CN112216992A - 一种二进制式的频率可重构弯折线天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二进制式的频率可重构弯折线天线,属于基本电气元件的技术领域。该频率可重构天线由上层微带结构、中间层介质基板、底层金属地板组成,其中,上层微带结构包含一段较短的微带馈电线、一根较长的具有弯折结构的主微带线和从主微带线延伸出去的较短的微带线,馈电采用侧馈的方式以减小基板尺寸。为了实现频率可重构功能,对主微带线进行了三次折叠,三处弯折结构间各设置了具有一定间隙的较短微带线以放置3个PIN二极管。通过二极管的通断改变天线的有效电长度以实现3位的二进制频率可重构特性,能够满足不同移动通信制式下的频率需求,所有状态下的方向图和增益与半波振子天线类似,实现H面上全向辐射。
Description
技术领域
本发明公开了一种二进制式的频率可重构弯折线天线,此天线能够在八种不同工作频带之间切换,属于基本电气元件的技术领域。
背景技术
当下无线通信的质量要求不断提高,天线在无线通信***中属于不可缺少的一部分,通过对天线的改善从而可以大大影响整个无线通信***的通信质量。传统的天线一般设计为单一功能使用,现如今愈来愈趋向多功能化的天线不能满足不同移动通信制式下的频率需求。对于频率需求多样化和频谱资源紧张带来的一系列难题,可重构天线就成为了一个较好的解决途径。可重构天线不仅能够改善天线的主要性能指标以满足不同移动通信制式的多种频率需求,它可以提高***性能,缩小***占用空间,简化***结构,使天线和相邻模块相互配合,灵活可调。此外,具有可重构特点的天线不仅可以降低通信***中天线的数目,还能在复杂的环境条件下使用。通信***的小型化通常具备着隐蔽性好、移动便利、易于集成、便于安置的特点,通常***的小型化要依靠天线的小型化,因而天线的小型化也显得极为重要。
1981年,D.Schaubert等人在“频率可重构、极化分集天线以及频率扫描阵列”中第一次提出了“可重构天线”。频率可重构天线顾名思义是在其它参数不变的前提下使工作频率根据不同使用情况可调,进而实现天线多频带或超宽带的特性。一般实现频率可重构的途径是在天线布局中加入开关元器件,通过控制开关的导通与断开改变天线的等效结构,实现不同的工作状态,而后使天线电性能参数变化。如Huda A.Majid等人在2012年发表了一篇文章“A Compact Frequency-Reconfigurable Narrowband Microstrip SlotAntenna”也是在微带单极子线天线的基础上,通过改变地板槽的有效电长度来实现频率可重构,但是其每个工作带宽都较窄,并且使用了多达5个PIN二极管开关,仅仅实现了6种不同的工作状态。此外,I-Fong Chen等人2011年发表了文章“Compact Modified PentabandMeander-Line Antenna for Mobile Handsets Applications”,在尺寸较小的弯折线天线的基础上设计了一个小型的五频天线,但不具有频率可重构特性。
微带天线具有小型化和易于集成的特点,本申请旨在将PIN二极管用于微带天线的集总设计,以实现指数个天线工作状态,进而实现频率可重构。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足,提供了一种二进制式的频率可重构弯折线天线,本发明采用较为简单的微带弯折线天线做为基础结构,仅使用了3个PIN二极管开关就实现八种不同的工作状态,解决了以往传统频率可重构天线集总元件较多、可重构状态较少的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种二进制式的频率可重构弯折线天线,包括:上层微带结构、中间层介质基板、底层金属地板,其中,上层微带结构包含一段较短的微带馈电线、一根较长的具有弯折结构的主微带线和从主微带线延伸出去的较短的阻抗匹配枝节。主微带线进行了三次折叠,三处弯折结构具有一定间隙且通过较短的微带线连接,弯折结构的间隙中放置3个PIN二极管。通过控制设置三个弯折结构不同纵向位置的PIN二极管的导通来改变天线的有效电长度,进而减小电流路径长度,从而实现二进制频率可重构特性。
上述方案中,二进制式的频率可重构弯折线天线,在单极子弯折线天线的基础上,为了实现能够保持较好的驻波的同时降低工作频点,降低不同工作状态的频带的重复性,所以在最后一个弯折结构的末端连接了一段额外的微带线实现阻抗匹配。微带结构的下方是中间层介质板三,在微带馈电线的正下方是与之长度相同的金属地板。
本发明提出的二进制式的频率可重构弯折线天线,具有八种不同的工作状态,使天线在较宽的工作频带范围内实现不同工作频带的切换且各工作状态下的工作频带不重叠,所有工作状态下的工作频段覆盖了较宽的工作频带,且电尺寸小,在最低中心频率处天线尺寸仅为0.16λ0。
本发明采用上述技术方案,具有以下有益效果:
(1)本发明在基本单极子弯折天线的基础上,在弯折结构的间隙中接入PIN二极管作为开关,通过控制PIN二极管的通断调节天线的有效电长度进而调节电流路径长度,以较少的开关数目实现了八种不同的工作状态,每种工作状态下的工作频带不重叠,且各工作状态下的谐振频率随开关通断状态的变化而增大的趋势,具有集总元件数目较少的优势,大大降低了寄生效应和制造成本,非常适用于降低无线通信***中天线的数目和实现天线多功能化。
(2)本发明公开的二进制式的频率可重构弯折天线具有工作频带随开关状态变化逐渐增大的频率可重构特性的同时,各部分阻抗匹配性好,所有状态下的方向图和增益与半波振子天线类似,实现H面上全向辐射,应用范围更广。
(3)本发明采用平面电路结构,适合于无线通信***中其它器件集成,另外,天线电尺寸很小,空间利用率高。
附图说明
图1是本发明涉及的基本单极子弯折线天线的结构示意图。
图2是本发明二进制式的频率可重构弯折线天线上层微带结构的示意图。
图3是是本发明中频率可重构弯折天线偏置电路示意图。
图4是本发明二进制式的频率可重构弯折线天线各部分尺寸的详解。
图5是本发明二进制式的频率可重构弯折线天线各状态反射特性曲线S11仿真结果。
图6是本发明二进制式的频率可重构弯折线天线在f0=674MHz时000状态谐振频率处的E面、H面方向图的仿真结果。
图中标号说明:1、微带馈电线,2、底层金属地板,3、中间层介质基板,4、第一弯折结构,5、第二弯折结构,6、第三弯折结构,7、阻抗匹配枝节,8、第一金属过孔,9、第一电感,10、第二金属过孔,11、第一偏置线,12、第二偏置线,13、第三偏置线,14、第一电阻,15、第二电阻,16、第三电阻,17、第一隔直电容,18、第二隔直电容,19、第三隔直电容,20、第一PIN二极管,21、第二PIN二极管,22、第三PIN二极管,23、第四隔直电容,24、第二电感,25、第四偏置线。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的二进制式的频率可重构弯折线天线如图2所示,在图1所示基本单极子弯折线天线的基础上进行频率可重构设计,该天线由上层微带结构、中间层介质基板和底层金属地板组成,其中,上层微带结构和底层金属地板2分别附着在中间层介质基板3的上、下面。上层微带结构如图2所示,包括:微带馈电线1、具有弯折结构的主微带线、阻抗匹配枝节7组成的基本单极子弯折线天线结构,主微带线具有第一弯折结构4、第二弯折结构5、第三弯折结构6且弯折结构间均留有放置PIN二极管的间隙,底层金属地板2的长度与微带馈电线1的长度相同,通过控制三个弯折结构不同纵向位置的PIN二极管的导通来减小电流路径长度,“1”表示导通,“0”表示断开,通过控制PIN管的通断来改变天线的有效电长度,从而实现三位的二进制频率可重构特性。
本发明公开的二进制式频率可重构弯折天线的偏置电路如图3所示,放置在第一弯折结构4缝隙中的第一PIN二极管20、放置在第三弯折结构6缝隙中的第三PIN二极管22同向放置,阴极朝向馈电端口处;放置在第二弯折结构5缝隙中的第三PIN二极管21与其它两个PIN二极管相反。第一偏置线11通过第一电阻14与第一弯折结构4连接,第二偏置线12通过第二电阻15与第二弯折结构5连接,第三偏置线13通过第三电阻16连接第三弯折结构6连接,第一隔直电容17接在第一弯折结构4中,第二隔直电容18接在第二弯折结构5中,第三隔直电容19接在第三弯折结构6中,第四隔直电容23接在第一弯折结构4和第二弯折结构5的连接处,四个同为100pF的大电容阻掉直流对各个PIN二极管的影响同时不影响交流的通过。微带馈电线1的附近以及第二弯折结构5的附近各放置了同为150nH的第一电感9、第二电感24,第一电感9直接通过第一金属过孔8接地,第二电感24通过第四偏置线25接第二金属过孔10后接地使天线实现偏置。通过在第一偏置线11、第二偏置线12、第三偏置线13的末端加正向直流电压控制3个PIN二极管的通断,同时,第一偏置线11经过阻值为1kΩ的第一电阻14向第一弯折结构施加直流电压,第二偏置线12经过阻值为1kΩ的第二电阻15向第二弯折结构施加直流电压,第三偏置线13经过阻值为1kΩ的第三电阻16向第三弯折结构施加直流电压,三个电阻起到防止电流过大击穿PIN二极管的作用。当天线处于000状态时,三个PIN二极管处于关断状态,此时弯折结构中没有被短路的部分,天线有效电长度最大,谐振频率最低;当天线处于001状态时,第三弯折结构的6s部分由于第三PIN二极管22的导通被短路,天线的有效电长度随之减小,谐振频率增大;当天线处于010状态时,第二弯折结构的5s部分由于第二PIN二极管21的导通被短路;当天线处于111状态时,第一弯折结构的4s部分由于第一PIN二极管20的导通被短路,第二弯折结构的5s部分由于第二PIN二极管21的导通被短路,第三弯折结构的6s部分由于第三PIN二极管22的导通被短路,此时天线的有效电长度最小,谐振频率最高;天线处于其它各状态时,弯折结构中被短路的部分如表2所示。此偏置电路专门为了本发明公开的二进制的3-bit频率可重构微带天线所设计,能够很好的控制八种工作频段的切换,并且电路结构简单,集总元件相对较少。
在本实施例中,中层介质基板的介电常数为3.55,厚度为0.508mm。在图4中标明了本设计各部分的长宽,具体数值详见下表。(单位:mm)
表1
图5是本发明二进制式频率可重构弯折线天线反射特性曲线S11的仿真结果图,S11在668-951MHz频带范围内低于-10dB,可见,天线在各个工作状态下的工作频段分明,频率可重构特性佳,并且在PIN二极管开关的通断状态从“000”逐渐至“111”的过程中,即各工作状态下的工作频带随开关通断状态的变化逐渐增大,谐振频率也随之逐渐增大。具体各个状态的工作频带和谐振频率见表2。
表2
本发明二进制式的频率可重构弯折线天线“000”工作状态对应的谐振频率处的E面、H面的方向图的仿真结果如图6所示,其它各状态的E面、H面方向图特性基本类似于“000”,在其工作频带间,E面方向图都基本保持“8”字形,符合传统单极子天线的辐射特性。综上仿真结果得出,本发明二进制式的频率可重构弯折线天线仅使用了3个PIN二极管就实现了八种不同的工作状态,能够满足不同移动通信制式下的频率需求,所有状态下的方向图和增益与半波振子天线类似,实现H面上全向辐射,非常适用于降低无线通信***中天线的数目和实现天线多功能化,并且天线电尺寸非常小,有利于***的小型化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进,这些改进也落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种二进制式的频率可重构弯折线天线,包括:上层微带结构、中间层介质基板、底层金属地板,上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面,底层金属地板附着在中间层介质基板的下表面,其特征在于,所述上层微带结构包括:微带馈电线、具有弯折结构的主微带线、阻抗匹配枝节依次连接组成的单极子弯折线天线,所述主微带线包含第一弯折结构、第二弯折结构、第三弯折结构,且每个弯折结构的间隙内接有用于调节天线有效电长度的PIN二极管,微带馈电线接有第一电感,第二弯折结构接有第二电感,第一电感通过第一金属过孔接地,第二电感通过一偏置线接第二金属过孔后接地。
2.根据权利要求1所述一种二进制式的频率可重构弯折线天线,其特征在于,接在第一弯折结构间隙中的PIN二极管以及接在第三弯折结构间隙中的PIN二极管的阴极均朝向馈电端口,接在第二弯折结构间隙中的PIN二极管的阳极朝向馈电端口。
3.根据权利要求1所述一种二进制式的频率可重构弯折线天线,其特征在于,底层金属地板的长度与微带馈电线的长度相同。
4.权利要求1至3中任意一项所述一种二进制式的频率可重构弯折线天线的偏置电路,其特征在于,包括:第一偏置线、第二偏置线、第三偏置线、第一电阻、第二电阻、第三电阻,第一偏置线的一端接第一直流偏置电压,第一电阻的一端接第一偏置线的另一端,第一电阻的另一端接第一弯折结构,第二偏置线的一端接第二直流偏置电压,第二电阻的一端接第二偏置线的另一端,第二电阻的另一端接第二弯折结构,第三偏置线的一端接第三直流偏置电压,第三电阻的一端接第三偏置线的另一端,第三电阻的另一端接第三弯折结构。
5.根据权利要求4所述一种二进制式的频率可重构弯折线天线的偏置电路,其特征在于,该偏置电路还包括:第一隔直电容、第二隔直电容、第三隔直电容、第四隔直电容,第一隔直电容接在第一弯折结构中,第二隔直电容接在第二弯折结构中,第三隔直电容接在第三弯折结构中,第四隔直电容接在第一弯折结构和第二弯折结构的连接处。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210112 |
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