CN113690606A - 频率可重构的宽带增强介质贴片天线 - Google Patents

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Abstract

一种频率可重构的带宽增强介质贴片天线，由带空气隧道的矩形介质贴片、带有调谐电路的上介质基板以及带有缝隙耦合馈电结构的中间层及底层基板组成。本发明通过引入空气隧道和改进缝隙耦合馈电结构，分别上移主模TM10和下移高次模反相TM20的频率，使两个模式合并以有效地扩展天线带宽；根据模式的电场分布，有针对性地将两对加载有变容二极管的微带线分别放置在介质贴片谐振器的中间和侧边，以独立调谐主模TM10和高次模反相TM20的频率；通过合理选择微带线尺寸，实现了主模TM10和高次模反相TM20的频率的同步调谐。本发明天线具有21.2%的频率调谐范围，同时每个状态的带宽都在7%以上，展现了良好的带宽增强特性。

Description

频率可重构的宽带增强介质贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及频率可重构的宽带增强介质贴片天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，不断增加的无线应用与有限的天线安装空间之间的矛盾愈发显著。为了满足现代无线通信的多功能、易集成、大容量和低成本的需求，可重构天线应运而生。它可以根据通信环境实时切换天线的工作状态，如工作频率、主波束方向、极化特性等。
通常，可重构天线主要分为频率可重构天线、方向图可重构天线和极化可重构天线。其中，频率可重构天线由于可以动态调整干工作频率，并具有覆盖多种无线通信空中接口标准的能力而受到广泛关注。该天线还可以在未使用的频段提供噪声抑制，从而降低系统对前端电路的滤波要求。频率可重构天线的实现方法主要分为机械调谐和电子调谐。机械调谐方案具有高射频功率处理能力的优点，并且可以潜在地提供低调谐损耗。然而，机械致动器的切换时间较慢，需要较高的致动偏置电压，并且需要一定的实际空间来存储特定的液体或固体调谐材料。与机械调谐相比，电子调谐克服了响应速度慢、体积大的问题。在电子调谐元器件中，变容二极管具有结构简单、易于集成、可连续调谐等特点，这符合现代无线通信系统的高集成度、快速时变的要求。因此，基于变容二极管的频率可重构天线得到了广泛的研究。
微带贴片天线（剖面低、增益高、易于加载的变容二极管）和介质谐振器天线（辐射效率高、带宽宽和设计自由度大）是使用最为广泛的两种天线。但到目前为止，大多数基于变容二极管的频率可重构微带贴片天线或介质谐振器天线都工作在单一的谐振模式。因此，这些天线在每个工作状态下都具有较窄的阻抗带宽。未来，丰富的应用服务场景迫切需要极高的数据速率和巨大的通信容量来处理海量的信息交互。这时，天线的宽带特性就显得尤为重要。在设计一中，提出了一种频率可重构的宽带微带贴片天线二元阵列。通过给每个天线单元上加载的变容二极管设置不同的电容值，它们的工作频率可以出现不同程度的偏移，从而实现天线的宽带特性。该天线阵列的频率调谐范围为13.6%。但是，这种设计必须以阵列的形式来实现。与单天线相比，这种设计不够紧凑，且集成度低。在设计二中，提出了一种频率可重构的宽带介质谐振器天线。该天线工作于介质谐振器的主模TEy 1δ1和两个缝隙模式。通过在改进的耦合缝隙和微带馈线上引入变容二极管，改变了槽的负载效应以及微带馈线与槽之间的耦合。因此，实现了频带的整体偏移并且呈现出27.7%的频率调谐范围。但是，该设计具有很高的剖面。此外，现有的大多数加载变容二极管的频率可重构介质谐振器天线都是将变容二极管捆绑在介质谐振器上来获得调谐能力，这会对天线的辐射性能产生负面影响。
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频率可重构的带宽增强介质贴片天线。
为实现本发明目的，本发明提出的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，具有介质贴片谐振器、金属反射地板和馈电结构，所述介质贴片谐振器包括上介质基板和叠置于上介质基板上表面的介质贴片，其特征在于：所述介质贴片为中部带有空气隧道的长方形介质贴片，介质贴片谐振器具有两个工作模式：主模TM10和高次模反相TM20，所述上介质基板上表面的垂直中分面上设置有两对微带线，第一对微带线从空气隧道内向外部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，第二对微带线从外侧部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，所述微带线的另一端与金属反射地板之间加载有变容二极管，所述第一对微带线及其加载的变容二极管构成第一频率调谐结构，用于独立调谐所述介质贴片谐振器主模TM10的谐振频率；所述第二对微带线及其加载的变容二极管构成第二频率调谐结构，用于独立调谐所述介质贴片谐振器高次模反相TM20的谐振频率；所述馈电结构包括用于耦合差分馈电的屏蔽带状线和开设于金属反射地板的垂直于屏蔽带状线的金属馈线且与两对微带线一一对应的两对耦合缝隙。
本发明首次提出了一种工作在主模TM10和高次模反相TM20的新型频率可重构的宽带增强介质贴片天线。首先，充分利用介质贴片谐振器的多模特性，选择主模TM10和高次模反相TM20来实现介质贴片天线的带宽增强特性。通过引入介质贴片谐振器中的空气隧道和改进的缝隙耦合馈电机制，将两个模式的谐振频率合并在一起，从而有效地拓展了天线的阻抗带宽。其次，通过使用两对加载了变容二极管的微带线将设计扩展为一款频率可重构的带宽增强天线。值得注意的是，根据两个模式的电场分布，精心设计了调谐结构的位置，使得主模TM10和高次模反相TM20模式的谐振频率可以被独立调整。通过参数优化，最终实现了两个模式的同步调谐。由此设计而成的天线具有21.2%（4.3-5.32 GHz）的频率调谐范围。每个工作状态的阻抗带宽都在7%以上。该天线在整个频率调谐范围内显示了6.3-8.1 dBi的峰值增益。与先前报道的频率可重构宽带天线相比，本设计具有更好的频率调谐性能、更高的增益和更好的辐射效率。
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的分解图。
图2是本发明实施例天线的俯视图。
图3是本发明实施例天线的侧视图。
图4是本发明实施例天线的顶层金属地板的俯视图。
图5是本发明实施例天线的中间层金属地板的俯视图。
图6是本发明实施例天线的部件底层金属地板的俯视图。
图7是本发明实施例天线的反射系数曲线图。
图8是本发明实施例天线在变容二极管的不同电容值下的频率曲线图。
图9是本发明实施例天线在变容二极管的不同电容值下的增益曲线图。
图10是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.15pF且4.89GHz频率点下的天线辐射方向图。
图11是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.15pF且5.25GHz频率点下的天线辐射方向图。。
图12是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.35pF且4.62GHz频率点下的天线辐射方向图。
图13是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.35pF且4.92GHz频率点下的天线辐射方向图。
图14是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.55pF且4.36GHz频率点下的天线辐射方向图。
图15是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.55pF且4.58GHz频率点下的天线辐射方向图。
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6所示，本实施例频率可重构的宽带增强介质贴片天线，其沿xoz轴平面对称。该天线主要由带有空气隧道2的矩形介质贴片1、带有调谐电路的上介质基板7以及带有缝隙耦合馈电结构的中间层基板11和底层基板15组成。介质贴片1位于上介质基板7的中心处，上介质基板7的侧边至介质贴片1最邻近侧边的距离大致相等。矩形介质贴片1的介电常数为ε r1 = 45，损耗角正切为tanδ = 1.9 × 10-4，长度为l d ，宽度为w d ，高度为h d ，本实施例中，长度与宽度的比值为1.415，矩形介质贴片1的长度与宽度之间的比值应当不低于1.3，且不高于2.5。空气隧道2的体积为w d × w a × h a ，它被设置在介质贴片的中间，以上移主模TM10的谐振频率。空气隧道2和介质贴片1都沿yz平面对称。空气隧道2的高度与介质贴片1的高度之间的比值应当不低于0.6，且不高于0.75，其宽度与介质贴片1的长度之间的比值应当不低于0.1，且不高于0.35。
矩形介质贴片1，上介质基板7和金属反射地板10构成介质贴片谐振器。在上介质基板7的上表面印刷有两对宽度均为w e 的平行于x轴的微带线（第一对微带线5和第二对微带线3），微带线的一端加载有设置于上介质基板7上表面的变容二极管4，第一对微带线5的外端从空气隧道2内向外部分地插入到介质贴片1和上介质基板7之间。第一对微带线5插入介质贴片1和上介质基板7之间的位置位于主模TM10沿x轴和y轴方向分布的电场较强处，具体来说，插入长度不超过介质贴片1的长度与空气隧道2之间的差值的25%，且不小于过介质贴片1的长度与空气隧道2之间的差值的5%。第二对微带线3的内端则从外侧部分地插入到介质贴片1和上介质基板7之间。第二对微带线3插入介质贴片1和上介质基板5之间的位置位于高次模反相TM20沿x轴和y轴方向分布的电场较强处。具体来说，第二对微带线3插入介质贴片1和上介质基板5之间的长度不超过介质贴片1的长度与宽度之间的差值的50%，且不小于介质贴片1的长度与宽度之间的差值的5%。变容二极管为MACOM公司的MA46H120型号，其电容范围为0.15-1.3 pF，寄生电阻R为2 Ω，寄生电感L为0.05 nH。变容二极管的一端连接微带线，另一端接地。具体来说，上介质基板7上表面分别设置有位于第一对微带线5内端、第二对微带线3外端的与金属反射地板10通过金属化通孔短路连接的金属贴片6，金属贴片6与金属化通孔构成短路针。金属贴片6与变容二极管4连接，从而使得第一对微带线5内端、第二对微带线3的外端与金属反射地板10之间加载变容二极管4。
上述两对加载有变容二极管的微带线构成了所提出天线的频率调谐结构。第一对微带线5及其加载的变容二极管4构成第一频率调谐结构，用于独立调谐所述介质贴片谐振器主模TM10的谐振频率；第二对微带线3及其加载的变容二极管4构成第二频率调谐结构，用于独立调谐介质贴片谐振器高次模反相TM20的谐振频率。
如图所示的本实施例中，馈电结构包括用于耦合差分馈电的屏蔽带状线和开设于金属反射地板10的垂直于金属馈线14且分别与第一对微带线5、第二对微带线3一一对应的第一对耦合缝隙8、第二对耦合缝隙9。
主模TM10和高次模反相TM20由缝隙耦合馈电结构激发，四个耦合缝隙刻蚀在金属反射地板10上。长为l c1、宽为w c1的长度较长的第一对耦合缝隙8位于金属反射地板10的中心，其间距为P 1。长为l c2、宽为w c2的长度较短的第二对耦合缝隙9设置在第一对耦合缝隙8的两侧，第一对耦合缝隙8与第二对耦合缝隙9的间距为P 2。这四个耦合缝隙由差分信号激励。为了减少能量损失，采用屏蔽带状线来给耦合缝隙馈送能量。
本实施例中，屏蔽带状线包含由下至上叠置的底层金属地板16、底层介质基板15、中间层金属地板13、中间层介质基板11和顶层金属地板10，中间层金属地板13中刻蚀出金属馈线14，金属馈线14两侧设置有用于连接底层金属地板16、中间层金属地板13和顶层金属地板10的金属化通孔。第一对耦合缝隙8和第二对耦合缝隙9位于金属馈线14两侧的金属化通孔之间的区域。
受益于介质贴片谐振器的多模特性，选择了主模TM10和高次模反相TM20来进行宽带设计。沿x轴方向可以观察到，TM10模式的电场呈现半波分布，而TM20模式的电场呈现两个半波分布，同时该模式在耦合缝隙8两侧的电场方向是反相平行的。
对具有单个耦合缝隙的介质贴片天线进行反射系数仿真，可以看出曲线上有两个谐振点，低频谐振点(4.28 GHz)对应主模TM10，而高频谐振点(5.56 GHz)对应高次模反相TM20，这两个模式的谐振频率相距甚远。为了使这两个模式的谐振频率靠近，在原有耦合缝隙的两侧引入了一对长度较短的耦合缝隙，较短耦合缝隙的长度l c2的变化主要影响高次模TM20的谐振频率。随着长度的增加，高次模TM20的谐振频率逐渐下移，而主模TM10的谐振频率保持不变。另一方面，由于耦合缝隙的负载效应，l c2的值也与两个模式的阻抗匹配密切相关。随着l c2的增加，主模TM10的阻抗匹配逐渐变差，因此l c2的值不能太大，设置为5.5 mm。
为了进一步合并两个模式的谐振频率，根据模式的电场分布，在介质贴片中间精心设计了一个空气隧道。对不同空气隧道的高度h a 下天线的反射系数进行仿真，发现随着h a 的增加，主模TM10的谐振频率逐渐上升，而高次模反相TM20的谐振频率几乎没有变化。当h a =1.1 mm时，两个模式合并，有效扩展了介质贴片天线的阻抗带宽。这个结果很好地证明了设计思路的正确性。
在上述宽带增强介质贴片天线的基础上，本发明引入了频率调谐结构来设计一款频率可重构的宽带增强介质贴片天线。该设计的难点在于如何同步调谐主模TM10和高次模反相TM20模式的谐振频率，使天线在整个调谐过程中始终保持带宽增强的特性。
巧妙的是，介质贴片中间的空气隧道可以用来放置变容二极管。为了方便这里的变容二极管与金属反射地板连接，本实施例将中间的耦合缝隙一分为二，形成第一对耦合缝隙8，实验表明，耦合缝隙的分裂对天线的阻抗匹配、谐振频率的影响不大。
由于在介质贴片谐振器的中间，主模TM10的电场强度比高次模反相TM20强，因此考虑在该位置插入一对加载有变容二极管的微带线（第一对微带线5），以独立调整主模TM10的谐振频率，而不影响高次模TM20的谐振频率和辐射特性。从仿真结果中看出，这对微带线主要控制主模TM10的谐振频率，而对高次模反相TM20的谐振频率影响不大。另一方面，当变容二极管的电容变化范围固定时，主模TM10的频率调谐范围可以通过微带线的长度l b1来调整。经仿真实验可以观察到，可以观察到，当l b1 < 4.5 mm时，频率调谐范围随着l b1的增加而大幅上升。当l b1 > 4.5 mm时，频率调谐范围缓慢变化。
本发明采用了矩形的介质贴片1，通过本征模仿真发现，随着介质贴片1的长度变长，主模TM10的谐振频率的下降趋势逐渐变得缓慢。当介质贴片1的长度和宽度的比值大于1.3且小于2.5时，随着介质贴片1的长度变长，主模TM10的谐振频率几乎不变。但对于高次模反相TM20来说，该模式的电场分布可看作是两个主模TM10的电场分布组合而成，而这两个主模TM10的电场分别位于介质贴片1的一半区域中。也就是说，当介质贴片1的长度和宽度的比值大于1.3且小于2.5时，随着介质贴片1的长度边长，高次模反相TM20的谐振频率仍能显著下移。因此，考虑在介质贴片的两侧插入加载有变容二极管的第二对微带线3，以独立调谐高次模反相TM20的谐振频率，而不影响主模TM10的谐振频率和辐射特性。经仿真实验发现，这对微带线主要控制高次模反相TM20模式的谐振频率，对主模TM10的谐振频率的影响不大。此外，第二对微带线3的长度l e1是控制该模式的频率调谐范围的关键参数。随着l e1的增加，高次模反相TM20的频率调谐范围先上升后趋于平稳。
为实现主模TM10和高次模反相TM20的同步调谐，将上述两对变容二极管加载的微带线一起插入介质贴片谐振器中。经过数值优化后，合理地选择了微带线的长度l b1和l e1来形成所提出的频率可重构的带宽增强介质贴片天线（l b1 = 4.2 mm 和l e1 = 7.8 mm）。实验表明，天线在整个频率调谐范围内都保持着良好的带宽增强特性。
在本发明中，第一对耦合缝隙的长度l c1和宽度w c1对主模TM10的谐振频率有较大影响，而对高次模反相TM20的谐振频率影响很小。同时，随着l c1或w c1的增加，整个频带的阻抗匹配将先变好后变差。第二对耦合缝隙在长度l c2和宽度w c2对高次模反相TM20的谐振频率影响较大，而对主模TM10的谐振频率影响较小。同时，随着l c2或w c2的增加，整个频段的阻抗匹配也会发生明显变化。
本实施例介质贴片天线详细的参数见表I
表I
参数 <i>w</i><sub><i>a</i></sub> <i>h</i><sub><i>a</i></sub> <i>l</i><sub><i>b</i>1</sub> <i>l</i><sub><i>b</i>2</sub> <i>l</i><sub><i>c</i>1</sub> <i>w</i><sub><i>c</i>1</sub> <i>l</i><sub><i>c</i>2</sub> <i>w</i><sub><i>c</i>2</sub> <i>l</i><sub><i>d</i></sub>
数值/mm 6 1.1 4.2 2 12 0.5 5.5 0.6 36.8
参数 <i>w</i><sub><i>d</i></sub> <i>h</i><sub><i>d</i></sub> <i>l</i><sub><i>e</i>1</sub> <i>l</i><sub><i>e</i>2</sub> <i>w</i><sub><i>e</i></sub> <i>l</i><sub><i>f</i>1</sub> <i>w</i><sub><i>f</i>1</sub> <i>l</i><sub><i>f</i>2</sub> <i>w</i><sub><i>f</i>2</sub>
数值/mm 26 1.6 7.8 2.5 2 24 1.1 23 1.8
参数 <i>l</i><sub><i>g</i></sub> <i>w</i><sub><i>g</i></sub> <i>l</i><sub><i>s</i></sub> <i>w</i><sub><i>s</i></sub> <i>h</i><sub><i>s</i></sub> <i>p</i><sub>1</sub> <i>p</i><sub>2</sub>
数值/mm 36.8 19 70 58 0.813 1 9.4
图7展示了是本发明实施例天线的反射系数曲线图。在0.15 pF、0.35 pF和0.55pF下的阻抗带宽分别为11.5%（4.74-5.32 GHz）、10.1%（4.48-4.96 GHz）、7.2%（4.3-4.62GHz），整个频率调谐范围为21.2%（4.3-5.32 GHz）。图8展示了本发明实施例天线在变容二极管的不同电容值下的频率曲线图。当电容值从0.15 pF上升至0.55 pF时，主模TM10的频率从4.92 GHz下移至4.42 GHz，高次模TM20的频率从5.24 GHz下移至4.54 GHz。图9展示了本发明实施例天线在变容二极管的不同电容值下的增益曲线图。可以看出，在整个频率调谐范围内，本发明天线的峰值增益在6.32 dBi至8.15 dBi之间变化。
在三种工作状态下谐振频率对应的辐射方向图如图10至图15所示。图10至图12和图14至图15分别对应每个状态的低频谐振点和高频谐振点。正如预期那样，每个工作状态都展示了定向的辐射方向图。在主轴辐射方向，主极化值比交叉极化值高35 dB以上。
本发明频率可重构的带宽增强介质贴片天线，它具有低剖面、高增益和良好的辐射效率等优点。在引入空气隧道和改进的缝隙耦合馈电结构后，主模TM10和高次模反相TM20的谐振频率被有效地合并，从而扩展了天线的带宽。接着，基于模式的电场分布，将频率调谐结构有针对性地放置在介质贴片谐振器的中部和侧边，以独立控制主模TM10和高次模反相TM20的谐振频率。最后，通过选择合适的调谐结构参数，同步调谐了两种模式的谐振频率。结果表明，所提出天线的频率调谐范围为21.2%（4.3-5.32 GHz），各状态均具有稳定的带宽增强特性，频带内的增益超过5 dBi。
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)

1.一种频率可重构的带宽增强介质贴片天线，具有介质贴片谐振器、金属反射地板（10）和馈电结构，所述介质贴片谐振器包括上介质基板（7）和叠置于上介质基板（7）上表面的介质贴片（1），其特征在于：所述介质贴片（1）为中部带有空气隧道（2）的长方形介质贴片，介质贴片谐振器具有两个工作模式：主模TM10和高次模反相TM20，所述上介质基板（7）上表面的垂直中分面上设置有两对微带线（3、5），第一对微带线（5）从空气隧道（2）内向外部分地插入到介质贴片（1）和上介质基板（7）之间，第二对微带线（3）从外侧部分地插入到介质贴片（1）和上介质基板（7）之间，所述微带线（3、5）的另一端与金属反射地板（10）之间加载有变容二极管（4），所述第一对微带线（5）及其加载的变容二极管（4）构成第一频率调谐结构，用于独立调谐所述介质贴片谐振器主模TM10的谐振频率；所述第二对微带线（3）及其加载的变容二极管（4）构成第二频率调谐结构，用于独立调谐所述介质贴片谐振器高次模反相TM20的谐振频率；所述馈电结构包括用于耦合差分馈电的屏蔽带状线和开设于金属反射地板（10）的垂直于屏蔽带状线中金属馈线（14）且与两对微带线（3、5）一一对应的两对耦合缝隙（8、9）。
2.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述馈电结构的屏蔽带状线包含由下至上叠置的底层金属地板（16）、底层介质基板（15）、中间层金属地板（13）、中间层介质基板（11）和顶层金属地板（10），所述中间层金属地板（13）中刻蚀出所述的金属馈线（14），金属馈线（14）两侧设置有用于连接底层金属地板（16）、中间层金属地板（13）和顶层金属地板（10）的金属化通孔。
3.根据权利要求2所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述耦合缝隙（8、9）位于所述金属馈线（14）两侧的金属化通孔之间的区域。
4.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述上介质基板（7）上表面分别设置有位于第一对微带线（5）内端、位于第二对微带线（3）外端的与金属反射地板（10）短路连接的金属贴片（6），所述微带线（5、3）通过变容二极管（2）与该金属贴片（6）连接。
5.根据权利要求4所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述金属贴片（6）通过设于上介质基板（7）的金属化通孔与金属反射地板（10）短路连接，金属贴片（7）与金属化通孔构成短路针。
6.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）的长度和宽度的比值不低于1.3，且不高于2.5，，介质贴片（1）位于上介质基板（7）的中心处。
7.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述变容二极管（4）设置于上介质基板（7）的上表面。
8.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述微带线（3、5）平行于x轴，第一对微带线（5）插入介质贴片（1）和上介质基板（7）之间的位置位于主模TM10沿x轴和y轴方向分布的电场较强处；第二对微带线（3）插入介质贴片（1）和上介质基板（5）之间的位置位于高次模反相TM20沿x轴和y轴方向分布的电场较强处。
9.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述第一对微带线（3）插入介质贴片（1）和上介质基板（5）之间的长度不超过介质贴片（1）的长度与空气隧道（2）之间的差值的25%，且不小于过介质贴片（1）的长度与空气隧道（2）之间的差值的5%；所述第二对微带线（3）插入介质贴片（1）和上介质基板（5）之间的长度不超过介质贴片（1）的长度与宽度之间的差值的50%，且不小于介质贴片（1）的长度与宽度之间的差值的5%。
10.根据权利要求1所述的频率可重构的带宽增强介质贴片天线，其特征在于：所述空气隧道（2）的高度与介质贴片（1）的高度之间的比值不小于0.6，且不大于0.75；所述空气隧道（2）的宽度与介质贴片（1）的长度之间的比值不小于0.1，且不大于0.35。
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