CN107768820B - 一种差分频率可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差分频率可重构天线，包括正面辐射贴片、介质基板、以及反面接地板；所述正面辐射贴片包括两个背靠背对称设置的“U”形辐射贴片A1、A2和四个设置在“U”形辐射贴片末端的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6；所述“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的D1、D2、D3、以及D4处分别设有S1、S2、S3、以及S4共4个PIN二极管；所述正面辐射贴片中间段延伸出两段矩形微带线B1和B2；所述天线通过同轴线馈电，所述同轴线连接正面辐射贴片、介质基板、以及反面接地板。本发明的差分频率可重构天线具有体积小，重量轻，结构简单，无反射板，能实现2.65/3.50GHZ频率可重构且方向图基本不变，适用于WIMAX的2.65/3.50GHZ两个频段的特点。
Description
技术领域
本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，特别涉及一种差分频率可重构天线。
背景技术
随着无线通信技术的蓬勃发展,诸多无线通信系统例如第四代移动通信系统TD一LTE，航空移动遥测系统AMT以及无线局域网系统WLAN等可以集成到一个通信平台上。不同无线通信系统的天线结构和尺寸不尽相同，如果多个通信系统集成后仍然使用各自的天线，将会引起无线通信系统的设备体积庞大以及系统间干扰增加等问题。为了解决这些问题,国内外学者提出了频率可重构天线,在保证方向图以及极化方式不变的情况下，根据通信要求适时改变天线的工作频率，在电子对抗干扰和保密通信等诸多方面得到广泛应用。频率可重构天线通过引入开关器件例如二极管开关改变天线辐射单元的相对位置或者电流分布，使其能根据实际应用环境的需求实时改变天线工作频段，从而满足通信系统的需求。
近年来，国内外学者提出多种频率可重构天线，但是它们共同的缺点是天线所能达到的性能较差，具体表现在天线体积较大，结构复杂，甚至有些形式的天线因结构复杂而无法实现。
目前，大多射频前端多采用差分电路，为了解决单端口天线与射频前端的集成，通常采用巴伦把差分信号转换为单端口信号后馈入单端口天线。但巴伦的使用会引起射频前端损耗、降低系统效率，所以不是全集成的解决方案。如果采用差分天线，差分信号可以直接馈入到天线的两个端口，就没有必要再使用巴伦。于是，差分天线成为近年来国际学者的研究热点，受到学术界的高度重视。
因此，将差分天线与频率可重构天线二者结合起来，研究差分频率可重构天线是解决无线通信系统紧凑、高集成技术难题的有效途径。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种差分频率可重构天线，解决目前无线通信系统天线数量多、设备体积大、集成度低的技术问题。
为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：
一种差分频率可重构天线，包括正面辐射贴片1、介质基板2、以及反面接地板3；所述正面辐射贴片1包括两个背靠背对称设置的“U”形辐射贴片A1、A2和四个设置在“U”形辐射贴片末端的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6；所述“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的D1、D2、D3、以及D4处分别设有S1、S2、S3、以及S4共4个PIN二极管，所述4个PIN二极管用于控制“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的导通和断开；所述正面辐射贴片1中间段延伸出两段矩形微带线B1和B2，所述微带线用于调节天线的阻抗匹配；所述天线通过同轴线馈电，所述同轴线连接正面辐射贴片1、介质基板2、以及反面接地板3。
作为优选的，所述介质基板2在中心轴线上关于中心点对称的位置开有两个非金属化圆孔C1、C2。
作为优选的，所述同轴线为两根，两根同轴线的内芯分别通过介质基板2上的非金属化圆孔C1、C2与正面辐射贴片1相焊接，所述两根同轴线的外芯与反面接地板3相焊接，在两个非金属化圆孔C1、C2处通过两根同轴线分别进行0度和180度的差分馈电。
作为优选的，所述反面接地板3的四角分别开有矩形槽E1、E2、E3、E4，且反面接地板3的中心开有一个“工”字形的缝隙F，所述缝隙F用于改变反面接地板3上的电流路径来改变天线频率，同时用于隔开两个非金属化圆孔C1、C2差分馈电端口。
作为优选的，所述两个背靠背对称设置的“U”形辐射贴片，大小一致，形状完全对称。
作为优选的，通过所述S1、S2、S3、以及S4共4个PIN二极管开关的同时导通或同时断开的两种调频模式来实现对两种频率的独立控制，所述两种频率为2.65GHZ和3.50GHZ；所述4个PIN二极管导通时，“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片连通，则“U”形结构末端相对较长；所述4个PIN二极管断开时，“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片未连通，则“U”形结构末端相对较短，从而实现天线在所述两种频率模式下的切换。
作为优选的，所述介质基板2采用介电常数为4.4，尺寸为66mm*66mm，厚度为1.6mm的FR4介质基板。
作为优选的，所述正面辐射贴片1靠末端的D1、D2、D3、以及D4的开缝宽度均为1mm，正面辐射贴片1的“U”形辐射贴片A1、A2长度均为18.95mm，正面辐射贴片1的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6的长度均为6.5mm,正面辐射贴片1的A1、A2、A3、A4、A5、A6、D1、D2、D3、D4的宽度均为5mm，两个“U”形辐射贴片A1、A2的中间相距为2.1mm，微带线B1、B2的长度均为4mm，宽度均为3mm。
作为优选的，所述介质基板2上的非金属化圆孔C1、C2的直径均为0.5mm，距离介质基板2正中心均为5.5mm。
作为优选的，所述反面接地板3的上下左右完全对称，反面接地板3四角未开槽时是一个尺寸为30.5mm*32.5mm的矩形贴片，四个角的矩形槽E1、E2、E3、E4的尺寸均为1.75mm*1.5mm,中间“工”字形缝隙上下两条缝隙水平长度均为14mm，中部垂直缝隙的长度为8.4mm，整个缝隙F的宽度均为1.7mm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
(1)本发明的差分频率可重构天线尺寸较小，结构简单，成本低，容易加工制作,为无线通信系统紧凑、高集成提供行之有效的解决途径。
(2)本发明的差分频率可重构天线在反面接地板上开有“工”字形缝隙F，同正面两个“U”形辐射贴片同时影响天线的谐振频率，而且起到了展宽天线的带宽的作用。
(3)本发明通过控制4个PIN二极管的通断情况来控制“U”形结构末端的长度，从而实现天线在两种频率模式下的切换，并且操作简单。
(4)本发明完全覆盖WIMAX的2.65/3.50GHZ这两个频段。
附图说明
图1为本发明差分频率可重构天线的正视图；
图2为本发明差分频率可重构天线的后视图；
图3为本发明差分频率可重构天线工作在模式1的差模反射系数曲线图；
图4为本发明差分频率可重构天线工作在模式2的差模反射系数曲线图；
图5为本发明差分频率可重构天线在模式1的辐射方向图；
图6为本发明差分频率可重构天线在模式2的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例公开了一种差分频率可重构天线，如图1和图2所示，包括正面辐射贴片1、介质基板2、以及反面接地板3；所述正面辐射贴片1包括两个背靠背对称设置的“U”形辐射贴片A1、A2和四个设置在“U”形辐射贴片末端的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6；所述“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的D1、D2、D3、以及D4处分别设有S1、S2、S3、以及S4共4个PIN二极管，所述4个PIN二极管用于控制“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的导通和断开；所述正面辐射贴片1中间段延伸出两段矩形微带线B1和B2，所述微带线用于调节天线的阻抗匹配；所述天线通过同轴线馈电，所述同轴线连接正面辐射贴片1、介质基板2、以及反面接地板3。
如图2所示，所述介质基板2在中心轴线上关于中心点对称的位置开有两个非金属化圆孔C1、C2；所述非金属化圆孔C1、C2的直径均为0.5mm，距离介质基板2正中心均为5.5mm。
所述同轴线为两根，两根同轴线的内芯分别通过介质基板2上的非金属化圆孔C1、C2与正面辐射贴片1相焊接，所述两根同轴线的外芯与反面接地板3相焊接，在两个非金属化圆孔C1、C2处通过两根同轴线分别进行0度和180度的差分馈电。
本实施例中，如图2所示，所述反面接地板3的上下左右完全对称，反面接地板3四角未开槽时是一个尺寸为30.5mm*32.5mm的矩形贴片，四个角的矩形槽E1、E2、E3、E4的尺寸均为1.75mm*1.5mm；反面接地板3的中间开有“工”字形缝隙F，“工”字形缝隙上下两条缝隙水平长度均为14mm，中部垂直缝隙的长度为8.4mm，整个缝隙F的宽度均为1.7mm。
所述缝隙F用于改变反面接地板3上的电流路径来改变天线频率，同时用于隔开两个非金属化圆孔C1、C2差分馈电端口。天线“U”形辐射贴片末端导通和断开两种状态主要控制天线2.65和3.50两个频段的切换，频率跨度将近1G，而“工”字型缝隙的尺寸可以微调频率，调控范围相对小，比如将2.56GHz调到2.65GHz，缝隙尺寸变化的同时也会对带宽有些许影响，本实施例中缝隙F的尺寸是优化后的结果。
本实施例中，介质基板2是厚度为1.6mm的FR4板材，其长度和宽度均为66mm，相对介电常数4.4，损耗角正切是0.02。
本实施例中，在正面两个“U”形辐射贴片的末端D1，D2，D3，D4处加载了S1，S2，S3，S4共4个PIN二极管开关，并通过S1、S2、S3、S4这4个PIN二极管开关的同时导通或同时断开这两种模式来实现对两个频段的独立控制。所述4个PIN二极管导通时，“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片连通，则“U”形结构末端相对较长；所述4个PIN二极管断开时，“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片未连通，则“U”形结构末端相对较短，从而实现天线在所述两种频率模式下的切换。如表1所示，天线的工作模式，当4个PIN二极管全部导通时对应模式1，得到天线3.50GHZ的谐振频段；当4个PIN二极管全部断开时对应模式二，得到天线2.65GHZ的谐振频段。天线的仿真结果如图3、图4、图5、以及图6所示，其中图3为本发明差分频率可重构天线工作在模式1的差模反射系数曲线图；图4为本发明差分频率可重构天线工作在模式2的差模反射系数曲线图；图5为本发明差分频率可重构天线在模式1的辐射方向图；图6为本发明差分频率可重构天线在模式2的辐射方向图；图3和图4为两种模式下的差模反射系数曲线图，仿真结果显示频率的切换很成功，从2.65GHz到3.50GHz，跨度可达到850MHz，相比传统天线，这点优势很明显；图5和图6为两种模式下的辐射方向图，可以看到E面(phi＝0deg)的方向图很一致，H面(phi＝90deg)的方向图也比较接近，频率可重构天线主要是重构天线辐射单元上的电流路径，从而影响频率，而且是将传统的单馈电改为差分馈电(即双端口馈电)，在改变电流路径的同时保持方向图大体一致也是此发明的创新点。
表1 天线的工作模式
| 模式 | 定义 |
| 模式一 | S1，S2，S3，S4全部导通 |
| 模式二 | S1，S2，S3，S4全部断开 |
本实施例中，所述正面辐射贴片1靠末端的D1、D2、D3、以及D4的开缝宽度均为1mm，正面辐射贴片1的“U”形辐射贴片A1、A2长度均为18.95mm，正面辐射贴片1的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6的长度均为6.5mm,正面辐射贴片1的A1、A2、A3、A4、A5、A6、D1、D2、D3、D4的宽度均为5mm，两个“U”形辐射贴片A1、A2的中间相距为2.1mm，微带线B1、B2的长度均为4mm，宽度均为3mm。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种差分频率可重构天线，其特征在于，包括正面辐射贴片（1）、介质基板（2）、以及反面接地板（3）；所述正面辐射贴片（1）包括两个背靠背对称设置的“U”形辐射贴片A1、A2和四个设置在“U”形辐射贴片末端的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6；所述“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的四个开缝D1、D2、D3、以及D4处分别设有4个PIN二极管S1、S2、S3、以及S4，所述4个PIN二极管用于控制“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片之间的导通和断开；所述正面辐射贴片（1）中间段延伸出两段矩形微带线B1和B2，所述微带线用于调节天线的阻抗匹配；所述天线通过同轴线馈电，所述同轴线连接正面辐射贴片（1）、介质基板（2）、以及反面接地板（3）；
所述四个开缝D1、D2、D3、以及D4的开缝宽度均为1mm，正面辐射贴片（1）的“U”形辐射贴片A1、A2长度均为18.95mm，正面辐射贴片（1）的矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6的长度均为6.5mm, 正面辐射贴片（1）的两个“U”形辐射贴片A1、A2、四个矩形辐射贴片A3、A4、A5、A6、所述四个开缝D1、D2、D3、D4的宽度均为5mm，两个“U”形辐射贴片A1、A2的中间相距为2.1mm，两段矩形微带线B1、B2的长度均为4mm，宽度均为3mm；
所述反面接地板（3）的四角分别开有矩形槽E1、E2、E3、E4，且反面接地板（3）的中心开有一个“工”字形的缝隙F，所述缝隙F用于改变反面接地板（3）上的电流路径来改变天线频率，同时用于隔开两个非金属化圆孔C1、C2差分馈电端口。
2.根据权利要求1所述的差分频率可重构天线，其特征在于，所述介质基板（2）在中心轴线上关于中心点对称的位置开有两个非金属化圆孔C1、C2。
3.根据权利要求2所述的差分频率可重构天线，其特征在于，所述同轴线为两根，两根同轴线的内芯分别通过介质基板（2）上的两个非金属化圆孔C1、C2与正面辐射贴片（1）相焊接，所述两根同轴线的外芯与反面接地板（3）相焊接，在两个非金属化圆孔C1、C2处通过两根同轴线分别进行0度和180度的差分馈电。
4.根据权利要求1所述的差分频率可重构天线，其特征在于，所述两个背靠背对称设置的“U”形辐射贴片，大小一致，形状完全对称。
5. 根据权利要求1所述的差分频率可重构天线，其特征在于，通过所述4个PIN二极管开关S1、S2、S3、以及S4的同时导通或同时断开的两种调频模式来实现对两种频率的独立控制，所述两种频率为2.65 GHZ和3.50GHZ ；所述4个PIN二极管导通时，“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片连通，则“U”形结构末端变长；所述4个PIN二极管断开时，“U”形辐射贴片和矩形辐射贴片未连通，则“U”形结构末端变短，从而实现天线在所述两种频率模式下的切换。
6.根据权利要求1所述的差分频率可重构天线，其特征在于，所述介质基板（2）采用介电常数为4.4，尺寸为66mm*66mm，厚度为1.6mm的FR4介质基板。
7.根据权利要求2所述的差分频率可重构天线，其特征在于，所述介质基板（2）上的两个非金属化圆孔C1、C2的直径均为0.5mm，距离介质基板（2）正中心均为5.5mm。
8.根据权利要求1所述的差分频率可重构天线，其特征在于，所述反面接地板（3）的上下左右完全对称，反面接地板（3）四角未开槽时是一个尺寸为30.5mm*32.5mm的矩形贴片，四个角的矩形槽E1、E2、E3、E4的尺寸均为1.75mm*1.5mm,中间“工”字形缝隙上下两条缝隙水平长度均为14mm，中部垂直缝隙的长度为8.4mm，整个缝隙F的宽度均为1.7mm。
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