專利名稱：共面波導饋電的三頻頻率可重構天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種共面波導饋電的三頻頻率可重構的微帶天線。屬于無線通信領域中具有多個頻率可調(diào)的頻率可重構天線范疇。
背景技術：
當今無線通信技術飛速發(fā)展，只要有無線網(wǎng)絡覆蓋的地方人們可以自由地與他人通信或者進行數(shù)據(jù)的傳送。新的無線技術不斷地出現(xiàn)，所使用的無線頻段也不斷地在更新。 例如GSM900系統(tǒng)，DCS1800系統(tǒng)，3G無線通信系統(tǒng)，WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)，WiMAX等系統(tǒng)都使用了不同的無線電頻譜。目前通用的解決方案是在系統(tǒng)設備上架設多個相對應的天線。 考慮到無線通信設備對各通信標準的支持與集成這以及未來新生的通信標準，這種方案的存在其缺點就是架設天線數(shù)量多、頻譜利用率小、設備體積增大、成本高，天線之間的干擾大。應對這些問題學者們提出了可重構天線的概念。其特點是在單一口徑的天線上，動態(tài)改變其物理機構實現(xiàn)多個天線的功能。具有頻率可重構功能的天線就可以使得天線動態(tài)地在多個頻段上工作，各頻段之間幾乎沒有干擾，同時輻射的方向圖可以保持大致不變。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前主流無線通信系統(tǒng)使用的三個頻段0. 9GHzU. 8GHz、2. 4GHz，提供一種共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，使其在三個頻段上都能實現(xiàn)較好的阻抗匹配，擁有較大的阻抗帶寬，同時還能省去開關偏置電路的設計，減小開關對天線輻射性能的影響。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是
(1)天線由共面波導饋電，通過在輻射縫隙上并聯(lián)開關元件改變其諧振長度達到頻率可重構的目的。在此發(fā)明中使用的開關元件為射頻PIN 二極管。(2)天線工作在不同的頻段上時，對于各頻段工作的輻射縫隙采用不同的縫隙寬度，使得在這些頻段上都能獲得較好的阻抗匹配。(3)利用共面波導饋電天線的輻射體和接地平面共面的特點，二極管的正負極可以焊接在同一平面，省去了開關偏置電路和接地孔的設計。(4)本發(fā)明采用如下的介質(zhì)板材料介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為。=2. 65，厚度力=0.8mm。采用共面波導饋電和平面微帶結(jié)構。(5)天線共分三層，即上層為金屬共面波導結(jié)構，中間層是介質(zhì)板層及輸入輸出端口，介質(zhì)板材背面即下層為一層金屬鍍層，其中輸入輸出端口處焊接兩個SMA接頭，用于實際測量與應用。正面金屬微帶結(jié)構是有一個共面波導饋線，平面微帶縫隙天線，以及射頻 PIN 二極管組成，通過改變縫隙的寬度和PIN 二極管的位置可以調(diào)整天線的工作頻段及其阻抗匹配。根據(jù)上述發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案
一種新型的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，包括上層的金屬微帶、中層的介質(zhì)基板和下層的背面地板，其特征在于所述金屬微帶包括輻射貼片、共面波導地板、共面波導饋線、匹配枝節(jié)和4個PIN 二極管，所述共面波導包圍著輻射貼片，共面波導地板與輻射貼片之間由四個PIN 二極管連接，共面波導饋線位于共面波導地板下邊中央開口車而與輻射貼片連成一體，匹配枝節(jié)與共面波導地板上部連成一體；所述背面地板是位于介質(zhì)基板背面對應于共面波導地板下部和共面波導饋線下面的金屬鍍層，與所述金屬微帶共同構成微帶天線。兩組二極管的偏置方向相反，并且根據(jù)不同的工作頻段放置在特定的位置上。當從饋電端口饋入不同的偏置電壓的時候，天線工作在所設計的三個不同頻段上。所述輻射貼片左右兩個邊緣與共面波導地板之間的縫隙寬度相等，輻射貼片下邊緣與共面波導地板間的縫隙寬度大于輻射貼片左右兩個邊緣與共面波導地板間的縫隙寬度。所述縫隙可以通過改變其寬度對各個工作頻段的阻抗匹配和阻抗帶寬進行調(diào)整和均衡，能夠使得天線在三個工作頻段下都能有較好的阻抗特性。所述輻射貼片的形狀，并且直接與共面波導饋線相連形成一個整體。所述介質(zhì)板層為介電常數(shù)& =2.65的介質(zhì)板，該介質(zhì)板厚度力=0. 8mm。所述匹配枝節(jié)的形狀為矩形，其上邊緣與共面波導地板直接連接成一個整體。所述的正面微帶天線和反面的金屬鍍層需要是導電性較好的金屬材料，如金、銀或銅。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點 (1)實現(xiàn)天線多個頻段工作的方法通常有兩種一種是多口徑天線，它是通過多個口徑
饋電實現(xiàn)多個頻段，由于多個口徑的存在，使得天線結(jié)構復雜，設計困難，成本高。另一種是單口徑多頻天線，它是在單個口徑上同時實現(xiàn)多頻工作，但是在同一時刻接收多個射頻信號，增加了各個信號間的串擾。而本天線則可以通過開關動態(tài)得控制天線的工作頻段，每次只有一個頻段工作，而且還是單口徑饋電，使得天線的設計復雜度降低，同時也提高了射頻信號接受的可靠性。(2)目前大多數(shù)的頻率可重構天線是工作在兩個頻段上的，而此天線則可以工作在3個頻段上，而且是三個主流無線通信系統(tǒng)使用的頻段，具有較高的實用性。(3)此天線采用共面波導饋電使得微帶天線的輻射體和接地面在同一平面，充當開關的二極管可以直接焊接在縫隙的兩端。這樣的設計摒棄了傳統(tǒng)的可重構天線在輻射體上焊接開關，設計直流偏置電路，設計直流隔離區(qū)，設計接地孔的步驟。將開關對天線輻射特性的影響降低，同時也將天線的設計簡化。(4)有些可重構天線在向二極管提供直流偏置的時候，需要在天線上焊接導線。這么做會影響天線的輻射特性，同時對天線集成入系統(tǒng)中帶來不便。此天線則不需要焊接此類導線，只需直接在饋電端口饋入驅(qū)動二極管工作的電壓就可以使天線工作。(5)此天線在三個工作頻段的輻射方向圖大致保持不變，增益也比較接近。同時在這三個頻段上的阻抗帶寬也較大，滿足未來寬帶信號的傳輸要求。
圖1是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線結(jié)構的正視圖。
圖2是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線結(jié)構的后視圖。圖3是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線所用介質(zhì)板層示意圖。圖4是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線工作在2. 4GHz的頻率響應示意圖。圖5是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線工作在1. 8GHz的頻率響應示意圖。圖6是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線工作在0. 9GHz的頻率響應示意圖。圖7是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線工作在2. 4GHz的E面和 H面的輻射方向圖。圖8是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線工作在1. 8GHz的E面和 H面的輻射方向圖。圖9是本發(fā)明新型共面波導饋電的三頻頻率可重構天線工作在0. 9GHz的E面和 H面的輻射方向圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細說明
實施例一參見圖1，本共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，包括上層的金屬微帶、 中層的介質(zhì)基板2和下層的背面地板10，所述金屬微帶包括輻射貼片8，共面波導地板6、共面波導饋線7、匹配枝節(jié)4和4個PIN 二極管1、3、5、9，所述共面波導地板6包圍著輻射貼片8，共面波導地板6與輻射貼片之間由四個PIN 二極管1、3、5、9連接，共面波導饋線7位于共面波導地板6下邊中央開口處而與輻射貼片8連成一體，匹配枝節(jié)4與共面波導地板 6上部連成一體；所述背面地板10是位于介質(zhì)基板2背面對應與共面波導地板6下部和共面波導饋線7下面的金屬鍍層，與所述金屬微帶共同構成微帶天線。實施例二 參見圖1和圖2，本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下所述介質(zhì)基板(2)尺寸95mm*110mm*0. 8mm，上層和下層為金屬涂層，材料為銅。實施例三本共面波導饋電的三頻頻率可重構天線分上中下三層。上層如圖1所示，由金屬微帶天線和射頻PIN 二極管1、3、5、9構成；下層如圖2所示，由金屬背面地板構成；中間層如圖3所示，為本實施例所使用的介質(zhì)基板2，厚度為H。此天線是左右對稱結(jié)構，共面波導地板6和共面波導饋線7構成了共面波導的饋電形式，同時在與其相對應位置的介質(zhì)基板2的另一側(cè)有一層背面地板10，為金屬鍍層，以上這些構成了本發(fā)明的饋線結(jié)構。在工作的三個頻段上，饋線的特性阻抗都約等于50歐姆，使得饋線與50歐姆SMA接頭相連接能獲得較好的阻抗匹配。輻射貼片8為本實施例的輻射結(jié)構，與饋線相接組成一片金屬層。匹配枝節(jié)4為本實施例的阻抗匹配結(jié)構，與共面波導地板6相接組成另一片金屬層。圖1中的四個PIN 二極管1、3、5、9分別表示4個射頻PIN 二極管。整個天線工作頻率的切換就是由這四個二極管完成。兩個PIN 二極管1、3偏置方向相同，另兩個PIN 二極管5、9偏置方向相同，而兩組的PIN 二極管偏置方向相反。這樣的設計就使得在一組PIN 二極管1、3導通的時候，另一組PIN 二極管5、9截止，反之亦然。4個二極管的位置決定了天線的工作頻段，具體的焊接位置是通過理論設計和仿真后得到的。一組PIN 二極管1、3 導通時，天線工作在2. 4GHz ；而另一組PIN 二極管5、9導通時，天線工作在1. 8GHz ；四個二極管都截止時，天線工作在0.9GHz。本發(fā)明中使用的射頻PIN 二極管為hfineon公司的 BAR64-02Vo圖1中輻射貼片8上方和匹配枝節(jié)4間的縫隙的作用是使得天線工作在0. 9GHz 時可以獲得較大的帶寬。而輻射貼片8下方和共面波導地板6間的縫隙的作用是使天線工作在2. 4GHz和1. 8GHz時能夠擁有較好的阻抗匹配和較大的帶寬。圖1中匹配枝節(jié)4的作用是用于匹配天線工作在0. 9GHz時的阻抗。其對天線工作在2. 4GHz和1. 8GHz時的阻抗匹配影響較小。圖1中輻射貼片8的作用是對所有三個工作頻段的阻抗匹配做一個均衡，使得天線在三個工作頻段上都能有較好的阻抗匹配。圖4、圖5、圖6分別顯示了天線工作在三個頻段上時的回波損耗的仿真結(jié)果。圖7、圖8、圖9分別顯示了天線工作在三個頻段上時的輻射方向圖的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中可以得出天線在3個工作頻段上都能到達_30dB的回波損耗， 2. 4GHz的帶寬可以達到25%，1. 8GHz的帶寬可以達到27%，0. 9 GHz的帶寬可以達到17%。 天線在3個工作頻段上的輻射方向圖大致相同。且有不小的增益，2. 4GHz的增益可以達到 5dB，1. 8GHz的帶寬可以達到5dB，0. 9 GHz的帶寬可以達到4dB。
權利要求
1.一種共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，包含上層的金屬微帶、中層的介質(zhì)基板 (2)和下層的背面地板(10)，其特征在于所述金屬微帶包括輻射貼片(8)，共面波導地板 (6)、共面波導饋線(7)、匹配枝節(jié)(4)和4個PIN 二極管(1、3、5、9)，所述共面波導地板(6) 包圍著輻射貼片(8)，共面波導地板(6)與輻射貼片之間由四個PIN二極管(1、3、5、9)連接， 共面波導饋線(7)位于共面波導地板(6)下邊中央開口處而與輻射貼片(8)連成一體，匹配枝節(jié)(4)與共面波導地板(6)上部連成一體；所述背面地板(10)是位于介質(zhì)基板(2)背面對應與共面波導地板(6)下部和共面波導饋線(7)下面的金屬鍍層，與所述金屬微帶共同構成微帶天線。
2.根據(jù)權利1所述的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，其特征在于所述介質(zhì)基板 (2)尺寸為95mm*110mm*0. 8mm，上層和下層為金屬涂層，材料為銅。
3.根據(jù)權利1所述的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，其特征在于輻射貼片(8) 左右兩個邊緣與共面波導地板(6)間的縫隙寬度相等，輻射貼片(8)下邊緣與共面波導地板(6)間的縫隙寬度大于輻射貼片(8)左右兩個邊緣與共面波導地板(6)間的縫隙寬度。
4.根據(jù)權利1所述的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，其特征在于輻射貼片(8) 的形狀是矩形，并且直接與共面波導饋線(7)相連形成一個整體。
5.根據(jù)權利1所述的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，其特征在于四個射頻PIN 二極管(1、3、5、9)焊接在輻射貼片(8)左右兩個邊緣與共面波導地板間(6)的縫隙上，兩組二極管的偏置方向相反。
6.根據(jù)權利1所述的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，其特征在于匹配枝節(jié)(4) 的形狀為矩形，其上邊緣與共面波導地板(6)直接連接成為一個整體。
7.根據(jù)權利1所述的共面波導饋電的三頻頻率可重構天線，其特征在于介質(zhì)基板(2)的相對介電常數(shù)A =2. 65，該介質(zhì)板厚度力=0.8mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種共面波導饋電的三頻頻率可重構天線。它包括上層的金屬微帶、中層的介質(zhì)基板和下層的背面地板。金屬微帶包括輻射貼片、共面波導地板、共面波導饋線、匹配枝節(jié)和4個PIN二極管，共面波導地板包圍著輻射貼片。共面波導地板與輻射貼片之間由四個PIN二極管連接，共面波導饋線位于共面波導地板下邊中央開口處而與輻射貼片連成一體，匹配枝節(jié)與共面波導地板上部連成一體。背面地板是位于介質(zhì)基板背面對應于共面波導地板下部和共面波導饋線下面的金屬鍍層，與金屬微帶共同構成微帶天線。本發(fā)明可以工作在0.9GHz、1.8GHz、2.4GHz三個無線通信頻段上，并且三個頻段上的方向圖大致保持不變,都具有較大的帶寬，同時省去了開關偏置電路的設計，減小開關對天線輻射性能的影響。
文檔編號H01Q1/48GK102437420SQ201110255488
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權日2011年9月1日
發(fā)明者姚望, 楊雪霞, 熊晗, 邵秉成 申請人:上海大學