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CN108281779B - 一种低剖面波束切换智能天线 - Google Patents

一种低剖面波束切换智能天线 Download PDF

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CN108281779B CN201810008590.0A CN201810008590A CN108281779B CN 108281779 B CN108281779 B CN 108281779B CN 201810008590 A CN201810008590 A CN 201810008590A CN 108281779 B CN108281779 B CN 108281779B
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Abstract

本发明公开了一种低剖面波束切换智能天线，包括印刷在同一介质基板上的一个激励单元和六个寄生单元，激励单元为由上层天线单元和下层天线单元耦合构成的圆极化全向天线，且上层天线单元和下层天线单元的整体是由中心馈源以及周向间隔60°环绕中心馈源的六个激励天线和连接相应激励天线与中心馈源的微带传输线组成；六个寄生单元印刷在激励单元中的上层天线单元的外侧，并且以周向间隔60°围绕在激励单元的四周，每个寄生单元均由偶极子天线和焊接在该偶极子天线两臂中间的PIN二极管组成，且偶极子天线的两臂呈120°夹角摆放；低剖面波束切换智能天线通过改变不同寄生单元中的PIN二极管导通或断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元的水平极化方向。

Description

一种低剖面波束切换智能天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及工作在2.4GHz WLAN频段的一种基于波束切换的智能天线，具体地说是一种低剖面波束切换智能天线。
背景技术
传统的智能天线是由许多天线单元组成的阵列构成，通过优化调节各个阵元信号的加权幅度和相位来改变天线阵列的方向图主瓣方向，即将方向图主瓣（主要波束）指向期望用户方向，方向图零点位置对准干扰源方向，从而有效地增加天线增益和信干噪比，提高无线通信容量。
智能天线主要包括自适应天线和波束切换智能天线，其中波束切换智能天线具有结构简单、功耗低、响应迅速、稳定性高等特点，适用于无线局域网（WLAN）中。对于设计波束切换智能天线，日本ATR研究所提出了一种应用于移动终端中的智能天线即电子可引导无源阵列辐射器（ESPAR）天线，该天线是由一个中心加激励的辐射单元和围绕在它周围的多个可调谐的寄生单元构成的阵列天线，通过辐射单元和寄生单元之间的耦合产生波束，实现空间滤波，从而简化了射频电路，所以ESPAR天线具有低损耗功率以及低成本的特性，所以作为一种波束切换智能天线，ESPAR天线适用于无线局域网（WLAN）中。
然而传统的ESPAR天线常以垂直单极子天线（四分之一波长高度）作为辐射单元，所以这种天线结构不适合用于包括无线局域网（WLAN）在内的无线终端设备中。因此设计应用于无线终端设备中的ESPAR天线需要降低天线高度，同时能够保持天线具有波束切换功能，这成为了设计ESPAR天线的难点与热点，所以研究并设计低剖面的智能天线具有十分重要的意义和工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供性能好、体积小、结构紧凑，并且辐射效率高，天线剖面低，能更好地应用于2.4GHz频段的无线局域网中的一种低剖面波束切换智能天线。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种低剖面波束切换智能天线，包括一个激励单元和六个寄生单元，一个激励单元和六个寄生单元均印刷在直径为150mm，厚度为3mm的同一介质基板的板面上，激励单元为由印刷在介质基板上层板面的上层天线单元和印刷在介质基板下层板面的下层天线单元耦合构成的圆极化全向天线；上层天线单元和下层天线单元的整体是由呈六边形结构的中心馈源以及周向间隔60°环绕中心馈源构成阵列天线的六个激励天线和连接相应激励天线与中心馈源的微带传输线组成；六个寄生单元周向间隔60°围绕在激励单元的四周，每个寄生单元均由偶极子天线和焊接在该偶极子天线两臂中间的PIN二极管组成，且偶极子天线的两臂呈120°夹角摆放；低剖面波束切换智能天线通过改变不同寄生单元中的PIN二极管导通或者断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元的水平极化方向，使激励单元的带宽、增益和辐射方向发生变化，由原来的全向辐射转成定向辐射，实现天线系统的智能化。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的介质基板为Rogers RO4003C介质基板。
上述的PIN二极管在导通时等效为接2Ω的电阻，PIN二极管在断开时等效为接0.2pF的电容。
上述的中心馈源的中心加工有金属过孔。
上述的PIN二极管为SMP1345-079LF型号的二极管。
上述的寄生单元印刷在介质基板的上层板面上。
六个寄生单元按逆时针排列依次包括第一寄生单元、第二寄生单元、第三寄生单元、第四寄生单元、第五寄生单元和第六寄生单元；相应地所述的PIN二极管依次包括焊接在第一寄生单元上的第一PIN二极管、焊接在第二寄生单元上的第二PIN二极管、焊接在第三寄生单元上的第三PIN二极管、焊接在第四寄生单元上的第四PIN二极管、焊接在第五寄生单元上的第五PIN二极管和焊接在第六寄生单元上的第六PIN二极管。
上述的PIN二极管具有六种导通或者断开的工作状态，六种所述的导通或者断开的工作状态分别为：
第一PIN二极管断开，第二PIN二极管、第三PIN二极管和第四PIN二极管、第五PIN二极管和第六PIN二极管均为导通时的第一工作状态；
第二PIN二极管断开，第一PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管、第五PIN二极管和第六PIN二极管均为导通时的第二工作状态；
第三PIN二极管断开，第一PIN二极管、第二PIN二极管和第四PIN二极管、第五PIN二极管和第六PIN二极管均为导通时的第三工作状态；
第四PIN二极管断开，第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第五PIN二极管和第六PIN二极管均为导通时的第四工作状态；
第五PIN二极管断开，第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管和第六PIN二极管均为导通时的第五工作状态；
第六PIN二极管断开，第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管和第五PIN二极管均为导通时的第四工作状态。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一：本发明的低剖面波束切换智能天线采用的是SMP1345-079LF型号的PIN二极管，这种二极管插入损耗非常低（0.4dB），非常适合用于在无线局域网的手持终端设备中。
第二：低剖面波束切换智能天线剖面低，体积较小，而且各个单元结构简单且紧凑，适用于目前工作在2.4GHz的无线局域网WLAN中。
第三：低剖面波束切换智能天线虽然只覆盖2.4GHz的WLAN频段2400-2483.5MHz，但同样适用于2G/3G/4G通信标准频段，并且满足未来5G通信的应用，如作为5G候选频段的C波段，即3.4GHz-3.6GHz等，这对于研究未来5G天线有重要意义。
附图说明
图1是本发明的三维立体结构示意图；
图2是上层天线单元和寄生单元在介质基板上层板面的示意图；
图3是下层天线单元在介质基板下层板面的示意图；
图4是PIN二极管在六种不同工作状态下激励单元的回波损耗图；
图5是本发明在第一工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图6是本发明在第二工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图7是本发明在第三工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图8是本发明在第四工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图9是本发明在第五工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图10是本发明在第六工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；
图11是PIN二极管在六种不同工作状态下激励单元的增益图；
图12是PIN二极管在六种不同工作状态下激励单元的辐射效率图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明图1和图2中的附图标记为：激励单元1、中心馈源11、激励天线12、微带传输线13、寄生单元2、第一寄生单元21、第二寄生单元22、第三寄生单元23、第四寄生单元24、第五寄生单元25、第六寄生单元26、偶极子天线3、PIN二极管4、第一PIN二极管41、第二PIN二极管42、第三PIN二极管43、第四PIN二极管44、第五PIN二极管45、第六PIN二极管46。
本发明图4、图11和图12中的带有正方形黑点的线表示第一工作状态，带有圆形黑点的线表示第二工作状态，带有正三角形黑点的线表示第三工作状态，带有倒三角形黑点的线表示第四工作状态，带有左三角形黑点的线表示第五工作状态，带有右三角形黑点的线表示第六度工作状态。
本发明的目的是为了解决现有技术中应用于无线局域网（WLAN）中智能天线剖面高，体积大，辐射效率低等的一些问题，而研发出的一种低剖面波束切换智能天线，低剖面波束切换智能天线包括一个激励单元1和六个寄生单元2，一个激励单元1和六个寄生单元2均印刷在一个直径为150mm，厚度为3mm的同一块介质基板上，介质基板采用RogersRO4003C介质基板。激励单元1为由印刷在介质基板上层板面的上层天线单元和印刷在介质基板下层板面的下层天线单元耦合构成的圆极化全向天线；上层天线单元和下层天线单元的整体是由呈六边形结构的中心馈源11以及周向间隔60°环绕中心馈源11构成阵列天线的六个激励天线12和连接相应激励天线12与中心馈源11的微带传输线13组成；中心馈源11的中心加工有金属过孔。激励天线12为铜质偶极子线，上层天线单元的激励天线12与对应的下层天线单元的激励天线12呈120°夹角设置形成激励偶极子天线。本发明的六个寄生单元2周向间隔60°围绕在激励单元1的四周，每一寄生单元2均与一个激励偶极子天线相对应。每一寄生单元2均由偶极子天线3和焊接在该偶极子天线3两臂中间的PIN二极管4组成，偶极子天线3的两臂呈120°夹角摆放。低剖面波束切换智能天线通过改变不同寄生单元2中的PIN二极管4导通或者断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元1的水平极化方向，使激励单元1的带宽、增益和辐射方向发生变化，实现天线系统的智能化。激励单元1随着PIN二极管6工作在不同状态即导通或断开，激励单元1的最大辐射方向会发生改变，从激励单元1原来的全向辐射变成定向辐射，实现天线系统的智能化。
本发明的激励单元1的电压驻波比 VSWR<2，激励单元1在PIN二极管6不同工作状态下都能覆盖2.39GHz-2.49GHz。
实施例中，本发明的PIN二极管4在导通时等效为接2Ω的电阻，PIN二极管4在断开时等效为接0.2pF的电容。PIN二极管4采用的是SMP1345-079LF型号的二极管。
由图2可以看出，本发明的寄生单元2印刷在介质基板的上层板面上。
本发明的六个寄生单元2在介质基板上按逆时针排列依次包括第一寄生单元21、第二寄生单元22、第三寄生单元23、第四寄生单元24、第五寄生单元25和第六寄生单元26；相应地PIN二极管4依次包括焊接在第一寄生单元21上的第一PIN二极管41、焊接在第二寄生单元22上的第二PIN二极管42、焊接在第三寄生单元23上的第三PIN二极管43、焊接在第四寄生单元24上的第四PIN二极管44、焊接在第五寄生单元25上的第五PIN二极管45和焊接在第六寄生单元26上的第六PIN二极管46。
本发明的PIN二极管4具有六种导通或者断开的工作状态，六种导通或者断开的工作状态分别为：
图5是本发明在第一工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图，此状态时第一PIN二极管41断开，第二PIN二极管42、第三PIN二极管43和第四PIN二极管44、第五PIN二极管45和第六PIN二极管46均为导通。
图6是本发明在第二工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；此状态时第二PIN二极管42断开，第一PIN二极管41、第三PIN二极管43、第四PIN二极管44、第五PIN二极管45和第六PIN二极管46均为导通；
图7是本发明在第三工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；此状态时第三PIN二极管43断开，第一PIN二极管41、第二PIN二极管42和第四PIN二极管44、第五PIN二极管45和第六PIN二极管46均为导通；
图8是本发明在第四工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；此状态时第四PIN二极管44断开，第一PIN二极管41、第二PIN二极管42、第三PIN二极管43、第五PIN二极管45和第六PIN二极管46均为导通；
图9是本发明在第五工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；此状态时第五PIN二极管45断开，第一PIN二极管41、第二PIN二极管42、第三PIN二极管43、第四PIN二极管44和第六PIN二极管46均为导通时的第五工作状态；
图10是本发明在第六工作状态时激励单元在频率2.45GHz时xoy面的方向图；此状态时第六PIN二极管46断开，第一PIN二极管41、第二PIN二极管42、第三PIN二极管43、第四PIN二极管44和第五PIN二极管45均为导通时的第四工作状态。
由图5至图10可以看出，当焊接在不同寄生单元2中的PIN二极管4工作在不同状态（即导通ON或者断开OFF）时，随着PIN二极管4工作状态的改变，激励单元1的水平极化方向也会发生改变，激励单元1的最大辐射方向发生了改变，激励单元1由原来的全向辐射变成了定向辐射。
由图4给出了PIN二极管在六种不同工作状态下激励单元1的回波损耗图，由图可知本发明的天线系统完全覆盖了2.4GHz的WLAN频段（2400-2483.5MHz）。
图11至图12分别给出了焊接在寄生单元2中的PIN二极管4工作在不同状态（即导通ON或者断开OFF）时激励单元1的增益图和辐射效率图，由增益图和辐射效率图可见PIN二极管虽工作在不同状态下，但低剖面波束切换智能天线在带宽（2.39GHz-2.49GHz）范围内峰值增益都在3.3dB以上，辐射效率都在91%以上，可见本发明的低剖面波束切换智能天线具有良好的方向性和能量转换性能。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低剖面波束切换智能天线，包括一个激励单元(1)和六个寄生单元(2)，其特征是：一个所述的激励单元(1)和六个寄生单元(2)均印刷在直径为150mm，厚度为3mm的同一块介质基板的板面上，所述的激励单元(1)为由印刷在介质基板上层板面的上层天线单元和印刷在介质基板下层板面的下层天线单元耦合构成的圆极化全向天线；所述的上层天线单元和下层天线单元的整体是由呈六边形结构的中心馈源(11)以及周向间隔60°环绕中心馈源(11)构成阵列天线的六个激励天线(12)和连接相应激励天线(12)与中心馈源(11)的微带传输线(13)组成；六个所述的寄生单元(2)周向间隔60°围绕在激励单元(1)的四周，每一所述的寄生单元(2)均由偶极子天线(3)和焊接在该偶极子天线(3)两臂中间的PIN二极管(4)组成，所述的偶极子天线(3)的两臂呈120°夹角摆放；低剖面波束切换智能天线通过改变不同寄生单元(2)中的PIN二极管(4)导通或者断开的工作状态来改变放置在中心的激励单元(1)的水平极化方向，使激励单元(1)的带宽、增益和辐射方向发生变化，由原来的全向辐射转成定向辐射，实现天线系统的智能化；上层天线单元是正 L 形结构，下层天线单元是反 L形结构，并且上层天线单元和下层天线单元的正 L 形结构和反 L形结构构成的两臂呈 120°夹角摆放，与外层的寄生单元(2)的偶极子天线(3)平行，所述的中心馈源(11)的中心加工有金属过孔；所述的寄生单元(2)印刷在介质基板的上层板面上。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面波束切换智能天线，其特征是：所述的介质基板为RogersRO4003C介质基板。
3.根据权利要求2所述的一种低剖面波束切换智能天线，其特征是：所述的PIN二极管(4)在导通时等效为接2Ω的电阻，PIN二极管(4)在断开时等效为接0.2pF的电容。
4.根据权利要求3所述的一种低剖面波束切换智能天线，其特征是：所述的PIN二极管(4)为SMP1345-079LF型号的二极管。
5.根据权利要求4所述的一种低剖面波束切换智能天线，其特征是：六个所述的寄生单元(2)按逆时针排列依次包括第一寄生单元(21)、第二寄生单元(22)、第三寄生单元(23)、第四寄生单元(24)、第五寄生单元(25)和第六寄生单元(26)；相应地所述的PIN二极管(4)依次包括焊接在第一寄生单元(21)上的第一PIN二极管(41)、焊接在第二寄生单元(22)上的第二PIN二极管(42)、焊接在第三寄生单元(23)上的第三PIN二极管(43)、焊接在第四寄生单元(24)上的第四PIN二极管(44)、焊接在第五寄生单元(25)上的第五PIN二极管(45)和焊接在第六寄生单元(26)上的第六PIN二极管(46)。
6.根据权利要求5所述的一种低剖面波束切换智能天线，其特征是：所述的PIN二极管(4)具有六种导通或者断开的工作状态，六种所述的导通或者断开的工作状态分别为：第一PIN二极管(41)断开，第二PIN二极管(42)、第三PIN二极管(43)和第四PIN二极管(44)、第五PIN二极管(45)和第六PIN二极管(46)均为导通时的第一工作状态；第二PIN二极管(42)断开，第一PIN二极管(41)、第三PIN二极管(43)、第四PIN二极管(44)、第五PIN二极管(45)和第六PIN二极管(46)均为导通时的第二工作状态；第三PIN二极管(43)断开，第一PIN二极管(41)、第二PIN二极管(42)和第四PIN二极管(44)、第五PIN二极管(45)和第六PIN二极管(46)均为导通时的第三工作状态；第四PIN二极管(44)断开，第一PIN二极管(41)、第二PIN二极管(42)、第三PIN二极管(43)、第五PIN二极管(45)和第六PIN二极管(46)均为导通时的第四工作状态；第五PIN二极管(45)断开，第一PIN二极管(41)、第二PIN二极管(42)、第三PIN二极管(43)、第四PIN二极管(44)和第六PIN二极管(46)均为导通时的第五工作状态；第六PIN二极管(46)断开，第一PIN二极管(41)、第二PIN二极管(42)、第三PIN二极管(43)、第四PIN二极管(44)和第五PIN二极管(45)均为导通时的第四工作状态。
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