CN112582792B - 基于半切技术的频率可调谐微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于半切技术的频率可调谐微带贴片天线，包括底层基板和、分设于底层基板上、下表面的微带贴片谐振器和微带馈线，微带贴片谐振器包含自下而上依次层叠设置的金属反射地板、中间层基板、顶层基板和半切的微带贴片，中间层基板和顶层基板之间具有一个频率调谐用微带线，频率调谐用微带线隔着顶层基板与微带贴片非接触地交叠，频率调谐用微带线外端与加载在顶层基板上表面的可变电容连接，微带贴片远离可变电容的一侧接地，频率调谐用微带线与可变电容构成非接触式频率调谐结构，用于连续的调谐天线的频率。本发明首次提出一种新型的非接触式可变电容加载方案，来设计工作在主模TM10下的频率可重构的微带贴片天线。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于半切技术的频率可调谐微带贴片天线。
背景技术
随着通信系统的小型化，需要将更多部件集成到有限的空间中，因此天线的小型化技术受到了广泛关注。但是天线的尺寸与其性能密切相关，因此针对小型化天线的设计并不容易。天线实现小型化的方法可以是：（1）维持天线原有的频率，减小其物理尺寸。（2）保持天线物理尺寸不变，降低其工作频率，以达到减小天线的电尺寸的效果。针对微带天线的小型化技术目前主要是基于使用新型材料或设计新颖的天线结构。例如，使用超材料设计了一种结构紧凑的磁电介质基板，通过增加基板的参数在频率不变的情况下减小天线尺寸。将微带贴片的一端短路能够在某些频率下将天线的物理尺寸减少一半。
为了满足无线通信系统的发展要求，近年来对多功能天线进行了广泛的研究。其中，可重构天线其优异的性能成为研究热点。可重构天线具有小尺寸，功能灵活等卓越特性，可以替换多个天线。近年来，人们对可重构天线的研究主要集中在工作频率，辐射方向图，极化上，它们在现代无线通信系统中发挥了重要作用。其中，频率可重构的天线因更适用于同时执行感测频率和通信功能的认知无线电系统而备受关注。这类天线可以通过加载可调谐元件来实现，例如，使用pin二极管在多个离散状态之间切换，或者加载可变电容以连续调谐工作状态。此外，采用射频微机电系统（MEMS）或液态金属也可以实现可重构的性能。
微带贴片天线由于具有剖面低、增益高以及易于加载可变电容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，可变电容被直接加载在微带贴片上。文献《Frequency-reconfigurable low-profile circular monopolar patchantenna,》（L. Ge and K. Luk, IEEE Trans Antennas Propag., vol. 62, no. 7, pp.3443-3449, July 2014）中提出了一种频率可重构堆叠贴片天线，天线由两个堆叠的正方形贴片组成，每个贴片被一个间隙分割成两个矩形部分，可变电容被直接加载在微带贴片中间的间隙上。文献《Unidirectional dual-band stacked patch antenna withindependent frequency reconfiguration》（L. Ge, M. Li, J. Wang and H. Gu, IEEEAntennas Wireless Propag Lett., vol. 16, pp. 113-116, 2017.）提出了一种基于圆形单极贴片频率可重构天线，四个扇形贴片加载在中心辐射贴片周围，在辐射贴片和扇形贴片之间的间隙引入了可变电容来实现频率可调。
但是以上设计都是将可调谐结构直接与辐射贴片连接，这使得可变电容对天线的辐射性能影响较大，因此，发明人首次提出了一种基于半切技术的新型非接触式可变电容加载方案，来设计工作在主模TM10模式下的频率可重构天线，与传统的频率可重构微带贴片天线相比，所提出的基于半切技术的非接触式可变电容加载的天线实现了50%的尺寸缩减，并将辐射贴片与可调谐结构分隔开来，减少加载可调谐结构对天线辐射性能的影响，提高了设计自由度。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于半切技术的频率可调谐微带贴片天线。
为了实现本发明目的，本发明提供的频率可调谐微带贴片天线，包括底层基板、分设于底层基板上表面和下表面的微带贴片谐振器和微带馈线，所述微带贴片谐振器包含自下而上依次层叠设置的金属反射地板、中间层基板、顶层基板和微带贴片，其特征在于：中间层基板和顶层基板之间具有一个沿微带贴片中心线布置的频率调谐用微带线，所述频率调谐用微带线与微带贴片之间隔着所述的顶层基板，频率调谐用微带线和微带贴片在中间层基板上的投影相交，频率调谐用微带线外端与加载在顶层基板上表面的可变电容的第一端电连接，可变电容的第二端与金属反射地板电连接，所述微带贴片远离可变电容的一侧接地，频率调谐用微带线与可变电容构成非接触式频率调谐结构；所述金属反射地板开设有与微带馈线对应的耦合缝隙，微带馈线通过耦合缝隙对微带贴片谐振器进行激励。
本发明提出了一种基于半切技术的非接触式可变电容加载的频率可调谐微带贴片天线，由一个底层基板和微带贴片谐振器组成。微带贴片谐振器由微带贴片以及两层介质基板组成，微带贴片放置在顶层基板上，其一侧与金属反射地板相连接，从而实现微带贴片的半切。谐振器引入了非接触式频率可调谐结构，该频率可调谐结构由位于中间层的非接触式频率调谐用微带线和对应可变电容构成，频率调谐用微带线与微带贴片在底层基板上投影相交，用于调谐微带贴片谐振器的频率，所述频率调谐用微带线末端加载有可变电容，用于实现谐振器频率的连续调谐。非接触式频率调谐用微带线与微带贴片之间隔着顶层基板，从而减少加载可调谐结构对谐振器辐射性能的影响，同时提高了设计的自由度。本频率可调谐微带贴片天线可用于基膜TM10模式。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明；
图1 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片天线立体图。
图2 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片天线侧视图。
图3 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片天线结构示意图。
图4是本发明天线中谐振器可调谐结构的等效电路图。
图5 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片天线在不同容值下的仿真反射系数。
图6是本发明非接触式频率可调谐微带贴片天线在可变电容为0.1pF时3.35 GHz处的仿真方向图。
图7是本发明非接触式频率可调谐微带贴片天线在可变电容为0.9pF时2.82GHz处的仿真方向图。
图中标号示意如下：1-微带贴片，2-可变电容，3-金属化通孔，4-金属化通孔，5-顶层基板，6-频率调谐用微带线，7-金属化通孔，8-中间层基板，9-金属反射地板，10-耦合缝隙，11-底层基板，12-微带馈线。
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，本实施例非接触式可变电容加载的频率可调谐微带天线，包括底层基板11、分设于底层基板11上表面和下表面的微带贴片谐振器和微带馈线12。微带贴片谐振器包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板9，中间层基板8、顶层基板5和微带贴片1。微带贴片1为矩形微带贴片，设置于顶层基板5的正中央。顶层基板5与中间层基板8之间具有一个频率调谐用微带线6，频率调谐用微带线6沿微带贴片1中心线布置。频率调谐用微带线6隔着顶层基板5与微带贴片1非接触地交叠（频率调谐用微带线6在中间层基板8上的投影与微带贴片1在中间层基板8上的投影相交，即两投影部分地重叠），频率调谐用微带线6的外端通过金属化通孔4与加载在顶层基板5上表面的可变电容2连接，可变电容2外端通过金属化3通孔接地（与金属反射地板9电连接）。频率调谐用微带线6与可变电容2构成谐振器的非接触式频率调谐结构，通过调整可变电容的容值Cv来调谐所述微带贴片谐振器的频率。微带贴片1远离可变电容2的一侧通过一排贯穿顶层基板5和中间层基板8的半径为0.2mm的金属化通孔7与金属反射地板9连接，实现微带贴片1该侧的短路，进而实现微带贴片的半切。底层基板11的下表面设置有一根沿天线极化方向布置用于耦合馈电的微带馈线11，金属反射地板9开设有与微带馈线12对应的耦合缝隙10，微带馈线12在金属反射地板9上的投影与耦合缝隙10垂直相交，耦合缝隙10沿着微带馈线12的中心线对称设置。微带馈线12通过耦合缝隙10对微带贴片谐振器进行激励。
本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的天线的参数见下表：
| 参数 | <i>h</i><sub>1</sub> | <i>h</i><sub>2</sub> | <i>l</i><sub>p</sub> | <i>l</i><sub><i>w</i></sub> | <i>w</i> | <i>l</i> | <i>l</i><sub>i</sub> | <i>l</i><sub>f</sub> | <i>w</i><sub>c</sub> | <i>l</i><sub>s</sub> | <i>w</i><sub>f</sub> | <i>l</i><sub><i>g</i></sub> |
| 值(mm) | 0.508 | 0.813 | 20 | 10 | 2 | 12.5 | 6.5 | 2.25 | 1.5 | 8 | 1.8 | 60 |
表中，h 1为顶层基板5和中间层基板8的高度，h 2为底层基板11的高度，l p为微带贴片1的长度，l w 为微带贴片1的宽度，w为频率调谐用微带线6的宽度，l为频率调谐用微带线的长度，l i为频率调谐用微带线6隔着顶层基板5与微带贴片1非接触式交叠的长度，l s为耦合缝隙的长度，w c为耦合缝隙的宽度，l f为微带馈线超过耦合缝隙的长度，w f为微带馈线11的宽度，l g为顶层基板5、中间层基板8和底层基板11的边长。微带贴片1的面积为l p×l w 。本实施例中，顶层基板5、中间层基板8和底层基板11采用的是Rogers RO4003，其介电常数为ε r= 3.38，损耗角正切为tanδ= 2.7×10-3，顶层基板5和中间层基板8的体积为l g×l g×h 1，底层基板11的体积为l g×l g×h 2，中间层基板8为双面印刷电路板，双面印刷电路板的上表面为频率调谐用微带线6，下表面为金属反射地板9。
本实施例将一个与微带贴片非接触并加载有可变电容的微带线作为调谐结构，来实现天线频率可重构的功能。通过本征模仿真，发现主模TM10的极化方向与x轴平行，为了顺应TM10模式的极化方向，调谐结构沿x轴方向放置。该频率可调谐结构由中间层端接可变电容2的频率调谐用微带线构成，可变电容2的内端通过金属化通孔4与频率调谐用微带线6连接，外端通过贯穿顶层基板5和中间层基板8的金属化通孔3连接金属反射地板9。通过调节可变电容2控制频率调谐用微带线6与微带贴片1的交叠面积，实现谐振器频率的可重构。频率调谐用微带线6与微带贴片1之间隔着顶层基板5，从而减少加载可调谐结构对谐振器辐射性能的影响，同时提高了设计的自由度。仿真结果表明，调谐结构的引入几乎不改变TM10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。频率调谐用微带线6的交叠长度定义l i 。
本实施例天线的谐振器中，调谐结构的等效电路可以表示为电容Ci和Cv串联而成。其中，Ci表示频率调谐用微带线和微带贴片谐振器之间的耦合电容Cv表示可变电容的电容值。在本设计中，谐振频率的下移应归因于调谐用微带线交叠部分与微带贴片谐振器之间的耦合引起的电容效应（对应于Ci）。同时，为了实现连续调谐频率的功能，在顶层基板上表面加载了可变电容并通过金属化通孔与频率调谐用微带线的末端连接，通过调节可变电容的容值Cv的大小，来动态地调整微带线的电长度。如图4所示，由于可变电容的电容Cv、耦合电容Ci是串联的，因此它们将共同影响谐振器的工作频率。
图5为基于半切技术的频率可调谐微带贴片天线在不同容值下的仿真反射系数。频率调节范围为17.5%，从图中可知：主模TM10的频率随着Cv增加而下移。
图6-7为在不同可变电容容值0.1pF、0.9pF处的仿真E面和H面辐射方向图。从图中可知：天线的交叉极化比主极化至少低20dB，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。
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)
1.一种频率可调谐微带贴片天线，包括底层基板（11）、分设于底层基板（11）上表面和下表面的微带贴片谐振器和微带馈线（12），所述微带贴片谐振器包含自下而上依次层叠设置的金属反射地板（9）、中间层基板（8）、顶层基板（5）和微带贴片（1），其特征在于：中间层基板（8）和顶层基板（5）之间具有一个沿微带贴片（1）中心线布置的频率调谐用微带线（6），所述频率调谐用微带线（6）与微带贴片（1）之间隔着所述的顶层基板（5），频率调谐用微带线（6）和微带贴片（1）在中间层基板（8）上的投影相交，频率调谐用微带线（6）外端与加载在顶层基板（5）上表面的可变电容（2）的第一端电连接，可变电容（2）的第二端与金属反射地板（9）电连接，所述微带贴片（1）远离可变电容（2）的一侧接地，频率调谐用微带线（6）与可变电容（2）构成非接触式频率调谐结构；所述金属反射地板（9）开设有与微带馈线（12）对应的耦合缝隙（10），微带馈线（12）通过耦合缝隙（9）对微带贴片谐振器进行激励。
2.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：频率调谐用微带线（6）外端与可变电容（2）的第一端通过贯穿顶层基板（5）的金属化通孔（4）电连接。
3.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：可变电容（2）的第二端与金属反射地板（9）之间通过贯穿顶层基板（5）和中间层基板（7）的金属化通孔（3）电连接。
4.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：可变电容（2）的内端为所述的第一端，可变电容（2）外端为所述的第二端。
5.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：所述微带贴片（1）远离可变电容（2）的一侧通过贯穿顶层基板（5）和中间层基板（8）的金属化通孔（7）电连接。
6.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：所述微带贴片（1）为矩形微带贴片，设置于顶层基板（5）的中央。
7.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：所述可变电容（2）设置于微带贴片（1）的中心线上。
8.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：中间层基板（8）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的频率调谐用微带线（6），双面印刷电路板的底层为所述金属反射地板（9）。
9.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：所述微带馈线（12）在金属反射地板（9）上的投影与耦合缝隙（10）垂直相交，耦合缝隙（10）沿着微带馈线（12）的中心线对称设置。
10.根据权利要求1所述频率可调谐微带贴片天线，其特征在于：所述微带馈线（12）和频率调谐用微带线（6）沿天线极化方向布置。
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