CN110611163A

CN110611163A - 一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线

Info

Publication number: CN110611163A
Application number: CN201910884907.1A
Authority: CN
Inventors: 裴芝梦; 冀璐阳; 张麟兮; 刘春阳
Original assignee: Northwest University of Technology
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Northwest University of Technology
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2019-12-24

Abstract

本发明涉及一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线，包括金属地板、介质基板、位于介质基板上方的一个矩形贴片和两个弧形寄生贴片、加载在矩形贴片和弧形贴片之间的四个PIN二极管D1、D2、D3、D4、直流馈电结构和同轴馈电结构，本发明通过改变加载在矩形贴片和两个弧形寄生贴片之间PIN二极管的状态，来改变天线表面电流路径，从而实现频率性能的可重构。

Description

一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体是指一种具有稳定辐射性能的紧凑型频率可重构贴片天线，可用于WIFI/WIMAX和其他一些无线通信系统的频段。

背景技术

随着无线通信技术的发展，将多种通信标准集合在一个天线通信设备上的需求日益增加，因此需要在这些设备上加载多个天线，这必将导致通信系统整体成本的增加，重量的增加及还会引起多个天线之间的电磁兼容等问题。为了解决这些难题，使整个信息系统的特性尽可能少地受到天线的制约，可重构天线被提出。可重构天线的研究旨在使天线能够根据实际环境的需求实时重构天线特性。

频率可重构天线是可重构天线研究的热点，与多频带和宽频带天线相比，频率可重构天线能在非工作频段内保持噪声抑制，从而可以大大降低前端电路对滤波器的要求。

目前，根据频率可重构天线的研究现状可将频率可重构的实现方法归纳为两大类：一类为通过加载集总开关元件的电调方式来实现频率可重构天线，另一类为通过机械调谐的方式来实现频率可重构天线。众所周知，采用机械调谐的方式实现的频率可重构天线具有低插损和高稳定性的优点，但是由于其控制系统的限制，该类型天线无法在很短时间内实现快速的频率转换。除此之外，用来实现机械调谐的器械较昂贵且占地空间十分巨大。与采用机械调谐实现频率可重构的方式相比，用来实现电可调谐的频率可重构的集总开关元件如PIN二极管，变容二极管或者MEMS开关等，由于其切换速度快，结构简单和成本低廉等优势被广泛的应用到很多通信场景中。

发明内容

要解决的技术问题

目前基于PIN二极管的频率可重构天线存在频率可调谐范围窄、频率调谐范围内波束辐射不稳定等问题，本发明提出了一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线。该天线由一个矩形贴片和两个弧形寄生贴片组成，通过改变加载在矩形贴片和弧形寄生贴片之间四个PIN二极管的状态，可以实现频率的动态调谐。通过改变四个PIN二极管不同的组合状态，本发明天线可在2.71GHz，4.73GHz，5.35GHz和6.16GHz四个频段工作。其电尺寸相对于最低工作频率为0.47λ0×0.47λ0×0.01λ0，可用于WIFI/WIMAX和其他一些无线通信系统的频段。通过引入弧形寄生贴片结构，可以有效天线匹配性能，从而改善频率可调谐范围。由于本发明是中心对称结构，因此保证了不同状态时辐射方向图均能保持稳定性。

技术方案

一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线，其特征在于包括金属地板、介质基板、矩形贴片、上弧形寄生贴片、下弧形寄生贴片、四个PIN二极管D1、D2、D3、D4、直流馈电结构和同轴馈电；矩形贴片位于介质基板上表面中间，上弧形寄生贴片、下弧形寄生贴片对称的位于矩形贴片两边，D1、D2加载在矩形贴片和上弧形寄生贴片之间，D1、D2的正极与上弧形寄生贴片相连，负极与矩形贴片相连，D3、D4加载在矩形贴片和下弧形寄生贴片之间，D3、D4的正极与下弧形寄生贴片相连，负极与矩形贴片相连，金属地板位于介质基板下表面；第一电容、第一电感、第一接地通孔组成了第一低通滤波器，第二电容、第二电感、第二接地通孔组成了第二低通滤波器，第三电容、第三电感、第三接地通孔组成了第三低通滤波器，三组低通滤波器构成了直流馈电结构，第一馈电点连接第一微带线，第一微带线连接第一电感，第一电感连接上弧形寄生贴片，第一接地通孔连接第二微带线，第二微带线连接第一电容，第一电容连接第一微带线；第三馈电点连接第三微带线，第三微带线连接第三电感，第三电感连接下弧形寄生贴片，第三接地通孔连接第四微带线，第四微带线连接第三电容，第三电容连接第三微带线；第二馈电点连接第五微带线，第五微带线连接第二电感，第二电感连接矩形贴片，第二接地通孔连接第六微带线，第六微带线连接第二电容，第二电容连接第五微带线；同轴馈电给矩形贴片馈电。

所述的四个PIN二极管的型号均为BAR64-03W。

所述的第一电容、第二电容、第三电容均为18pF，第一电感、第二电感、第三电感均为20nH。

有益效果

本发明提出的一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线。该天线由一个矩形贴片和两个弧形寄生贴片组成，通过改变加载在矩形贴片和弧形寄生贴片之间四个PIN二极管的状态，可以实现频率的动态调谐。通过改变四个PIN二极管不同的组合状态，本发明天线可在2.71GHz，4.73GHz，5.35GHz和6.16GHz四个频段工作。其电尺寸相对于最低工作频率为0.47λ0×0.47λ0×0.01λ0，可用于WIFI/WIMAX和其他一些无线通信系统的频段。通过引入弧形寄生贴片结构，可以有效天线匹配性能，从而改善频率可调谐范围。由于本发明是中心对称结构，因此保证了不同状态时辐射方向图均能保持稳定性。

1、本发明通过改变四个PIN二极管的通断状态，能够在辐射贴片表面产生四条不同的电流路径，从而可以实现四个不同的谐振频段。相较于传统矩形寄生贴片，本发明采用弧形寄生贴片，可以有效减少反射，从而改善天线阻抗匹配性能，增加频率可调谐范围。本发明的工作频率可以在2.71GHz-6.16GHz范围的四个频段内实现动态调谐，四个可调谐频率的匹配状态都良好(反射系数S11均低于-10dB)，带宽均为200MHz左右。

2、由于控制元器件加载位置的限制，相比现有技术中的频率可重构天线在低频时E面方向图会产生畸变。本发明将辐射贴片以及四个控制元器件设计为中心对称结构，且PIN二极管位于辐射贴片电流分布最强的位置。当改变PIN二极管的状态时，辐射贴片上沿E面(xoz面)和H面(yoz面)分布的电流总是均匀且对称的，因此本发明的辐射性能较为稳定，最大方向始终保持在theta＝0°方向。

3、与现有技术中的频率可重构天线需要数十个偏置线和二极管相比，本发明天线直流馈电结构简单，只需要一个偏置电压就能控制四个PIN二极管的四种状态。

本发明天线结构简单，制造方便，平面结构可通过快速印刷方式制造。

附图说明

图1为本发明所述天线结构示意图。

图2为本发明所示天线仿真和测试反射系数图。

图3为本发明所述天线仿真E面和H面辐射方向图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线，能够在2.71GHz，4.73GHz，5.35GHz和6.16GHz的频率下工作，覆盖了WIFI/WIMAX和其他的一些无线通信频段，并且在所有的频段内辐射性能均能保持稳定。

如图1所示，本发明包括金属地板8、介质基板1、位于介质基板上方的一个矩形贴片2和两个弧形寄生贴片3-1，3-2、加载在矩形贴片和弧形贴片之间的四个PIN二极管D1、D2、D3、D4、直流馈电结构和同轴馈电结构。所述直流馈电结构是由电容，电感和接地通孔成的三组低通滤波器组成。本发明通过改变加载在矩形贴片和两个弧形寄生贴片之间PIN二极管的状态，来改变天线表面电流路径，从而实现频率性能的可重构。

具体来说，金属地板8和介质基板1的长l和宽w均为50mm，介质基板1采用厚度h为1.6mm的FR4。位于介质基板上方的矩形贴片2的长a为12mm，宽b为18mm。两个弧形贴片3-1，3-2的弧长c均为21.5mm，弓长d均为5mm。两个弧形贴片与矩形贴片的间距为1mm。所述天线的四个PIN二极管的型号均为BAR64-03W，在HFSS中，二极管导通时可等效为一个2.1欧姆的电阻，二极管断开时可等效为0.17pF和3千欧姆的并联电路，二极管导通电压为2V。四个PIN二极管D1、D2和D3、D4的方向是反向的，因此在所有的状态中只需要一个偏置电压。所述天线一共有四个状态，当馈电点4-1、4-3接正电压，馈电点4-2接负电压时，四个PIN二极管均为导通状态(状态Ⅰ)；当只有馈电点4-1接正电压，此时D1、D2导通，D3、D4断开(状态Ⅱ)；当只有馈电点4-3接正电压，此时D3、D4导通，D1、D2断开(状态Ⅲ)；当馈电点4-1、4-3均未接正电压，此时四个PIN二极管均为断开状态(状态Ⅳ)。所述直流馈电结构是由电容6-1，6-2，6-3，电感7-1，7-2，7-3和接地通孔5-1，5-2，5-3组成的三组低通滤波器。每组的电容值均为18pF，电感值均为20nH。

本发明的工作过程如下：

天线有如下四个谐振状态。当所述天线工作在状态Ⅰ时，矩形贴片与弧形寄生贴片是连通状态，此时天线有一个双频谐振频率为3.5GHz和6.16GHz。当所述天线工作在状态Ⅱ时，矩形贴片与位于上侧的弧形贴片是连通状态，此时天线谐振在2.71GHz。当所述天线工作在状态Ⅲ时，矩形贴片与位于下侧的弧形贴片是连通状态，此时天线工作频率为5.35GHz。当所述天线工作在状态Ⅳ时，即矩形贴片与弧形贴片时断开状态，此时天线工作在4.73GHz。图2详细的展示了四个谐振仿真和测试的反射系数图。从图2可以看出仿真结果与测试结果基本保持一致。

图3为四个谐振状态的E面和H面的辐射方向图，从图3可以得出在四个谐振状态中辐射方向图基本保持一致，并且天线的辐射方向图最大值均在theta＝0°方向上，具有非常稳定的辐射性能。

Claims

1.一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线，其特征在于包括金属地板(8)、介质基板(1)、矩形贴片(2)、上弧形寄生贴片(3-1)、下弧形寄生贴片(3-2)、四个PIN二极管D1、D2、D3、D4、直流馈电结构和同轴馈电；矩形贴片(2)位于介质基板(1)上表面中间，上弧形寄生贴片(3-1)、下弧形寄生贴片(3-2)对称的位于矩形贴片(2)两边，D1、D2加载在矩形贴片(2)和上弧形寄生贴片(3-1)之间，D1、D2的正极与上弧形寄生贴片(3-1)相连，负极与矩形贴片(2)相连，D3、D4加载在矩形贴片和下弧形寄生贴片(3-2)之间，D3、D4的正极与下弧形寄生贴片(3-2)相连，负极与矩形贴片(2)相连，金属地板(8)位于介质基板(1)下表面；第一电容(6-1)、第一电感(7-1)、第一接地通孔(5-1)组成了第一低通滤波器，第二电容(6-2)、第二电感(7-2)、第二接地通孔(5-2)组成了第二低通滤波器，第三电容(6-3)、第三电感(7-3)、第三接地通孔(5-3)组成了第三低通滤波器，三组低通滤波器构成了直流馈电结构，第一馈电点(4-1)连接第一微带线，第一微带线连接第一电感(7-1)，第一电感(7-1)连接上弧形寄生贴片(3-1)，第一接地通孔(5-1)连接第二微带线，第二微带线连接第一电容(6-1)，第一电容(6-1)连接第一微带线；第三馈电点(4-3)连接第三微带线，第三微带线连接第三电感(7-3)，第三电感(7-3)连接下弧形寄生贴片(3-2)，第三接地通孔(5-3)连接第四微带线，第四微带线连接第三电容(6-3)，第三电容(6-3)连接第三微带线；第二馈电点(4-2)连接第五微带线，第五微带线连接第二电感(7-2)，第二电感(7-2)连接矩形贴片(2)，第二接地通孔(5-2)连接第六微带线，第六微带线连接第二电容(6-2)，第二电容(6-2)连接第五微带线；同轴馈电给矩形贴片(2)馈电。

2.根据权利要求1所述的一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线，其特征在于所述的四个PIN二极管的型号均为BAR64-03W。

3.根据权利要求1所述的一种具有稳定辐射性能的频率可重构贴片天线，其特征在于所述的第一电容(6-1)、第二电容(6-2)、第三电容(6-3)均为18pF，第一电感(7-1)、第二电感(7-2)、第三电感(7-3)均为20nH。