CN108767468B - 频率可调全双工天线 - Google Patents
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Abstract
本发明为频率可调全双工天线，包括一对天线单元；所述天线单元包括介质基板，天线馈线，辐射贴片，金属地，多个PIN二极管，所述天线单元的辐射贴片为等腰直角三角形，所述天线单元的介质基板的上下表面为正方形，所述天线单元的天线馈线与辐射贴片的直角边垂直相接。本发明结构精简，集双工位于一体，且频率可调，能够实现频率捷变通信的快速进行。
Description
技术领域
本发明涉及通信天线的技术领域，特别地，涉及频率可调全双工天线的一体化设计，具体的，其展示一种频率可调全双工天线。
背景技术
在无线通信系统中，同一个天线同时收发信号需要外加一个双工器，特别是频分双工通信的应用，因其同一时刻发射信号与接收信号的工作频率不一样。
然而，外加双工器不但增加了通信设备的体积，不利于小型化设计，同时，双工器的带宽也难以做到非常宽，不能满足频率捷变通信的场合。
因此，有必要提供一种频率可调全双工天线来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种频率可调全双工天线。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：
一种频率可调全双工天线，包括一对天线单元；
所述天线单元包括介质基板，天线馈线，辐射贴片，金属地，多个PIN二极管，所述天线单元的辐射贴片为等腰直角三角形，所述天线单元的介质基板的上下表面为正方形，所述天线单元的天线馈线与辐射贴片的直角边垂直相接，
进一步的，所述天线单元的天线馈线为50欧姆阻抗的微带线。
进一步的，所述天线单元的金属地为正方形金属微带线，且金属地为两个天线单元的共有。
进一步的，两个天线单元以介质基板上表面的对角线为轴对称设置在介质基板上，且两天线单元的斜边之间设置有缝隙，
进一步的，所述天线单元的PIN二极管作为电可控的射频开关使用，所述天线单元的多个PIN二极管依次沿着单元天线的斜边附近短路焊接于辐射贴片与金属地间。
进一步的，所述天线单元的PIN二极管由外部偏置电路控制，所述天线单元的PIN二极管个数由天线单元本身的特性与所需的频率带宽所决定。
进一步的，两个天线单元，其中之一作为发射天线时，另一个作为接收天线。
与现有技术相比，本发明结构精简，集双工位于一体，且频率可调，能够实现频率捷变通信的快速进行。
附图说明
图1 是本发明频率可调全双工天线的平面结构示意图。
图2是本发明频率可调全双工天线沿着介质基板正45°对角线方向的截面示意图。
图3是本发明一个实施例发射天线的PIN二极管导通时的结构参数示意图。
图4是本发明的一个实施例的发射天线端口反射系数随频率变化的曲线。
图5是本发明的一个实施例的接收天线端口反射系数随频率变化的曲线。
图6是本发明的一个实施例的发射天线与接收天线端口隔离度随频率变化的曲线。
图7是本发明实施例中的一种完整全双工天线平面结构与参数。
图8是本发明实施例中的一种完整全双工天线平面仿真与测量的S参数曲线。
图9是本发明实施例中发射天线的平面方向图。
图10是本发明实施例中接收天线的平面方向图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细的描述，所述实施例的示例在附图中示出。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上侧”、“下侧”，“正”，“负”，“上”，“下”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不能认定为所指示的元件或者装置是特定的方位。
本发明的描述中，所给出的结构尺寸为优选参数，参照本发明的实施例，修改各个部件的参数可以进一步得到实际所需的性能。
实施例1
参照图1-图3，本发明的频率可调全双工天线由以下各个部分组成：天线馈线1、金属贴片2、缝隙3、介质基板4，金属地5、PIN二极管60/61/62/63及70/71/72/73；
其中，发射天线由上侧天线馈线1，上侧金属贴片2，介质基板4，金属地5，PIN二极管60/61/62/63组成；接收天线由下侧天线馈线1，下侧金属贴片2，介质基板4，金属地5，PIN二极管70/71/72/73组成；发射天线与接收天线沿着金属贴片2的斜边由缝隙3间隔开。
本实施例的天线馈线1是50欧姆的金属微带线，天线馈线1与金属贴片2的直角边垂直相连，天线馈线1与金属贴片2相连的位置为直角边的中心位置；
本实施例的金属贴片2为等腰直角三角形，天线的尺寸大小与选择的工作频率有关，本实施例共采用两个金属贴片2分别作为全双工通信系统的发射天线与接收天线，其中，上侧金属贴片2作为发射天线，下侧金属贴片2作为接收天线；值得说明的是，在具体的实际应用过程中，亦可下侧金属贴片2作为发射天线，上侧金属贴片2作为接收天线；
本实施例的缝隙3是上侧金属贴片与下侧金属贴片的斜边之间的间距，在保持金属贴片2不变的情况下，稍微增加缝隙的尺寸可以有效的提高收发天线的隔离度，但是不可无限制增加缝隙尺寸，因缝隙增加过大不利于小型化设计；
本实施例的介质基板4利用的是介电常数为3.48，厚度为1.524 mm，尺寸为60×60的mm2罗杰斯板材；
本实施例的金属地3的上下表面与介质基板4的上下表面相同，金属地3是发射天线与 接收天线的共有地；
本实施例的PIN二极管共有两组，其中，在发射天线中，PIN二极管编号为60、61、62、63分别短路安装在上侧金属贴片2与金属地5之间，PIN二极管的位置通过优化到所需的发射频率来确定；其中，发射天线的频率可调是通过使用偏置电路来控制PIN二极管的通断来实现的，不同位置PIN二极管的导通与断开可使天线的发射频率发生改变；值得注意的是，发射天线的PIN二极管在同一时刻仅有一个导通，其余的PIN二极管相同时间内则全部断开；在接收天线中，PIN二极管编号为70、71、72、73分别短路安装在下侧金属贴片2与金属地5之间，PIN二极管的位置通过优化到所需的接收频率来确定；接收天线的频率可调是通过使用偏置电路来控制PIN二极管的通断来实现的，不同位置PIN二极管的导通与断开可使天线的接收频率发生改变；值得注意的是，接收天线的PIN二极管的在同一时刻仅有一个导通，其余的PIN二极管在相同时间内则全部断开；
本实施例使用的每组PIN二极管数目为4个，PIN二极管的个数可与实际的工作频率与需要决定；
本实施例的所有PIN二极管均短路焊接与金属贴片2和金属地5之间，且PIN二极管焊接位置距离对应的金属贴片2的斜边距离优选为2 mm；
本实施例的PIN二极管均由偏置电路控制，所述的偏置电路可由具有相同功能的电路装置代替。
为了进一步说明本发明的实际效果，本实施例对设计的频率可调全双工天线做了仿真与测量，参照图3所示，本实施例发射天线安装4个PIN二极管作为发射频率的调控开关，同一时间仅有一个PIN二极管导通，其余的均处于断开状态；其中，导通的PIN二极管到金属贴片2负45°对角线的垂直距离记为d mm，接收天线亦安装4个PIN二极管，但是，接收天线的所有PIN二极管均处于断开状态，如图4所示是PIN二极管导通时的回波损耗随频率变化的曲线，当处于导通的PIN二极管位置d以4 mm为步长，从0 mm到12 mm逐个分别导通时，发射天线的中心谐振频率从2.66 GHz往高频移动到3.25 GHz,说明了控制PIN二极管的导通或者断开可以有效的调节发射天线谐振频率的移动。图5展示了接收天线的反射系数S22随频率变化的曲线，由图5可以看到，接收天线的中心谐振频率几乎不变，保持在2.65 GHz附近，体现了比较稳定的频率特性。图6展示了发射天线与接收天线的隔离度曲线，由图6可知，当d越大时，发射天线与接收天线的隔离度逐渐增大，最后隔离度趋于较为平稳的25 dB左右，体现了较高的收发隔离度。由于发射天线与接收天线的对称性，当研究接收天线的频率调控特性时，其所具有的频率变化特性与发射天线的工作原理相同。
图7给出了一种属于本发明实施例中的一种完整全双工天线模型，其中，发射天线共安装了4个PIN二极管，导通的PIN二极管的位置为d=8 mm，其余PIN二极管均处于断开状态；接着，接收天线共安装了4个PIN二极管，导通的PIN二极管的位置为d=2 mm，其余PIN二极管均处于断开状态；图8给出了本发明实施例中全双工天线的仿真与测量S参数曲线，由图8可知，发射天线在2.68-2.75 GHz的仿真反射系数小于-10 dB，其测量反射系数频率范围为2.59-2.67 GHz，接收天线在3.14-3.17 GHz的仿真反射系数小于 -10 dB, 其测量反射系数频率范围为3.1-3.13 GHz；然而，发射天线的测试隔离度在频率2.59 - 2.67 GHz内大于25 dB，接收天线的测试隔离度在频率3.10 - 3.13 GHz内大于34 dB，体现收发天线的高隔离度特性。图9给出了发射天线在频率为2.64 GHz时的xoz平面方向图，图10给出了接收天线在频率为3.11 GHz时的xoz平面方向图，由图9和图10看出收发天线的交叉极化达到20 dB以下。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种频率可调全双工天线，其特征在于：所述天线包括介质基板，两个设置在所述介质基板上的辐射贴片，分别与所述两个辐射贴片连接的两个天线馈线，金属地，多个PIN二极管，所述辐射贴片为等腰直角三角形，所述介质基板的上下表面为正方形，所述天线馈线与所述辐射贴片的其中一条直角边垂直相接，所述天线馈线为50欧姆阻抗的微带线，所述金属地为正方形金属微带线，且金属地为两个辐射贴片的共有，两个辐射贴片以介质基板上表面的对角线为轴对称设置在介质基板上，且两辐射贴片的斜边之间设置有缝隙，所述PIN二极管作为电可控的射频开关使用，所述多个PIN二极管依次沿着辐射贴片的斜边附近短路焊接于辐射贴片与金属地间，所述PIN二极管由外部偏置电路控制，所述PIN二极管个数由天线本身的特性与所需的频率带宽所决定，两个天线单元，其中之一作为发射天线时，另一个作为接收天线，发射天线的PIN二极管在同一时刻仅有一个导通，其余的PIN二极管处于断开，接收天线的PIN二极管在同一时刻仅有一个导通，其余的PIN二极管处于断开。
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