CN107394369B - 基于可重构馈电网络的单极子天线及无线通信多功能系统 - Google Patents

基于可重构馈电网络的单极子天线及无线通信多功能系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种基于可重构馈电网络的单极子天线及无线通信多功能系统，包括：介质板；位于介质板上表面的辐射单元、微带馈线、滤波单元以及射频控制电路和位于介质板下表面的馈线接地板；辐射单元为椭圆形单极子；辐射单元与微带馈线直接连接；滤波单元和微带馈线通过PIN二极管连接。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，可以使得馈电网络在宽带响应和窄带响应之间调频，从而实现天线结构从宽带到窄带状态的频带切换；此外，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。

Description

基于可重构馈电网络的单极子天线及无线通信多功能系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于可重构馈电网络的单极子天线及无线通信多功能系统。
背景技术
由于无线通信系统的快速发展，电磁频谱的使用日趋频繁，另一方面，目前所分配的频段又未能得到充分利用，智能通信系统的发展有效利用了频谱资源，引起了人们的极大关注。为了解决上述问题，需要设计两个单独的天线，即用于扫描频谱的宽带天线和用于通信的窄带频率可重构天线。为了进一步减小RF前端的尺寸和复杂性，通过将两个单独的天线组合设计，使得天线可以在宽带和窄带状态下切换工作。同时，在RF前端中，滤波器的设计是必不可少的，直接级联设计时会加入匹配电路以避免器件间阻抗失配和性能恶化。但是，随之而来的后果就是使得系统变得复杂，尺寸和损耗也会变大。因此将滤波器与天线作为一个整体进行集成设计就显得很有必要，这不仅可以使系统的重量和尺寸减小，也能使系统的各项性能得到提高。在文献“Reconfiguring UWB Monopole Antenna forCognitive Radio Applications Using GaAs FET Switches”中提出了一种频率可重构单极子天线，该天线结构通过使用可重构阻抗匹配网络，实现宽带到窄带的频带切换。其中，窄带频率可重构是通过两个GaAs场效应晶体管(FET)开关来控制不同短截线和单极子主馈线之间的连接来实现的。该天线通过使用FET开关实现窄带频率调频，所以开关的数量及其偏置网络随着实现的窄带状态的数量而增加。尽管偏置网络对天线的辐射特性具有较小的影响，但是天线成本和设计复杂度会随之显著增加，不便于认知无线电系统的RF前端设计。在文献“A Wideband-to-Narrowband Tunable Antenna Using A ReconfigurableFilter”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PIN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。该天线的窄带频率可重构是通过使用两个变容二极管控制的可重构滤波器实现的，因此，该天线可以在窄带连续调频。但是由于变容二极管的偏置电压范围以及可重构滤波器的频带限制，导致该天线在窄带状态的可调频范围较小。
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，本发明提供了一种基于可重构馈电网络的单极子天线及无线通信多功能系统。
本发明是这样实现的，一种基于可重构馈电网络的单极子天线，所述基于可重构馈电网络的单极子天线包括：
介质板；
印刷在介质板上表面的辐射单元、微带馈线、滤波单元以及射频控制电路和印刷在介质板下表面的馈线接地板；
辐射单元为椭圆形单极子；辐射单元由50Ω微带馈线馈电；
滤波单元和微带馈线通过PIN二极管连接。
进一步，所述椭圆形单极子的长轴与宽轴的比值为2。
进一步，所述滤波单元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。
进一步，所述射频控制电路包括五个PIN二极管、四个电感、三个电容、三个接地过孔和三条高阻抗偏置线；
一个PIN二极管加载在微带馈线缝隙处；四个PIN二极管加载在微带馈线和与滤波单元连接的微带线的缝隙处；电感分别连接在微带馈线和滤波单元上；高阻抗偏置线接在电感后延长至介质板边缘，电容一端接接地过孔，另一端并联接在高阻抗偏置线上。
进一步，位于介质基板下层的馈线接地板是金属地板。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述基于可重构馈电网络的单极子天线的UWB/WLAN无线通信多功能系统。
本发明的优点及积极效果为：采用椭圆形单极子作为辐射单元，可以实现超宽带响应；利用可重构馈电网络进行RF路径的选择，可以实现该天线的频率可重构特性，同时保证其辐射方向图保持基本不变；馈电网络是由50Ω微带馈线，集成开环带通滤波器和发夹带通滤波器的微带馈线组成，集成的滤波单元为窄带状态提供了良好的频率选择性和高谐波抑制特性；通过控制PIN二极管的通断状态，选择不同的射频路径，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。与现有技术相比，本发明采用可重构馈电网络实现该天线结构的频率可重构，可以保证在该天线结构实现调频时，其辐射方向图保持基本不变；本发明集成的滤波单元为窄带状态提供了良好的频率选择性和高谐波抑制特性；本发明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；本发明将频率可重构特性和滤波特性集成设计后，不仅可以实现该天线结构动态地在多个频段上工作，还能实现RF系统的小型化，同时该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基于可重构馈电网络的单极子天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的图1的背面结构示意图。
图3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4是本发明实施例提供的工作在2.4GHzWLAN窄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5.8GHz 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在宽带状态下的3.5GHz的辐射方向示意图。
图7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8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9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10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。
本发明通过控制二极管的通断状态，实现可重构馈电网络，使得天线可以在宽带和窄带状态切换工作；并且集成的滤波单元为窄带状态提供了良好的频率选择性和高谐波抑制特性；适用于UWB/WLAN无线通信多功能系统。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于可重构馈电网络的单极子天线包括：介质板1、位于介质板1上表面的辐射单元、微带馈线、滤波单元以及射频控制电路和位于介质板1下表面的馈线接地板22；位于介质基板1上表面的辐射单元是椭圆形单极子2，辐射单元与微带馈线3直接连接；滤波单元采用分布在微带馈线3两侧的开环带通滤波器5 和发卡带通滤波器4 ；射频控制电路五个PIN二极管、四个电感13、三个电容14、三个接地过孔15和三条高阻抗偏置线；在微带馈线3的缝隙处加载一个PIN二极管6，在微带馈线3和与发卡带通滤波器4连接的微带线12的缝隙处加载PIN二极管9和PIN二极管10，在微带馈线3和与开环带通滤波器5连接的微带线11的缝隙处加载PIN二极管 7和PIN二极管8，四个电感13分别连接在微带馈线3和发卡带通滤波器4上，高阻抗偏置线16、高阻抗偏置线17和高阻抗偏置线18接在各自电感13后延长至介质板边缘，三个电容14各自一端接接地过孔15，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下表面的是金属地板20。
本发明中介质板1的相对介电常数为4.4，基板厚度为2mm，介质板的长度为 50mm，宽度为40mm。位于介质板上表面的椭圆形单极子2的长轴为34mm，短轴为17mm。微带馈线3的长度为26.5mm，宽度为4mm。与发卡带通滤波器4连接的微带线12长度为，宽度为；与发卡带通滤波器连接的微带线12长度为7.7mm，宽度为1mm；与开环带通滤波器5连接的微带线11长度为8.2mm，宽度为1mm。发卡带通滤波器4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，宽度为1mm，其中，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；开环带通滤波器5的总长度是基于其中心频率计算的，约等于2.45GHz的二分之一波长，宽度为0.5mm。用于加载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16的长度为15.5mm、高阻抗偏置线17的长度为5.8mm、高阻抗偏置线18 的长度为8.3mm，宽度为0.3mm。金属地板20的长度为26mm。宽度为40mm，两个切口三角形的长度和宽度均等于7mm，槽的长度为4.9mm，宽度为4mm。
当控制五个PIN二极管的通断状态，可以形成三种不同的RF路径，从而可以使得天线在三种状态之间切换工作。当PIN二极管6导通，PIN二极管7、8、9、 10断开时，50Ω的微带馈线3作为RF路径工作，天线工作在超宽带状态，覆盖的频段从2.2GHz到11GHz；当PIN二极管7、8导通，PIN二极管6、9、10断开时，集成开环带通滤波器5 的RF路径工作，天线在2.4GHzWLAN窄带状态工作；当 PIN二极管9、10导通，PIN二极管6、7、8断开时，集成发卡带通滤波器4 的RF 路径工作，天线在5.8GHz WLAN窄带状态工作。
图4、图5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133％，在2.4GHz WLAN 窄带状态的带宽为8％，在5.8GHz WLAN窄带状态的带宽为21.5％。
图6、图7、图8、图9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10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1.06-2.10dB，在2.4GHz WLAN窄带状态的增益为 0.38-0.57dB，在5.8GHz WLAN窄带状态的增益为1.13-1.80dB。
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)

1.一种基于可重构馈电网络的单极子天线，其特征在于，所述基于可重构馈电网络的单极子天线包括：
介质板；
位于介质板上表面的辐射单元、微带馈线、滤波单元以及射频控制电路和位于介质板下表面的馈线接地板；
辐射单元为椭圆形单极子；辐射单元与微带馈线直接连接；
滤波单元和微带馈线通过PIN二极管连接；
所述椭圆形单极子的长轴与宽轴的比值为2；
所述滤波单元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；
所述射频控制电路包括五个PIN二极管、四个电感、三个电容、三个接地过孔和三条高阻抗偏置线；
所述五个PIN二极管包括第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管、第五PIN二极管，所述微带馈线上设置有缝隙，第一PIN二极管加载所述微带馈线的缝隙处；第二PIN二极管和第三PIN二极管加载在微带馈线与开环带通滤波器的连接处；发卡带通滤波器和微带馈线之间连接有第四PIN二极管和第五PIN二极管；
所述四个电感包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，第一电感和第二电感分别连接微带馈线；第三电感和第四电感连接在发卡带通滤波器第一和第三个谐振器上；
所述三条高阻抗偏置线包括第一高阻抗偏置线、第二高阻抗偏置线、第三高阻抗偏置线，第一高阻抗偏置线的一端连接第一电感，另一端连接至介质板边缘；第二高阻抗偏置线一端连接第二电感，另一端连接至介质板边缘；第三高阻抗偏置线一端分成两股，分别连接第三和第四电感，另一端延长至介质板边缘；
所述三个电容包括第一电容、第二电容、第三电容，所述三个接地过孔包括第一接地过孔、第二接地过孔、第三接地过孔，第一电容一端与第一高阻抗偏置线连接，另一端与第一接地过孔连接，第二电容一端与第二高阻抗偏置线连接，另一端与第二接地过孔连接，第三电容一端与第三高阻抗偏置线连接，另一端与第三接地过孔连接。
2.如权利要求1所述的基于可重构馈电网络的单极子天线，其特征在于，位于介质基板下层的馈线接地板是金属地板。
3.一种安装有权利要求1～2任意一项所述基于可重构馈电网络的单极子天线的UWB/WLAN无线通信多功能系统。
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