CN109193150A - 陷波可重构天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陷波可重构天线及设计方法，包括：超宽带天线；所述超宽带天线包括辐射单元、介质板、接地面以及共面波导馈线，所述辐射单元和共面波导馈线设置在所述介质板的表面，所述共面波导馈线与所述介质板通过微带辐射贴片连接；本发明提供的陷波可重构天线，其满足了天线良好的传输性能，且体积小，成本低。

Description

陷波可重构天线及设计方法

技术领域

本发明属于天线设备技术领域，具体涉及一种陷波可重构天线及设计方法。

背景技术

超宽带技术(UWB，Ultra Wide Band)技术能够解决困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有功耗低、定位精准、成本低、可动态调整数据率等诸多优点[1]。

频段为3.1－10.6GHz的超宽带(UWB)系统具有超大的信道容量，因此被应用于近距离高速数据传输。

天线研究的核心就是围绕一个具有特定电流分布的辐射体来展开设计，即辐射体或包围辐射体的封闭面上的电流分布决定这天线的性能指标。研究可重构天线的工作就是研究如何通过改变天线的结构进而改变天线的电流分布，从而实现重构天线的性能参数、实现不同工作状态的转变。

作为无线通信系统中的重要部件，天线的作用是把无线媒介(如自由空间)中传播的电磁波变换成传输线上的导行波，或者做相反的变换。无线通信系统对天线的性能要求随着技术的发展越来越高。一方面，无线通信系统需要使天线能够在多个频段、极化方式或方向图模式下工作，且具有良好的传输性能；但是另一方面，传统的满足要求的天线又因为具有体积大、成本高和重量超标的特点而与设计原理相矛盾。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种陷波可重构天线及设计方法，以解决现有技术中天线的体积大、成本高以及因为重量超标而与设计原理相矛盾的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种陷波可重构天线，超宽带天线；

所述超宽带天线包括辐射单元、介质板、接地面以及共面波导馈线，所述辐射单元和共面波导馈线设置在所述介质板的表面，所述共面波导馈线与所述介质板通过微带辐射贴片连接。

进一步的，所述微带辐射贴片上蚀刻谐振结构。

进一步的，所述共面波导馈线上蚀刻谐振结构。

进一步的，所述谐振结构为倒U形缝隙。

进一步的，所述倒U形缝隙的臂长为15.60mm，宽度为0.5mm。

进一步的，所述倒U形缝隙内还设有：

重构开关，用于破坏电流分布，改变倒U形缝隙的宽度以控制超宽带天线的有效电长度以重构天线陷波。

进一步的，所述重构开关采用：

PIN二极管、限幅二极管、调谐变容二极管或肖特基二极管。

进一步的，所述PIN二极管的型号采用：

BAR64-3W、BA885、或BAR61。

进一步的，所述微带辐射贴片采用：弧形并具有开缝结构。

进一步的，所述介质板采用：

FR4介质材料制成，所述FR4的相对介电常数为4.4，所述介质板的厚度为1.6mm。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

本发明提供的陷波可重构天线及设计犯法，其满足了天线良好的传输性能，且体积小，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种陷波可重构天线的线路示意图；

图2为本发明一种陷波可重构天线在开关打开时的示意图；

图3为本发明一种陷波可重构天线在开关关闭时的示意图；

图4为本发明一种陷波可重构天线的设计方法步骤示意图。

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的陷波可重构天线及设计方法。

如图1所示，本申请实施例中提供的陷波可重构天线包括，超宽带天线1，所述超宽带天线1包括辐射单元(图中未示出)、介质板(图中未示出)、接地面11以及共面波导馈线(图中未示出)，所述辐射单元和共面波导馈线设置在所述介质板的表面，所述共面波导馈线与所述介质板通过微带辐射贴片12连接。

陷波可重构天线的工作原理为：本申请通过在超宽带天线1的微带辐射贴片上蚀刻谐振结构来实现陷波。在微带辐射贴片上开槽能够改变电流分布从而能够在所需频段产生陷波。通过蚀刻由计算所得的不同尺寸的槽，可以产生不同陷波，如3.7GHz-4.8GHz频率范围内的陷波和4.93GHz-6.68GHz频率范围内的陷波。

其中，本申请提供的天线为具有可重构陷波特性的超宽带天线1，使其工作在3.1-10.6GHz的超宽带(UWB)频段内，在5GHz频段具有可重构陷波特性，并且工作频率范围内驻波比小于2。本申请的设计步骤为：第一步，设计一个超宽带单极子天线；第二步，在该天线的基础上实现单个或多个陷波；第三步，利用开关使得该天线实现可重构陷波的特性。

需要说明的是，陷波是天线在某一频段内呈现出收发的钝态，反映在其辐射特性图上就是产生凹陷。因为超宽带天线1的众多优点，使其在各个领域尤其是近距离高速率数据传输方面应用广泛。但是由于其他无线通信系统的存在，特别是室内WLAN(无线局域网)的广泛存在，使得现有的超宽带系统内出现干扰。我们希望应用陷波特性来剔除超宽带的频段范围内这些系统的干扰。因此需要设计能够在5GHz内陷波的超宽带天线1。在超宽带天线1上实现陷波特性的方法大致有五种：1)在天线辐射单元中引入窄带谐振结构，可以适当增加可调因素，有助于更加灵活地调整天线的陷波功能；2)在调谐支节中引入窄带谐振结构；3)在馈线中引入窄带谐振结构；4)采用分形结构，有助于提高设计的灵活性，并解决天线小型化问题；5)采用电调谐振器，可在较宽的频带内微调寄生谐振器的分布参数，从而改变陷波频带的工作频率，能够提高天线陷波的灵活性。

优选的，所述微带辐射贴片上蚀刻谐振结构。

优选的，所述共面波导馈线上蚀刻谐振结构。

优选的，所述谐振结构为倒U形缝隙。

优选的，所述倒U形缝隙的臂长为15.60mm，宽度为0.5mm。

要做到陷波特性可重构要做到能够控制天线辐射贴片上所蚀刻的倒“U”型槽的总长度，通过改变天线的有效电长度从而改变陷波的中心频率，继而得到不同的陷波频段，达到陷波可重构的目的。

优选的，所述倒U形缝隙内还设有：

重构开关，用于破坏电流分布，改变倒U形缝隙的宽度以控制超宽带天线1的有效电长度以重构天线陷波。

优选的，所述重构开关采用：

PIN二极管、限幅二极管、调谐变容二极管或肖特基二极管。

优选的，所述PIN二极管的型号采用：

BAR64-3W、BA885、或BAR61。

具体的，如图2所示，当重构开关打开时，天线在3.7GHz-4.8GHz的频段内产生陷波，除了陷波频段，在2.7GHz-12.3GHz的频段范围内，电压驻波比VSWR小于2，此时，天线具有较好的辐射特性。

如图3所示，当重构开关闭合时，表现在结构图上就是天线倒“U”型槽的中间加上重构开关，破坏电流分布，天线在3.7GHz-4.8GHz频段内的陷波消失，天线的辐射特性基本不变。但是在2.7GHz-12.3GHz的频段范围内，电压驻波比VSWR并没有全部小于2。如频率为5.99GHz和8.14GHz时，VSWR均略大于2，不完全符合超宽带天线1的要求。

在加载开关所得WLAN频段陷波的天线基础上，在天线倒“U”型槽的中间加上开关，用小铜片代替。

当重构开关打开时，天线在4.93GHz-6.68GHz的频段内产生陷波，除了陷波频段，在2.7GHz-12.3GHz的频段范围内，电压驻波比VSWR小于2，E面的方向图呈“8”字型，H面的方向图呈全向型，天线具有较好的辐射特性。

当重构开关闭合时，表现在结构图上就是天线倒“U”型槽的中间加上小铜片，破坏电流分布，天线在4.93GHz-6.68GHz频段内的陷波消失，并且在2.7GHz-12.3GHz的频段范围内，电压驻波比VSWR全部小于2。天线的辐射特性基本不变，具有较好的辐射特性。

PIN二极管具有低电容隔离，低阻抗和低失真等特点。PIN二极管具有较大的应用范围，大致分为RF(射频)开关和RF保护电路两大类，如应用在卫星电视接收机的高频头(LNB，低噪声下变频器)上的RF开关和应用在汽车遥控车库门开启装置的RF保护电路等。

PIN二极管与由PN结组成的普通的二极管的不同之处在于，在PIN二级管的P和N半导体材料之间有一层很薄的低掺杂的本征半导体(Instrinstic)，即它的组成结构是P-I-N。

在正向偏置下，从P层和N层的电荷载流子被强制进入I层，从而降低了PIN二极管的射频阻抗。在反向偏置电压下，所有自由电荷的载流子从I层中被删除，从而导致了PIN二极管射频阻抗增加。简而言之，PIN二极管的阻值是由直流偏置决定的，正向偏置时阻值小接近短路，反向偏置时阻抗大接近开路。

在高频状态下，PIN二极管作为线性元件使用，在低频状态下，PIN二极管作为整流器使用。

限幅二极管具有功率高，导通速度快和恢复时间短等特点。限幅二极管的作用是将信号的幅度限制在所需幅度范围内。大部分情况下，稳压二极管可以作为限幅二极管使用。

调谐变容二极管具有低损耗低电阻和宽频带内电容变化大等特点。变容二极管的原理是半导体的PN结电容随外加反向偏置电压变化而变化，因此其谐振频率能够通过加在二极管两端的电压值来改变，起到调谐作用

肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)是一种热载流子二极管，它具有高灵敏度，高反向击穿电压和高频操作下低电容等特点。肖特基二极管击穿电压低于200V，不适合应用于高压环境。

优选的，所述微带辐射贴片采用：弧形并具有开缝结构。

优选的，所述介质板采用：

FR4介质材料制成，所述FR4的相对介电常数为4.4，所述介质板的厚度为1.6mm。

如图4所示，本申请提供的一种陷波可重构天线的设计方法，包括以下步骤：

S41、获取超宽带单极子天线；

S42、在所述天线上获得单个或多个陷波；

S43、实现可重构陷波的特性。

综上所述，本发明提供一种陷波可重构天线，其满足了天线良好的传输性能，且体积小，成本低。

可以理解的是，上述提供的方法实施例与上述的陷波可重构天线实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的陷波可重构天线。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令陷波可重构天线的制造品，该指令陷波可重构天线实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种陷波可重构天线，其特征在于，包括：超宽带天线；

所述超宽带天线包括辐射单元、介质板、接地面以及共面波导馈线，所述辐射单元和共面波导馈线设置在所述介质板的表面，所述共面波导馈线与所述介质板通过微带辐射贴片连接。

2.根据权利要求1所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述微带辐射贴片上蚀刻谐振结构。

3.根据权利要求1所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述共面波导馈线上蚀刻谐振结构。

4.根据权利要求2或3任一项所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述谐振结构为倒U形缝隙。

5.根据权利要求4所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述倒U形缝隙的臂长为15.60mm，宽度为0.5mm。

6.根据权利要求4所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述倒U形缝隙内还设有：

重构开关，用于破坏电流分布，改变倒U形缝隙的宽度以控制超宽带天线的有效电长度以重构天线陷波。

7.根据权利要求6所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述重构开关采用：

PIN二极管、限幅二极管、调谐变容二极管或肖特基二极管。

8.根据权利要求7所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述PIN二极管的型号采用：

BAR64-3W、BA885、或BAR61。

9.根据权利要求1所述的陷波可重构天线，其特征在于，所述微带辐射贴片采用：弧形并具有开缝结构。

10.一种陷波可重构天线的设计方法，其特征在于，包括：

获取超宽带单极子天线；

在所述天线上获得单个或多个陷波；

实现可重构陷波的特性。