CN102694247A - 一种集成窄带和超宽带的认知无线电天线 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种集成窄带和超宽带的认知无线电天线，包括介质基板、辐射单元、宽槽结构、共面波导接地面、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线、共面波导馈电结构；辐射单元、宽槽结构、共面波导接地面、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线印刷在介质基板上，共面波导馈电信号带线位于共面波导接地面的内部且分布于基板的两端，在共面波导接地面上刻蚀宽槽结构，辐射单元位于宽槽结构的内部，共面波导馈电信号带线通过阶状馈电线与辐射单元连接；由辐射单元、宽槽结构、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线和共面波导接地面构成共面波导馈电结构。本发明可提供一种带宽宽，辐射效率高能实现超宽带通信和窄带重构通信的一种无线电天线。

Description

一种集成窄带和超宽带的认知无线电天线

技术领域

本发明涉及的是一种平面印刷板天线，特别是涉及一种集成窄带和超宽带的认知无线电天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线通信的依赖越来越强，特别是移动通信技术在我国的成功运营以来，人们深深的体验到无限通信的方便性和及时性，特别是3G移动通信运营以来，多种协议（GSM,CDMA,CDMA2000,WCDMA,TDSCDMA）出现共存的局面，且移动终端用户空前增加，这在几年前是无法想象的。随之带来了很多问题，如6GHz以下频率使用很拥挤，各种体制和协议共存。但是要满足多体制和多用户的协同工作，必须要求设备的硬件升级，但是对硬件的重新设计，会给运营商和服务商的带来很多不便，同时会增加运营成本。所以采用软升级的方法，不但能有效的节约成本，同时能为用户提供高质量的通信服务，还可以延长无线通信***的生存寿命。因此，无线通信的运营商和服务商越来越关注经得起时间考验的无线通信***，而不是像现在的通信***，随着技术的发展，需要不断的更新***设备，软件无线电就是在这样的背景下提出的。

软件无线电采用固定不变的硬件平台，通过软件重构（升级）来实现灵活多变的通信体制和通信功能的无线电***。但是射频前端是无限通信的重要组成部分，特别是天线的设计，一副高性能的天线不仅能弥补无线通信的不足，同时能实现高性能的通信，能兼顾目前的通信协议，而且还可以实现多***之间的协同通信。文献“杨小牛，从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电——无线通信发展展望，中国电子科学研究院学报，3（1），pp1-7,2008”指出无线通信的主要特点是信号通过空间的电磁波进行传播，因此必然占有一定的频谱，而频谱资源是有限，且对目前的软件无线电，认知无线电进行了分析和阐述。文中指出目前的频谱资源的管理主要是采用通用的授权的非授权两种管理体制，对于授权的频段，非授权用户是不能随意使用。因此在某个频段授权后严重降低了频谱资源的利用效率，而在非授权的频段内则新号非常拥挤，如2.4GHz频段内存在，ISM，WLAN，WiFi等多种通信协议，使得在此这些非授权使用的频段内存在许多协议的信号，导致信息阻塞严重。

为了解决在目前的通信中频谱资源的紧张和频谱利用的不均衡性，基于软件无线电的认知无线电概念是一种具有频谱感知的能力的智能化软件无线电，认知无线电不仅能感知周围的电磁环境，寻找频谱资源的空穴，并且能通过通信协议和算法将通信双方的信号参数调整到最佳的状态。正因为认知无线电不仅具有通信功能，而且还需具备频谱探测能力，具备多功能特征，借助于软件无线电的来实现。因此研究软件无线电的研究成为热门的课题。但是目前的研究主要集中在功率控制，频谱检测，频谱的分配算法以及结合自由组网技术实现上，很少有人关心射频前端的研究。除此之外，现代无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能化，小型化，超宽带以及与周围环境友好协调的方向发展，这使得宽频带，小型化，高增益成为国内外研究的热点课题之一。近年来，各种各样的超宽带天线相继问世，特别是采用微带技术的印刷板天线，该结构可以通过照相或者光刻技术制作，并且有较好的极化特性，因此该技术已经应用在超宽带天线的设计和相关的微波电路元器件的设计中。

作为认知无线电的重要组成部分之一的天线，认知无线电***的天线需要有以下特点：该天线能感知频谱；能实现重构通信；能重构频谱。因此研究认知无线电天线是目前研究的热点和难点之一。国内外的专家学者相继提出一系列的结构。文献“M.Manteghi,“Aswitch-band antenna for software defined radio applications,”IEEE Antennas Wireless andPropagation Letters,vol.8,pp.3–5,2009.”介绍一种可以调节的窄带倒F形天线。该天线的结构较大，且在重构时的设计复杂，且不能满足宽带通信的需求。于是文献“K.R.Boyle et al.,“Reconfigurable antennas for SDR and cognitive radio,”in Proc.2nd Eur.Conf.Antennas Propag.,pp.1–6,2007.”提出一些宽带的天线，来满足宽带通信的需求，但是这个天线的结构复杂。文献“Y.Tawk and C.G.Christodoulou,A new reconfigurable antenna design for cognitive radio,IEEE Antennas Wireless and Propagation Letters,8,pp.1378–1381,2009.”提出了有效的设计用于认知无线电的重构天线，该天线能有效的感知信道的信息，通过采用旋转的结构来实现重构和感知，并且保证二者在工作时的隔离度满足需求。作者将感知和重构进行集成设计，并且集成在同一介质上，该设计有效的降低天线的设计尺寸和设计空间，同时能够满足认知无线电的通信需求。首先作者主要设计一款超宽带天线作为感知使用，然后设计一个三角形单极子天线作为窄带重构通信天线，最后把二者集成在一起制作在同一种介质上，作为认知无线电天线使用。该结构新颖，能很好的实现上述的三项技术指标，但是该天线的体积仍然比较大，不能满足***的小型化设计需求。但是该天线存在以下缺陷：设计复杂，需要旋转来实现重构通信，窄带和宽带的隔离度相对较低，结构复杂，不利于集成化设计和小型化设计。

为了进一步的设计实用简单的认知无线电天线，文献“J.R.Kelly，P.S.Hall,P.Gardner andF.ghanem,Integrated narrow/band-notched UWB antenna,ElectronicsLetters,46(12),pp.814-816,2010.”和文献“F.Ghanem,P.S.Hall and J.R.Kelly，J.Doe,“Two portfrequency reconfigurable antenna for cognitive radios”,Electronics Letters,vol.45,2009,pp.534-536.”采用宽带天线和窄带天线集成的方法设计认知无线电天线，但是这两种天线采用过孔技术，不利于实际的设计和操作，且结构想多不较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带宽宽，辐射效率高能实现超宽带通信和窄带重构通信的一种集成窄带和超宽带的认知无线电天线。

本发明的目的是这样实现的：

包括介质基板、辐射单元、宽槽结构、共面波导接地面、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线、共面波导馈电结构；辐射单元、宽槽结构、共面波导接地面、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线印刷在介质基板上，共面波导馈电信号带线Ⅰ和共面波导馈电信号带线Ⅱ分别位于共面波导接地面的内部且分布于基板的两端，共面波导馈电信号带线的中线与水平方向垂直，在共面波导接地面上刻蚀宽槽结构Ⅰ和宽槽结构Ⅱ，辐射单元Ⅱ位于宽槽结构Ⅱ的内部，辐射单元Ⅱ与共面波导馈电信号带线Ⅱ相连的边与水平方向平行，辐射单元Ⅰ位于宽槽结构Ⅰ的内部，辐射单元Ⅰ的底边与水平方向平行，共面波导馈电信号带线Ⅰ通过阶状馈电线与辐射单元Ⅰ连接，共面波导馈电信号带线Ⅱ直接和辐射单元Ⅱ连接；窄带天线由辐射单元Ⅰ、宽槽结构Ⅰ、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线Ⅰ和共面波导接地面构成共面波导馈电结构Ⅰ；超宽带天线由宽槽结构Ⅱ，辐射单元Ⅱ，共面波导馈电信号带线Ⅱ和共面波导接地面构成共面波导馈电结构Ⅱ。

所述的辐射单元为圆形辐射单元、多边形辐射单元和康托集分形辐射单元。

所述的宽槽结构Ⅰ为圆形宽槽结构和多边形宽槽结构。

所述的宽槽结构Ⅱ为圆形宽槽结构和多边形宽槽结构。

本发明的优点在于：

1、涉及的认知无线电天线结构简单，采用超宽带天线和窄带天线集成的方法，把二者集成在一起，有效的降低天线的尺寸。

2、超宽带天线采用康托集分形辐射单元，可以根据康托集理论进行分析和设计，设计简单。本发明的窄带天线直接采用单极子天线的结构，为了增加天线的阻抗带宽，采用阶状馈电线馈电的形式，有效的改变了天线的阻抗，使所设计的天线满足实际需求。

3、采用宽槽结构，不仅有效的提高设计天线的阻抗带宽，同时能通过宽槽结构，使所设计的天线分别设计在两个不同的宽槽结构内，因此有效的降低二者之间的耦合。该天线结构简单，紧凑，体积小，加工方便，成本低。

附图说明

图1为本发明实施方式1的基本结构俯视图；

图2为本发明实施方式1的基本结构正视图；

图3为本发明实施方式1的0阶康托集分形结构；

图4为本发明实施方式1的1阶康托集分形结构；

图5为本发明实施方式1的2阶康托集分形结构；

图6为本发明实施方式1的基本结构的侧视图；

图7为本发明实施方式1的仿真回波损耗和隔离度；

图8为本发明实施方式1的超宽带天线在3.5GHz的辐射方向图；

图9为本发明实施方式1的超宽带天线在7.5GHz的辐射方向图；

图10为本发明实施方式1的超宽带天线在9GHz的辐射方向图；

图11为本发明实施方式1的窄带天线在8.8GHz的辐射方向图；

图12为本发明实施方式2的基本结构俯视图；

图13为本发明实施方式3的基本结构俯视图；

图14为本发明实施方式4的基本结构俯视图；

具体实施方式

下面结合附图举例本对发明做更详细地描述：

本发明属于二端口共面波导馈电的单极子天线，该天线印制在介质基板上，该天线采用多边形宽槽结构和矩形宽槽结构单极子天线集成的方法，把超宽带天线和窄带天线集成在同一介质上。超宽带天线的辐射单元采用康托集分形辐射单元，有效的增加天线的阻抗带宽。窄带天线的辐射单元采用阶状馈电线馈电的等腰三角形辐射单元。两个天线之间有较高的隔离度，能够满足认知无线电的通信需求。该天线具有良好的阻抗带宽，且能实现频谱感知和重构通信。此外，本发明所涉及的天线有较好的隔离度，能满足超宽带和窄带***同时通信，该天线结构简单，且窄带天线的中心频率可以调节，因此大大增加了其适用范围。本发明采用印刷天线结构和共面波导馈电结构，大大降低了天线体积，且比较容易和射频前端微波集成电路集成。

本发明采用的技术方案为：

1、超宽带天线的辐射单元采用康托集分形贴片，有效的增加了电流的流经路径，便于设计和制作，且能保证较好的阻抗匹配，实现宽频带阻抗匹配，同时有较好的全向辐射特性。

2、本发明的超宽带天线和窄带天线均采用共面波导馈电结构，共面波导馈电信号带线直接分别和超宽带天线的康托集分形辐射单元和窄带天线的阶状馈电线馈电的等腰三角形辐射单元连接，从而构成类似于单极子天线结构。

3、本发明的超宽带天线和窄带天线分别设计在两个不同的宽槽内，有效的降低了二者之间的耦合，同时便于单独设计和调试。此外，把二者集成在一个介质基板上，有效的降低了尺寸，实现产品的小型化设计。

实施方式1：

结合图1~6所设计的天线由介质基板109、辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元103、辐射单元Ⅰ等腰三角形辐射单元105、宽槽结构Ⅱ104和宽槽结构Ⅰ106、共面波导接地面102、阶状馈电线108、共面波导馈电结构组成。共面波导馈电信号带线Ⅱ101和共面波导馈电信号带线Ⅱ107直接和SMA的内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面102连接。根据图1、图2、图3，图4，图5和图6所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足认知无线电的通信需求。天线参数的设计：

1、介质基板的选择

介质基板的介电常数一般在2-9.8之间，本发明采用的介电常数为2.65的聚四氟乙烯板，该基板价格较低，损耗较小，且可以满足上述要求。在实际中，可根据实际应用采用介电常数损耗角小的介质基板，如介电常数损耗角小于10^-3的基板。本发明采用的介质基板的厚度为1.6mm，满足所需的强度。

2、共面波导馈电结构的设计

整个天线的共面波导的馈电结构的阻抗为50Ω，根据有限地共面波导馈电结构的计算公式，计算出共面波导馈电信号带线Ⅱ101和共面波导馈电信号带线Ⅰ107的宽度，以及共面波导馈电信号带线Ⅱ101和共面波导馈电信号带线Ⅰ107与共面波导接地面102之间的缝隙的宽度。共面波导的阻抗与共面波导馈电信号带线Ⅱ101和共面波导馈电信号带线Ⅰ107的导带宽度、以及共面波导馈电信号带线Ⅱ101和共面波导馈电信号带线Ⅰ107与共面波导接地面102之间的缝隙的宽度、介质基板109的厚度和介电常数有关，只要改变一个参数，就能改天线的特性阻抗。为此还可以利用常用的计算公式来计算有限接地面共面波导的特性阻抗。

3、康托集分形辐射单元的设计

根据微带天线知识，单极子天线和康托集理论知识的基本理论，设计满足超宽带通信的康托集分形结构辐射单元。可以调节康托集分形结构辐射单元的几何尺寸，辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元与宽槽结构Ⅱ多边形宽槽结构之间的耦合缝隙等对所设计的天线进行优化，使所设计的天线能够满足宽带通信的需求。

其0次迭代的辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元为矩形贴片单元，如图3所示，1次迭代的辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元如图4所示，2次迭代的辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元如图5所示。

其设计步骤如下，图3，图4，图5的辐射单元分别记为A，B，C。则可以根据辐射单元Ⅱ康托集知识和理论得到所设计天线的结构，其相关设计公式如下：

$W\left(A\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\∪}}}{A}_i$

$W\left(B\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\∪}}}{A}_i-A_2$

$W\left(A_1\right)=\left[\left(\mathrm{0,0}\right)(\frac{x}{3},0)(\frac{x}{3},\frac{y}{2})(0,\frac{y}{2})\right]$

$W\left(A_3\right)=\left[(\frac{2x}{3},0)(x,0)(x,\frac{y}{2})(\frac{2x}{3},\frac{y}{2})((0,\frac{y}{2})\right]$

$W\left(A_4\right)=\left[(0,\frac{y}{2})(\frac{x}{3},\frac{y}{2})(\frac{x}{3},y)(0,y)\right]$

$W\left(A_5\right)=\left[(\frac{x}{3},\frac{y}{2})(\frac{2x}{3},\frac{y}{2})(\frac{2x}{3},y)(\frac{x}{3},y)\right]$

$W\left(A_6\right)=\left[(\frac{2x}{3},\frac{y}{2})(x,\frac{y}{2})(x,y)(\frac{2x}{3},y)\right]$

$W\left(C_i\right)=\underset{k=1}{\overset{6}{\mathrm{\∪}}}{A}_{i,k}-A_{i,2}(i\≠2)$

$W\left(C\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\∪}}}(\underset{k=1}{\overset{6}{\mathrm{\∪}}}{A}_{i,k}-A_{i,2})(i\≠2)$

上述公式中上述公式中W为辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元的形状。A为图3所示的辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元0阶迭代的结构。B为图4所示的辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元1阶迭代的结构,B由A_i(i=1,3,4,5,6)组成。根据康托集分形理论，A₂从A中移除，剩余其余的5个部分构成B，即A₁，A₃，A₄，A₅，A₆组成B。C为图5所示的辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元2阶迭代的结构，把B中的每个子块按照康托集理论移除后得到C。以B中子块A₁为例，A₁由A₁₁，A₁₂，A₁₃，A₁₄，A₁₅，A₁₆组成，根据康托集理论，移除A₁₂，依次类推，构成图4所示的结构。A_i,k为构成A_i的子块，如A₁的子块为A₁₁，A₁₂，A₁₃，A₁₄，A₁₅，A₁₆。x,y为A在如图3和图4所示的直角坐标系中x方向的长度和y方向的长度。

利用高频结构仿真软件仿真的天线的回波损耗和隔离度如图7所示，图7为该认知无线电天线的回波损耗和隔离度曲线，从图7中可以看出康托集分形超宽带天线的回波损耗小于-10dB阻抗带宽是2.74-10.7GHz，满足认知传感的通信需求。窄带天线谐振在8.2GHz-9.4GHz之间，可以满足重构通信的需求，二者之间的隔离度小于-10dB。认知传感天线在3.5GHz，7.5GHz，9GHz的辐射方向图分别如图8，图9和图10所示，从图中看出该天线满足全向辐射特性需求。窄带天线的在8.8GHz的辐射方向图如图11所示，从图8，图9，图10和图11上看出该天线满足全向辐射特性。该天线可以用做认知无线电通信，满足认知传感和窄带重构通信的需求。

实施方式2：

如图12所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例1的基础上，其窄带天线的辐射辐射贴片采用辐射单元Ⅰ矩形辐射单元205，可以满足窄带通信的需求，实现重构通信。所设计的天线由介质基板、辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元203、辐射单元Ⅰ矩形辐射单元205、宽槽结构Ⅱ204和宽槽结构Ⅰ206、共面波导接地面202、阶状馈电线208、共面波导馈电结构组成。共面波导馈电信号带线Ⅱ201和共面波导馈电信号带线Ⅰ207直接和SMA的内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面202连接。根据图12所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足认知无线电的需求。

实施方式3：

如图13所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例1和2的基础上，仅利用康托集分形天线构成超宽带天线。所设计的天线由介质基板、辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元303、宽槽结构Ⅱ304、共面波导接地面302、共面波导馈电结构组成。整个天线印刷在介电常数为2.65的介质基板上。该天线的共面波导馈电信号带线Ⅱ301直接和SMA内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面302连接。根据图13所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性。

实施方式4：

如图14所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例3的基础上，在共面波导的顶部刻蚀一个U形槽，从而产生一个陷波特性，实现超宽带通信与窄带通信的协同工作，有效的降低二者之间的干扰。所设计的天线由介质基板、辐射单元Ⅱ康托集分形辐射单元403、宽槽结构Ⅱ404、共面波导接地面402、共面波导馈电结构和刻蚀再在共面波导接地面上的U形槽405构成。整个天线印刷在介电常数为2.65的介质基板上。该天线的共面波导馈电信号带线Ⅱ401直接和SMA内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面402连接。根据图14所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能在超宽带天线的频段内产生一个陷波带宽，满足其超宽带和窄带的协同工作。

Claims (5)

1.一种集成窄带和超宽带的认知无线电天线，包括介质基板、辐射单元、宽槽结构、共面波导接地面、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线、共面波导馈电结构，其特征是：辐射单元、宽槽结构、共面波导接地面、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线印刷在介质基板上，共面波导馈电信号带线Ⅰ和共面波导馈电信号带线Ⅱ分别位于共面波导接地面的内部且分布于基板的两端，共面波导馈电信号带线的中线与水平方向垂直，在共面波导接地面上刻蚀宽槽结构Ⅰ和宽槽结构Ⅱ，辐射单元Ⅱ位于宽槽结构Ⅱ的内部，辐射单元Ⅱ与共面波导馈电信号带线Ⅱ相连的边与水平方向平行，辐射单元Ⅰ位于宽槽结构Ⅰ的内部，辐射单元Ⅰ的底边与水平方向平行，共面波导馈电信号带线Ⅰ通过阶状馈电线与辐射单元Ⅰ连接，共面波导馈电信号带线Ⅱ直接和辐射单元Ⅱ连接；窄带天线由辐射单元Ⅰ、宽槽结构Ⅰ、阶状馈电线、共面波导馈电信号带线Ⅰ和共面波导接地面构成共面波导馈电结构Ⅰ；超宽带天线由宽槽结构Ⅱ，辐射单元Ⅱ，共面波导馈电信号带线Ⅱ和共面波导接地面构成共面波导馈电结构Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的集成窄带和超宽带的认知无线电天线，其特征是：所述的辐射单元为圆形辐射单元、多边形辐射单元和康托集分形辐射单元。

3.根据权利要求1或2所述的集成窄带和超宽带的认知无线电天线，其特征是：所述的宽槽结构Ⅰ为圆形宽槽结构和多边形宽槽结构。

4.根据权利要求1或2所述的集成窄带和超宽带的认知无线电天线，其特征是：所述的宽槽结构Ⅱ为圆形宽槽结构和多边形宽槽结构。

5.根据权利要求3所述的集成窄带和超宽带的认知无线电天线，其特征是：所述的宽槽结构Ⅱ为圆形宽槽结构和多边形宽槽结构。

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