CN106410416A

CN106410416A - 基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线

Info

Publication number: CN106410416A
Application number: CN201510465332.1A
Authority: CN
Inventors: 顾辉; 葛磊; 王建朋; 许丽洁
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-15

Abstract

本发明公开了一种基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，包括圆形贴片、四个扇形贴片、四对变容二极管、五个电感、五个方形贴片、五个金属化通孔、圆形金属地板、介质基板、馈电端口，其中圆形贴片、四个扇形贴片、四对变容二极管、五个电感、五个方形贴片位于介质基板的上表面，圆形金属地板和馈电端口位于介质基板的下表面；四对变容二极管均匀跨接在圆形贴片和四个扇形贴片之间；四个扇形贴片对称地围绕着圆形贴片放置；五个金属化通孔分别连接五个方形贴片的中心和圆形金属地板。本发明通过引入两组变容二极管分别控制微带天线的两个正交模式来实现一种结构简单、低剖面、可靠性高、具有频率和极化可重构特性的微带天线。

Description

基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线。

背景技术

微带天线由于体积小、重量轻、剖面薄、易共形、制造工艺简单、成本低、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点长久以来得到各界广泛关注。然而，近年来，随着无线通信频谱变得越来越拥挤、电波多径传播造成的信号衰落越来越严重，传统的微带天线将不再适用于现代无线通信系统中。因此，具有可调的窄带带宽同时具有稳定辐射特性的频率可重构微带天线和具有抗多径衰落同时能够实现频率复用增加信道容量的极化可重构微带天线得到了广泛地研究。

目前，大多数的频率或者极化可重构的微带天线都只能实现两个参数中单一参数的可重构，这将难以满足日益发展的无线通信系统的需求。

已有文献报道了基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线：

文献1(Korosec,T.,Ritosa,P.,and Vidmar,M.,“Varactor-tuned microstrip-patchantenna with frequency and polarisation agility”,Electron.Lett.,2006(42):1015-1016.)通过引入四组电压分别控制四组变容二极管来实现天线馈电位置的电漂移，从而实现频率和极化的可重构。

文献2(Qin,P.Y.,Guo,Y.J.,Cai,Y.,Dutkiewicz,E.,and Liang,C.H.,“Areconfigurable antenna with frequency and polarization agility”,IEEE Antennas Wirel.Propag.Lett.,2011(10):1373-1376.)提出在传统方形贴片的周边加载四组PIN二极管和四组变容二极管，通过切换PIN二极管的状态实现天线的极化可重构，通过改变变容二极管的偏置电压实现天线在每种极化状态下的频率可重构。

文献3(Liang,B.,Sanz-Izquierdo,B.,Parker,E.A.,and Batchelor,J.C.,“A frequencyand polarization reconfigurable circularly polarized antenna using active EBG structure forsatellite navigation”,IEEE Trans.Antennas Propag.,2015(63):33-40.)提出在电磁带隙结构中加载变容二极管，通过改变变容二极管的偏置电压实现天线的频率和极化可重构。

但是以上三种基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线存在以下缺点：

(1)文献1中提出的可重构天线很难实现圆极化的辐射。

(2)文献2中提出的可重构天线在可调通带低端，辐射增益相对较低。

(3)文献3中提出的可重构天线具有复杂的结构和相对较高的剖面，这将限制其在无线通信系统中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、剖面低、每个可重构状态下辐射性能稳定、具有频率和极化均可重构的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：包括设置于介质基板上表面的圆形贴片、第一扇形贴片、第二扇形贴片、第三扇形贴片、第四扇形贴片、第一方形贴片、第二方形贴片、第三方形贴片，第四方形贴片、第五方形贴片、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第五变容二极管、第六变容二极管、第七变容二极管、第八变容二极管，设置于介质基板下表面的圆形金属接地板、馈电端口、第一圆环槽、第二圆环槽、第三圆环槽、第四圆环槽、第一圆形贴片、第二圆形贴片、第三圆形贴片、第四圆形贴片，以及垂直穿透介质基板的第一金属化通孔、第二金属化通孔、第三金属化通孔、第四金属化通孔、第五金属化通孔；

所述第一～四扇形贴片均匀对称地分布于圆形贴片的四周，且第一～四扇形贴片短弧的各个端点分别通过第一～八变容二极管与圆形贴片相接，第一方形贴片通过第一电感与圆形贴片相接，第二～五方形贴片分别通过第二～五电感与第一～四扇形贴片长弧的中点连接；第一～五金属化通孔分别设置于第一～五方形贴片的中心，第一～四圆环槽分别以第二～五金属化通孔为圆心蚀刻在圆形金属接地板的下表面，第一～四圆环槽内部分别设置第一～四圆形贴片，馈电端口的内导体探针垂直穿过介质基板与圆形贴片连接，馈电端口的外导体与圆形金属地板连接。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一电感跨接在第一方形贴片和圆形贴片之间，第二电感跨接在第二方形贴片和第一扇形贴片之间，第三电感跨接在第三方形贴片和第二扇形贴片之间，第四电感跨接在第四方形贴片和第三扇形贴片之间，第五电感跨接在第五方形贴片和第四扇形贴片之间。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一变容二极管和第二变容二极管均跨接在圆形贴片和第一扇形贴片之间，第三变容二极管和第四变容二极管均跨接在圆形贴片和第二扇形贴片之间，第五变容二极管和第六变容二极管均跨接在圆形贴片和第三扇形贴片之间，第七变容二极管和第八变容二极管均跨接在圆形贴片和第四扇形贴片之间。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一金属化通孔、第二金属化通孔、第三金属化通孔、第四金属化通孔、第五金属化通孔分别用来连接第一方形贴片、第二方形贴片、第三方形贴片，第四方形贴片和第五方形贴片的中心和金属接地板。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述第一圆形贴片、第三圆形贴片呈对角，且第一圆形贴片、第三圆形贴片均通过导线与一组直流电压源的正极连接，第二圆形贴片、第四圆形贴片呈对角，且第一圆形贴片、第三圆形贴片均通过导线与另一组直流电压源的正极连接，该两组直流电压源的负极均通过导线与圆形金属地板连接。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，该微带天线采用单层PCB板实现，其中介质基板的厚度为3.175mm。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感的电感值为47nH。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第五变容二极管、第六变容二极管、第七变容二极管、第八变容二极管的型号为SMV-2019LF。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的结构简单、剖面低，可在单片PCB板上实现，便于加工，生产成本低；(2)本发明的可重构天线可以在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化，三种极化状态间切换，同时在每个极化状态下具有工作频率连续可调的特性；(3)本发明的可重构天线在每个可重构状态下辐射方向图稳定，交叉极化水平较低，非常适用于现代无线通信系统。

附图说明

图1是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的俯视图。

图2是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的侧视图。

图3是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的仰视图。

图4是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1的结构尺寸示意图，其中(a)是俯视图，(b)是侧视图。

图5是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1在线极化状态下的回波损耗随变容二极管容值变化的仿真结果图。

图6是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1在左旋圆极化状态下的回波损耗和轴比在四组典型变容二极管容值下的仿真结果图。

图7是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1在右旋圆极化状态下的回波损耗和轴比在四组典型变容二极管容值下的仿真结果图。

图8是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1在C₁＝C₂＝1.1pF状态下仿真的辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。

图9是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1在C₁＝0.3pF、C₂＝0.45pF状态下仿真的辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。

图10是本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线的实施例1在C₁＝0.45pF、C₂＝0.3pF状态下仿真的辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2和图3，本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，包括设置于介质基板7上表面的圆形贴片1、第一扇形贴片2、第二扇形贴片3、第三扇形贴片4、第四扇形贴片5、第一方形贴片11、第二方形贴片21、第三方形贴片31，第四方形贴片41、第五方形贴片51、第一电感13、第二电感23、第三电感33、第四电感43、第五电感53、第一变容二极管24、第二变容二极管25、第三变容二极管34、第四变容二极管35、第五变容二极管44、第六变容二极管45、第七变容二极管54、第八变容二极管55，设置于介质基板7下表面的圆形金属接地板8、馈电端口6、第一圆环槽26、第二圆环槽36、第三圆环槽46、第四圆环槽56、第一圆形贴片27、第二圆形贴片37、第三圆形贴片47、第四圆形贴片57，以及垂直穿透介质基板7的第一金属化通孔12、第二金属化通孔22、第三金属化通孔32、第四金属化通孔42、第五金属化通孔52；

所述第一～四扇形贴片2、3、4、5均匀对称地分布于圆形贴片1的四周，且第一～四扇形贴片2、3、4、5短弧的各个端点分别通过第一～八变容二极管24、25、34、35、44、45、54、55与圆形贴片1相接，第一方形贴片11通过第一电感13与圆形贴片1相接，第二～五方形贴片21、31、41、51分别通过第二～五电感23、33、43、53与第一～四扇形贴片2、3、4、5长弧的中点连接；第一～五金属化通孔12、22、32、42、52分别设置于第一～五方形贴片11、21、31、41、51的中心，第一～四圆环槽26、36、46、56分别以第二～五金属化通孔22、32、42、52为圆心蚀刻在圆形金属接地板8的下表面，第一～四圆环槽26、36、46、56内部分别设置第一～四圆形贴片27、37、47、57，馈电端口6的内导体探针垂直穿过介质基板7与圆形贴片1连接，馈电端口6的外导体与圆形金属地板8连接。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一电感13跨接在第一方形贴片11和圆形贴片1之间，第二电感23跨接在第二方形贴片21和第一扇形贴片2之间，第三电感33跨接在第三方形贴片31和第二扇形贴片3之间，第四电感43跨接在第四方形贴片41和第三扇形贴片4之间，第五电感53跨接在第五方形贴片51和第四扇形贴片5之间。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一变容二极管24和第二变容二极管25均跨接在圆形贴片1和第一扇形贴片2之间，第三变容二极管34和第四变容二极管35均跨接在圆形贴片1和第二扇形贴片3之间，第五变容二极管44和第六变容二极管45均跨接在圆形贴片1和第三扇形贴片4之间，第七变容二极管54和第八变容二极管55均跨接在圆形贴片1和第四扇形贴片5之间。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一金属化通孔12、第二金属化通孔22、第三金属化通孔32、第四金属化通孔42、第五金属化通孔52分别用来连接第一方形贴片11、第二方形贴片21、第三方形贴片31，第四方形贴片41和第五方形贴片51的中心和金属接地板8。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一变容二极管24、第二变容二极管25、第三变容二极管34、第四变容二极管35、第五变容二极管44、第六变容二极管45、第七变容二极管54、第八变容二极管55的型号为SMV-2019LF。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述的第一电感13、第二电感23、第三电感33、第四电感43、第五电感53的电感值为47nH。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，所述第一圆形贴片27、第三圆形贴片47呈对角，且第一圆形贴片27、第三圆形贴片47均通过导线与一组直流电压源的正极连接，第二圆形贴片37、第四圆形贴片57呈对角，且第一圆形贴片27、第三圆形贴片47均通过导线与另一组直流电压源的正极连接，该两组直流电压源的负极均通过导线与圆形金属地板8连接。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线使用单层PCB板实现，其中介质基板7的厚度为3.175mm。

本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，通过改变两组直流电压来分别控制两组变容二极管的容值，从而改变天线的两个正交模式(TM₀₁和TM₁₀)的谐振频率。一方面，当两组电压保持相同的电压值时，天线将产生水平线极化的辐射，同时，通过同步改变两组电压的数值，可以实现天线在线极化状态下的频率可重构；另一方面，通过恰当调节两组控制电压，使两个正交模式中的一个模式的谐振频率升高，另一个模式的谐振频率降低，形成一个耦合的通带，从而在两个模式谐振频率之间的某个频率处，两个正交模式的辐射场幅度相同，相位相差90°，就可形成圆极化辐射，交换两组控制电压的值就可以实现天线左旋/右旋圆极化重构，调整两组电压值可以实现天线在左旋或右旋圆极化状态下的频率可重构。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

结合图4～10，以可调带宽为1.76GHz～2.31GHz的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线为例，采用的介质基板8相对介电常数为2.2，厚度为3.175mm，损耗角正切为0.0009。该可重构微带天线的各尺寸参数如下：圆形贴片1的半径为R₁＝20mm，第一扇形贴片2、第二扇形贴片3、第三扇形贴片4和第四扇形贴片5的半径均为R₂＝36mm，其角度均为35o，馈电端口6特性阻抗为50欧姆，其内导体探针的半径R＝0.65mm，距离圆形贴片1的圆心R₃＝10mm，第一圆形贴片27、第二圆形贴片37、第三圆形贴片47和第四圆形贴片57的半径均为R₄＝3mm，介质基板7和圆形金属地板8的半径均为R_g＝50mm，第一方形贴片11、第二方形贴片21、第三方形贴片31、第四方形贴片41和第五方形贴片51的边长均为L＝2mm，第一金属化通孔12、第二金属化通孔22、第三金属化通孔32、第四金属化通孔42和第五金属化通孔52的半径均为r＝0.5mm，第一圆环槽26、第二圆环槽36、第三圆环槽46和第四圆环槽56的槽宽均为S＝0.1mm，。

本实施例的巴伦滤波器是在ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真。为了精确模拟变容二极管在实际情形中的各项参数对天线性能的影响，根据厂商提供的变容二极管SMV-2019LF的技术参数资料，在HFSS中使用Lumped RLC边界条件对变容二极管进行精确建模。

图5是本实施例中的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线在线极化状态下的回波损耗随变容二极管容值变化的仿真结果图。从图中的结果可以看出，随着变容二极管的容值C₁和C₂同时从0.35pF变化到2pF，该天线在线极化状态下可以实现工作频率在1.76GHz～2.31GHz范围内连续可调，相对可调带宽为27.03％，且可调通带内回波损耗均低于-10dB。

图6和图7是本实施例中的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线在左旋和右旋圆极化状态下的回波损耗和轴比在四组典型变容二极管容值下的仿真结果图。从图中的结果可以看出，该天线可以在左旋或者右旋圆极化状态下实现工作频率在1.88GHz～2.28GHz范围内可调,相对可调带宽19.23％，且可调通带内回波损耗均低于-10dB，轴比均低于3dB。需要说明的是，虽然图中结果的轴比没有完全覆盖整个可调通带，但是可以通过选择合适的变容二极管容值来实现可调的轴比带宽覆盖整个可调通带。

图8是本实施例中的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线在C₁＝C₂＝1.1pF状态下仿真的辐射方向图，其中图8(a)是E面的辐射方向图，图8(b)是H面的辐射方向图。从图中的结果可以看出，该天线具有良好的全向辐射特性，同时具有良好的交叉极化水平，低于-27dB。

图9是本实例中的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线在C₁＝0.3pF、C₂＝0.45pF状态下仿真的辐射方向图，其中图9(a)是E面的辐射方向图，图9(b)是H面的辐射方向图。从图中的结果可以看出，该天线具有良好的左旋圆极化辐射特性，同时具有良好的交叉极化水平，低于-19.4dB。

图10是本实例中的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线在C₁＝0.45pF、C₂＝0.3pF状态下仿真的辐射方向图，，其中图10(a)是E面的辐射方向图，图10(b)是H面的辐射方向图。从图中的结果可以看出，该天线具有良好的右旋圆极化辐射特性，同时具有良好的交叉极化水平，低于-19.4dB。

综上所述，本发明基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，具有低剖面、结构简单、每个可重构状态下辐射特性稳定等优点，该可重构微带天线非常适用于现代无线通信系统。

Claims

1.一种基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：包括设置于介质基板(7)上表面的圆形贴片(1)、第一扇形贴片(2)、第二扇形贴片(3)、第三扇形贴片(4)、第四扇形贴片(5)、第一方形贴片(11)、第二方形贴片(21)、第三方形贴片(31)，第四方形贴片(41)、第五方形贴片(51)、第一电感(13)、第二电感(23)、第三电感(33)、第四电感(43)、第五电感(53)、第一变容二极管(24)、第二变容二极管(25)、第三变容二极管(34)、第四变容二极管(35)、第五变容二极管(44)、第六变容二极管(45)、第七变容二极管(54)、第八变容二极管(55)，设置于介质基板(7)下表面的圆形金属接地板(8)、馈电端口(6)、第一圆环槽(26)、第二圆环槽(36)、第三圆环槽(46)、第四圆环槽(56)、第一圆形贴片(27)、第二圆形贴片(37)、第三圆形贴片(47)、第四圆形贴片(57)，以及垂直穿透介质基板(7)的第一金属化通孔(12)、第二金属化通孔(22)、第三金属化通孔(32)、第四金属化通孔(42)、第五金属化通孔(52)；

所述第一～四扇形贴片(2、3、4、5)均匀对称地分布于圆形贴片(1)的四周，且第一～四扇形贴片(2、3、4、5)短弧的各个端点分别通过第一～八变容二极管(24、25、34、35、44、45、54、55)与圆形贴片(1)相接，第一方形贴片(11)通过第一电感(13)与圆形贴片(1)相接，第二～五方形贴片(21、31、41、51)分别通过第二～五电感(23、33、43、53)与第一～四扇形贴片(2、3、4、5)长弧的中点连接；第一～五金属化通孔(12、22、32、42、52)分别设置于第一～五方形贴片(11、21、31、41、51)的中心，第一～四圆环槽(26、36、46、56)分别以第二～五金属化通孔(22、32、42、52)为圆心蚀刻在圆形金属接地板(8)的下表面，第一～四圆环槽(26、36、46、56)内部分别设置第一～四圆形贴片(27、37、47、57)，馈电端口(6)的内导体探针垂直穿过介质基板(7)与圆形贴片(1)连接，馈电端口(6)的外导体与圆形金属地板(8)连接。

2.根据权利要求1所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：所述的第一电感(13)跨接在第一方形贴片(11)和圆形贴片(1)之间，第二电感(23)跨接在第二方形贴片(21)和第一扇形贴片(2)之间，第三电感(33)跨接在第三方形贴片(31)和第二扇形贴片(3)之间，第四电感(43)跨接在第四方形贴片(41)和第三扇形贴片(4)之间，第五电感(53)跨接在第五方形贴片(51)和第四扇形贴片(5)之间。

3.根据权利要求1所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：所述的第一变容二极管(24)和第二变容二极管(25)均跨接在圆形贴片(1)和第一扇形贴片(2)之间，第三变容二极管(34)和第四变容二极管(35)均跨接在圆形贴片(1)和第二扇形贴片(3)之间，第五变容二极管(44)和第六变容二极管(45)均跨接在圆形贴片(1)和第三扇形贴片(4)之间，第七变容二极管(54)和第八变容二极管(55)均跨接在圆形贴片(1)和第四扇形贴片(5)之间。

4.根据权利要求1所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：所述的第一金属化通孔(12)、第二金属化通孔(22)、第三金属化通孔(32)、第四金属化通孔(42)、第五金属化通孔(52)分别用来连接第一方形贴片(11)、第二方形贴片(21)、第三方形贴片(31)，第四方形贴片(41)和第五方形贴片(51)的中心和金属接地板(8)。

5.根据权利要求1所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：所述第一圆形贴片(27)、第三圆形贴片(47)呈对角，且第一圆形贴片(27)、第三圆形贴片(47)均通过导线与一组直流电压源的正极连接，第二圆形贴片(37)、第四圆形贴片(57)呈对角，且第一圆形贴片(27)、第三圆形贴片(47)均通过导线与另一组直流电压源的正极连接，该两组直流电压源的负极均通过导线与圆形金属地板(8)连接。

6.根据权利要求1所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：该微带天线采用单层PCB板实现，其中介质基板(7)的厚度为3.175mm。

7.根据权利要求1或2所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：所述的第一电感(13)、第二电感(23)、第三电感(33)、第四电感(43)、第五电感(53)的电感值为47nH。

8.根据权利要求1或3所述的基于变容二极管的频率和极化可重构微带天线，其特征在于：所述的第一变容二极管(24)、第二变容二极管(25)、第三变容二极管(34)、第四变容二极管(35)、第五变容二极管(44)、第六变容二极管(45)、第七变容二极管(54)、第八变容二极管(55)的型号为SMV-2019LF。