CN107658550A - 一种椭圆形环状四频可重构微带天线和通讯装置 - Google Patents

一种椭圆形环状四频可重构微带天线和通讯装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种椭圆形环状四频可重构微带天线和通讯装置，涉及天线设备技术领域。所述椭圆形环状四频可重构微带天线包括介质基板、辐射贴片和接地板；介质基板包括第一表面以及与第一表面相对的第二表面，辐射贴片设置在介质基板的第一表面上，接地板设置在介质基板的第二表面上；辐射贴片包括椭圆环贴片、圆形贴片、同心圆环贴片、第一矩形条贴片、第二矩形条贴片、第一贴片开关和第二贴片开关。本发明通过控制第一贴片开关和第二贴片开关的通断，可以实现四个频段的可重构，具有多频段特性及稳定性，本椭圆形环状四频可重构微带天线还具有质量轻、体积小，能有效降低回波损耗的优点。

Description

一种椭圆形环状四频可重构微带天线和通讯装置
技术领域
本发明涉及天线设备技术领域，具体涉及一种椭圆形环状四频可重构微带天线和通讯装置。
背景技术
目前在无线通信技术领域，实现多频的方法有两种:一种是利用超宽带天线将所有频段全部覆盖，但是该方法仅仅适用于多个频段相距比较近的情况，有很大的局限性；另一种方法是让系统中的多个天线分别独立覆盖这些频段，此方法比较常见，但是存在很多技术难点，如天线单元之间的互相干扰问题，且占用空间较大。所以人们希望能够在单天线上实现双频或多频，从而避免天线之间相互干扰的问题。
目前，在单天线上实现多频，确实达到了体积小、质量轻、易集成的目的。但单一多频天线频率、辐射方向和极化方向固定，同时相近的频段之间依然存在相互干扰的问题，而且普通的微带天线一般尺寸较大，频率单一、频带较窄、损耗较高。为此微带天线在降低回波损耗、增加天线带宽和減小尺寸等方面有待改进。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种椭圆形环状四频可重构微带天线以及包含该椭圆形环状四频可重构微带天线的通讯装置。
为了达到上述技术效果，本发明包括以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线，包括介质基板、辐射贴片和接地板；
所述介质基板包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述辐射贴片设置在所述介质基板的第一表面上，所述接地板设置在所述介质基板的第二表面上；
所述辐射贴片包括椭圆环贴片、圆形贴片、同心圆环贴片、第一矩形条贴片、第二矩形条贴片、第一贴片开关和第二贴片开关；所述第一矩形条贴片下端位于所述介质基板的第一表面的下边缘，其上端与所述椭圆环贴片下端连接，所述椭圆环贴片的上端与所述第一贴片开关一端连接，所述第一贴片开关另一端与所述第二矩形条贴片连接，所述第一矩形条贴片的通长方向与所述第二矩形条贴片的通长方向相垂直，所述圆形贴片和同心圆环贴片位于所述椭圆环贴片中，所述圆形贴片位于所述同心圆环贴片上方；所述第二贴片开关一端与所述同心圆环贴片连接，另一端与所述椭圆环贴片连接。
可选地，所述椭圆环贴片、所述圆形贴片、所述同心圆环贴片、所述第一矩形条贴片、所述第二矩形条贴片、所述第一贴片开关和所述第二贴片开关均沿所述介质基板的中心线对称设置。
可选地，所述椭圆环贴片的形状为同心椭圆环，且所述椭圆环贴片外环的长轴方向与所述介质基板第一表面的中心线重合。
可选地，所述接地板包括第三矩形条贴片和弧形贴片，所述第三矩形条贴片上端与所述弧形贴片连接，所述弧形贴片设有孔，所述第三矩形条贴片的下端位于所述介质基板的第二表面的下端，所述第三矩形条贴片的另两端均位于所述介质基板的边缘。
可选地，所述弧形贴片为圆弧形贴片，所述孔为圆形孔。
可选地，所述第三矩形条贴片和所述圆弧形贴片均沿所述介质基板的中心线对称设置。
可选地，所述介质基板的形状为矩形。
可选地，所述介质基板的长度为37L，宽度为34L，厚为0.8L，其中， L为具有长度单位的数且L＞0；所述椭圆环贴片的内环短半轴为8.25L，其内环长半轴为11L，其外环短半轴为9L，其外环长半轴为12L；所述第一贴片开关的宽度为0.5L，长度为0.5L；所述第二矩形条贴片的宽度为32L，长度为1L；所述椭圆环贴片的中心点至所述同心圆环贴片的圆心的距离为 5L，所述同心圆环贴片的内环半径为4L，外环半径为5L，所述同心圆环贴片的圆心至所述介质基板的第一表面下边缘的距离为18L；所述圆形贴片的半径为4.5L，所述圆形贴片的圆心至所述椭圆环贴片的中心点的距离为6L；所述第二贴片开关的宽度为0.5L，长度为1L；所述第一矩形条贴片的宽度为2L，长度为11.07L；所述第三矩形条贴片的宽度为34L，长度为7L；所述圆弧形贴片的半径为9L，其圆心至所述介质基板的第二表面下边缘的距离为3L；所述圆形孔的半径为1.5L，其圆心至所述圆弧形贴片的圆心的距离为7L。
可选地，L等于1mm。
第二方面，本发明实施例提供的一种通讯装置，包括上述的椭圆形环状四频可重构微带天线。
采用上述技术方案，包括以下有益效果：
本发明实施例提供的椭圆形环状四频可重构微带天线，通过控制第一贴片开关和第二贴片开关的通断，可以实现四个频段的可重构，具有多频段特性及稳定性，本椭圆形环状四频可重构微带天线具有质量轻、体积小，能有效降低回波损耗，发射较高的频段带宽的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线的正面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线的的背面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在第一贴片开关和第二贴片开关断开且在中心频率为2.45GHz时的反射系数曲线图；
图4为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在第一贴片开关接通，第二贴片开关断开，且中心频率为2.04GHz时的反射系数曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在第一贴片开关断开，第二贴片开关接通，中心频率为2.36GHz和3.49GHz时的反射系数曲线图；
图6为椭圆环状四频椭圆形环状四频可重构微带天线在2.45GHz时在E 平面的辐射方向图；
图7为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 2.45GHz时在H平面的辐射方向图；
图8为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 2.04GHz时在E平面的辐射方向图；
图9为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 2.04GHz时在H平面的辐射方向图；
图10为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 2.36GHz时在E平面的辐射方向图；
图11为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 2.36GHz时在H平面的辐射方向图；
图12为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 3.49GHz时在E平面的辐射方向图；
图13为本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线在 3.49GHz时在H平面的辐射方向图；
图14本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线的增益图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“设置”、“连接”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本实施例中所述的“长度”为在上下方向上的长度值，所述的“宽度”为在左右方向上的长度值。
除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例一
本发明实施例提供的一种椭圆形环状四频可重构微带天线，参见图1和图 2，包括介质基板1、辐射贴片和接地板；
所述介质基板1包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述辐射贴片设置在所述介质基板1的第一表面上，所述接地板设置在所述介质基板1的第二表面上；
所述辐射贴片包括椭圆环贴片21、圆形贴片22、同心圆环贴片23、第一矩形条贴片24、第二矩形条贴片25、第一贴片开关26和第二贴片开关27；所述第一矩形条贴片24下端位于所述介质基板1的第一表面的下边缘，其上端与所述椭圆环贴片21下端连接，所述椭圆环贴片21的上端与所述第一贴片开关26一端连接，所述第一贴片开关26另一端与所述第二矩形条贴片25连接，所述第一矩形条贴片24的通长方向与所述第二矩形条贴片25的通长方向相垂直，所述圆形贴片22和同心圆环贴片23位于所述椭圆环贴片21中，所述圆形贴片22位于所述同心圆环贴片23上方；所述第二贴片开关27一端与所述同心圆环贴片23连接，另一端与所述椭圆环贴片21连接。
在本实施例中，通过控制第一贴片开关26和第二贴片开关27的通断，可以实现四个频段的可重构，具有多频段特性及稳定性，同时，本椭圆形环状四频可重构微带天线还具有质量轻、体积小，能有效降低回波损耗的优点。
另外，需要说明的是，上述的“通长方向”为矩形较长的方向且与矩形中心线平行。
为进一步地增强微带天线性能，可选地，所述椭圆环贴片21、所述圆形贴片22、所述同心圆环贴片23、所述第一矩形条贴片24、所述第二矩形条贴片25、所述第一贴片开关26和所述第二贴片开关27均沿所述介质基板1的中心线对称设置。
具体地，所述椭圆环贴片21的形状为同心椭圆环，且所述椭圆环贴片21 外环的长轴方向与所述介质基板第一表面的中心线重合。
参见图2，可选地，所述接地板包括第三矩形条贴片31和弧形贴片32，所述第三矩形条贴片31上端与所述弧形贴片32连接，所述弧形贴片32设有孔321，所述第三矩形条贴片31的下端位于所述介质基板1的第二表面的下端，所述第三矩形条贴片31的另两端均位于所述介质基板1的边缘。
可选地，所述弧形贴片32为圆弧形贴片，所述孔321为圆形孔。
在本实施例中，缺陷地结构可以激发和改善谐振频率，增加阻抗带宽。本发明的缺陷地结构是通过在接地板的合适位置蚀刻由横矩形和圆形组成的缺陷块得到的。
缺陷接地结构(Defected Ground Structure，DGS)，是微波领域新近发展的热门技术之一，它是由光子带隙结构发展而来。该结构通过在微带线等传输线接地平面上蚀刻周期性或非周期性图形，来改变接地电流的分布，从而改变传输线的频率特性，可实现激发谐振频率，抑制谐波，增加带宽等作用。缺陷接地结构在微波电路和天线设计中有着十分广泛的应用。
可选地，所述第三矩形条贴片31和所述圆弧形贴片均沿所述介质基板 1的中心线对称设置。
可选地，所述介质基板1的形状为矩形。
可选地，所述介质基板1的长度为37L，宽度为34L，厚为0.8L，其中， L为具有长度单位的数且L＞0(例如L可以取值1mm)；所述椭圆环贴片21 的内环短半轴为8.25L，其内环长半轴为11L，其外环短半轴为9L，其外环长半轴为12L；所述第一贴片开关26的宽度为0.5L，长度为0.5L；所述第二矩形条贴片25的宽度为32L，长度为1L；所述椭圆环贴片21的中心点至所述同心圆环贴片23的圆心的距离为5L，所述同心圆环贴片23的内环半径为4L，外环半径为5L，所述同心圆环贴片23的圆心至所述介质基板1的第一表面下边缘的距离为18L；所述圆形贴片22的半径为4.5L，所述圆形贴片22的圆心至所述椭圆环贴片21的中心点的距离为6L；所述第二贴片开关27的宽度为0.5L，长度为1L；所述第一矩形条贴片24的宽度为2L，长度为11.07L；所述第三矩形条贴片31的宽度为34L，长度为7L；所述圆弧形贴片32的半径为9L，其圆心至所述介质基板1的第二表面下边缘的距离为3L；所述圆形孔321的半径为1.5L，其圆心至所述圆弧形贴片32的圆心的距离为7L。
优选地，L等于1mm。
在本实施例中，因为本椭圆形环状四频可重构微带天线尺寸较小，在加工时可能会产生加工误差，造成各部分尺寸的变化，因此，会造成L的取值产生变化，；例如，可以为0.9995mm、0.9996mm、0.9997mm、0.9998mm、0.9999mm、 1mm、1.0001mm……，所以需要说明的是，在不改变本发明设计构思的基础上，本领域的技术人员可以按照实际情况具体设置改变，但是其进行的改变应包含在本发明的保护范围之内。可选地，所述介质基板1为FR4环氧板，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗为0.02，馈电方式为微带线馈电，特性阻抗为50Ω。
在本实施例中，为进一步地说明本实施例，以下将以L取值为1mm，进行示例性说明，需要说明的是，L的取值也可以为其他值，本领域的技术人员可以根据需要的情况具体设置。
本发明实施例提供的椭圆形环状四频可重构微带天线提供了第一贴片开关26和第二贴片开关27均断开，第一贴片开关26接通和第二贴片开关27 断开以及第一贴片开关26断开和第二贴片开关27接通三种频率可重构工作状态，在三种状态下分别提供了0.36GHz、0.24GHz、0.23GHz和0.41GHz四个阻抗带宽，工作频段分别为2.28-2.64GHz、1.92-2.16GHz、2.24-2.47GHz和3.34-3.75GHz，谐振频率分别为2.45GHz、2.04GHz、2.36GHz和3.49GHz。图3是中心频率为2.45GHz GHz的反射系数曲线图，如图3所示，本椭圆形环状四频可重构微带天线在该谐振点处的回波损耗为-39.14dB；图4是中心频率为2.04GHz Hz时的反射系数曲线图，如图4所示，本椭圆形环状四频可重构微带天线在该谐振点处的回波损耗分别为-36.36dB和-29.61dB；图5是中心频率为2.36GHz和3.49GHz反射系数曲线图，如图5所示，本椭圆形环状四频可重构微带天线在该谐振点处的回波损耗分别为-39.14dB和-20.49dB，由此显示出本椭圆形环状四频可重构微带天线良好的匹配特性。
图6和图7为本椭圆形环状四频可重构微带天线在2.45GHz时在E平面和H平面的辐射方向图。图8和图9为本椭圆形环状四频可重构微带天线在 2.04GHz时在E平面和H平面的辐射方向图。图10和图11为本椭圆形环状四频可重构微带天线在2.36GHz时在E平面和H平面的辐射方向图。图12和图13为本椭圆形环状四频可重构微带天线在3.49GHz时在E平面和H平面的辐射方向图。图14为本椭圆形环状四频可重构微带天线三种可重构状态的增益图。由图3-图14可知，本椭圆形环状四频可重构微带天线的辐射方向图特性在所有的工作频段内相对稳定，具有良好的方向性。综上所述，本椭圆形环状四频可重构微带天线结构具有频率可重构特性，可根据三种开关状态，实现在四个频段内切换。最终使本椭圆形环状四频可重构微带天线具有多频段特性、频率可重构特性和良好的匹配特性及稳定性。本椭圆环状四频可重构微带天线在没有增加整体体积的情况下得到了覆盖WLAN(2.4GHz-2.485GHz)、WCDMA(1.92GHz-2.17GHz)、Bluetooth(2.4GHz-2.484GHz)和WiMAX (3.4GHz-3.69GHz)工作频段的天线。
实施例二
本发明实施例提供了一种通讯装置，包括实施例一所述的椭圆形环状四频可重构微带天线。
本发明实施例提供的通讯装置，通过实施例一所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，可以实现本通讯装置的四个频段的可重构，具有多频段特性及稳定性的优点，而且能有效降低回波损耗。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，包括介质基板、辐射贴片和接地板；
所述介质基板包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述辐射贴片设置在所述介质基板的第一表面上，所述接地板设置在所述介质基板的第二表面上；
所述辐射贴片包括椭圆环贴片、圆形贴片、同心圆环贴片、第一矩形条贴片、第二矩形条贴片、第一贴片开关和第二贴片开关；所述第一矩形条贴片下端位于所述介质基板的第一表面的下边缘，其上端与所述椭圆环贴片下端连接，所述椭圆环贴片的上端与所述第一贴片开关一端连接，所述第一贴片开关另一端与所述第二矩形条贴片连接，所述第一矩形条贴片的通长方向与所述第二矩形条贴片的通长方向相垂直，所述圆形贴片和同心圆环贴片位于所述椭圆环贴片中，所述圆形贴片位于所述同心圆环贴片上方；所述第二贴片开关一端与所述同心圆环贴片连接，另一端与所述椭圆环贴片连接。
2.如权利要求1所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述椭圆环贴片、所述圆形贴片、所述同心圆环贴片、所述第一矩形条贴片、所述第二矩形条贴片、所述第一贴片开关和所述第二贴片开关均沿所述介质基板的中心线对称设置。
3.如权利要求2所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述椭圆环贴片的形状为同心椭圆环，且所述椭圆环贴片外环的长轴方向与所述介质基板第一表面的中心线重合。
4.如权利要求3所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述接地板包括第三矩形条贴片和弧形贴片，所述第三矩形条贴片上端与所述弧形贴片连接，所述弧形贴片设有孔，所述第三矩形条贴片的下端位于所述介质基板的第二表面的下端，所述第三矩形条贴片的另两端均位于所述介质基板的边缘。
5.如权利要求4所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述弧形贴片为圆弧形贴片，所述孔为圆形孔。
6.如权利要求5所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述第三矩形条贴片和所述圆弧形贴片均沿所述介质基板的中心线对称设置。
7.如权利要求6所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述介质基板的形状为矩形。
8.如权利要求7所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，所述介质基板的长度为37L，宽度为34L，厚为0.8L，其中，L为具有长度单位的数且L＞0；所述椭圆环贴片的内环短半轴为8.25L，其内环长半轴为11L，其外环短半轴为9L，其外环长半轴为12L；所述第一贴片开关的宽度为0.5L，长度为0.5L；所述第二矩形条贴片的宽度为32L，长度为1L；所述椭圆环贴片的中心点至所述同心圆环贴片的圆心的距离为5L，所述同心圆环贴片的内环半径为4L，外环半径为5L，所述同心圆环贴片的圆心至所述介质基板的第一表面下边缘的距离为18L；所述圆形贴片的半径为4.5L，所述圆形贴片的圆心至所述椭圆环贴片的中心点的距离为6L；所述第二贴片开关的宽度为0.5L，长度为1L；所述第一矩形条贴片的宽度为2L，长度为11.07L；所述第三矩形条贴片的宽度为34L，长度为7L；所述圆弧形贴片的半径为9L，其圆心至所述介质基板的第二表面下边缘的距离为3L；所述圆形孔的半径为1.5L，其圆心至所述圆弧形贴片的圆心的距离为7L。
9.如权利要求8所述的椭圆形环状四频可重构微带天线，其特征在于，L等于1mm。
10.一种通讯装置，其特征在于，所述通讯装置包括如权利要求1-9任一项所述的椭圆形环状四频可重构微带天线。
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