CN113078462B - 一种覆盖wlan频段的宽带电可调控寄生单元天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线，属于天线技术领域。该天线包括包括矩形介质基板、设置于介质基板正面的3个等间距排布结构相同的单极子辐射单元、设置于基板背面的方环形辐射结构、设置于介质基板侧面的2个开关电容；其中位于中间的辐射单元为馈电单元，两边为寄生单元，开关电容的两端分别连接寄生单元和方环形辐射结构。本发明天线能有效提高ESPAR天线的带宽，并且还带有方向图可重构特性、结构紧凑、制作成本低等优点。

Description

一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及到一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线。
背景技术
随着经济和科技的发展，人们在日常生活中对于多媒体通信的需求越来越高，提高通讯的距离，增大通讯空间的覆盖，增加频谱的利用率和减小设备的尺寸成为近年来无线通信研究的主要方向。电可控寄生单元阵列(Electronically Steerable ParasiticArray Radiator，ESPAR)技术利用阵列单元之间的相互耦合，使天线在较小的尺寸下具有波束扫描、波束聚集、波束赋形和较高的增益。
ESPAR天线通常由一个驱动单元和多个寄生单元构成，寄生单元通过近场耦合从驱动单元获得能量，由可调无功负载为波束扫描创造了必要的相移；而相控阵天线则通过移相器，对按一定规律排列的基阵阵元信号加以适当的移相或延时，以获得阵波束的偏转，在不同方位上同时进行相位补偿，两者都可不必用机械转动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，并实现方向图可重构。但移相器的插入损耗在微波频率下的影响比较明显，而且高成本也限制了它的广泛运用，ESPAR天线不仅可以在微波频率实现方向图可重构，而且能够显著地降低了成本。
现代通信设备的集成度越来越高，对天线的尺寸要求也越来越严，物联网通过射频识别、红外感应、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备将各个物品关联起来，实现信息交换和通信，结构紧凑的ESPAR天线更适合现代通信的需求。天线尺寸决定了天线工作频率的同时也决定了天线的工作模式，ESPAR天线采用近场耦合的原理，馈电单元与寄生单元工作在相同且单一的模式下，对辐射单元和馈电结构的尺寸具有的严格的要求。单一的工作模式不仅确保无功负载能够影响寄生单元部分电流的相位，而且是减小近场耦合能量损耗，提高整体天线增益的必要条件。具有较小尺寸、工作在较高频率且具有单一工作模式、收发信号能够覆盖较大空间，稳定性高、传输速率快的ESPAR天线虽然难以设计但也越来越受到重视。
随着通讯技术的发展和5G技术的普及，充分运用通讯频段的频谱资源成为天线技术革新的重要方向。同时，现代通信设备的集成度越来越高，对天线的尺寸要求也越来越严，结构紧凑的小型化ESPAR天线更适合现代通信的需求。对于工作在WLAN频段(2.4GHz～2.4835GHz、5.15GHz～5.85GHz)的ESPAR天线，目前的设计大都工作在WLAN频段的较低频段范围内，所利用的带宽只有100MHz，而且整体天线的体积也较大。若收发系统就只有一对天线，一根天线发射，另一根天线接收，该天线系统可以用香农公式(C＝Blog2(1+S/N)，其中B为系统带宽、S/N为信噪比)计算这对天线的信道容量，则提高天线的信道容量的方法一是提高信号功率，另一个是拓宽通信系统的频带。工作WLAN频段的较高频段，利用更宽带宽(700MHz)的小型化低成本ESPAR天线急需被提出并渴望应用于生活中。
发明内容
为解决背景技术中提出的问题，本发明提供了一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线(ESPAR)，该天线能有效提高ESPAR天线的带宽，并且还带有方向图可重构特性、结构紧凑、制作成本低等优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线，包括矩形介质基板、设置于介质基板正面的3个等间距排布结构相同的单极子辐射单元、设置于基板背面的方环形辐射结构，其特征在于：
所述单极子辐射单元包括矩形辐射贴片、矩形微带馈线，所述矩形微带馈线的一端连接矩形辐射贴片，另一端与介质基板的长边重合；其中位于中间的单极子辐射单元为馈电单元，左右两边为寄生单元。
所述方环形辐射结构的外侧与介质基板的边重合。
所述天线还包括设置于介质基板侧面的2个开关电容，开关电容的两端分别连接寄生单元的矩形微带馈线和方环形辐射结构。
进一步地，所述矩形介质基板采用FR4介质基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，尺寸为67.2mm×28.4mm×1.6mm。
本发明正面的3个单极子辐射单元中间一个为馈电单元，由矩形微带馈电，左右两边为寄生单元，该结构能够提高天线的增益并拓展天线的工作带宽。背面为一个方环形的辐射结构，该结构能够显著拓展天线的工作带宽。介质基板正面的馈电单元和寄生单元工作在较高频段，介质基板背面的方环形辐射结构工作在较低频段，馈电单元和寄生单元与背面的方环形辐射结构之间构成的槽工作在中间频段。三种结构分别工作在不同频段，共同实现整体天线带宽的扩展。侧边设置有连接正面寄生单元矩形微带线和背面方环形辐射结构的开关电容结构，该结构使一侧寄生单元与另一侧寄生单元上的相位不一致，从而使天线的主瓣辐射方向产生偏转，从而实现方向图可重构特性。
本发明相对于现有技术，具有以下的优点：
1、本发明的工作频段为4.85GHz～6.25GHz，覆盖WLAN频段的较高频段(5.15～5.85GHz)，而现有的ESPAR天线大多工作在WLAN频段的较低频段(2.4GHz～2.4835GHz)以及更低频率的波段。相对于现有的ESPAR天线，本发明具有更高的工作频段。
2、本发明的工作带宽为1.4GHz(4.85GHz～6.25GHz)，而现有的ESPAR天线的工作带宽大多低于400MHz。本发明大幅拓展了ESPAR天线的工作带宽，具有更好的频谱利用率。
3、本发明能够在成本低、尺寸小的前提下实现方向图可重构的功能，本发明通过开关电容和寄生单元近场耦合的技术，采用连接在寄生单元上的无功负载实现寄生单元与馈电单元上电流的相位差。相对于现有天线使用移相器实现方向图可重构的功能，本发明大大降低了成本并减小了尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例天线结构示意图；
图2是本发明实施例天线正面结构示意图；
图3是本发明实施例天线背面结构示意图；
图4是本发明实施例天线回波损耗仿真曲线图。
图5是本发明实施例天线方向图的仿真曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例提出的一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线，包括矩形介质基板(1)、设置于介质基板正面的3个等间距排布结构相同的单极子辐射单元、设置于基板背面的方环形辐射结构(5)。其中位于中间的单极子辐射单元为馈电单元，左右两边为寄生单元，单极子辐射单元与方环形辐射结构之前构成工作在中间频段的槽(6)。
如图2所示，单极子辐射单元包括矩形辐射贴片(2)、矩形微带馈线(3)，矩形辐射贴片的长L1为16.6mm，宽W1为12.4mm，相邻两矩形辐射贴片(2)之间的缝隙的宽D为0.7mm；矩形微带馈线的长L2为3mm，宽W2为8mm。
如图3所示，所述矩形介质基板(1)的长L为67.2mm，宽W为28.4mm，采用相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4介质材料。所述环形天线的外侧尺寸与介质基板(1)的尺寸相同，线宽L3为5.1mm。
介质基板侧面还设置有2个开关电容，开关电容的两端分别连接寄生单元的矩形微带馈线、以及方环形辐射结构。开关打开时连接的位置视为0.1pF的电容，开关关闭时连接位置视为导通。
参见图4，黑色实线是反射系数S11的仿真曲线。由仿真曲线可见，天线整体中心频率为5.75GHz，反射系数S11的-10dB带宽为4.85～6.25GHz，具有1.4GHz的工作带宽，工作频段覆盖WLAN频段(5.15～5.85GHz)，相对带宽为24.35％。
参见图5，黑色实线是两边开关都闭合时所仿真的XOY面的辐射方向图；黑色虚线是左边开关打开，右边开关闭合时所仿真的XOY面的辐射方向图，黑色点线是左边开关闭合，右边开关打开时所仿真的XOY面的辐射方向图。由图可见，天线的最高增益由2.68dBi增加到5.12dBi，天线XOY面的主瓣辐射方向发生了180°改变，天线具有方向图可重构的功能。

Claims (1)

1.一种覆盖WLAN频段的宽带电可调控寄生单元天线，包括矩形介质基板、设置于介质基板正面的3个等间距排布结构相同的单极子辐射单元、设置于基板背面的方环形辐射结构，其特征在于：
所述矩形介质基板的长为67.2mm、宽为28.4mm，采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm的FR4介质材料；
所述单极子辐射单元包括矩形辐射贴片、矩形微带馈线；所述矩形辐射贴片的长为16.6mm、宽为12.4mm，相邻两矩形辐射贴片之间的缝隙宽为0.7mm；矩形微带馈线的长为3mm、宽为8mm，所述矩形微带馈线的一端连接矩形辐射贴片，另一端与介质基板的长边重合；其中位于中间的单极子辐射单元为馈电单元，左右两边为寄生单元；
所述方环形辐射结构的外侧与介质基板的边重合，线宽为5.1mm；
所述天线还包括设置于介质基板侧面的2个开关电容，开关电容的两端分别连接寄生单元的矩形微带馈线和方环形辐射结构；
所述单极子辐射单元与方环形辐射结构之间构成工作在中间频段的槽；
天线的工作频段为4.85GHz～6.25GHz，其中，所述单极子辐射单元工作在高频段，所述方环形辐射结构工作在低频段，单极子辐射单元与方环形辐射结构之间构成的槽工作在中间频段。
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