CN109860986B - 一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，属于天线技术领域。本发明将PIN二极管的位置通过金属化通孔从介质基板的上表面转移至下表面，电容仍焊接在介质基板上表面的辐射贴片上，并未在接地板上开槽，也未对辐射贴片的形状和开槽方式进行较大的变动，其本质仍是PIN二极管工作于介质基板上表面的辐射贴片间隙之间。本发明的辐射贴片的结构设计无需因PIN二极管的尺寸受到制约，从而提高天线性能。

Description

一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，该天线采用PIN二极管作为可控制器件，可以实现在3个频段上工作。

背景技术

随着现代通信的飞速发展，通信设备正变得愈发强大和复杂，当需要多个天线同时工作时，此时不仅会造成工作空间的拥挤，其天线相互之间还可能产生干扰，影响到天线性能。而频率可重构天线的应用则可以为上述难题提供应对的方法。

频率可重构天线通过加载一个或者多个可控制器件改变天线的结构，使得天线的工作频段在一定范围之内重构，而保持其他性能参数基本不变，使天线具有多频带、超宽带的性能，还能有效避免自身和外界带来的电磁干扰，适应新的环境，确保通信的总体稳定性。加载的可控制器件通常包括PIN二极管、变容二极管、MEMS开关等。

当采用PIN二极管作为可控制器件时，二极管可以焊接在介质基板上表面的辐射贴片开槽中，如“一种频率可重构天线的设计，赵旋，邹传云，蒋永，微型机与应用，2015,34(22)”，然而通过此方法在设计辐射贴片的过程中，可能会为适应PIN二极管的尺寸而在牺牲天线性能的前提下对辐射贴片的形状结构做出修改；将PIN二极管接在介质基板下表面的接地板开槽中的方法已经实现，如“小型化频率可重构微带缝隙天线，专利申请号201510260485.2”，但上述方法不仅需要在接地板上开槽并将PIN二极管接在槽中，而且对于接地板的面积设计得很小的天线，则难以将元件全部加载到接地板上。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，包括介质基板61、位于介质基板61上表面的第一环形辐射贴片1、第二环形辐射贴片2、第三环形辐射贴片3、圆形辐射贴片4、馈线62，和位于介质基板61下表面的接地板60；

第一环形辐射贴片1、第二环形辐射贴片2、第三环形辐射贴片3、圆形辐射贴片4由外到内依次放置留有间隙，四者圆心重合且与介质基板61的上表面中心重合；馈线62由第一环形辐射贴片1的底部延伸至介质基板61的下边沿；接地板60的长与介质基板61的宽相同，宽小于馈线62的长度；

第一环形辐射贴片1上方沿中心竖轴左右两侧对称设有第一开缝槽33和第二开缝槽34；第二环形辐射贴片2上方和下方沿中心竖轴左右两侧分别对称设置有第三开缝槽35、第四开缝槽36、第七开缝槽39和第八开缝槽40；第三环形辐射贴片3下方沿中心竖轴左右两侧对称设有第五开缝槽37、第六开缝槽38，沿中心竖轴顺时针旋转30°的左下方对称设置有第十一开缝槽43、第十二开缝槽44；圆形辐射贴片4沿中心竖轴顺时针旋转30°的左右两侧对称设置有第九开缝槽41、第十开缝槽42；第一开缝槽33、第二开缝槽34、第三开缝槽35、第四开缝槽36、第七开缝槽39和第八开缝槽40、第五开缝槽37、第六开缝槽38、第十一开缝槽43、第十二开缝槽44的两侧贴片由第一电容5、第二电容6、第三电容7、第四电容8、第七电容11、第八电容12、第五电容9、第六电容10、第十五电容19、第十六电容20连接；第九开缝槽41的两侧贴片之间连接有等间距分布的第十电容14、第十二电容16、第十四电容18，第十开缝槽42的两侧贴片之间连接有等间距分布的第九电容13、第十一电容15、第十三电容17；

第一环形辐射贴片1正上方部分的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板61的下表面对应位置设有第一圆形小贴片48和第二圆形小贴片49，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第一金属化通孔21和第二金属化通孔22连接；第二环形辐射贴片2正上方部分和正下方部分的上下两侧分别设有半圆形小凸起，四个半圆形小凸起在介质基板61的下表面对应位置设有第三圆形小贴片50、第四圆形小贴片51、第七圆形小贴片54和第八圆形小贴片55，四个凸起和四个圆形小贴片之间分别通过第三金属化通孔23、第四金属化通孔24、第七金属化通孔27、第八金属化通孔28连接；第三环形辐射贴片3正下方部分的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板61的下表面对应位置设有第五圆形小贴片52和第六圆形小贴片53，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第五金属化通孔25、第六金属化通孔26连接；第十一开缝槽43和第十二开缝槽44之间的贴片的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板61的下表面对应位置设有第十圆形小贴片57和第十一圆形小贴片58，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第十一金属化通孔31、第十二金属化通孔32连接；第九开缝槽41和第十开缝槽42之间的贴片的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板61的下表面对应位置设有第九圆形小贴片56和第十圆形小贴片57，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第九金属化通孔29、第十金属化通孔30连接；

第一PIN二极管45的正极与第二圆形小贴片49连接，负极与第三圆形小贴片50连接；第二PIN二极管46正极通过第一金属连接线64与第六圆形小贴片53相连，负极通过第二金属连接线65与第七圆形小贴片54相连；第三PIN二极管47正极通过第三金属连接线66与第十圆形小贴片57相连，负极通过第四金属连接线67与第十一圆形小贴片58相连。

第一圆形小贴片48、第五圆形小贴片52、第九圆形小贴片56分别通过导线与第一组直流电压源、第二组直流电压源、第三组直流电压源的正极连接，第四圆形小贴片51、第八圆形小贴片55、第十二圆形小贴片59分别通过导线与第一组直流电压源、第二组直流电压源、第三组直流电压源的负极连接，三组直流电压源的负极均通过导线与接地板连接。

本发明所述天线的激励方式为集总端口激励，集总端口63分别与馈线62和接地板60相连。

所述第一至第十六电容5、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20的电容值均为10μF。

所述第一至第三PIN二极管45、46、47的型号均为BAP51-02。

通过控制三组直流电压源的通断来分别控制三个PIN二极管45、46、47的通断，使得天线辐射的有效长度发生改变，从而改变天线的谐振频率，开缝槽33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44用来隔离直流电流，电容5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20用来导通交流电流并隔离直流电流。

所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线当第三PIN二极管导通，第一PIN二极管和第二PIN二极管断开时设为第一工作状态；当第二PIN二极管导通，第一PIN二极管和第三PIN二极管断开时设为第二工作状态。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的频率可重构天线仅将PIN二极管的位置通过金属化通孔从介质基板的上表面转移至下表面，同时电容仍焊接在介质基板上表面的辐射贴片上，并未在接地板上开槽，也未对辐射贴片的形状和开槽方式进行较大的变动，其本质仍是PIN二极管工作于介质基板上表面的辐射贴片间隙之间。这样，辐射贴片的结构设计无需因PIN二极管的尺寸受到制约，从而提高天线性能。

(2)本发明的可重构天线在每个状态下辐射性能稳定，剖面低、带宽较宽，非常适用于现代无线通信系统，可工作于国内卫星移动与卫星广播(2.4835～2.5GHz)、国内航空无线电导航(2.7～2.9GHz)、TDD n38(2.57～2.62GHz)、TDD n41(2.496～2.69GHz)等。

(3)所述天线的设计方法也可以应用到其他可重构微带天线，可以在未对接地板开槽的前提下，为小型化且辐射贴片结构紧密的可重构天线释放天线辐射贴片所在表面的空间；也可以为其他频段的可重构天线的设计提供新的思路。

附图说明

图1为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线的正面结构示意图；

图2为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线的背面结构示意图；

图3为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线与馈线连接的侧面结构示意图；

图4为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第一工作状态时的反射系数曲线图；

图5为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第二工作状态时的反射系数曲线图；

图6为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第一工作状态时工作频率为2.9GHz的E平面辐射方向图；

图7为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第一工作状态时工作频率为2.9GHz的H平面辐射方向图；

图8为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第二工作状态时工作频率为2.7GHz的E平面辐射方向图；

图9为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第二工作状态时工作频率为2.7GHz的H平面辐射方向图；

图10为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第二工作状态时工作频率为3.4GHz的E平面辐射方向图；

图11为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第二工作状态时工作频率为3.4GHz的H平面辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线品，其正面结构示意图、背面结构示意图和侧面结构示意图分别如图1至3所示。

通过控制三组直流电压源的通断来分别控制三个PIN二极管45、46、47的通断，使得天线辐射的有效长度发生改变，从而改变天线的谐振频率，开缝槽33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44用来隔离直流电流，电容5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20用来导通交流电流并隔离直流电流。

三个PIN二极管45、46、47的导通与断开通过直流偏置电路控制，其导通过程如下：三组直流电压源的正极分别与第一圆形小贴片48、第五圆形小贴片52、第九圆形小贴片56通过导线相连，直流电流从正极出发，分别通过第一金属化通孔21、第五金属化通孔25、第九金属化通孔29流入介质基板61上表面的第一环形辐射贴片1、第二环形辐射贴片2和圆形辐射贴片4，直流电流再分别通过第二金属化通孔22、第六金属化通孔26、第十金属化通孔30分别流至第二圆形小贴片49、第六圆形小贴片53、第十圆形小贴片57，此时第一PIN二极管45、第二PIN二极管46通过第一金属连接线64、第三PIN二极管47通过第三金属连接线66分别被导通；直流电流分别流至第三圆形小贴片50、通过第二金属连接线65流至第七圆形小贴片54、通过第四金属连接线67流至第十一圆形小贴片58，分别通过第三金属化通孔23、第七金属化通孔27、第十一金属化通孔31流入介质基板61上表面的第二环形辐射贴片2、第二环形辐射贴片2、第三环形辐射贴片3，直流电流再分别通过第四金属化通孔24、第八金属化通孔28、第十二金属化通孔32分别流至第四圆形小贴片51、第八圆形小贴片55、第十二圆形小贴片59，从而分别流入三个直流电压源的负极。

本实施例中，第一环形辐射贴片1与第二环形辐射贴片2的间距d₁＝1mm，第二环形辐射贴片2与第三环形辐射贴片3的间距d₂＝1.5mm、第三环形辐射贴片3与圆形辐射贴片4的间距d₃＝2mm，其中间距d₂和d₃相比于第二PIN二极管46和第三PIN二极管47的长度d₄＝1.25mm较大，若直接将PIN二极管45、46、47置于介质基板61上表面，则需要在辐射贴片上引入金属连接线来连接第二PIN二极管46与第二环形辐射贴片2和第三环形辐射贴片3、第三PIN二极管47与第三环形辐射贴片3和圆形辐射贴片4，这样将不可避免地影响到辐射贴片的环形结构和天线性能；若改变辐射贴片的间距以适应PIN二极管的尺寸或更改PIN二极管的型号，则会对天线的性能产生很大的影响；而将PIN二极管通过金属化通孔设置在介质基板下表面，再通过第一至第四金属连接线64、65、66、67将第二PIN二极管46和第三PIN二极管47与第六、第七、第十、第十一圆形小贴片53、54、57、58连接，则可以减少对辐射贴片结构以及天线性能的影响。

结合图4～11，以可调带宽为2.44GHz至3.63GHz的基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线为例，采用的介质基板61材料为罗杰斯(Rogers)TMM4(tm)，相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.002，厚度为1mm，长为38mm，宽为34mm。该可重构微带天线的各尺寸参数如下：第一环形辐射贴片1的外半径R₁＝15mm、内半径R₂＝12mm，第二环形辐射贴片2的外半径R₃＝11mm、内半径R₄＝10mm，第三环形辐射贴片3的外半径R₅＝8.5mm、内半径R₆＝7.5mm，圆形辐射贴片4半径R₇＝5.5mm，馈线62长L₃＝7mm、宽L₄＝2mm，第一～十二开缝槽33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44的槽宽均为s＝0.1mm，第一开缝槽33和第二开缝槽34之间的间距w₁＝2.6mm，第三开缝槽35和第四开缝槽36之间的间距w₂＝2.2mm，第五开缝槽37和第六开缝槽38之间的间距w₃＝1.2mm，第七开缝槽39和第八开缝槽40之间的间距w₄＝1.2mm，第九开缝槽41和第十开缝槽42之间的间距w₅＝2.3mm，第十一开缝槽43和第十二开缝槽44之间的间距w₆＝2.3mm，第一至第四金属连接线64、65、66、67的材料为纯铜，其中第一金属连接线64和第二金属连接线65长度l₁＝0.14mm，第三金属连接线66和第四金属连接线67长度l₂＝0.39mm，第一至第十二金属化通孔21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32的材料为纯铜，半径均为r₁＝0.1mm，第一至第十二圆形小贴片48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59的材料为纯铜，半径均为r₂＝0.3mm，第一至第三环形辐射贴片1、2、3和圆形辐射贴片4上的半圆形凸起的半径均为r₃＝0.3mm，接地板60长L₁＝34mm、宽L₂＝6.5mm，集总端口63平面长L₅＝2mm，宽L₆＝1mm。所述间距均指二者相邻两个边界之间的距离。

图4为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第一工作状态时的反射系数曲线图。从图中结果可以看出，该天线的谐振频率为2.9GHz，其工作频段为2.56GHz至3.54GHz，相对带宽为33.8％。

图5为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线在第二工作状态时的反射系数曲线图。从图中结果可以看出，该天线的谐振频率为2.7GHz和3.4GHz，其工作频段分别为2.44GHz至2.94GHz和3.29GHz至3.63GHz，相对带宽分别为18.5％和10％。

图6～11为本发明所述基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线分别在工作频率为2.9GHz、2.7GHz和3.4GHz下的辐射方向图。从图中结果可以看出，所发明天线的辐射方向图在E面呈现近似“8”字型，在H面是全向型。天线在不同频率下工作时，其辐射方向图基本保持不变，辐射性能稳定。

Claims (6)

1.一种基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，其特征在于，包括介质基板(61)、位于介质基板(61)上表面的第一环形辐射贴片(1)、第二环形辐射贴片(2)、第三环形辐射贴片(3)、圆形辐射贴片(4)、馈线(62)，和位于介质基板(61)下表面的接地板(60)；

第一环形辐射贴片(1)、第二环形辐射贴片(2)、第三环形辐射贴片(3)、圆形辐射贴片(4)由外到内依次放置留有间隙，四者圆心重合且与介质基板(61)的上表面中心重合；馈线(62)由第一环形辐射贴片(1)的底部延伸至介质基板(61)的下边沿；接地板(60)的长与介质基板(61)的宽相同，宽小于馈线(62)的长度；

第一环形辐射贴片(1)上方沿中心竖轴左右两侧对称设有第一开缝槽(33)和第二开缝槽(34)；第二环形辐射贴片(2)上方和下方沿中心竖轴左右两侧分别对称设置有第三开缝槽(35)、第四开缝槽(36)、第七开缝槽(39)和第八开缝槽(40)；第三环形辐射贴片(3)下方沿中心竖轴左右两侧对称设有第五开缝槽(37)、第六开缝槽(38)，沿中心竖轴顺时针旋转30°的左下方对称设置有第十一开缝槽(43)、第十二开缝槽(44)；圆形辐射贴片(4)沿中心竖轴顺时针旋转30°的左右两侧对称设置有第九开缝槽(41)、第十开缝槽(42)；第一开缝槽(33)的两侧贴片由第一电容(5)连接，第二开缝槽(34)的两侧贴片由第二电容(6)连接，第三开缝槽(35)的两侧贴片由第三电容(7)连接，第四开缝槽(36)的两侧贴片由第四电容(8)连接，第七开缝槽(39)的两侧贴片由第七电容(11)连接，第八开缝槽(40)的两侧贴片由第八电容(12)连接，第五开缝槽(37)的两侧贴片由第五电容(9)连接，第六开缝槽(38)的两侧贴片由第六电容(10)连接，第十一开缝槽(43)的两侧贴片由第十五电容(19)连接，第十二开缝槽(44)的两侧贴片由第十六电容(20)连接；第九开缝槽(41)的两侧贴片之间连接有等间距分布的第十电容(14)、第十二电容(16)、第十四电容(18)，第十开缝槽(42)的两侧贴片之间连接有等间距分布的第九电容(13)、第十一电容(15)、第十三电容(17)；

第一环形辐射贴片(1)正上方部分的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板(61)的下表面对应位置设有第一圆形小贴片(48)和第二圆形小贴片(49)，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第一金属化通孔(21)和第二金属化通孔(22)连接；第二环形辐射贴片(2)正上方部分和正下方部分的上下两侧分别设有半圆形小凸起，四个半圆形小凸起在介质基板(61)的下表面对应位置设有第三圆形小贴片(50)、第四圆形小贴片(51)、第七圆形小贴片(54)和第八圆形小贴片(55)，四个凸起和四个圆形小贴片之间分别通过第三金属化通孔(23)、第四金属化通孔(24)、第七金属化通孔(27)、第八金属化通孔(28)连接；第三环形辐射贴片(3)正下方部分的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板(61)的下表面对应位置设有第五圆形小贴片(52)和第六圆形小贴片(53)，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第五金属化通孔(25)、第六金属化通孔(26)连接；第十一开缝槽(43)和第十二开缝槽(44)之间的贴片的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板(61)的下表面对应位置设有第十圆形小贴片(57)和第十一圆形小贴片(58)，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第十一金属化通孔(31)、第十二金属化通孔(32)连接；第九开缝槽(41)和第十开缝槽(42)之间的贴片的上下两侧分别设有半圆形小凸起，两个半圆形小凸起在介质基板(61)的下表面对应位置设有第九圆形小贴片(56)和第十圆形小贴片(57)，两个凸起和两个圆形小贴片之间分别通过第九金属化通孔(29)、第十金属化通孔(30)连接；

第一PIN二极管(45)的正极与第二圆形小贴片(49)连接，负极与第三圆形小贴片(50)连接；第二PIN二极管(46)正极通过第一金属连接线(64)与第六圆形小贴片(53)相连，负极通过第二金属连接线(65)与第七圆形小贴片(54)相连；第三PIN二极管(47)正极通过第三金属连接线(66)与第十圆形小贴片(57)相连，负极通过第四金属连接线(67)与第十一圆形小贴片(58)相连。

2.根据权利要求1所述的基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，其特征在于，第一圆形小贴片(48)、第五圆形小贴片(52)、第九圆形小贴片(56)分别通过导线与第一组直流电压源、第二组直流电压源、第三组直流电压源的正极连接，第四圆形小贴片(51)、第八圆形小贴片(55)、第十二圆形小贴片(59)分别通过导线与第一组直流电压源、第二组直流电压源、第三组直流电压源的负极连接，三组直流电压源的负极均通过导线与接地板连接。

3.根据权利要求1所述的基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，其特征在于，天线的激励方式为集总端口激励，集总端口(63)分别与馈线(62)和接地板(60)相连。

4.根据权利要求1所述的基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，其特征在于，第一至第十六电容(5、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20)的电容值均为10μF。

5.根据权利要求2所述的基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，其特征在于，通过控制三组直流电压源的通断来分别控制三个PIN二极管(45、46、47)的通断，使得天线辐射的有效长度发生改变，从而改变天线的谐振频率。

6.根据权利要求1所述的基于环形辐射贴片的频率可重构微带天线，其特征在于，介质基板(61)材料的相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.002。

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