CN115064876B - 一种超宽带与窄带频率可重构天线 - Google Patents

一种超宽带与窄带频率可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带与窄带频率可重构天线，涉及微波天线技术领域，本发明包括：介质基板；辐射贴片，设于所述介质基板的正面，包括两个半径不同的半圆形贴片；渐变微带馈线，为在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构，其顶端与所述辐射贴片的底端相连；接地板，为在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构，设于所述介质基板的背面；可重构窄带单元，包括：矩形缝隙，水平刻蚀在所述接地板上；开口环缝隙，刻蚀在所述接地板上，其顶端与所述矩形缝隙的左端相连通；本发明结构紧凑、尺寸较小、辐射性能良好，便于实现与射频前端电路的集成，可广泛应用于认知无线电系统中。

Description

一种超宽带与窄带频率可重构天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体为一种超宽带与窄带频率可重构天线。
背景技术
认知无线电技术的提出是为了解决无线电频谱资源分配日渐匮乏的问题，此技术需要天线具有超宽带感知功能来搜索空闲的频谱，还需要具有窄带通信功能准许非授权用户在已授权出去的频谱空闲时使用该频谱进行通信工作。因此，频率可重构天线由于可以在同一个天线上实现不同频带之间的切换，成为目前研究热点。
然而，目前大部分频率可重构天线实现的功能为窄带与窄带的切换，不能应用于认知无线电系统。另外一部分可实现超宽带与窄带切换的频率可重构天线尺寸较大，不利于天线与系统前端模块的集成。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种超宽带与窄带频率可重构天线，具体包括：
介质基板。
辐射贴片，设于所述介质基板的正面，包括两个半径不同的半圆形贴片，两个所述半圆形贴片的直线边重合，且位于顶端的半圆形贴片的半径大，位于底端的半圆形贴片的半径小。
渐变微带馈线，为在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构，设于所述介质基板的正面，其顶端与所述辐射贴片的底端相连。
接地板，为在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构，设于所述介质基板的背面，且与所述渐变微带馈线的位置相对应。
可重构窄带单元，包括：
矩形缝隙，水平刻蚀在所述接地板上，且其与所述渐变微带馈线的顶部等高。
开口环缝隙，刻蚀在所述接地板上，其顶端与所述矩形缝隙的左端相连通。
进一步的，所述开口环缝隙包括：
第一竖直段，其顶端与所述矩形缝隙的左端相连通。
第一水平段，其左端与所述第一竖直段的底端相连通。
第二竖直段，其底端与所述第一水平段的右端连通。
第二水平段，其右端与所述第二竖直段的顶端相连通，且所述第二水平段的左端与所述第一竖直段不连通。
进一步的，所述可重构窄带单元还包括：
第一PIN管，跨接在所述矩形缝隙的中心位置。
第二PIN管，跨接在所述第一水平段的中心位置。
进一步的，所述介质基板的长为19mm，宽为17.5mm，厚为0.787mm。
进一步的，所述辐射贴片位于顶端的半圆形贴片的半径为6.45mm，位于底端的半圆形贴片的半径为4.9mm。
进一步的，所述渐变微带馈线的矩形长为6.1mm，宽为1.6mm，三角形的两个直角边的长度分别为0.3mm和1.7mm。
进一步的，所述接地板的矩形长为17.5mm，宽为5.5mm，三角形的两个直角边的长度分别为2.3mm和4mm。
进一步的，所述矩形缝隙的长为10.45mm，宽为1.1mm。
进一步的，所述第一竖直段的长为3.1mm，宽为0.5mm、第二竖直段的长为2.65mm，宽为0.5mm，第一水平段的长为3.14mm，宽为1.05mm，第二水平段的长为1.8mm，宽为0.5mm。
与现有技术相比，本发明提供了一种超宽带与窄带频率可重构天线，其有益效果是：
本发明采用两个半径不同的半圆形贴片组成的结构作为辐射贴片，在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构作为接地板，增加了宽带范围内的临近谐振点，通过多谐振点叠加有效扩展天线带宽并减小辐射贴片面积，实现超宽带的同时达到小型化；本发明在接地板中刻蚀矩形缝隙，通过渐变微带馈线经激励端口与接地板进行馈电，可在窄带内产生谐振并向外辐射电磁波，以实现单频工作频段；同理，在此基础上刻蚀开口环缝隙，实现双频工作频段；本发明在矩形缝隙的中心位置跨接第一PIN管，在第一水平段的中心位置跨接第二PIN管，通过偏置电压控制PIN管的通断，来改变辐射缝隙的谐振长度，进而改变天线表面电流路径，实现天线工作频段之间的切换；本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线的结构紧凑、尺寸较小、辐射性能良好，便于实现与射频前端电路的集成，可广泛应用于认知无线电系统中。
附图说明
图1为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线的正面结构示意图；
图2为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线的背面结构示意图；
图3为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线的各工作状态下反射系数曲线图；
图4为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线在3.6GHz时的E面主极化和交叉极化辐射方向图；
图5为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线在3.6GHz时的H面主极化和交叉极化辐射方向图；
图6为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线在6.7GHz时的E面主极化和交叉极化辐射方向图；
图7为本发明提供的一种超宽带与窄带频率可重构天线在6.7GHz时的H面主极化和交叉极化辐射方向图。
图中：1.介质基板、2.辐射贴片、3.渐变微带馈线、4.接地板、5.可重构窄带单元、51.矩形缝隙、52.开口环缝隙、53.第一竖直段、54.第二竖直段、55.第一水平段、56.第二水平段、57.第一PIN管、58.第二PIN管。
具体实施方式
下面结合附图1至图7，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：如图1-2所示，本发明提出了一种超宽带与窄带频率可重构天线，包括介质基板1、辐射贴片2、渐变微带馈线3、接地板4和可重构窄带单元5，辐射贴片2和渐变微带馈线3设于介质基板1的正面，渐变微带馈线3一端与辐射贴片2的一端相连，接地板4和可重构窄带单元5设于介质基板1的背面。
本实施例所述介质基板1的材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，长为19mm，宽为17.5mm，厚为0.787mm。
辐射贴片2由两个半径不同的半圆形贴片组成，位于上侧的半圆形贴片的半径为6.45mm，位于下侧的半圆形贴片的半径为4.9mm。所述接地板4位于渐变微带馈线3对应的下方区域，接地板4为在顶部两角各截去一个三角形的矩形，所述矩形长为17.5mm，宽为5.5mm，所述三角形的两个直角边的长度分别为2.3mm和4mm，辐射贴片2和接地板4的结构增加了宽带范围内的临近谐振点，通过多谐振点叠加有效扩展天线带宽，使天线可以工作在超宽带的带宽范围内。
本发明可重构窄带单元5包括刻蚀在接地板4上的矩形缝隙51、开口环缝隙52以及两个射频PIN管57、58，通过偏置电压控制PIN管的通断，来改变辐射缝隙的谐振长度，进而改变天线表面电流路径，使天线工作频段具有可重构特性，所述矩形缝隙51靠近所述渐变微带馈线3的顶端，并沿介质基板1的中心线左右对称水平方向放置，所述开口环缝隙52位于渐变微带馈线3左方，包括沿竖直方向延伸的第一竖直段53、第二竖直段54和沿水平方向延伸的第一水平段55、第二水平段56，其中，第一竖直段53一端与所述矩形缝隙51一端相连通；第一水平段55一端与所述第一竖直段53另一端相连通；第二竖直段54一端与所述第一水平段55另一端端连通；第二水平段56一端与所述第二竖直段54另一端端相连通，且所述第二水平段56与所述第一竖直段53不连通。
所述渐变微带馈线3为在顶部两角各截去一个三角形的矩形，矩形长为6.1mm，宽为1.6mm，两个三角形的两个直角边的长度分别为0.3mm和1.7mm，所述可重构窄带单元5中矩形缝隙51，通过渐变微带馈线3经激励端口与接地板4进行馈电，可在窄带内产生谐振并向外辐射电磁波，以实现单频工作状态，同理，在此基础上在可重构窄带单元5中刻蚀开口环缝隙52，实现双频工作状态。
所述可重构窄带单元5中矩形缝隙51长为10.45mm，宽为1.1mm，所述可重构窄带单元5中开口环缝隙52的第一竖直段53长为3.1mm，宽为0.5mm、第二竖直段54长为2.65mm，宽为0.5mm，第一水平段55长为3.14mm，宽为1.05mm，第二水平段56长为1.8mm，宽为0.5mm。
本发明两个射频PIN管57、58为同型号PIN二极管，其中，第一PIN管57跨接在所述矩形缝隙51的中心位置，第二PIN管58跨接在所述第一水平段55的中心位置。
为了进一步说明本发明的超宽带与窄带频率可重构天线的良好性能，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明进行了射频特性的建模仿真。
参见图1-2，本发明分别对介质基板1背面无矩形缝隙51和开口环缝隙52、仅有矩形缝隙51、有矩形缝隙51和开口环缝隙52三种状态下天线的反射系数(S11)值进行仿真，仿真结果如图3所示。
本发明在介质基板1背面刻蚀矩形缝隙51和开口环缝隙52，通过渐变微带馈线3经激励端口与接地板4进行馈电，进而在窄带内产生谐振并向外辐射电磁波，以实现窄带工作状态，窄带工作频段的中心频率与缝隙的长度相关，如公式(1)-(3)所示，缝隙长度约为四分之一介质中的波长，通过调整矩形缝隙51长度，使天线工作在3.02-4.40GHz的单频带，在此基础上刻蚀开口环缝隙52，通过调整其长度，使天线工作在3.05-4.16GHz和6.23-7.20GHz的双频带，对应的S11曲线如图3所示。
其中Lslot是辐射缝隙长度，λg是介质中的波长，C是光速，f是窄带工作频段的中心频率，εe是有效介电常数，εr是相对介电常数。
本发明为了使非授权用户在已授权出去的频谱空闲时使用该频谱进行通信工作，提高频谱利用率，通过控制矩形缝隙51和开口环缝隙52中PIN管的通断，来改变辐射缝隙的谐振长度，进而改变天线表面电流路径，实现天线在超宽带、单频带和双频带三种频段之间的可重构。
PIN管通过控制加载在其两端的直流偏置电压，实现导通和断开的状态。当天线需要搜索空闲频谱时，通过直流偏置电压控制第一PIN管57和第二PIN管58均导通，使天线工作在超宽带3.82-12GHz频段，当天线需使用空闲频谱进行通信时，通过直流偏置电压控制第一PIN管57断开、第二PIN管58导通或者第一PIN管57和第二PIN管58均断开，使天线工作在单频带3.02-4.40GHz或者双频带3.05-4.16GHz和6.23-7.20GHz。
参见图4-7，分别展示了本发明天线在3.6GHz和6.7GHz频点处E面和H面的仿真主极化和交叉极化方向图，由图可知，天线在各频点处E面方向图呈“8”字形，表现出定向辐射特性，H面方向图近似圆形，表现出全向辐射特性。
以上仿真分析表明，本发明天线辐射贴片的设计减小了辐射贴片的面积占用，实现了天线的小型化特性；通过直流偏置电压控制PIN管的通断改变介质基板背面可重构窄带单元的辐射缝隙的谐振长度，进一步控制天线的工作状态，使天线可根据所需应用环境选择工作频带，通过超宽带感知功能来搜索空闲的频谱，通过窄带通信功能准许非授权用户使用该空闲频谱进行通信，有效提高频谱利用率，实现超宽带与窄带频率可重构特性；本发明天线结构简单、辐射特性良好，具有较高的实用价值，可应用于认知无线电系统。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于，包括：
介质基板（1）；
辐射贴片（2），设于所述介质基板（1）的正面，包括两个半径不同的半圆形贴片，且两个所述半圆形贴片的直线边重合；
渐变微带馈线（3），为在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构，设于所述介质基板（1）的正面，其一端与所述辐射贴片（2）的一端相连；
接地板（4），为在一个矩形顶部两角对称的各自截去一个相同三角形的结构，设于所述介质基板（1）的背面；
可重构窄带单元（5），包括：
矩形缝隙（51），水平刻蚀在所述接地板（4）上，所述矩形缝隙（51）靠近所述渐变微带馈线（3）的顶端，并沿介质基板（1）的中心线左右对称水平方向放置；
开口环缝隙（52），刻蚀在所述接地板（4）上且位于所述渐变微带馈线（3）左方，所述开口环缝隙（52）包括：沿竖直方向延伸的第一竖直段（53），一端与所述矩形缝隙（51）一端相连通；沿水平方向延伸的第一水平段（55），一端与所述第一竖直段（53）另一端相连通；沿竖直方向延伸的第二竖直段（54），一端与所述第一水平段（55）另一端端连通；沿水平方向延伸的第二水平段（56），一端与所述第二竖直段（54）另一端端相连通，且所述第二水平段（56）与所述第一竖直段（53）不连通；
第一PIN管（57），跨接在所述矩形缝隙（51）的中心位置；
第二PIN管（58），跨接在所述第一水平段（55）的中心位置；
其中，通过偏置电压控制PIN管的通断，来改变辐射缝隙的谐振长度，进而改变天线表面电流路径，使天线工作频段具有可重构特性。
2.如权利要求1所述的一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于：
所述介质基板（1）的长为19mm，宽为17.5mm，厚为0.787mm。
3.如权利要求1所述的一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于：
所述辐射贴片（2）位于上侧的半圆形贴片的半径为6.45mm，位于下侧的半圆形贴片的半径为4.9mm。
4.如权利要求1所述的一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于：
所述渐变微带馈线（3）的矩形长为6.1mm，宽为1.6mm，三角形的两个直角边的长度分别为0.3mm和1.7mm。
5.如权利要求1所述的一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于：
所述接地板（4）的矩形长为17.5mm，宽为5.5mm，三角形的两个直角边的长度分别为2.3mm和4mm。
6.如权利要求1所述的一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于：
所述矩形缝隙（51）的长为10.45mm，宽为1.1mm。
7.如权利要求1所述的一种超宽带与窄带频率可重构天线，其特征在于：
所述第一竖直段（53）的长为3.1mm，宽为0.5mm、第二竖直段（54）的长为2.65mm，宽为0.5mm，第一水平段（55）的长为3.14mm，宽为1.05mm，第二水平段（56）的长为1.8mm，宽为0.5mm。
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