CN116130949B - 一种wlan应用频率和波束混合可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线。本发明包括介质基板、接地板、天线辐射单元、二极管、电容器、馈电端口、U型缺陷地结构和二极管控制器。本发明利用微带天线特性，有效减小天线体积，并且2.4G天线结构和5G天线结构集成一体化，减少了外置天线的数量，本发明对于商用产品可以有效降低成本，双频天线集成一体，可以简化路由器电路板PCB的设计布局走线，实现了天线的波束可重构，可以根据需求改变天线的波束指向和波束宽度，提高定向增益，实现了5G天线结构中心频点连续可调，能提高天线的发射和接收效率，增大天线间的隔离度，能够减少信号的串扰。

Description

一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线。

背景技术

目前的无线局域网系统广泛的应用于居民日常生活以及企业工作场所，通过路由器实现信号的收发，而整个的收发系统中天线的性能至关重要，决定了信号的传输距离和信号的传输质量。无线局域网系统存在着三个显著的问题：

1、电磁信号覆盖范围有限：一般天线为全向波束，难于远距离用户传输信息；

2、障碍物遮挡问题：天线信号在空间传输的过程中，受到遮挡物的影响，电磁波的极化方式和传输功率都会发生变化和迅速衰减，导致信息传输错误；

3、系统容量问题：用户数量增加导致WLAN传输数据发生延时和拥堵，发生串扰，实时性和准确性变差；

如授权公开(公告)号为CN108767481A的一种宽波束的方向图可重构整流天线，属于微波天线技术领域。本发明所述方案在寄生贴片开槽并安装开关，通过控制开关的状态，接收天线能实现十三种不同的辐射方向图模式：一种全向辐射和十二种宽波束定向辐射。本发明公开了带有复数阻抗压缩网络的整流电路，从而在输入功率变化的情况下都能实现稳定且较高的整流效率。对于未知来波方向或者来波方向不固定的情况,本发明可通过微处理器来控制开关状态，使接收天线对空间进行全向扫描，从而确定来波方向，并切换到能输出最高直流功率的工作模式；

综合上述，可知现有技术中存在以下技术问题：上述现有技术只实现了方向图这个单一特性的可重构，并未涉及多个特性，因此亟需一种能够解决WLAN无线系统中的电磁信号覆盖范围有限、障碍物遮挡的天线，为此我们提出一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为了解决上述的技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，包括介质基板、接地板、天线辐射单元、二极管、电容器、馈电端口、U型缺陷地结构和二极管控制器，所述介质基板的底部固定有接地板，所述介质基板的顶部装配有天线辐射单元，所述天线辐射单元用于增加高频，所述介质基板顶部且偏离天线辐射单元的位置装配有二极管和二极管控制器，所述接地板装配有馈电端口，所述馈电端口位于天线辐射单元的中心，所述接地板且偏离馈电端口均布设置有四个U型缺陷地结构。

优选的，所述介质基板为FR4基板，所述介质基板的半径为R1。

优选的，所述天线辐射单元包括2.4G天线结构和5G天线结构，所述介质基板的顶部固定有2.4G天线结构和5G天线结构，所述2.4G天线结构（3）包括四个具有相同圆心角的第一圆环以及连接第一圆环的枝节，相对的两个第一圆环通过所述枝节连接，所述枝节经过圆心，并分别与所述两个第一圆环相交于第一圆环的一端，所述2.4G天线结构（3）呈中心对称布置，所述5G天线结构由四组长度和圆心夹角均相同的第二圆环且呈对称布置构成，且每组所述第二圆环的数量为两个。

优选的，所述第一圆环的外径是R2，宽度是W1，圆心角是α1，所述第二圆环的外径R3，圆环宽度W2，圆心夹角是α2。

优选的，所述二极管由二极管电容结构和变容二极管构成，所述2.4G天线结构和5G天线结构之间均布放置有四组二极管电容结构，所述2.4G天线结构和5G天线结构之间且偏离二极管电容结构的位置均布放置有四组匹配枝节，所述匹配枝节由两小段宽度为W3，长度分别为L1、L2的微带线组成，每组匹配枝节的两小段微带线通过变容二极管连接，且变容二极管位于两小段所述微带线的中间，所述变容二极管分别为V1、V2、V3、V4。

优选的，所述匹配枝节上也均留有馈电端口，所述馈电端口均串接一个0603封装的馈电电感。

优选的，位于天线辐射单元中心的所述馈电端口通过50欧姆的同轴线进行馈电，所述同轴线由外导体和内导体构成，所述同轴线的外导体焊接在介质板下方的接地板的中心，所述内导体穿过介质板后与辐射单元中心的圆形焊盘相连。

优选的，所述接地板为圆形导体，所述接地板的半径为R4，所述接地板的外侧每隔90°蚀刻出一个宽度为W4，长度为L6的矩形缝隙，所述矩形缝隙的末端通过两个金属短路柱与顶层的焊盘结构连接，所述二极管电容结构由正方形焊盘、内侧焊盘、四个电容和四个二极管构成，所述四个电容依次为C1、C2、C3、C4，所述四个二极管依次为D1、D2、D3、D4，两个所述短路柱穿过介质基板后与两个小的正方形焊盘连接，两个所述正方形焊盘通过四个电容C1、C2、C3、C4和四个二极管D1、D2、D3、D4与内侧焊盘连接。

优选的，所述接地板均布开设有四个接地板开缝。

可以毫无疑义的看出，通过本申请的上述的技术方案，必然可以解决本申请要解决的技术问题。

同时，通过以上技术方案，本发明至少具备以下有益效果：

1、本发明利用微带天线特性，有效减小天线体积，并且2.4G天线结构和5G天线结构集成一体化，减少了外置天线的数量，在目前主流的WIFI产品中，两个频段的天天线是分开放置的，本发明对于商用产品可以有效降低成本，双频天线集成一体，可以简化路由器电路板PCB的设计布局走线。

2、本发明实现了天线的波束可重构，可以根据需求改变天线的波束指向和波束宽度，提高定向增益，改善目前无线局域网的信号覆盖范围有限和障碍物遮挡的问题。

3、本发明实现了5G天线结构中心频点连续可调，相比固定单一频点的天线，优势明显，能提高天线的发射和接收效率。

4、本发明为减少耦合作用，引入U型缺陷地结构，增大天线间的隔离度，能够减少信号的串扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的二极管电容结构的组成结构示意图；

图3为本发明的介质基板底部的结构示意图；

图4为本发明的顶面立体结构示意图；

图5为本发明的底面立体结构示意图；

图6为本发明的顶面尺寸标注图示意图；

图7为本发明的底面尺寸标注示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

图中：1、介质基板；2、接地板；3、2.4G天线结构；4、5G天线结构；5、二极管电容结构；6、变容二极管；7、馈电端口；8、U型缺陷地结构；9、馈电电感；10、接地板开缝；11、匹配枝节；12、正方形焊盘；13、内侧焊盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

参照图1-图7，一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，包括介质基板1、接地板2、天线辐射单元、二极管、电容器、馈电端口7、U型缺陷地结构8和二极管控制器，介质基板1的底部固定有接地板2，介质基板1的顶部装配有天线辐射单元，天线辐射单元用于增加高频，介质基板1顶部且偏离天线辐射单元的位置装配有二极管和二极管控制器，通过将二极管控制器放置在远离天线结构的位置，主要的作用是提供普通二极管和变容二极管的偏置电压，分别将普通二极管D1、D2、D3、D4的控制信号管脚接入控制器，二极管需要导通时，则输出高电平，二极管需要断开时，则输出低电平；变容二极管V1、V2、V3、V4支持电压变化范围0-20V，改变控制器输出电压，实现其容值变化，接地板2装配有馈电端口7，馈电端口7位于天线辐射单元的中心，接地板2且偏离馈电端口7均布设置有四个U型缺陷地结构8；

介质基板1为FR4基板，介质基板1的半径为R1，根据Alford环天线的原理，天线的辐射单元是环状的，2.4G天线结构3为外环，5G天线结构4为内环；

天线辐射单元包括2.4G天线结构3和5G天线结构4，介质基板1的顶部固定有2.4G天线结构3和5G天线结构4，2.4G天线结构3包括四个具有相同圆心角的第一圆环以及连接第一圆环的枝节，相对的两个第一圆环通过枝节连接，枝节经过圆心，并分别与两个第一圆环相交于第一圆环的一端，2.4G天线结构3呈中心对称布置，5G天线结构4由四组长度和圆心夹角均相同的第二圆环且呈对称布置构成，且每组第二圆环的数量为两个，通过5G天线结构4的耦合结构，实现高频的特性；

第一圆环的外径是R2，宽度是W1，圆心角是α1，第二圆环的外径R3，圆环宽度W2，圆心夹角是α2；

二极管由二极管电容结构5和变容二极管6构成，2.4G天线结构3和5G天线结构4之间均布放置有四组二极管电容结构5，2.4G天线结构3和5G天线结构4之间且偏离二极管电容结构5的位置均布放置有四组匹配枝节11，匹配枝节11由两小段宽度为W3，长度分别为L1、L2的微带线组成，每组匹配枝节的两小段微带线通过变容二极管6连接，且变容二极管6位于两小段微带线的中间，变容二极管6分别为V1、V2、V3、V4，通过控制变容二极管6两端的电压值变化，二极管容值的变化导致电流分布的变化，从而改变天线结构的谐振点；

匹配枝节11上也均留有馈电端口7，馈电端口7均串接一个0603封装的馈电电感9，用于隔离交流信号；

位于天线辐射单元中心的馈电端口7通过50欧姆的同轴线进行馈电，同轴线由外导体和内导体构成，同轴线的外导体焊接在介质板下方的接地板的中心，内导体穿过介质板后与辐射单元中心的圆形焊盘相连；

接地板2为圆形导体，接地板2的半径为R4，接地板2的外侧每隔90°蚀刻出一个宽度为W4，长度为L6的矩形缝隙，矩形缝隙的末端通过两个金属短路柱与顶层的焊盘结构连接，二极管电容结构5由正方形焊盘12、内侧焊盘13、四个电容和四个二极管构成，四个电容依次为C1、C2、C3、C4，四个二极管依次为D1、D2、D3、D4，两个短路柱穿过介质基板1后与两个小的正方形焊盘连接，两个正方形焊盘12通过四个电容C1、C2、C3、C4和四个二极管D1、D2、D3、D4与内侧焊盘13连接，加入的电容可以消除直流偏置电流的影响，加入二极管可以控制接地板开缝10的通断进而改变地板上的电流分布，从而起到反射器的作用，反射器的矩形缝隙两边蚀刻四个U型的矩形环，根据仿真结果，谐振环长度越长，谐振点会向低频移动，随着环的宽度增大，谐振点会向高频移动，可以根据微带天线的具体结构，根据仿真数据，得到具体的尺寸参数；

接地板2均布开设有四个接地板开缝10。

实施例二：

参照图1-图7，一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，该天线工作时，需要同轴线缆进行馈电，然后通过二极管控制器，控制对应的二极管通断；

当需要实现波束可重构时，控制普通二极管D1、D2、D3、D4的通断；

当二极管导通时，缝隙两侧的表面电流可以直接通过，相当于此处为完整地板；当二极管断开时相当于地板由缝隙隔开，此时缝隙处会产生较强的表面电流；

如果控制两个相邻的二极管同时断开，另外两个二极管导通，断开的两个缝隙一侧面积较大的那部分地板便相当于一个反射器，所以通过合理设计缝隙的尺寸便可以提高天线的方向性；

如果所有二极管同时断开或导通，由于结构完全对称，四个缝隙处产生的电流相互抵消，此时便可以产生全向波束。二极管通断真值表如下：

当需要实现5G天线结构4的频率可重构时，控制V1、V2、V3、V4两端的偏置电压，即可实现频率连续可调。变容二极管6型号为SMV2019-079LF，变容二极管6在仿真时可等效为一个串联RLC模型，其中串联电感L=0.7nH，串联电阻R=4.8Ω，当偏置电压差在0V-20V变化时，其电容值C变化范围为2.22pF-0.3pF。频率可重构的电压控制表如下所示：

在设计天线的过程中，天线的频率和增益等指标会随着参数的变化而随之改变,可以利用仿真手段进行参数优化，得到最终结构参数；

通过上述设置，本申请必然能解决上述技术问题，同时，实现以下技术效果：

1、本发明利用微带天线特性，有效减小天线体积，并且2.4G天线结构3和5G天线结构4集成一体化，减少了外置天线的数量，在目前主流的WIFI产品中，两个频段的天天线是分开放置的，本发明对于商用产品可以有效降低成本，双频天线集成一体，可以简化路由器电路板PCB的设计布局走线。

2、本发明实现了天线的波束可重构，可以根据需求改变天线的波束指向和波束宽度，提高定向增益，改善目前无线局域网的信号覆盖范围有限和障碍物遮挡的问题。

3、本发明实现了5G天线结构4中心频点连续可调，相比固定单一频点的天线，优势明显，能提高天线的发射和接收效率。

4、本发明为减少耦合作用，引入U型缺陷地结构，增大天线间的隔离度，能够减少信号的串扰。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，其特征在于，包括介质基板（1）、接地板（2）、天线辐射单元、二极管、电容器、馈电端口（7）、U型缺陷地结构（8）和二极管控制器，所述介质基板（1）的底部固定有接地板（2），所述介质基板（1）的顶部装配有天线辐射单元，所述天线辐射单元用于增加高频，所述介质基板（1）顶部且偏离天线辐射单元的位置装配有二极管和二极管控制器，所述接地板（2）装配有馈电端口（7），所述馈电端口（7）位于天线辐射单元的中心，所述接地板（2）且偏离馈电端口（7）均布设置有四个U型缺陷地结构（8），所述天线辐射单元包括2.4G天线结构（3）和5G天线结构（4），所述介质基板（1）的顶部固定有2.4G天线结构（3）和5G天线结构（4），所述2.4G天线结构（3）包括四个具有相同圆心角的第一圆环以及连接第一圆环的枝节，相对的两个第一圆环通过所述枝节连接，所述枝节经过圆心，并分别与所述两个第一圆环相交于第一圆环的一端，所述2.4G天线结构（3）呈中心对称布置，所述5G天线结构（4）由四组长度和圆心夹角均相同的第二圆环且呈对称布置构成，且每组所述第二圆环的数量为两个，所述二极管由二极管电容结构（5）和变容二极管（6）构成，所述2.4G天线结构（3）和5G天线结构（4）之间均布放置有四组二极管电容结构（5），所述2.4G天线结构（3）和5G天线结构（4）之间且偏离二极管电容结构（5）的位置均布放置有四组匹配枝节（11），所述匹配枝节（11）由两小段微带线组成，两小段所述微带线分别与位于同一组内的两个第二圆环相互靠近的一端连接，每组匹配枝节的两小段微带线通过变容二极管（6）连接，且变容二极管（6）位于两小段所述微带线的中间，所述变容二极管（6）分别为V1、V2、V3、V4，所述接地板（2）为圆形导体，所述接地板（2）的外侧每隔90°蚀刻出矩形缝隙，所述矩形缝隙的末端通过两个金属短路柱与顶层的焊盘结构连接，所述二极管电容结构（5）由正方形焊盘（12）、内侧焊盘（13）、四个电容和四个二极管构成，所述四个电容依次为C1、C2、C3、C4，所述四个二极管依次为D1、D2、D3、D4，两个所述短路柱穿过介质基板（1）后与两个小的正方形焊盘连接，两个所述正方形焊盘（12）通过四个电容C1、C2、C3、C4和四个二极管D1、D2、D3、D4与内侧焊盘（13）连接，所述匹配枝节（11）上也均留有馈电端口（7），所述馈电端口（7）均串接一个0603封装的馈电电感（9）。

2.根据权利要求1所述的一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，其特征在于，所述介质基板（1）为FR4基板。

3.根据权利要求1所述的一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，其特征在于，位于天线辐射单元中心的所述馈电端口（7）通过50欧姆的同轴线进行馈电，所述同轴线由外导体和内导体构成，所述同轴线的外导体焊接在介质板下方的接地板的中心，所述内导体穿过介质板后与辐射单元中心的圆形焊盘相连。

4.根据权利要求1所述的一种WLAN应用频率和波束混合可重构天线，其特征在于，所述接地板（2）均布开设有四个接地板开缝（10）。