CN112201934B - 一种双频天线及天线阵列 - Google Patents

一种双频天线及天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频天线及天线阵列，所述双频天线包括：介质基板和扇弧形振子；扇弧形振子包括两个扇弧形臂，其中，每个扇弧形臂由一个扇形贴片和一个弧形贴片组成，扇形贴片与弧形贴片通过电感器连接，扇形贴片另一端与电容结构连接；所述电容结构位于所述扇弧形振子中部，由两个平行的贴片构成，所述两个平行的贴片分别位于介质基板的正面和背面相对位置；通过电感器连接扇形贴片和弧形贴片，从而实现双频工作。如此，本发明仅采用一个振子即可实现双频工作，有效减小了双频天线整体的尺寸。此外，本发明提供的双频天线中，还可以包括寄生单元，所述寄生单元中间加载开关，通过控制开关通断来改变寄生单元的作用，实现方向图重构。

Description

一种双频天线及天线阵列
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种双频天线及天线阵列。
背景技术
由于无线局域网的广泛使用，使2.4GHz频段超负荷，因此需要拓展为2.4GHz及5GHz双频段。然而，现有的双频天线，往往需要通过两个振子来实现，体积较大，不利于整个天线的集成。
随着无线通信***的发展，方向图可重构天线被广泛研究。方向图可重构天线能够减小干扰、提高安全性并且通过定向发射信号来减小能量损耗。双频段方向图可重构天线是适用这种需求的技术。
可重构天线通过改变天线电流分布，使其具有多种工作模式，形成多个天线在功能上的叠加，满足无线***发展的需求，减少电磁干扰，因此具有较高的价值。
现有的方向图可重构天线大多存在频带宽度较窄、体积较大，可重构状态较少等问题。
同时，在方向图可重构天线中使用的光控微波开关(Optically ControlledMicrowave Switches,OCMS)，与微机电开关(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)和PIN二极管相比，OCMS具有以下显著优势：(1)无需直流偏置电压；(2)良好的电磁兼容性；(3)极快的响应速度。这些优势说明OCMS可以在复杂电磁环境下实现微波开关与***部件之间良好的电磁兼容。
但是现有的光控微波开关仍然存在诸多的不足，比如相比于MEMS开关具有较高的***损耗，激励光源需要使用激光，不利于成本控制等等，因此需研究如何提升光控微波开关的电气性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种双频天线及天线阵列，在保证双频段范围内正常工作的同时，减小双频天线整体的尺寸。
为实现上述目的，本发明提供了一种双频天线，包括：介质基板和扇弧形振子；所述扇弧形振子包括两个扇弧形臂，两个扇弧形臂分别位于所述介质基板的正面和背面；每个扇弧形臂包括一个扇形贴片和一个弧形贴片，所述扇形贴片与所述弧形贴片通过电感器连接，所述扇形贴片另一端与电容结构连接；所述电容结构位于所述扇弧形振子中部，由两个平行的贴片构成，所述两个平行的贴片分别位于介质基板的正面和背面相对位置；高频带时，所述电感器高阻隔开扇形贴片和弧形贴片，仅扇形贴片辐射；低频带时，所述电感器低阻连通扇形贴片和弧形贴片，扇形贴片和弧形贴片一起辐射，从而实现双频工作。
进一步地，还包括：两个大寄生单元和两个小寄生单元；所述扇弧形振子以及四个寄生单元均关于同一对称轴对称；所述四个寄生单元均位于所述介质基板的正面；每个寄生单元均包括两个对称的寄生贴片，中间通过开关连接；两个大寄生单元和两个小寄生单元均关于所述扇弧形振子对称，且所述小寄生单元相对于所述大寄生单元更靠近所述扇弧形振子。
进一步地，所述四个寄生单元均为领结形，其寄生贴片为扇矩形，领结形寄生单元的领结形状配合扇弧形振子，可形成良好的方向性。
进一步地，所述双频天线中，谐振在2.45GHz和5.40GHz频点，频段为2.40GHz-2.51GHz和5.15-6.04GHz，通过控制开关的通断来让在XOY平面的方向图主瓣最大增益点在0°和180°之间互相切换；所述两个大领结形寄生单元控制2.40GHz-2.51GHz频段波束方向，所述两个小领结形寄生单元控制5.15-6.04GHz频段波束方向。
进一步地，所述介质基板为矩形面的绝缘材料。
进一步地，所述寄生单元中的开关为光控微波开关，所述光控微波开关包括两个金属贴片、光敏半导体材料、导光材料以及反光材料；
其中，所述导光材料外形为长方体结构，所述光敏半导体材料嵌入到所述导光材料中，被所述导光材料包围；所述反光材料贴在所述导光材料外表面，仅留一个进光口；所述两个金属贴片放置在所述光敏半导体材料两端，用于连接所述光敏半导体材料与外部的微带线。
进一步地，所述光敏半导体材料为高阻抗的掺杂硅片，被特定波长的光照射时，光敏半导体材料的电导率显著增加。
进一步地，所述反光材料为由多层不同性能材料组成的层结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种2*2MIMO天线阵列，包括两个上述的双频天线，其中，两个天线在水平方向上下摆放或左右摆放，且一个天线相对于另一个天线顺时针旋转90°。
为实现上述目的，本发明提供了一种4*4MIMO天线阵列，包括四个上述的双频天线，其中，四个天线在水平方向呈田字形摆放，左上方天线、右上方天线、右下方天线分别相对于左下方天线顺时针旋转90°、180°、270°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的双频天线中，扇弧形振子的每个扇弧形臂由一个扇形贴片和一个弧形贴片组成，扇形贴片与弧形贴片之间由一个电感器连接，电感器在高频带和低频带辐射作用不同，高频带相当于隔开扇形贴片和弧形贴片，只有扇形贴片辐射；低频带则相当于连通扇形贴片和弧形贴片，扇形贴片和弧形贴片作为一个整体一起辐射，从而实现双频工作。如此，本发明仅采用一个振子即可实现双频工作，在保证双频段范围内正常工作的同时，有效减小了双频天线整体的尺寸。
(2)本发明提供的双频天线中，寄生单元中间加载开关，当开关导通时，寄生单元起到反射器的作用，开关断开则起到引向器的作用，通过控制开关通断来改变寄生单元的作用，实现方向图重构；且寄生单元中的每个开关可以独立控制，从而可以实现多种方向图。
(3)寄生单元的领结形状配合扇弧形振子，可形成良好的方向性。
(4)本发明的扇弧形振子尺寸小，更利于整个天线的集成；两个扇弧形臂之间是一个平行的电容结构，用于阻抗匹配，与电感器配合，使得整个天线收发信号的性能更好。
(5)本发明中提供的光控微波开关，将硅片嵌入导光材料之中，使导光材料环绕包围硅片，照射光经进光口进入导光材料后，会在导光材料中传播，从而照射硅片外表面，使硅片外表层都形成等离子体，从而增加电导率，降低插损；最外层的反光材料避免光外漏损失，提高光照效率；金属贴片、光敏半导体材料、导光材料及反光材料为一体化结构。
附图说明
图1是本发明提供的一种双频天线整体结构示意图，图2(A)是天线正面图，图2(B)是天线背面图；
图3是本发明提供的另一种双频天线整体结构示意图，图4(A)是天线正面图，图4(B)是天线背面图，图4(C)是天线侧视图，图4(D)是扇弧形振子和同轴线馈电结构连接示意图，图4(E)是同轴线馈电结构示意图，图4(F)和图4(G)是同轴线馈电结构参数图；
图5(A)是2*2MIMO天线阵列整体结构示意图，图5(B)是2*2MIMO天线阵列正面图，图5(C)是2*2MIMO天线阵列背面图；
图6(A)是4*4MIMO天线阵列整体结构示意图，图6(B)是4*4MIMO天线阵列正面图，图6(C)是4*4MIMO天线阵列背面图；
图7(A)至图7(D)是本发明双频天线结构参数图；
图8(A)和图8(B)是本发明双频天线在状态一和状态二下的S11(回波损耗)曲线图；
图9(A)和图9(B)是本发明单体天线在状态一的2.4GHz和5.5GHz的XOY平面的方向图；
图10(A)和图10(B)是本发明单体天线在状态二的2.4GHz和5.5GHz的XOY平面的方向图；
图11(A)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态一下的S11曲线图，图11(B)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态二下的S11曲线图；
图12(A)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态一下的S21曲线图，图12(B)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态二下的S21曲线图；
图13(A)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态一下的XOY面方向图(实线为2.45GHz，虚线为5.70GHz)，图13(B)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态二下的XOY面方向图(实线为2.45GHz，虚线为5.70GHz)；
图14是4*4MIMO天线阵列中四个单体天线都为状态二的S(散射参数)曲线图，包括S11、S12、S13、S14；
图15(A)是本发明提供的光控微波开关立体结构示意图，图15(B)是光控微波开关俯视图；
图16(A)、图16(B)和图16(C)分别为光控微波开关俯视参数图、左视参数图和正视参数图；
图17(A)和图17(B)分别为开关+微带线结构的俯视图和左视图；
图18(A)和图18(B)分别为开关+微带线结构的俯视参数图和左视参数图；
图19(A)为开关光照时的S21曲线图，图19(B)为开关光照时的S11曲线图；
图20(A)为开关无光照时的S21曲线图，图20(B)为开关无光照时的S11曲线图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明提供的一种双频天线整体结构示意图，包括：介质基板和扇弧形振子；
所述扇弧形振子包括两个扇弧形臂，两个扇弧形臂分别位于所述介质基板的正面和背面；
每个扇弧形臂包括一个扇形贴片和一个弧形贴片，所述扇形贴片与所述弧形贴片通过电感器连接，所述扇形贴片另一端与电容结构连接；所述电容结构位于所述扇弧形振子中部，由两个平行的贴片构成，所述两个平行的贴片分别位于介质基板的正面和背面相对位置；
高频带时，所述电感器高阻隔开扇形贴片和弧形贴片，仅扇形贴片辐射；低频带时，所述电感器低阻连通扇形贴片和弧形贴片，扇形贴片和弧形贴片一起辐射，从而实现双频工作。
如图3所示，是本发明提供的另一种双频天线整体结构示意图，在图1的基础上，还包括：两个大寄生单元和两个小寄生单元；
所述扇弧形振子以及四个寄生单元均关于同一对称轴对称；
所述小寄生单元位于靠近所述扇弧形振子的一侧；
所述四个寄生单元均位于所述介质基板的正面；每个寄生单元均包括两个对称的寄生贴片，中间通过开关连接；两个大寄生单元和两个小寄生单元均关于所述扇弧形振子对称。
具体的，天线介质基板为绝缘的FR4材料，该基板的尺寸为50mm*50mm*1.6mm；单个大领结形寄生单元由两个对称扇矩形贴片组成，中间通过一个大小为0.94mm*0.94mm的开关连接；单个小领结形寄生单元由两个对称扇矩形贴片组成，中间通过一个大小为0.94mm*0.94mm的开关连接；扇弧形振子的每个扇弧形臂由一个扇形贴片和一个弧形贴片组成，扇形贴片和个弧形贴片通过一个感值为5nH的贴片电感器连接，贴片电感的尺寸为1mm*0.5mm。
如图4(D)和图4(E)所示，同轴线馈电结构设置于双频方向图可重构天线的几何中心，穿过电容结构，用于激励扇弧形振子，使扇形贴片和/或弧形贴片产生电磁辐射；同轴线的内导体探针垂直穿过介质基板并与正面的扇弧形臂连接，同轴线的外导体与背面的扇弧形臂连接。
如图7(A)至图7(D)所示，是本发明实施例双频方向图可重构天线结构参数图，具体参数如表1所示。
表1
W W1 W2 D L1 L2 L3 L4 L5
0.94mm 1mm O.5mm 1mm 2.26mm 17.30mm 2.26mm 6.80mm 2.26mm
L6 L7 L8 L9 La Lb Lc Ld Le
4.80mm 6.82mm 1.19mm 0.54mm 2.52mm 6.34mm 8.02mm 1.70mm 9.80mm
H H1 S1 S2 D1 D2
1.6mm 0.2mm 2mm 1.6mm 2.3mm 2.7mm
进一步地，通过控制开关通断来改变寄生单元的作用，实现方向图重构。具体的，寄生单元中间加载开关，当开关导通时，寄生单元起到反射器的作用，开关断开则起到引向器的作用，通过控制开关通断来改变寄生单元的作用，实现方向图重构，以双频方向图可重构天线在两种不同状态下为例，进行说明。
状态一：图3中，由上到下的开关依次断开、导通、断开、导通；
状态二：图3中，由上到下的开关依次导通、断开、导通、断开。
图8(A)和图8(B)是本发明双频天线在状态一和状态二下的S11(回波损耗)曲线图；
图9(A)和图9(B)是本发明单体天线在状态一的2.4GHz和5.5GHz的XOY平面的方向图；
图10(A)和图10(B)是本发明单体天线在状态二的2.4GHz和5.5GHz的XOY平面的方向图；
图11(A)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态一下的S11曲线图，图11(B)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态二下的S11曲线图；
图12(A)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态一下的S21(隔离度)曲线图，图12(B)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态二下的S21曲线图；
图13(A)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态一下的XOY面方向图(实线为2.45GHz，虚线为5.70GHz)，图13(B)是2*2MIMO天线阵列中两个单体天线都为状态二下的XOY面方向图(实线为2.45GHz，虚线为5.70GHz)；
图14是4*4MIMO天线阵列中四个单体天线都为状态二的S(散射参数)曲线图，包括S11、S12、S13、S14，其中，S11是单个天线的回波损耗，S12、S13和S14代表MIMO阵列中不同单体天线之间的隔离度。
此外，本发明中开关可以是电控微波开关，也可以是光控微波开关。
下面以光控微波开关为例，介绍本发明相对于现有光控微波开关的主要改进。
本发明的光控微波开关结构如图15(A)和图15(B)所示，主要包括金属贴片、光敏半导体材料、导光材料及反光材料；其中，所述导光材料外形为长方体结构，所述光敏半导体材料嵌入到所述导光材料中，被所述导光材料包围；所述反光材料贴在所述导光材料外表面，仅留一个进光口；所述两个金属贴片放置在所述光敏半导体材料两端，用于连接所述光敏半导体材料与外部的微带线。
具体的，本实施例中光控微波开关尺寸约为2.2mm*2.4mm*0.68mm，其中金属贴片为长方体铜片，尺寸为2mm*0.2mm*0.2mm，共两片，放置在光敏半导体材料两端，连接光敏半导体材料与外部的微带线；光敏半导体材料为高阻抗掺杂硅片，被特定波长光照射时，半导体材料的电导率显著增加，尺寸为2mm*2mm*0.28mm；导光材料为PC材料或者PMMA材料，包围着光敏半导体材料，外形为长方体结构，尺寸2.2mm*2.4mm*0.68mm，传导光至光敏半导体材料的各个面；反光材料由多层不同性能材料组成的层结构，贴在导光材料各个面，反射光照，避免光能外漏，提高光照效率。光从进光口照射，经导光材料照射到硅片的各个面，使得硅片各面由不导电的暗态转化为等离子层，显著增大电导率；无光照时整个硅片不导电，电导率很小。
如图16(A)至图16(C)所示，是本发明实施例光控微波开关结构参数图，具体参数如表2所示。
表2(单位：mm)
L W h W1 L1 h1 L2 d R1 h2
33 27 1.6 2 3 0.28 2 0.1 1 0.2
将上述光控微波开关安装在微带线上，如图17(A)和图17(B)所示，图17(A)为俯视图，图17(B)为左视图，其中微带线中心导带尺寸为33mm*3mm，接地平面尺寸为33mm*27mm；介质基板为矩形面的FR4材料，尺寸为33mm*27mm*1.6mm，介电常数为4.4。具体参数如图18(A)和图18(B)所示。两个端口分别在微带线的两端，有光照射时，S21表示***损耗，无光照时，S21表示隔离度。
根据表1的具体参数仿真的结果如图19(A)、图19(B)、图20(A)、图20(B)所示。图19(A)为本开关在光照下的***损耗曲线图，从图中可以看出，1～6GHz频段范围内，***损耗在1.6dB以下。图20(A)为本开关在无光照时的隔离度曲线图，从图中可以看出，1～4.2GHz频段范围内，隔离度大于15dB，4.2～6GHz频段范围内，隔离度大于12dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双频天线，其特征在于，包括：介质基板和扇弧形振子；
所述扇弧形振子包括两个扇弧形臂，两个扇弧形臂分别位于所述介质基板的正面和背面；
每个扇弧形臂包括一个扇形贴片和一个弧形贴片，所述扇形贴片与所述弧形贴片通过电感器连接，所述扇形贴片另一端与电容结构连接；所述电容结构位于所述扇弧形振子中部，由两个平行的贴片构成，所述两个平行的贴片分别位于介质基板的正面和背面相对位置；
高频带时，所述电感器高阻隔开扇形贴片和弧形贴片，仅扇形贴片辐射；低频带时，所述电感器低阻连通扇形贴片和弧形贴片，扇形贴片和弧形贴片一起辐射，从而实现双频工作；
所述双频天线还包括：两个大寄生单元和两个小寄生单元；
所述扇弧形振子以及四个寄生单元均关于同一对称轴对称；
所述四个寄生单元均位于所述介质基板的正面；每个寄生单元均包括两个对称的寄生贴片，中间通过开关连接；两个大寄生单元和两个小寄生单元均关于所述扇弧形振子对称，且所述小寄生单元相对于所述大寄生单元更靠近所述扇弧形振子。
2.如权利要求1所述的双频天线，其特征在于，
所述四个寄生单元均为领结形，所述寄生贴片为扇矩形。
3.如权利要求1所述的双频天线，其特征在于，
所述双频天线的工作频段为2.40GHz-2.51GHz和5.15GHz-6.04GHz；
其中，所述大寄生单元控制2.40GHz-2.51GHz频段波束方向，所述小寄生单元控制5.15GHz-6.04GHz频段波束方向。
4.如权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述大寄生单元和小寄生单元中的开关为光控微波开关，所述光控微波开关包括两个金属贴片、光敏半导体材料、导光材料以及反光材料；
其中，所述导光材料外形为长方体结构，所述光敏半导体材料嵌入到所述导光材料中，被所述导光材料包围；所述反光材料贴在所述导光材料外表面，仅留一个进光口；所述两个金属贴片放置在所述光敏半导体材料两端，用于连接所述光敏半导体材料与外部的微带线。
5.如权利要求4所述的双频天线，其特征在于，所述光敏半导体材料为高阻抗的掺杂硅片。
6.如权利要求4所述的双频天线，其特征在于，所述反光材料为由多层不同性能材料组成的层结构。
7.如权利要求1所述的双频天线，其特征在于，
所述介质基板为矩形面的绝缘材料。
8.一种2*2MIMO天线阵列，其特征在于，包括两个如权利要求1至7任一项所述的双频天线，其中，两个天线在水平方向上下摆放或左右摆放，且一个天线相对于另一个天线顺时针旋转90°。
9.一种4*4MIMO天线阵列，其特征在于，包括四个如权利要求1至7任一项 所述的双频天线，其中，四个天线在水平方向呈田字形摆放，左上方天线、右上方天线、右下方天线分别相对于左下方天线顺时针旋转90°、180°、270°。
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