CN112216991A - 一种二进制式的频率可重构微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二进制式的频率可重构微带天线，属于基本电气元件的技术领域。该频率可重构天线由中间层介质基板、设置在中间层介质基板上的上层微带结构和具有矩形缺陷地结构的底层金属地板组成，其中，上层微带结构包含一段较短的微带馈电线、一根较长的主微带线和围绕在主微带线两侧不同大小的微带环形结构。主微带线以及两侧的环形结构间各留了一处间隙以放置三个PIN二极管，通过二极管的通断改变天线的有效电长度以实现三位的二进制频率可重构特性。本设计结构简单，体积较小，以微带电路形式实现，仅使用了三个PIN二极管开关就实现八种不同的工作状态，能够满足不同通信制式下的频率需求，低频工作状态下的方向图与半波振子的方向图类似，实现了H面上的全向辐射。

Description

一种二进制式的频率可重构微带天线
技术领域
本发明公开了一种二进制式的频率可重构微带天线，此天线拥有八种不同的工作状态，且覆盖了较宽的带宽，涉及无线通信中的可重构天线技术，属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
当下无线通信的质量要求不断提高，天线是无线通信系统中不可缺少的一部分，通过对天线性能的改善从而可以大大影响整个无线通信系统的通信质量。传统天线一般设计为单一功能使用，现如今愈来愈趋向多功能化的天线才能满足不同移动通信制式下的频率需求。对于频率需求多样化和频谱资源紧张带来的一系列难题，可重构天线成为了一个较好的解决途径。可重构天线不仅能够改善天线的主要性能指标以满足不同移动通信制式的多种频率需求，还可以提高系统性能，缩小系统占用空间，简化系统结构，使天线和相邻模块相互配合，灵活可调。此外，具有可重构特性的天线不仅可以降低通信系统中天线的数目，还能在复杂的环境条件下使用。
1981年，D.Schaubert等人在“频率可重构、极化分集天线以及频率扫描阵列”中第一次提出了“可重构天线”。频率可重构天线顾名思义是在其它参数不变的前提下使工作频率根据不同使用情况可调，进而实现天线多频带或超宽带的特性。一般实现频率可重构的途径是在天线布局中加入开关元器件，通过控制开关的导通与断开改变天线的等效结构，实现不同的工作状态，而后使天线电性能参数变化。如Huda A.Majid等人在2012年发表了一篇文章“A Compact Frequency-Reconfigurable Narrowband Microstrip SlotAntenna”也是在微带单极子线天线的基础上，通过改变地板槽的有效电长度来实现频率可重构，但是其每个工作带宽都较窄，并且使用了多达5个PIN二极管开关，仅仅实现了6种不同的工作状态。
微带天线具有小型化和易于集成的特点，本申请旨在将能够实现指数个工作状态的PIN二极管用于微带天线集总元件的设计，实现一款二进制式的频率可重构微带天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种二进制式的频率可重构微带天线，通过三个开关调节天线的有效电长度进而达到八种不同工作状态，且天线在每一种工作状态下具有至少一个工作频带，天线在八种工作状态下的工作频带覆盖了较宽的频率范围，实现了频率可重构特性，解决了以往传统频率可重构天线集总元件较多、可重构状态较少的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种二进制式的频率可重构微带天线，包括：上层微带线结构、中间层介质基板、具有矩形缺陷地结构的底层金属地板，上层微带线结构附着在中间层介质基板上的上表面，底层金属地板附着在中间层介质基板的下表面，其中，上层微带结构包含一段较短的50欧姆微带馈电线、一根较长的主微带线、阻抗匹配枝节以及围绕在主微带线两侧电长度不同的微带环形结构。主微带线及其两侧微带环形结构的缝隙中都接有PIN二极管，通过控制PIN管的通断来改变天线的有效电长度，从而实现三位的二进制频率可重构特性。同时矩形缺陷地结构可以增大天线工作带宽和增益。
上述方案中，二进制式的频率可重构微带天线，在单极子线天线的基础上，为了实现阻抗匹配，主微带线的末端连接了宽度较小的阻抗匹配枝节。在50欧姆微带馈电线的正下方是与之长度相同的金属地板，缺陷地单元是在金属地板上刻蚀形成的空气单元。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明在单极子天线的两侧布局电长度与主微带线均不同的环形微带结构，并在两个环形结构及主微带线中接入用于调节天线有效电长度的PIN二极管，仅采用三个PIN二极管作为开关实现3bit的二进制频率可重构特性，以最少的开关数目实现了八种不同的工作状态，并且八种工作状态的频段相加覆盖了较宽的带宽，能够满足无线通信系统的多种通信制式的频率需求，具有集总元件数目较少的优势，大大降低了寄生效应和制造成本。
(2)本发明采用微带单极子线天线作为基础结构，仅通过增加两个微带环形结构实现频率可重构，底层有一处缺陷地，总体结构简单且较为新颖，主微带线处于整个上层微带结构的正中间位置，用以实现传统单极子天线的辐射性能，其末端采用了与之不同宽度的微带线达到阻抗匹配，缺陷地结构增大天线工作带宽及增益，实施例部分已验证该频率可重构微带天线的各部分阻抗匹配性好，低频工作状态下的方向图与半波振子的方向图类似，实现了H面上的全向辐射。
(3)本发明同时具有宽带特性和频率可重构功能，应用范围更广，非常适用于天线数目较少以及天线多功能化的无线通信系统。
(4)本发明采用平面电路结构，适合于无线通信系统中其它器件集成，另外，电路整体尺寸较小，空间利用率高。
附图说明
图1是本发明涉及的基本微带单极子线天线的结构示意图。
图2是本发明二进制式的频率可重构微带天线上层微带结构的示意图。
图3是本发明二进制式的频率可重构微带天线底层金属地板结构的示意图。
图4是本发明频率可重构微带天线偏置电路的示意图。
图5是本发明二进制式的频率可重构微带天线各部分尺寸的详解图。
图6是本发明二进制式的频率可重构微带天线各状态的反射特性曲线S11的仿真结果。
图7(a)、图7(b)、图7(c)分别是本发明二进制式的频率可重构微带天线在f0＝1.38GHz、f0＝2.45GHz、f0＝3.17GHz时010状态各谐振频率处的E面、H面方向图的仿真结果。
图中标号说明：1、50欧姆微带馈电线，2、主微带线，3、阻抗匹配枝节，4、第一微带环形结构，5、第二微带环形结构，6、金属地板，7、缺陷地单元，8、介质板，9、电感，10、金属过孔，11、第一PIN二极管，12、第二PIN二极管，13、第三PIN二极管，14、第一隔直电容，15、第二隔直电容，16、第一限流电阻，17、第二限流电阻，18、第三限流电阻，19、第一偏置线，20、第二偏置线，21、第三偏置线。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的二进制式的频率可重构微带天线如图2所示，在图1所示的简单微带单极子线天线的基础上进行频率可重构设计，该天线由上层微带结构、中间层介质基板和底层金属地板组成，其中，上层微带结构和底层金属地板分别附着在中间层介质基板的上、下面。该可重构微带天线的上层微带结构如图2所示，包括：50欧姆微带馈电线1、主微带线2、阻抗匹配枝节3、第一微带环形结构4、第二微带环形结构5，50欧姆微带馈电线1连接在主微带线2的一端，主微带线2的另一端连接阻抗匹配枝节3，第一微带环形结构4布局在主微带线2的一侧并与主微带线2连接，第二微带环形结构5布局在主微带线2的另一侧并与主微带线2连接，主微带线2、第一微带环形结构4、第二微带环形结构5的电长度不同且三者的有效电长度均可通过各自间隙中的PIN二极管进行调节，“1”表示导通，“0”表示断开，通过控制PIN二极管的通断来改变天线的有效电长度，从而实现三位的二进制频率可重构特性。
本发明公开的二进制式的频率可重构微带天线的底层金属地板如图2、图3所示，上层微带结构附着在介质板8的上表面，金属地板6的长度与50欧姆微带馈电线1的长度相同，缺陷地单元7是在金属地板6上刻蚀形成的矩形空气单元，该矩形空气单元与50欧姆微带馈电线1在空间上垂直。
本发明公开的二进制式的频率可重构微带天线的偏置电路如图4所示，放置在第一微带环形结构缝隙中的第一PIN二极管11、放置在主微带线缝隙中的第二PIN二极管12、放置在第二微带环形结构缝隙中的第三PIN二极管13同向放置，负极朝向馈电端口处，第一偏置线19通过第一电阻16与第一微带环形结构连接，第二偏置线20通过第二电阻17与主微带线连接，第三偏置线21通过第三电阻18与第二微带环形结构连接，第一隔直电容14接在第一微带环形结构与主微带线之间，第二隔直电容15接在第二微带环形结构与主微带线之间，两个100pF的隔直电容阻掉第二偏置线20的直流对两个微带环结构上PIN二极管的影响同时不影响交流的通过，靠近50欧姆微带馈电线处放置一个150nH的电感9和微带线电连接，电感9的另一端通过金属过孔10接地实现天线的偏置。同时，第一偏置线19经过阻值为1kΩ的第一限流电阻16向第一微带环形结构施加直流电压，第二偏置线20通过阻值为1kΩ的第二限流电阻17向主微带线施加直流电压，第三偏置线21通过阻值为1kΩ的第三限流电阻18向第二微带环形结构施加直流电压，三个限流电阻起到防止电流过大击穿PIN二极管的作用。此偏置电路专门为了本发明基于二进制的频率可重构微带天线所设计，通过在三根偏置线的末端加10V的正向直流电压控制PIN二极管的导通，直流通过PIN二极管后经过金属过孔10接地。当天线处于000状态时，三个PIN二极管处于关断状态，第一微带环形结构的4a部分、主微带线的2a部分、第二微带环形结构的5a部分并联，此时，天线的有效电长度最短，工作频率高，天线处于其它状态时的微带线连接情况如表2所示，可见，天线在八种工作状态下的有效电长度不同，通过控制八种天线有效电长度的状态切换能够实现天线工作频段的切换，并且电路结构简单，集总元件较少。
在本实施例中，中层介质基板的介电常数为3.55，厚度为0.508mm。在图5中标明了本设计各部分的长宽，具体数值详见表1。(单位：mm)
Figure BDA0002682122560000051
表1图6是本发明二进制式的频率可重构微带天线反射特性曲线S11的仿真结果图，S11在1GHz-3.52GHz频带范围内低于-10dB，即天线覆盖频带较宽；并且由图所示各个状态的频段可知频率可重构特性佳，天线在各个状态下的有效电长度、频带以及谐振频率见表2。
Figure BDA0002682122560000052
Figure BDA0002682122560000061
表2
本发明二进制式的频率可重构微带天线在f0＝1.38GHz、f0＝2.45GHz、f0＝3.17GHz时“010”状态各谐振频率处的E面、H面方向图如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示，天线的E面方向图在1-2.36GHz间，基本都保持“8”字形，其它状态与“010”状态的方向图特性基本相似，符合传统单极子天线的辐射特性。天线的增益最高在3.26GHz处达到3.06dB。综上仿真结果得出，本发明二进制式的频率可重构微带天线仅使用了三个PIN二极管开关就实现了八种不同的工作状态，每种工作状态都包含至少一个工作频带，能够满足不同通信制式下的频率需求，并且八种工作状态下的工作频段相加覆盖了较宽的频带宽度，低频工作状态下的方向图与半波振子的方向图类似，实现了H面上的全向辐射，非常适用于降低无线通信系统中天线的数目和实现天线多功能化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种二进制式的频率可重构微带天线，包括：上层微带结构、中间层介质基板、底层金属地板，上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面，底层金属地板附着在中间层介质基板的下表面，其特征在于，所述上层微带结构包括：50欧姆微带馈电线、主微带线、阻抗匹配枝节依次连接组成的单极子天线，及第一微带环形结构、第二微带环形结构；其中，所述第一微带环形结构布局在主微带线的一侧并与主微带线连接，第二微带环形结构布局在主微带线的另一侧并与主微带线连接，主微带线、第一微带环形结构、第二微带环形结构的电长度不同且三者的间隙中都接有用于调节有效电长度的PIN二极管，50欧姆微带馈电线上连接有电感，电感通过金属过孔接地。
2.根据权利要求1所述一种二进制式的频率可重构微带天线，其特征在于，所述主微带线、第一微带环形结构、第二微带环形结构缝隙中的PIN二极管同向放置，阴极均朝向馈电端口。
3.根据权利要求1所述一种二进制式的频率可重构微带天线，其特征在于，所述底层金属地板上刻蚀有在空间上与50欧姆微带馈电线垂直的缺陷地单元。
4.根据权利要求1所述一种二进制式的频率可重构微带天线，其特征在于，所述底层金属地板的长度与50欧姆微带馈电线的长度相同。
5.权利要求1至4中任意一项所述一种二进制式的频率可重构微带天线的偏置电路，其特征在于，包括：第一偏置线、第二偏置线、第三偏置线、第一电阻、第二电阻、第三电阻，第一偏置线的一端接第一直流偏置电压，第一电阻的一端接第一偏置线的另一端，第一电阻的另一端接第一微带环形结构，第二偏置线的一端接第二直流偏置电压，第二电阻的一端接第二偏置线的另一端，第二电阻的另一端接主微带线，第三偏置线的一端接第三直流偏置电压，第三电阻的一端接第三偏置线的另一端，第三电阻的另一端接第二微带环形结构。
6.根据权利要求5所述一种二进制式的频率可重构微带天线的偏置电路，其特征在于，所述第一微带环形结构与主微带线之间接有第一隔直电容，第二微带环形结构与主微带线之间接有第二隔直电容。
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