一種頻率可重構(gòu)天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線，具體是應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的頻率可重構(gòu)天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代無線技術(shù)的快速發(fā)展，具備可重構(gòu)特性的多功能多模天線成為無線領(lǐng)域的一大研究熱點。通過該研究，天線的許多特性，例如，工作頻點，輻射方向圖和極化方式可以通過外部控制的方式進(jìn)行動態(tài)改變。
[0003]其中，天線的頻率可重構(gòu)特性，包括頻點的連續(xù)可調(diào)，工作帶寬的變化，不同頻點的切換等不同模式。在認(rèn)知無線電，軍事通信，電子對抗等領(lǐng)域，為了躲避不同頻點的干擾信號，經(jīng)常需要在不同的頻點進(jìn)行切換。最初，為了實現(xiàn)這一功能，人們設(shè)計了多個工作在不同頻點的天線，然后再用陣列開關(guān)進(jìn)行切換。該種方法需要單獨設(shè)計陣列開關(guān)和不同的天線，技術(shù)難度大，成本高，并且由于多個天線同時并存，存在電磁干擾問題，且體積很大。
[0004]2008 年 1 月發(fā)表在刊物"ELECTRONICS LETTERS"上的文章 〃ReconfigurableDual-band Antenna with High Frequency Rat1 (1.6:1) Using MEMS Switches〃，通過在兩塊矩形輻射體之間加載PIN 二極管的方式來實現(xiàn)頻點可切換功能。該文中一共采用了6個MEMS開關(guān)管，設(shè)計成本較高。另外，雖然射頻信號饋入方式比較簡單，但是PIN 二極管的電壓偏置電路比較復(fù)雜，不如采用外置Bias-T的偏置方式簡單。2009年發(fā)表在刊物"IEEE TRANSACT1NS ON ANTENNAS AND PROPAGAT1N"上第 6 期的文章"Microstrip PatchAntennas on Tunable Electromagnetic Band-Gap Substrates〃提出在微帶天線底部加載類似蘑菇的EBG結(jié)構(gòu)陣列，通過在EBG結(jié)構(gòu)上加載PIN 二極管實現(xiàn)頻點的可重構(gòu)功能。該文提出的EBG陣列是由4X4個EBG結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，每個單元需要加載2個PIN 二極管，整個天線一共使用了 32個PIN 二極管，該設(shè)計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且成本較高。2011年發(fā)表在刊物"IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGAT1N LETTERS〃上的第 10 卷的文章〃A Dual-BandHigh-Gain Resonant Cavity Antenna With Orthogonal Polarizat1ns",通過三層電路板設(shè)計和兩個射頻信號輸入口實現(xiàn)了 10GHz和11.6GHz兩個頻點的切換。設(shè)計較為復(fù)雜。2012年〃MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS〃的第 3 期的文章〃ReconfigurableMicrostrip Patch Antenna for WLAN Software Defined Rad1 Applicat1ns〃報道了 ——種可在2.4GHz和5.6GHz頻點之間切換工作的天線，但是該結(jié)構(gòu)采用了 4個PIN 二極管才實現(xiàn)了可重構(gòu)功能，成本不低，且饋電方式是探針，不如微帶饋電結(jié)構(gòu)簡單。2012年7月發(fā)表在刊物〃 Electromagnetics 〃上的文章〃 A New Compact Reconf igurable Patch Antennafor Polarizat1n and Frequency Diversity〃通過在福射片上刻蝕槽線，放置PIN二極管的方式實現(xiàn)了頻點可切換功能，但是也存在PIN二極管使用數(shù)量多，饋電方式(探針)復(fù)雜等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上設(shè)計中，PIN 二極管使用數(shù)量多，天線結(jié)構(gòu)，饋電以及偏置電路設(shè)計復(fù)雜，且設(shè)計成本較高等問題，本發(fā)明提出一種頻率可重構(gòu)天線，達(dá)到只需采用一個PIN二極管，采用微帶線輸入信號，體積較小且整體結(jié)構(gòu)簡單的目的。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種頻率可重構(gòu)天線，該天線包括:介質(zhì)基板、金屬背板、金屬饋線、短支線、第一輻射分支、第二輻射分支、PIN 二極管、接地過孔、高阻偏置線；其中金屬背板位于介質(zhì)基板下部的背面；金屬饋線位于介質(zhì)基板下部的正面，且高度高于金屬背板；短支線位于介質(zhì)基板上部的正面，一端與金屬饋線相連，另一端分叉出第一福射分支和第二福射分支，第二福射分支長于第一福射分支；第一福射分支的末端連接PIN 二極管，PIN 二極管末端通過接地過孔與位于介質(zhì)基板上部背面的高阻偏置線一端連接，高阻偏置線另一端與金屬背板連接。
[0007]進(jìn)一步的所述第二輻射分支為短支線的延伸，其末段迂回180°后與頭段保持平行，所述第一輻射分支位于第二輻射分支頭段與尾段之間。
[0008]本發(fā)明一種頻率可重構(gòu)天線，本發(fā)明采用微帶輸入信號，整體結(jié)構(gòu)簡單，體積小；本發(fā)明只采用了一個PIN 二極管即實現(xiàn)了天線的兩個工作頻點動態(tài)切換，成本低；相比較于探針饋電，微帶饋線的設(shè)計有利于跟平面微波電路進(jìn)行集成；該設(shè)計在不同工作頻點上具有全向輻射方向圖，且基本保持不變。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的設(shè)計流程圖；
[0010]圖2是本發(fā)明設(shè)計流程中的雙頻天線圖以及實施實例的尺寸標(biāo)注；
[0011]圖3是本發(fā)明提出的頻率可重構(gòu)天線；
[0012]圖4是天線在PIN 二極管“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)下的等效電路；
[0013]圖5是本發(fā)明的整體設(shè)計圖(包含Bias-T元件)；
[0014]圖6是本發(fā)明實施例中的PIN二極管仿真模型；
[0015]圖7是本發(fā)明實施例中的PIN 二極管仿真結(jié)果；
[0016]圖8是本發(fā)明實施例中步驟1所設(shè)計天線的回波損耗跟尺寸^的關(guān)系圖；
[0017]圖9是本發(fā)明實施例中步驟1所設(shè)計天線的回波損耗跟尺寸15的關(guān)系圖；
[0018]圖10是本發(fā)明實施例的回波損耗；
[0019]圖11是本發(fā)明實施例的低頻通帶中心頻點4GHz的輻射方向圖；
[0020]圖12是本發(fā)明實施例的高頻通帶中心頻點7.06GHz的輻射方向圖。
[0021]圖2中1.金屬背板，2.金屬饋線，3.天線信號輸入口，4.介質(zhì)基板；圖3中5.高阻偏置線，6.接地過孔，7.PIN 二極管，8.第一輻射分支，9.第二輻射分支，10.短支線；圖4中11.PIN 二極管“開”時的天線等效電路圖，12.PIN 二極管“關(guān)”時的天線等效電路圖，13.所示電路等效天線中的短支線，14.所示電路等效為二極管“關(guān)”時的輻射分支，PIN 二極管以及高阻偏置線。15.所示電路等效為二極管“開”時的第二輻射分支，16.所示電路等效為二極管“開”時的第一輻射分支，PIN 二極管和高阻偏置線；圖5中17.Bias-T元件，18.用于連接Bias-T和天線的傳輸線；圖11中19.為歸一化的天線增益，20.為低頻通帶4GH處的xoy面輻射方向圖，21.為低頻通帶4GH處的xoz面輻射方向圖；圖12中22.為高頻通帶7.06GH處的xoy面輻射方向圖，23.為高頻通帶7.06GH處的xoz面輻射方向圖。
【具體實施方式】
[0022]在圖1中，加載二極管采用Skyworks公司的PIN 二極管“DSG9500-000”，仿真模型如圖6所示。通過調(diào)節(jié)圖中的Rp阻值，來模擬PIN 二極管的“開”和“關(guān)”。該仿真中，采用1000 Ω和4Ω來分別模擬二極管的“關(guān)”和“開”。將該二極管模型串聯(lián)在一段傳輸線上，得到仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，該模型可以正確模擬PIN 二極管的狀態(tài)。在優(yōu)化仿真階段時，天線的回波損耗結(jié)果由以下步驟獲得。首先，將天線的無源部分用Ansys公司的“Ansoft HFSS”(HFSS)軟件進(jìn)行仿真，提取出S參數(shù)模型，再導(dǎo)入Agilent公司的“AdvancedDesign System”(ADS)，聯(lián)合之前的PIN 二極管模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，最終得到結(jié)果。這樣聯(lián)合了時域有限差分法(HFSS)和有限元方法(ADS)的優(yōu)點，可以更進(jìn)一步保證仿真精度。
[0023]在圖2所示實施例中，天線設(shè)計在介質(zhì)基板上，基板采用Rogers 4350B基板，介電常數(shù)3.5，厚度0.508，介質(zhì)損耗角正切0.004。天線的尺寸為(單位為:mm):^=5.5, 12 =3，13= 10，14= 3.4，15= 1.5，16= 1，w i= 1, w2= 1.6, w3= 1, w4= 1, w5= 1, w6= 1，s =
0.2.。經(jīng)過HFSS對該天線的仿真得到如圖8和圖9所示的回波損耗結(jié)果，由圖可知，該雙頻天線的兩個工作頻點會隨著1:的減小而同時上移，天線的高頻通帶的中心頻點會隨著15增大而下移。由該性質(zhì)，通過調(diào)節(jié)天線尺寸，可以最終得到想要的工作頻點。
[0024]圖3是實施例的最終設(shè)計天線圖，尺寸和圖2—樣。PIN 二極管的正極焊接在輻射分支2上，負(fù)極焊接在通孔上接地。
[0025]圖4為所設(shè)計天線的等效電路圖，可以輔助設(shè)計天線。
[0026]圖5為所設(shè)計天線的整體圖，包含了 Bias-T元件。Bias-Τ元件采用了Min1-Circuits公司的TCBT-14R+。Bias-T元件可以同時輸入直流和射頻信號，并對兩者進(jìn)行隔咼。
[0027]圖10是實施例的回波損耗結(jié)果圖。由圖可知，該實施例可在4GHz和7.06GHz頻點附近工作。
【主權(quán)項】
1.一種頻率可重構(gòu)天線，該天線包括:介質(zhì)基板、金屬背板、金屬饋線、短支線、第一輻射分支、第二輻射分支、PIN 二極管、接地過孔、高阻偏置線；其中金屬背板位于介質(zhì)基板下部的背面；金屬饋線位于介質(zhì)基板下部的正面，且高度高于金屬背板；短支線位于介質(zhì)基板上部的正面，一端與金屬饋線相連，另一端分叉出第一輻射分支和第二輻射分支，第二輻射分支長于第一福射分支；第一福射分支的末端連接PIN 二極管，PIN 二極管末端通過接地過孔與位于介質(zhì)基板上部背面的高阻偏置線一端連接，高阻偏置線另一端與金屬背板連接。2.如權(quán)利要求1所述的一種頻率可重構(gòu)天線，其特征在于所述第二輻射分支為短支線的延伸，其末段迂回180°后與頭段保持平行，所述第一輻射分支位于第二輻射分支頭段與尾段之間。
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種頻率可重構(gòu)天線，該天線包括：介質(zhì)基板、金屬背板、金屬饋線、短支線、第一輻射分支、第二輻射分支、PIN二極管、接地過孔、高阻偏置線；其中金屬背板位于介質(zhì)基板下部的背面；金屬饋線位于介質(zhì)基板下部的正面，且高度高于金屬背板；短支線位于介質(zhì)基板上部的正面，一端與金屬饋線相連，另一端分叉出第一輻射分支和第二輻射分支，第二輻射分支長于第一輻射分支；第一輻射分支的末端連接PIN二極管，PIN二極管末端通過接地過孔與位于介質(zhì)基板上部背面的高阻偏置線一端連接，高阻偏置線另一端與金屬背板連接。具有成本低、體積小、在不同工作頻點上具有全向輻射的優(yōu)點。
【IPC分類】H01Q5/328, H01Q1/50, H01Q5/371
【公開號】CN105281029
【申請?zhí)枴緾N201510618852
【發(fā)明人】郭映江, 唐小宏, 李文迅, 蔣遠(yuǎn)燦, 葉晶晶, 田川, 蔡宗棋, 羅鳴, 閆騰飛, 盧頔
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年9月24日