專利名稱：小型化pifa可重構(gòu)天線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可重構(gòu)天線裝置。
背景技術(shù)：
目前移動(dòng)通信終端所用天線的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是外置的單極子天線、螺旋天線和內(nèi)置的平面倒F形天線(Planar Invert-F Antenna，PIFA)，這些天線結(jié)構(gòu)存在各自的不足，尤其是其相對(duì)帶寬均在10%以下，難以全面地滿足應(yīng)用的要求。針對(duì)傳統(tǒng)的單極子天線和螺旋天線的缺點(diǎn)以及現(xiàn)代移動(dòng)通信的多頻段多種模式的具體要求，人們提出了各種改進(jìn)方案，其中包括基于變?nèi)荻O管調(diào)諧的PIFA天線、開槽式多諧振枝單極子天線、復(fù)合式單極子天線和多饋點(diǎn)天線，然而這些多頻天線要么體積過大，無法內(nèi)置于移動(dòng)通信終端；要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能難以調(diào)解，始終無法滿足人們對(duì)移動(dòng)通信終端多頻天線的迫切需求。2007年，Angus 等人提出利用可重構(gòu)方法對(duì)移動(dòng)通信終端用內(nèi)置式多頻天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用該方法設(shè)計(jì)出了一種可以滿足GSM、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WLAN頻段的通信要求的小型化多頻內(nèi)置天線。采用同一個(gè)天線或天線陣，通過動(dòng)態(tài)改變其物理結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個(gè)天線的功能，相當(dāng)于多個(gè)天線共用一個(gè)物理口徑，從而減輕天線重量、降低成本并實(shí)現(xiàn)良好特性，這種天線就稱為可重構(gòu)天線?？芍貥?gòu)天線作為一種新型的天線，其基本工作原理是通過改變天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變天線的電流分布來實(shí)現(xiàn)天線參數(shù)的重構(gòu)以及不同的工作模式的切換。需要指出的是，Angus等人提出了一個(gè)好方法，但是他們?cè)O(shè)計(jì)的天線并非完美，主要問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難。Angus設(shè)計(jì)的兩種天線分別通過饋電點(diǎn)的切換和接地狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)諧振長(zhǎng)度的變化，從而覆蓋GSM、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WLAN頻段。這樣就勢(shì)必在天線的原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加射頻開關(guān)以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，從而加大了加工難度。為了滿足低頻通訊頻段的設(shè)計(jì)要求，通常需要天線有很大的尺寸，這與移動(dòng)設(shè)備尺寸有限之間產(chǎn)生了矛盾，然而，簡(jiǎn)單地增大天線尺寸很難滿足帶寬的需求，而且，隨著移動(dòng)設(shè)備功能的豐富，迫切的需求符合廣路網(wǎng)絡(luò)(WWAN)的天線，目前缺少具有多頻段特性， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前缺少具有多頻段特性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型天線的問題，提供一種小型化PIFA可重構(gòu)天線裝置。小型化PIFA可重構(gòu)天線裝置，它包括介質(zhì)板、金屬地板、射頻開關(guān)二極管、天線的輻射單元和直流偏置電路，天線的輻射單元包括T型振子、短路耦合諧振枝、耦合傳輸帶和短路傳輸帶，T型振子的底端通過短路傳輸帶與金屬地板連通，短路耦合諧振枝設(shè)置在鄰近 T型振子的上橫枝中線的左側(cè)的底邊緣處，且留有縫隙，耦合傳輸帶設(shè)置在T型振子的中間豎枝的左側(cè)，且耦合傳輸帶右側(cè)的上邊緣通過射頻開關(guān)二極管與短路耦合諧振枝的下邊緣連通；金屬地板和天線的輻射單元位于介質(zhì)板的上表面的金屬板上，金屬地板的上邊緣與天線的輻射單元的下邊緣之間形成寄生開槽，直流偏置電路的正、負(fù)極輸出端分別對(duì)應(yīng)連接在射頻開關(guān)二極管的陽(yáng)極和陰極上。本發(fā)明提供的天線，能在較小的空間尺寸下滿足頻段間無相互耦合的要求，能夠覆蓋 GSM850 (0. 824-0. 894GHz)、GSM900 (0. 88-0. 96GHz)、GSM1800 (1. 71-1. 88GHz)、 GSM1900 (1.85-1. 99GHz)、TD-SCDMA (1. 880-1. 9 2GHz、2. 0 1-2. 025GHz)、 UMTS(1. 92-2. 17GHz)、LTE (2. 3-2. 4GHz)、ISM (2. 4-2. 458GHz)、IMT (3. 4-3. 6GHz)禾Π WLAN 與Wi-max (4. 9-5. 9GHz)，這十個(gè)無線通信頻段，從而使得利用同一天線滿足不同地區(qū)(不同標(biāo)準(zhǔn))的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、短距離通信和寬帶接入通信成為可能，滿足了移動(dòng)無線通信系統(tǒng)兼容不同的通信模式的需要，為各種無線通信技術(shù)共存以及同一技術(shù)在不同國(guó)家采用不同頻段工作的現(xiàn)實(shí)問題提供了解決方案，本發(fā)明構(gòu)造的性能優(yōu)越的多頻可重構(gòu)天線模型，通過添加射頻開關(guān)二極管3，改變天線自身結(jié)構(gòu)，從而對(duì)天線進(jìn)行重構(gòu)，使天線工作頻段得到擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)天線功能的高度集成；解決了低頻段與天線尺寸間的矛盾，通過構(gòu)造諧振枝產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn)實(shí)現(xiàn)增頻，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用了 PCB設(shè)計(jì)方案，非常易于制造。用于便攜式電腦、移動(dòng)電話和移動(dòng)多媒體設(shè)備的接入天線。


圖1為本發(fā)明的可重構(gòu)天線的平面示意圖，圖2為本發(fā)明天線輻射部分的示意圖， 圖3為本發(fā)明實(shí)施的低頻段反射系數(shù)曲線，圖中，實(shí)線的曲線對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為開關(guān)閉合，虛線的曲線對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為開關(guān)斷開；圖4為開關(guān)二極管通斷對(duì)于IMT頻段的影響，實(shí)線的曲線對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為開關(guān)閉合，虛線的曲線對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為開關(guān)斷開；圖5為開關(guān)二極管通斷對(duì)于IMT 頻段的影響，實(shí)線的曲線對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為開關(guān)閉合，虛線的曲線對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為開關(guān)斷開；圖6 為寄生開槽寬度對(duì)于本發(fā)明反射系數(shù)的影響，曲線61對(duì)應(yīng)width (寄生開槽寬度)=0mm、 曲線 62 對(duì)應(yīng) width = 0. 5mm、曲線 63 對(duì)應(yīng) width = 1. 0mm、曲線 64-width = 1. 5mm,曲線 65 對(duì)應(yīng)width = 2. Omm ；圖7為寄生開槽長(zhǎng)度對(duì)于反射系數(shù)的影響曲線圖，曲線71對(duì)應(yīng)t (寄生開槽長(zhǎng)度)=39mm,曲線72對(duì)應(yīng)t = 43mm、曲線73對(duì)應(yīng)t = 47mm ；圖8為加工精度對(duì)于工作性能影響的分析圖，曲線81對(duì)應(yīng)y(耦合傳輸帶與T型振子橫枝的距離)=4. 74mm、 曲線 82 對(duì)應(yīng) y = 4. 78mm、曲線 83 對(duì)應(yīng) y = 4. 82,4. 84,4. 86,4. 88,4. 90mm ；圖 9 為本發(fā)明輻射增益隨頻率變化的曲線圖，實(shí)線為開關(guān)閉合，虛線為開關(guān)斷開；圖10為本發(fā)明實(shí)施方式二構(gòu)成示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括介質(zhì)板1、金屬地板2、射頻開關(guān)二極管3、天線的輻射單元5和直流偏置電路6，天線的輻射單元5包括 T型振子7、短路耦合諧振枝8、耦合傳輸帶9和短路傳輸帶10，T型振子7的底端通過短路傳輸帶10與金屬地板2連通，短路耦合諧振枝8設(shè)置在鄰近T型振子7的上橫枝中線的左側(cè)的底邊緣處，且留有縫隙，耦合傳輸帶9設(shè)置在T型振子7的中間豎枝的左側(cè)，且耦合傳輸帶9右側(cè)的上邊緣通過射頻開關(guān)二極管3與短路耦合諧振枝8的下邊緣連通；金屬地板2和天線的輻射單元5位于介質(zhì)板1的上表面的金屬板上，金屬地板2的上邊緣與天線的輻射單元5的下邊緣之間形成寄生開槽4，直流偏置電路6的正、負(fù)極輸出端分別對(duì)應(yīng)連接在射頻開關(guān)二極管3的陽(yáng)極和陰極上。本發(fā)明提出一種可重構(gòu)多頻帶無線移動(dòng)通信終端平面天線，天線結(jié)構(gòu)印制在介電常數(shù)為4.4&FR_4介質(zhì)板上。天線主體具有四條支路，其中T型振子7(FDCB)支路具有最長(zhǎng)的回路，其長(zhǎng)度大約為0. 88GHz波長(zhǎng)的四分之一，通過與倒L結(jié)構(gòu)的耦合傳輸帶9耦合，在 GSM850/900頻段產(chǎn)生一個(gè)很窄的諧振；T型振子7(FDE)支路具有次于最長(zhǎng)回路的長(zhǎng)度，與T型振子7 (FDCB)回路的耦合相似，工作中產(chǎn)生1. 68-2. 57GHz的諧振帶，覆蓋 GSM1800 (1.71-1.88GHz)，GSM1900(1. 85-1. 99GHz)，TD-SCDMA (1.880-1.92GHz, 2. 01-2. 025GHz)，UMTS(1. 92-2. 17GHz)，LTE (2. 3-2. 4GHz)，ISM (2. 4-2. 458GHz)頻段；倒 L 結(jié)構(gòu)的耦合傳輸帶9(AG)長(zhǎng)度約為5. 5GHZ波長(zhǎng)的四分之一，可以在4. 9-5. 9GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振，覆蓋WLAN與Wi-max (4. 9-5. 9GHz)；短路耦合諧振枝8 (HK)通過開關(guān)二極管3與耦合傳輸帶9(AG)連接，形成與T型振子7臂(FD)間的耦合，接通二極管開關(guān)可以減小回路， 形成(HK-DE)耦合回路，從而覆蓋3. 4-3. 6GHz的IMT通訊頻段。三個(gè)耦合縫隙Gapl、Gap2 和Gap3的參數(shù)調(diào)整，可以精確的控制倒L結(jié)構(gòu)與T型振子7間的耦合強(qiáng)度，從而權(quán)衡各個(gè)頻段的寬度和中心頻率，達(dá)到實(shí)際使用的需求。50Ω的同軸電纜通過饋電點(diǎn)A-A’與天線連接，上部通過A與倒L結(jié)構(gòu)連接，下部通過A’與寄生開槽結(jié)構(gòu)連接。在天線與地板間的寄生開槽4是本發(fā)明的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，寄生開槽4可以增加電流流經(jīng)的長(zhǎng)度，與地板的耦合有益于阻抗匹配和增加帶寬，增加寄生開槽的最終效果可以使低頻段增加一個(gè)諧振頻率，從而增加帶寬，由很窄的諧振轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆采wGSM850/900操作頻段，同時(shí)，由于饋電點(diǎn)處于倒L結(jié)構(gòu)的耦合傳輸帶9與開槽之間，所以通過調(diào)整寄生開槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)還可以使天線與50Ω同軸電纜達(dá)到良好的阻抗匹配。同時(shí)寄生開槽還是一個(gè)對(duì)于天線性能影響十分敏感的結(jié)構(gòu)，圖5顯示，開槽可以在低頻段增加一個(gè)在1. OGHz附近的諧振模式。本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)的三維尺寸為100X 30X 1mm3。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖10說明本實(shí)施方式，具體實(shí)施方式
一中的直流偏置電路 6包括電阻R、電感L、開關(guān)K和IOV電源，IOV電源的正極連接在開關(guān)K的一端，開關(guān)K的另一端與電阻R的一端連接，電阻R的另一端與電感L的一端連接，電感L的另一端連接在射頻開關(guān)二極管3的陽(yáng)極，射頻開關(guān)二極管3的陰極連接在IOV電源的負(fù)極。其它組成和連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。直流偏置電路6是為了配合天線重構(gòu)的匹配部分，可以控制射頻開關(guān)二極管3的通斷，電阻R限制最大電流小于10 μ A，22nH電感防止交變電流進(jìn)入直流偏置電路6，電源選擇為IOV的電解電池。圖3是天線兩種狀態(tài)工作下的反射系數(shù)曲線，射頻開關(guān)在圖中標(biāo)示處狀態(tài)。從圖中可以看出，本發(fā)明在 GSM850 (0. 824-0. 894GHz)、GSM900 (0. 88-0. 96GHz)、 GSM1800 (1. 71-1. 88GHz)、GSM1900 (1. 85-1. 99GHz)、TD-SCDMA(1. 880-1. 92GHz, 2. 01-2. 025GHz)、UMTS(1. 92-2. 17GHz)、LTE (2. 3-2. 4GHz)、ISM(2. 4-2. 458GHz)、 IMT (3. 4-3. 6GHz)、WLAN與Wi_max (4. 9-5. 9GHz)，這十個(gè)頻段上的反射系數(shù)小于_6dB，可以滿足上述頻段的無線通訊需求。圖8是加工精度對(duì)于天線性能的影響。由于本發(fā)明在短路耦合諧振枝8 (KH)與T 型振子7間存在一個(gè)很窄的耦合縫隙，考慮到天線性能對(duì)其參數(shù)變化十分敏感，故對(duì)其進(jìn)行分析。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，諧振枝的長(zhǎng)度4. 85-4. 9mm范圍內(nèi)對(duì)于天線的性能影響很小，對(duì)于目前PCB電路板10 μ m的制作精度而言是十分容易滿足的。這也體現(xiàn)了本發(fā)明易于制作的優(yōu)點(diǎn)。圖9是天線輻射系能的指標(biāo)，低頻段增益0. 3-2. 4dBi,中頻段l_2dBi，高頻段 2-3. 5dBi，全向性能很好，適用于移動(dòng)終端的無線接入天線。按照本發(fā)明提供的多頻多?？芍貥?gòu)移動(dòng)終端天線，包括介質(zhì)板、地板導(dǎo)體、射頻開關(guān)二極管、寄生開槽、輻射部分及直流偏置電路，其載體可以是FPC(柔性印刷電路板)、 PCB(印刷電路板)、單獨(dú)的塑料結(jié)構(gòu)件或者終端機(jī)殼，其導(dǎo)體可以是銅箔、電鍍或印刷的金屬導(dǎo)體等，其射頻開關(guān)可以是PIN 二極管或MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))開關(guān)等。
權(quán)利要求
1.小型化PIFA可重構(gòu)天線裝置，其特征是它包括介質(zhì)板(1)、金屬地板O)、射頻開關(guān)二極管(3)、天線的輻射單元( 和直流偏置電路(6)，天線的輻射單元( 包括T型振子 (7)、短路耦合諧振枝(8)、耦合傳輸帶(9)和短路傳輸帶(10)，T型振子(7)的底端通過短路傳輸帶(10)與金屬地板( 連通，短路耦合諧振枝(8)設(shè)置在鄰近T型振子(7)的上橫枝中線的左側(cè)的底邊緣處，且留有縫隙，耦合傳輸帶(9)設(shè)置在T型振子(7)的中間豎枝的左側(cè)，且耦合傳輸帶(9)右側(cè)的上邊緣通過射頻開關(guān)二極管( 與短路耦合諧振枝(8)的下邊緣連通；金屬地板( 和天線的輻射單元( 位于介質(zhì)板(1)的上表面的金屬板上，金屬地板( 的上邊緣與天線的輻射單元( 的下邊緣之間形成寄生開槽，直流偏置電路 (6)的正、負(fù)極輸出端分別對(duì)應(yīng)連接在射頻開關(guān)二極管(3)的陽(yáng)極和陰極上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述小型化PIFA可重構(gòu)天線裝置，其特征在于直流偏置電路(6)包括電阻00、電感(L)、開關(guān)⑷和IOV電源，IOV電源的正極連接在開關(guān)⑷的一端，開關(guān) (K)的另一端與電阻(R)的一端連接，電阻(R)的另一端與電感(L)的一端連接，電感(L) 的另一端連接在射頻開關(guān)二極管(3)的陽(yáng)極，射頻開關(guān)二極管(3)的陰極連接在IOV電源的負(fù)極。
全文摘要
小型化PIFA可重構(gòu)天線裝置，涉及可重構(gòu)天線裝置，為了解決目前缺少具有多頻段特性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型天線的問題，它包括介質(zhì)板、金屬地板、射頻開關(guān)二極管、天線的輻射單元和直流偏置電路，天線的輻射單元包括T型振子、短路耦合諧振枝、耦合傳輸帶和短路傳輸帶，T型振子的底端通過短路傳輸帶與金屬地板連通，短路耦合諧振枝鄰近T型振子的上橫枝中線的左側(cè)的底邊緣設(shè)置，且留有縫隙，耦合傳輸帶設(shè)置在T型振子的中間豎枝的左側(cè)，且耦合傳輸帶右側(cè)的上邊緣通過射頻開關(guān)二極管與短路耦合諧振枝的下邊緣連通；金屬地板和天線的輻射單元位于介質(zhì)板的上表面的金屬板，金屬地板的上邊緣與天線的下邊緣形成寄生開槽。用于移動(dòng)終端的無線接入天線。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102299417SQ20111015608
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者馮昆鵬, 劉睿智, 孟繁義 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)