线结构相同，且长度L4为5.8mm-6.3mm，宽度Wm1为1.8mm-2.2mm，两条馈线的间距L5为4.9mm-5.2mm。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，直线型微带线位于辐射单元(4)的前方，并且与半波长偶极子振子平行，直线型微带线的长度L7等于天线通带中心频率的二分之一导波波长，宽度Wm3为1.4mm-1.6mm，直线型微带线与半波长偶极子臂的间距L6为4.1mm-4.3mm。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述反射器(8)包括两条结构相同的直线型微带枝节，这两条直线型微带枝节与金属接地板(3)相连，构成缺陷地结构，每条直线型微带枝节与辐射单元(4)的间距L8是天线通带中心频率的四分之一波导波长。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，微带基板(2)的长度L1为39mm-44mm，宽度W1为39mm-44mm。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，金属接地板(3)的长度L2为22mm-28mm,宽度W2为23mm-26mm。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，U型差分输入端口的微带横线长度Lf1为14.0mm-14.6mm，线宽Wf1为1.9mm-2.3mm；U型差分输入端口的两条平行50欧姆微带竖线的长度Lf2为15.8mm-16.3mm，线宽Wf2为1.4mm-1.8mm。
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