CN113690607B - 一种具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和矩形介质贴片，矩形介质贴片与上介质基板之间设置有频率调谐结构，下介质基板的下表面设置有耦合差分馈电的微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线对应的耦合缝隙。本发明首次提出了一种工作在主模TM₁₀和高次模反相TM₂₀的频率可重构双频介质贴片天线。由于两个模式对介质贴片长度变化的敏感度不同，本发明有针对性地将一对加载有变容二极管的微带线部分嵌入矩形介质贴片谐振器的两侧来改变介质贴片的电长度，从而在不影响主模TM₁₀的频率和辐射性能的情况下，独立地调谐高次模反相TM₂₀的频率。

Description

一种具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，稀缺的频谱资源和复杂的电磁环境使高性能天线的设计更具挑战性。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，双频无线通信系统受到了广泛的关注。同时，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，频率可重构天线也得到了越来越多的关注。它可以动态调整工作频率，并在未使用的频段提供噪声抑制，降低系统对前端电路的滤波要求。因此，具有频率可调谐功能的双频天线展现了巨大的应用前景。

目前，频率可重构双频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双频天线得到了广泛的研究。

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被广泛应用于频率可重构双频天线的设计中。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，现有设计将变容二极管捆绑在介质谐振器上，以获得频率可调谐功能，但这会对天线的辐射性能产生显著的负面影响。同时，这些基于介质谐振器天线的频率可重构设计具有很高的剖面，并且都是单频带工作，大大限制了它们在现代无线通信系统中的应用范围。

在2013，研究者将一个高剖面的介质谐振器压缩成一个介质贴片，并将其与低介电常数的基板融合，设计出一款准平面的介质贴片天线。随后的研究表明，在保持低剖面特性的同时，介质贴片天线具有类似于微带贴片天线的高增益特性。同时，这种天线也有着很大的设计自由度。此外，基板的存在解决了设计中谐振器难以与微带电路集成的问题。因此，介质贴片天线在尺寸和性能上是传统微带贴片天线和介质谐振器天线之间的良好折衷。然而，到目前为止，尚未有研究者提出基于介质贴片天线的频率可重构双频天线。

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具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线。

为实现本发明目的，本发明提出的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，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：所述介质贴片为长方形介质贴片，介质贴片谐振器具有主模和高次模，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，所述微带线和变容管二极管构成频率调谐结构，仅用于调谐所述介质贴片谐振器的高次模频率；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差分馈电的微带馈线，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，微带线平行于高次模反相TM₂₀的极化方向，即平行于x轴，微带线插入介质贴片和上介质基板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。

本发明首次提出了一种工作在主模TM₁₀（对应低频带）和高次模反相TM₂₀（对应高频带）的频率可重构双频介质贴片天线。本征模仿真结果表明，与主模TM₁₀相比，高次模反相TM₂₀的谐振频率对介质贴片的长度变化更加敏感。基于此，本设计有针对性地将一对加载有变容二极管的微带线部分嵌入了长方形介质贴片谐振器的两侧来动态地调谐介质贴片的电长度，从而在不影响主模TM₁₀的谐振频率和辐射性能的情况下，能够独立地调谐高次模反相TM₂₀的谐振频率。最终使所提出的双频介质贴片天线实现了频率比可调谐的功能，同时在整个频率调谐范围内保持着稳定的辐射特性。

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反射系数曲线图。

图5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6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7是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.15pF且3.98GHz频率点下的天线辐射方向图。

图8是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.15pF且5.02GHz频率点下的天线辐射方向图。

图9是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.30pF且3.98GHz频率点下的天线辐射方向图。

图10是本发明实施例天线在变容二极管的电容值为0.30pF且4.88GHz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0.45pF且3.98GHz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0.45pF且4.62GHz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3所示，本实施例具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其沿xoz轴平面对称。该天线主要由三个部分构成，即矩形介质贴片1、带有调谐电路的上介质基板5以及带有缝隙耦合馈电结构的下介质基板8。自下而上依次层叠设置的金属反射地板7、上介质基板5和介质贴片1构成了介质贴片谐振器。介质贴片1位于上介质基板5的中心处，上介质基板5的侧边至介质贴片1最邻近侧边的距离大致相等。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7开设有与微带馈线9对应的耦合缝隙6。本例中，介质贴片1为长方形陶瓷贴片，长度为l _d ，宽度为w _d ，高度为h _d ，长度与宽度的比值为1.415，长度与宽度之间的比值应当不低于1.3，且不高于2.5，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，介质贴片1位于上介质基板5的中心处。上介质基板5和下介质基板8均为Rogers RO4003层压板，介电常数为ε _r2 = 3.38，损耗角正切为tanδ = 2.7 × 10^-3，体积为l _s × w _s × 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3，底层为金属反射地板7。在上介质基板5的上表面印刷有一对宽度为w _t 的平行于高次模反相TM₂₀的极化方向（即平行于x轴）的微带线3，微带线3的一端部分地嵌入到介质贴片1和上介质基板5之间，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。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%，不小于介质贴片1的长度与宽度之间的差值的5%。本实施例中，微带线3插入介质贴片1和上介质基板5之间的长度为2.5mm。伸出介质贴片1的微带线3末端加载有设置于上介质基板5上表面的变容二极管2，变容二极管2的另一端通过短路针与金属反射地板7相连接。该短路针由设置于上介质基板5上表面的金属贴片4和贯穿上介质基板5的金属化通孔构成。变容二极管2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。这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，主要用于动态地改变介质贴片1的长度，从而实现独立调谐高次模反相TM₂₀的谐振频率的功能。

介质贴片谐振器由缝隙耦合馈电结构激励，长为l _c 、宽为w _c的耦合缝隙6刻蚀在金属反射地板7。一根微带馈线9被印刷在下介质基板8的下表面，用于给耦合缝隙6馈送差分信号。微带馈线9在金属反射地板7上的投影与耦合缝隙6垂直相交。

本发明天线属于双频天线，每个工作状态下均有两个工作频带。受益于介质贴片谐振器的多模特性，本发明选择了主模TM₁₀（对应天线的低频带）和高次模反相TM₂₀（对应天线的高频带）来进行双频天线的设计。沿x轴方向观察两种模式的电场分布，可以发现，主模TM₁₀的电场呈现半波分布，而高次模反相TM₂₀的电场呈现两个半波分布，同时该模式在耦合缝隙6两侧的电场方向是反相平行的。

虽然本发明也采用了相似的频率调谐结构（即一对加载有变容二极管的微带线），但是，是用于调谐高次模反相TM₂₀的谐振频率，而对主模TM₁₀的谐振频率和辐射性能几乎不产生影响。

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平缓。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。基于上述现象，本发明考虑在介质贴片1平行于y轴的两侧嵌入一对加载有变容二极管的微带线。目的是在不改变主模TM₁₀的谐振频率频率和辐射性能的情况下，通过控制介质贴片1的长度来实现对高次模反相TM₂₀的谐振频率的独立调谐。从而，本发明能够实现具有频率调谐功能的双频介质贴片天线。主模TM₁₀的谐振频率不动，而高次模反相TM₂₀的谐振频率可调谐，这个特性也可以被描述为，具有频率比可调谐功能的双频介质贴片天线（高次模反相TM₂₀的谐振频率/主模TM₁₀的谐振频率=该天线的频率比）。那本发明天线和之前发明专利的一个明显的区别就是，本发明天线的介质贴片是矩形的，它的长度和宽度的比值需要达到1.3以上且小于2.5时，才能实现针对高次模反相TM₂₀的谐振频率的独立调谐，而不影响主模TM₁₀的谐振频率和辐射特性，从而设计出本发明的频率可重构的双频介质贴片天线。

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，来实现高次模反相TM₂₀的频率可重构功能。通过仿真，发现高次模反相TM₂₀的极化方向与x轴平行，并且该模式的电场在介质贴片1的与y轴平行的两侧是较强的。为了顺应TM₂₀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2。通过观察高次模反相TM₂₀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1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高次模反相TM₂₀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3的插入长度和总长度分别定义为l _t1和l _t2。用两个短路针将变容二极管2与金属反射地板7进行连接。

本实施例天线详细的参数见表I

表I

参数	l c	w c	l d	w d	h d	l f1	w f1	l f2
									数值/mm	11	1	36.8	26	2	23	2.1	24
参数	w f2	l s	w s	h s	l t1	l t2	w t
									数值/mm	1.4	70	58	0.813	2.5	7.6	2

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 和C串联而成。其中，C _i 表示微带线3的插入部分和介质贴片谐振器之间的耦合电容，C表示变容二极管2的电容。因此，微带线3的长度l _t2是控制高次模反相TM₂₀的频率调谐范围的重要参数。随着l _t2的增加，高次模反相TM₂₀的频率调谐范围将逐渐变大。对于本实施例天线的阻抗匹配，耦合缝隙6的长度l _c 、耦合缝隙6的宽度w _c 以及微带馈线9的宽度w _f2均是关键的影响因素。w _c 主要控制低频带的阻抗匹配，随着w _c 的增加，低频带的阻抗匹配先变好后恶化。l _c 或w _c 能够同时影响低频带和高频带的阻抗匹配，随着l _c 或w _c 增加，两个频带的阻抗匹配的变化趋势均为先变好后恶化。

图4描展示了是本发明实施例天线的反射系数曲线图。在0.15 pF、0.3 pF和0.45pF下，低频带（对应主模TM₁₀）的阻抗带宽分别为4.5%（3.89-4.07 GHz）、4.6%（3.88-4.06GHz）、4.3%（3.9-4.07 GHz），高频带（对应高次模反相TM₂₀）的阻抗带宽分别为3.4%（4.92-5.09 GHz）、2.5%（4.81-4.93 GHz）、1.7%（4.62-4.7 GHz），整个频率调谐范围为9.7%（4.62-5.09 GHz）。

图5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0.45 pF时，主模TM₁₀的频率固定在3.98GHz，而高次模反相TM₂₀的频率从5.02 GHz下移至4.62 GHz。

图6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，主模TM₁₀对应的峰值增益稳定在7.3dBi左右，而高次模反相TM₂₀对应的峰值增益在6.75 dBi至8.5 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7至图12所示。图7至图9和图10至图12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稳定的辐射方向图。在主轴辐射方向，主极化值比交叉极化值高40 dB以上。

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 (8)

1.一种具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，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（7）、上介质基板（5）和介质贴片（1），其特征在于：所述介质贴片（1）为长方形介质贴片，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（5）上表面的垂直中分面上设置有一对微带线（3），所述微带线（3）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（3）的外端与金属反射地板（7）之间加载有变容二极管（2），所述微带线（3）和变容二极管（2）构成频率调谐结构，仅用于调谐所述介质贴片谐振器的高次模反相TM₂₀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差分馈电的微带馈线（9），金属反射地板（7）开设有与微带馈线（9）对应的耦合缝隙（6）；

所述微带馈线（9）在金属反射地板（7）上的投影与耦合缝隙（6）垂直相交；

所述微带线（3）平行于高次模反相TM₂₀的极化方向，即平行于x轴，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。

2.根据权利要求1所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述上介质基板（5）上表面设置有位于微带线（3）的外端的与金属反射地板（7）短路连接的金属贴片（4），所述微带线（3）的外端通过变容二极管（2）与该金属贴片（4）连接。

3.根据权利要求2所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述金属贴片（4）通过贯穿上介质基板（5）的金属化通孔与金属反射地板（7）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1所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）的长宽比的范围为1.3-2.5，介质贴片（1）位于上介质基板（5）的中心处。

5.根据权利要求1所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述上介质基板（5）的侧边至介质贴片（1）最邻近侧边的距离大致相等。

6.根据权利要求1所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述微带线（3）伸入介质贴片（1）底部对介质贴片谐振器的高次模反相TM₂₀进行频率调谐。

7.根据权利要求1所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述变容二极管（2）设置于上介质基板（5）的上表面。

8.根据权利要求1所述的具有频率可调谐功能的双频介质贴片天线，其特征在于：所述微带线（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%，不小于介质贴片（1）的长度与宽度之间的差值的5%。