CN111969333B - 一种低剖面频率可重构介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低剖面频率可重构介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，上介质基板上表面的垂直中分面上设置有一对微带线，微带线部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，微带线的外端与金属反射地板之间加载有变容二极管，微带线和变容管二极管构成频率调谐结构，用于调谐介质贴片谐振器的频率；下介质基板的下表面设置有一根微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线对应的耦合缝隙。本发明首次提出一种新型的变容二极管加载方案，来设计工作在主模TM₁₀₁下的低剖面频率可重构的介质贴片天线，同时，所使用的微带线和变容二极管对天线的辐射方向图几乎没有影响。

Description

一种低剖面频率可重构介质贴片天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及低剖面频率可重构介质贴片天线单元及天线阵列。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，在设备中装配多个天线以满足多样化的通信标准是十分必要的，但这将增加通信系统的尺寸和成本。同时，这些天线之间的电磁兼容问题也可能使系统的稳定性下降。在这种背景下，可重构天线受到了广泛的研究，它可以动态调整自身的参数来实现功能的多样性，从而代替多个天线的使用。近年来，已经设计出了各种各样的可重构天线，包括极化可重构、方向图可重构和频率可重构天线，实现的方法主要分为两类。一类是基于机械调谐的可重构天线。通过控制密闭容器中液态材料（如液态金属、变压器油、水等）或基板中固态材料（如金属柱、介质块、短路针等）的位置或体积占比，来使天线获得不同的功能或状态。尽管这种方法损耗低，但是机械可重构天线的调谐速度较慢，并且需要大的空间来存放液态或固态材料，这无法满足现代无线通信系统的快速时变和高集成度的要求。另一类是基于电调谐的可重构天线。通常将小尺寸、结构简单的半导体二极管或基于二极管的开关用作调谐组件。其中，具有快速调谐速度的变容二极管通常用来设计具有频率连续调谐或者方向图连续扫描特性的可重构天线。

微带贴片天线由于具有剖面低、重量轻、增益较高以及易于加载变容二极管等优点而被广泛应用于可重构天线，尤其是频率可重构天线的设计中。通常，变容二极管被加载在微带贴片的中间或者侧面。然而，随着低频频谱逐渐拥挤，现代无线通信系统的工作频率持续上升，微带贴片天线的金属损耗将变得严重，从而降低辐射效率。作为一个良好的替代品，导体损耗几乎为零的介质谐振器天线被考虑用来设计频率可重构天线。但是，在介质谐振器上直接加载变容二极管是很困难的。为了解决加载问题，已经提出了一些设计方法。在设计一中，在介质谐振器天线两个相对的侧壁上印刷导电条来焊接变容二极管，但是该天线的频率调谐范围小于6％。在设计二中，在介质谐振器天线的侧壁上印刷了带有垂直缝隙的导电片来连接变容二极管，可以实现55％的宽频率调谐范围。但是，这些天线的辐射性能都会受到捆绑在介质谐振器上的变容二极管的负面影响。同时，上述设计具有很高的剖面，并且缺少对加载有变容二极管的介质谐振器天线的辐射效率进行详细地分析。

为了降低介质谐振器天线的剖面，已经开发了一种准平面的介质贴片天线。它的谐振器由位于上层的介质贴片和下层的基板融合而成，并具有和微带贴片天线类似的特性。先前的研究表明，就剖面、增益、效率和设计自由度而言，介质贴片天线是传统微带贴片天线和介质谐振器天线之间良好的折中选择。因此，介质贴片天线具有巨大的应用潜力，但到目前为止，基于介质贴片天线的频率可重构设计还没有人提出。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的低剖面频率可重构介质贴片天线。

为实现本发明目的，本发明提出的一种低剖面频率可重构介质贴片天线单元，具有下介质基板和介质贴片谐振器，所述介质贴片谐振器包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、上介质基板和介质贴片，其特征在于：所述上介质基板上表面的垂直中分面上设置有一对微带线，所述微带线部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，所述微带线的外端与金属反射地板之间加载有变容二极管，微带线和变容管二极管构成频率调谐结构，用于使连续地调谐所述介质贴片谐振器的频率；所述下介质基板的下表面的垂直中分面上设置有一根用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线对应的耦合缝隙。

进一步的，所述上介质基板上表面设置有位于微带线的外端的与金属反射地板短路连接的金属贴片，所述微带线的外端通过变容二极管与该金属贴片连接。

更进一步的，所述金属贴片通过设于上介质基板的金属化通孔与金属反射地板短路连接，金属贴片与金属化通孔构成短路针。

此外，本发明还公开了一种低剖面频率可重构介质贴片天线阵列，其特征在于：包括数个呈阵列形式布置的上述天线单元，天线单元下介质基板下表面布设有连接每个天线单元的微带馈线的微带功率分配器，该微带功率分配器与微带馈线构成天线阵列的微带馈电网络。

本发明首次提出了一种新型的变容二极管加载方案，来设计工作在主模TM₁₀₁下的低剖面频率可重构的介质贴片天线单元及天线阵列。为了充分挖掘介质贴片天线层叠结构的潜力，将一对加载有变容二极管的微带线部分地插入到介质贴片和基板之间，从而获得连续调谐频率的功能。根据主模TM₁₀₁模式的电场分布，将微带线设置在了介质贴片谐振器的中心线上，以最大程度地提升调谐能力。此外，所使用的微带线和变容二极管对天线的辐射方向图几乎没有影响。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明实施例天线单元的分解图。

图2是本发明实施例天线单元的俯视图。

图3是本发明实施例天线单元的侧视图。

图4是本发明实施例天线单元和没有频率调谐结构时的介质贴片天线的E面辐射方向图的对比。

图5是本发明实施例天线单元和没有频率调谐结构时的介质贴片天线的H面辐射方向图的对比。

图6是本发明实施例天线单元的反射系数曲线图。

图7是本发明实施例天线单元在变容二极管的不同电容值下的频率和增益曲线图。

图8是本发明实施例天线单元在变容二极管的电容值为0.37 pF时的天线辐射方向图。

图9是本发明实施例天线单元在变容二极管的电容值为0.56 pF时的天线辐射方向图。

图10是本发明实施例天线单元在变容二极管的电容值为0.75 pF时的天线辐射方向图。

图11是本发明实施例天线阵列的分解图。

图12是本发明实施例天线阵列的俯视图。

图13是本发明实施例天线阵列的侧视图。

图14是本发明实施例天线阵列的反射系数曲线图。

图15是本发明实施例天线阵列在变容二极管的不同电容值下的频率和峰值增益曲线图。

图16是本发明实施例天线阵列在变容二极管的电容值为0.37 pF时的天线辐射方向图。

图17是本发明实施例天线阵列在变容二极管的电容值为0.56 pF时的天线辐射方向图。

图18是本发明实施例天线阵列在变容二极管的电容值为0.75 pF时的天线辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，本实施例低剖面频率可重构介质贴片天线单元，具有下介质基板8和介质贴片谐振器。介质贴片谐振器包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板6、上介质基板5和介质贴片1。下介质基板8的下表面的垂直中分面上设置有一根用于耦合馈电的微带馈线9，金属反射地板4开设有与微带馈线9对应的耦合缝隙7。本例中，介质贴片1为正方形陶瓷贴片，其介电常数为ε _r1 = 45，损耗角正切为tanδ = 1.9×10^-4，体积为l _d × l _d ×h _d 。介质贴片位于上介质基板5的中心处。除此之外，介质贴片1也可以采用圆形。上介质基板5和下介质基板8使用的是Rogers RO4003型号板材，其介电常数为ε _r2＝ 3.38，损耗角正切为tanδ＝ 2.7×10^-3，体积为1 _g ×1 _g ×h _s 。上介质基板5为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为微带线2，底层为金属反射地板6。

本实施例将一对加载有变容二极管的微带线作为调谐结构，来实现频率可重构的功能。通过本征模仿真，发现主模TM₁₀₁的极化方向与x轴平行，并且该模式的电场主要集中在介质贴片的与y轴平行的两侧。为了顺应TM₁₀₁模式的极化方向，调谐结构沿x轴方向放置并对称分布在介质贴片1两侧。微带线的一端部分地插入介质贴片1和上介质基板5之间，而另一端向外延伸以连接变容二极管3。通过观察TM₁₀₁模式的电场分布，还可以发现，该模式沿y轴方向的电场在介质贴片侧边的中部附近的强度大于侧部。为了使调谐能力达到最大化，将调谐结构设置在了介质贴片谐振器的中心线上。仿真结果表明，调谐结构的引入几乎不改变TM₁₀₁模式的极化方向，这在天线应用中对于维持稳定的辐射方向图是十分有利的。微带线的总长度和插入长度分别定义为l和l _i 。用两个短路针将变容二极管3与金属反射地板进行连接。短路针由设置于上介质基板5上表面的金属贴片4和设于上介质基板5的金属化通孔构成。

本实施例天线中，调谐结构的等效电路可以表示为电容C _i 、C _o 和C串联而成。其中，C _i 表示微带线和介质贴片谐振器之间的耦合电容，C _o 表示微带线的等效电容，C表示变容二极管的电容。在本设计中，谐振频率的下移应归因于微带线插入部分与介质贴片谐振器之间的耦合引起的电容效应（对应于C _i ）。同时，为了实现连续调谐频率的功能，在微带线的末端加载了变容二极管，来动态地调整微带线的电长度，即调整C _o 的大小。

本实施例介质贴片天线单元详细的参数见表I

表I

参数	<i>l</i><sub><i>d</i></sub>	<i>h</i><sub><i>d</i></sub>	<i>l</i><sub>i</sub>	<i>l</i>	<i>w</i>	<i>l</i><sub>g</sub>
							数值/mm	15	1.5	0.5	3.5	2	56
参数	<i>h</i><sub><i>s</i></sub>	<i>l</i><sub><i>c</i></sub>	<i>w</i><sub><i>c</i></sub>	<i>l</i><sub><i>f</i></sub>	<i>w</i><sub><i>f</i></sub>
							数值/mm	0.813	8.5	1.9	10.55	2

图4描述了实施例天线单元和没有频率调谐结构时的介质贴片天线的E面辐射方向图的对比。图5描述了实施例天线单元和没有频率调谐结构时的介质贴片天线的H面辐射方向图的对比。从两张图的结果可以看出，引入频率调谐结构后，天线的辐射方向图没有发生畸变，而且交叉极化也保持在-40 dB以下。因此，可以忽略频率调谐结构对天线辐射方向图的影响。图6展示了实施例天线单元的反射系数（|S₁₁|）。通过选择五个不同的变容二极管的电容值，可以在连续频率调谐范围内展示出五个工作频带，并且每个频带上都观察到了良好的阻抗匹配。图7描述了实施例天线单元在变容二极管的不同电容值下的频率和增益。可以看到，当电容值C从0.37 pF增加到0.75 pF时，天线频率从5.38 GHz下移到了4.62GHz，同时，每个工作频带内的峰值增益从6.53 dBi减小到了4.56 dBi。这里，增益存在衰减是可以预计的，主要归因于两个方面：一方面，随着天线的工作频率下降时，天线的有效辐射口径在逐渐减小，从而导致天线的增益随之减小；另一方面，由于现实中的变容二极管存在寄生电阻，在天线工作的同时，变容二极管将消耗部分功率，使得输入端输入的功率不能完全供应给谐振器，从而降低了天线的增益。图8、9和10分别为实施例天线单元在变容二极管的电容值为0.37、0.56和0.75 pF时的天线辐射方向图。从图中可以看出，天线的交叉极化比主极化至少低30dB，同时可以推测出天线在整个频率调谐范围中都能展示出稳定的宽边辐射方向图。

如图11至图13所示，为由四个本实施例天线单元围绕着上介质基板的中心呈2×2对称形式布置而成的天线阵列。下介质基板、金属反射地板、上介质基板为整体式，四块介质贴片陈列地布置于于上介质基板的表面，两块水平相邻地介质贴片的中心间距为d = 40mm（40mm在5 Ghz时对应为0.68 λ₀，5 GHz为4.6-5.4 GHz连续频率范围的中心频率），上介质基板的长和宽都为l _a = 100 mm，耦合缝隙开设于各介质贴片下方的金属反射地板，微带馈线则布置于对应的耦合缝隙下方的下介质基板下表面。下介质基板下表面布还布置有连接各微带馈线的微带功率分配器，该微带功率分配器与微带馈线构成天线阵列的微带馈电网络。本例中，微带功率分配器为1分4并行功率分配器。

图14展示了实施例天线阵列的反射系数（|S₁₁|）。选取了变容二极管的电容值为0.37、0.48、0.56、0.64和0.75时的反射系数来进行比较，从中可以看出，每个状态都获得了良好的阻抗匹配。图15描述了实施例天线阵列在变容二极管的不同电容值下的频率和增益。随着电容值的增加，天线阵列的频率和增益都逐渐下降，这与实施例天线单元的频率和增益随电容值变化的上升趋势近似。当电容值C从0.37 pF增加到0.75 pF时，天线频率从5.4 GHz下移到了4.6 GHz，同时，每个工作频带内的峰值增益从13.61 dBi减小到了10.8dBi，这里，实施例天线阵列的增益衰减原因和天线单元相同。图16、17和18分别为实施例天线阵列在变容二极管的电容值为0.37、0.56和0.75 pF时的辐射方向图。从图中可以看出，天线的交叉极化比主极化至少低25dB。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种低剖面频率可重构介质贴片天线单元，具有下介质基板（8）和介质贴片谐振器，所述介质贴片谐振器包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板（6）、上介质基板（5）和介质贴片（1），其特征在于：所述上介质基板（5）上表面的垂直中分面上设置有一对微带线（2），所述微带线（2）部分地插入到介质贴片（1）和上介质基板（5）之间，所述微带线（2）的外端与金属反射地板（6）之间加载有变容二极管（3），所述微带线（2）和变容二极管（3）构成频率调谐结构，用于调谐所述介质贴片谐振器的频率；所述下介质基板（8）的下表面的垂直中分面上设置有一根用于耦合馈电的微带馈线（9），金属反射地板（6）开设有与微带馈线（9）对应的耦合缝隙（7）。

2.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述上介质基板（5）上表面设置有位于微带线（2）的外端的与金属反射地板（6）短路连接的金属贴片（4），所述微带线（2）的外端通过变容二极管（3）与该金属贴片（4）连接。

3.根据权利要求2所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述金属贴片（4）通过设于上介质基板（5）的金属化通孔与金属反射地板（6）短路连接，金属贴片（4）与金属化通孔构成短路针。

4.根据权利要求2所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述微带馈线（9）在金属反射地板（6）上的投影与耦合缝隙（7）垂直相交。

5.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述介质贴片（1）为正方形介质贴片，位于上介质基板（5）的中心处。

6.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述微带线（2）伸入介质贴片（1）底部对介质贴片谐振器的频率进行调谐。

7.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述变容二极管（3）设置于上介质基板（5）的上表面。

8.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片天线单元，其特征在于：所述微带线（2）平行于主模TM₁₀₁的极化方向，即平行于x轴，微带线（2）插入介质贴片（1）和上介质基板（5）之间的位置位于主模TM₁₀₁沿y轴方向分布的电场较强处。

9.一种低剖面频率可重构介质贴片天线阵列，其特征在于：包括数个呈阵列形式布置的如权利要求1-8任一项所述的天线单元，下介质基板（8）下表面布设有连接每个天线单元的微带馈线（9）的微带功率分配器，该微带功率分配器与微带馈线（9）构成天线阵列的微带馈电网络。

10.根据权利要求9所述的低剖面频率可重构介质贴片天线阵列，其特征在于：所述天线阵列具有四个所述的天线单元，围绕上介质基板（5）的中心呈2×2形式对称布置，所述微带功率分配器为1分4并行功率分配器。

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