專利名稱：雙頻寬帶可重構微帶天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線電天線領域，涉及一種可重構微帶天線，尤其適用于認知無線電領域。
背景技術：
眾所周知，無線電通信頻譜是一種非常寶貴的自然資源。隨著無線技術的迅速發(fā)展和雷達、導航、通信、遙測、遙感、電子對抗等需求的不斷增長，以及無線通信在人們工作、 生活和娛樂中的應用范圍不斷擴展。現(xiàn)有頻譜資源的緊缺已成為無線電技術領域無法回避的重要問題。為了解決頻譜資源匱乏問題，提高頻譜的利用率，一種革命性的智能頻譜共享技術一認知無線電(CR)技術被提出并得到了業(yè)界的歡迎。認知無線電技術從頻譜再利用的思想出發(fā)，通過智能管理感知外界環(huán)境，通過學習，實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術等)，自適應的調(diào)整其內(nèi)部狀態(tài)，從而實現(xiàn)任何時間、任何地點的高可靠通信以及對頻譜資源的有效利用。認知無線電技術的發(fā)展對天線技術也提出了新的要求，在盡可能不增加天線數(shù)目和設備的情況下，讓天線在盡量寬的頻帶或者多個頻帶上工作，具有多個工作模式并具有良好的傳輸特性是業(yè)界追求的目標?？芍貥嬏炀€以其多頻帶集成、結構緊湊、體積小、重量輕、成本低的特點受到了業(yè)界的青睞。該天線面向無線電技術特別是認知無線電技術，根據(jù)頻譜開發(fā)和分配情況以及無線通信的具體要求，實現(xiàn)在不同頻段的頻譜共享和信息的高效傳輸，提高頻譜利用率，針對一個平臺需要多個天線的難題，該天線也同樣適用，而且不增加天線的尺寸和設備的成本。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題天線工作受到頻帶的限制，在無線電技術特別是目前正在興起的認知無線電技術中，如何實現(xiàn)雙頻天線集成，且要體積小、結構緊湊、頻帶寬、電性能優(yōu)良是一個挑戰(zhàn)性的課題。本發(fā)明的目的是開發(fā)一種雙頻寬帶可重構微帶天線，通過電子開關在雙頻寬帶上高速切換，可實現(xiàn)頻譜的共享和信息的高效傳輸，提高頻譜利用率。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種雙頻寬帶可重構微帶天線，該天線包括有輻射帖片、微帶槽線、饋電電路、用于控制頻率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)頻率重構的電控開關，輻射帖片包括微帶傘形振子和與微帶傘形振子相連的微帶折合振子，在輻射帖片中間開有T 形槽構成微帶槽線，
微帶傘形振子位于微帶折合振子之下并由微帶線相連，構成微帶天線的正面；饋電電路包括兩段連接后近似U形的微帶線，構成微帶天線的背面，所述U形的微帶線位于微帶傘形振子的背面且開口向下，電控開關處于饋電電路的兩段微帶線的之間。微帶折合振子的兩個微帶臂末端是短路的，當天線工作在雙頻的低頻段時，使微帶折合振子末端短路點到饋電點的電長度等于λ low / 4，λ low為低頻工作時中心頻率的導波長，當天線工作在雙頻的高頻段時，使饋電點到微帶折合振子末端短路點的電長度為Xhigh / 2，λ high高頻工作時中心頻率的導波長。饋電點到槽線末端短路點的距離d在λ 1ο /6 λ low/4或者λ high / 4^3 λ high / 8之間，λ low為低頻工作時中心頻率的導波長，λ high高頻工作時中心頻率的導波長。當Xlow / 4興Ahigh / 2時，則折中選取饋電點到微帶折合振子末端短路點的長度介于λ Iow / 4與Xhigh / 2之間，λ low為低頻工作時中心頻率的導波長，Ahigh 高頻工作時中心頻率的導波長。有益效果
1)天線是由微帶傘形振子天線和微帶折合振子天線加以合理的構造組合而成，具有天線結構緊湊、尺寸小、重量輕、共用簡單的饋電，頻帶轉(zhuǎn)換通過電控開關(亦可通過機械開關控制)，操作簡單，控制方便。2)天線在工作頻段內(nèi)具有寬帶特性。工作在低頻段，可以實現(xiàn)大于25%的相對工作帶寬；工作在高頻段，可以實現(xiàn)大于47%的相對工作帶寬(天線的駐波VSWR<2)。3)微帶振子臂呈現(xiàn)傘形，通過控制振子臂的下傾角度可以控制天線方向性圖的主瓣寬度，在頻帶內(nèi)天線的方向性圖具有較好的穩(wěn)定性。4)采用成熟的PCB (印刷電路)加工工藝，易批量生產(chǎn)，加工精度較高、電性能穩(wěn)定的天線。


圖la、雙頻寬帶可重構微帶天線透視圖； 圖lb、雙頻寬帶可重構微帶天線的底面圖； 圖lc、雙頻寬帶可重構微帶天線的頂面圖2、3. 6GHz雙頻寬帶可重構微帶天線回波損耗圖； 圖3、2. 4GHz雙頻寬帶可重構微帶天線回波損耗圖； 圖4、2. 4GH時天線方向性圖仿真結果； 圖5、2. 4GH時天線方向性圖實測結果； 圖6、3. 6GHz時天線方向性圖仿真結果； 圖7、3. 6GHz時天線方向性圖實測結果。其中有
1一微帶折合振子；2—微帶傘形振子；3—微帶槽線
4一饋電電路；5—電控開關；6—福射貼片(包括微帶折合振子和微帶傘形振子)；
wl為微帶傘形振子天線的水平臂長，
w2為微帶折合振子天線的臂長，
w3為饋電的微帶線寬度，
wb為饋電電路地板的寬度，
Ia為饋電點與折合振子天線中心之間的距離，
fedwl-fedw3為饋電電路中各節(jié)微帶線的寬度，
fedll-fedl3 為饋電電路中各節(jié)微帶線的長度，
fwl 為微帶折合振子下臂的寬度，
fw2 為微帶折合振子上臂的寬度，Ql 為高頻工作時微帶線的諧振長度， ql+q2為低頻工作時微帶線的諧振長度， d 為饋電點到槽線末端短路點的距離， dw 為微帶傘形振子臂的寬度， slotl, slot2分別為第一、第二段微帶槽線的寬度， Φ 為微帶傘形振子臂下傾角度， X 是電控開關接入點。
具體實施例方式
雙頻寬帶可重構微帶天線由微帶傘形振子和微帶折合振子構成的輻射貼片、微帶槽線、饋電電路及電控開關組成，微帶折合振子位于微帶傘形振子之上并由微帶槽線相連，處于輻射貼片異側面的兩段微帶線構成饋電電路，中間插入電控開關(也可以是機械開關)。 該天線是將結構緊湊、性能優(yōu)良的微帶傘形振子和微帶折合振子加以巧妙的構造組合，采用結構簡單的微帶-槽線耦合饋電方式，雙頻段共用饋電，并通過電控開關控制饋電電路微帶線的諧振長度，從而實現(xiàn)天線在兩個不同頻段上進行工作轉(zhuǎn)換，到達頻率可重構的目的。雙頻寬帶可重構微帶天線，包括介質(zhì)基板、微帶傘形振子、微帶折合振子、饋電電路和控制頻率切換的電控開關。介質(zhì)基板的上層金屬表面是由兩段微帶線構成的饋電電路，下層金屬表面是由微帶傘形振子和微帶折合振子組成的輻射貼片，中間開有“Τ”形槽構成微帶槽線，微帶傘形振子和微帶折合振子通過微帶槽線連接，由微帶線與微帶槽線交匯處的饋電點到微帶折合振子短路末端的電長度介于Xlow / 4與Xhigh / 2之間U1ot為低頻工作時中心頻率的導波長，入11_高頻工作時中心頻率的導波長)。雙頻段共用饋電，饋電采用微帶-槽線耦合方式，饋電點到槽線的底端短路點的距離d在λ lwAT λ low/4或者 Ahigh / Γ3 Ahigh / 8之間；饋電電路的微帶線終端開路，電控開關安裝在饋電電路的兩段微帶線之間，控制饋電電路微帶線的諧振長度，實現(xiàn)雙頻之間的切換。當開關導通時，天線工作在低頻段，饋電點到微帶開路端長度為Xlow /4;當開關斷開時，天線工作在高頻段，饋電點到微帶開路端長度為Xhigh /4。參見圖1 一 7，雙頻寬帶可重構微帶天線，該天線包括輻射帖片6、微帶槽線3、饋電電路4、用于控制頻率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)頻率重構的電控開關5，輻射帖片6包括微帶傘形振子1和與微帶傘形振子1相連的微帶折合振子2。微帶傘形振子1位于微帶折合振子2之下并由微帶線相連，饋電電路4包括兩段微帶線構成U形微帶線。微帶傘形振子1和微帶折合振子2位于輻射帖片一面的金屬層上，饋電電路4位于輻射帖片的另一面的金屬層上，是一開口朝下的U形微帶線，相對與微帶槽線3中心對稱，低端與發(fā)射/接收電路相連，電控開關5處于饋電電路4的兩段微帶線的中間。微帶折合振子2的兩個微帶臂末端是短路的，當天線工作在雙頻的低頻段時，使微帶折合振子2末端短路點到饋電點的電長度等于Xlow / 4，λ Iow為低頻工作時中心頻率的導波長，即理論上微帶折合振子在微帶傘形振子饋電點等效阻抗為無窮大(實際上足夠大即可)，以阻止電流流入微帶折合振子，僅使微帶傘形振子在低頻工作；當天線工作在雙頻的高頻段時，使饋電點到微帶折合振子2末端短路點的電長度為Jhigh/ 2，Jhigh高頻工作時中心頻率的導波長，這樣使微帶折合振子對饋電點呈現(xiàn)很小的阻抗，電流流入微帶折合振子使其工作。由于微帶折合振子臂的長度《2相對于工作頻率是固定量(接近Jhigh/ 2)，因此，恰當?shù)倪x取微帶傘形振子和微帶折合振子之間的距離la，可使其滿足上述條件。電控開關5用于控制饋電電路4微帶線的諧振長度來實現(xiàn)天線在雙頻段之間的切換，電控開關5閉合/導通狀態(tài)，天線工作于低頻段，此時饋電電路微帶線的諧振長度，即微帶開路末端到饋電點的電長度為2 low / 4 ；電控開關斷開狀態(tài)，天線工作于高頻段，此時微帶線的諧振長度變短至2 high / 4，電控開關的位置就在距離饋電點2 high / 4處，2 low為低頻工作時中心頻率的導波長，^ high高頻工作時中心頻率的導波長。饋電點到槽線末端短路點的距離d在λ^ΑΓλ^/4或者Xhigh / Γ3 Ahigh / 8 之間，^ low為低頻工作時中心頻率的導波長，^ high高頻工作時中心頻率的導波長。具體取值取決于天線實際應用中高低工作頻率的比值。當2 1(w / 4興A high / 2時，則折中選取饋電點到微帶折合振子末端短路點的長度介于入/ 4與λ high / 2之間，A low為低頻工作時中心頻率的導波長，A high高頻工作時中心頻率的導波長。微帶傘形振子在雙頻中的低頻起作用，微帶折合振子在雙頻中的在高頻起作用。天線的饋電采用微帶與槽線耦合的方式，微帶與槽線交匯處為饋電點，饋電電路采用多節(jié)微帶變換方式實現(xiàn)天線的阻抗匹配。饋電電路采用多節(jié)微帶變換方式實現(xiàn)天線的阻抗匹配，其中多節(jié)微帶中的微帶的寬度不同。微帶傘形振子1和微帶折合振子2構造的組合、距離Ia的選取，以及饋電電路各段微帶線的長度、電控開關安裝的位置，槽線長度d的值等。微帶折合振子2的兩個微帶臂末端是短路的，當天線工作在雙頻的低頻段時，使微帶折合振子2末端短路點到饋電點的電長度等于2 / 4 ( 2 low為低頻工作時中心頻率的波長)，即理論上微帶折合振子2在微帶傘形振子1饋電點等效阻抗為無窮大(實際上足夠大即可)，以阻止電流流入微帶折合振子，僅使微帶傘形振子在低頻段工作；當天線工作在雙頻的高頻段時，使饋電點到微帶折合振子2末端短路點的電長度為^high/ 2 (^high高頻工作時中心頻率的導波長)，這樣使微帶折合振子2對饋電點呈現(xiàn)很小的阻抗，電流流入微帶折合振子2使其工作。由于微帶折合振子2臂的長度相對于工作頻率是固定量(接近2 / 2)，因此根據(jù)電磁場與微波技術中的傳輸線原理，恰當?shù)倪x取微帶傘形振子1和微帶折合振子2之間的距離厶，可使其滿足上述條件并使微帶傘形振子1和微帶折合振子2分別工作在兩個頻段而互不干擾。當2 low / 4 Φ Jhigh/ 2時，則折中選取饋電點到微帶折合振子末端短路點的長度，使其介于λ Μ / 4 與 Xhigh / 2 之間。饋電電路4的饋電采用微帶與槽線耦合方式，微帶線與背面微帶槽線交匯處即為饋電點，在饋電點實現(xiàn)微帶與槽線耦合，饋電電路采用多節(jié)寬度不同的微帶線相連的方式實現(xiàn)天線的阻抗變換并匹配，在饋電電路兩段微帶線中間處用電控開關將其相連。電控開關5位置也是雙頻正常工作的關鍵之一，電控開關5用于控制饋電電路微帶線的諧振長度來實現(xiàn)天線在雙頻段的切換。電控開關閉合(導通)狀態(tài)，天線工作于低頻段，此時饋電電路中微帶線開路端到饋電點的電長度約為2 low / 4 ；電控開關斷開狀態(tài)，天線工作于高頻段，此時微帶線的諧振長度變短，饋電點到微帶開路端電長度約為Jhigh/ 4，所以選擇電控開關的位置在距離饋電點Jhigh/ 4處。饋電點到槽線的末端短路點的距離d是又一關鍵參數(shù)。由于槽線在末端短路，在低頻段工作時，經(jīng)過λ Μ/4電長度，在饋電點呈現(xiàn)的等效阻抗最大；在高頻段工作時，經(jīng)過 Ahigh / 4電長度，在饋電點呈現(xiàn)的等效阻抗也最大，從而保證了天線在兩個頻段都具有較好的駐波特性(VSWR (電壓駐波系數(shù))<2)。但d不可能同時滿足高低兩頻段的要求，折中取值在λ-/61-/4或者Xhigh / Γ3 Ahigh / 8之間，具體取值取決于高低工作頻率的比值。實施實例
我們在2. 4GHz和3. 6GHz兩個頻段上實現(xiàn)了雙頻寬帶可重構微帶天線。其中基片介電常數(shù)為2. 65，基片厚度為1mm。具體設計參數(shù)見表1。表1 (單位mm，deg)
wlw2w3wblafedwlfedw2fedw353. 3435. 2910. 2520. 0017. 912. 602. 481. 61fedllfedl2fedl3fwlfw2QlQ2d11. 639. 909. 516. 600. 9014. 4313. 7225. 73dwslotlslot2①(°)h8. 422. 851. 4710. 41. 00
天線的仿真及測試結果參見圖2 —圖7。雙頻寬帶可重構微帶天線的工作原理
雙頻寬帶可重構微帶天線利用微帶傘形振子和微帶折合振子天線的固有特性，合理的將其組合在一起，選用了同一種微帶-槽線耦合饋電方式，通過改變饋電電路微帶諧振長度(從微帶線末端到饋電點的距離)，即^若是ql對應的工作在高頻時的電長度； 是 ql+q2對應的工作在低頻時的電長度，則θ b或、分別對應各自中心頻率的, 是天線工作頻段中心頻率的導波長)，可使天線在饋電點處匹配，從而在不同的頻段之間切換。饋線采用多節(jié)微帶變換，實現(xiàn)輸入端阻抗匹配。該天線輻射貼片中微帶傘形振子工作在低頻段，微帶折合振子工作在高頻段，微帶折合振子末端短路點到饋電點的長度介于2 low / 4與2 high / 2之間，在饋電點可以實現(xiàn)不同頻率下電流的分流，使兩天線振子之間能夠互不干擾的獨立工作，從而實現(xiàn)天線的頻率重構。當微帶折合振子長度固定時，可調(diào)節(jié)微帶振子臂和折合振子臂之間的距離Ia實現(xiàn)上述目的。此外，根據(jù)高低工作頻率的比值，恰當?shù)倪x擇d能同時滿足高低兩頻段的阻抗匹配的要求，本例中折中取值在λ low/6^Alow/4或者 Xhigh / 4 3 Xhigh / 8 之間。雙頻寬帶可重構微帶天線有以下發(fā)明創(chuàng)造點
將兩種寬帶微帶傘形振子和折合振子天線巧妙地構造組合在一起，形成了一種結構簡單、緊湊，共用饋電，頻率切換方便，具有雙頻寬帶特性的新型可重構天線。該天線的創(chuàng)造點是其一，天線結構緊湊，兩副天線合二為一；其二，采用統(tǒng)一的饋電方式；在電性能上，可重構雙頻天線可以各自獨立工作在相應的寬頻段上而互不干擾。關鍵點是通過合理選取兩種振子臂的長度、兩者之間的距離、電控開關的位置、微帶線的諧振長度及槽線到底邊短路點的距離。該設計不僅保持了寬帶微帶傘形振子和折合振子天線原有的優(yōu)良性能，而且兩者融合后依然保持了原有的高性能，且有很好的隔離特性。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種雙頻寬帶可重構微帶天線，其特征在于該天線包括有輻射帖片(6)、微帶槽線 (3)、饋電電路(4)、用于控制頻率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)頻率重構的電控開關(5)，輻射帖片(6)包括微帶傘形振子(1)和與微帶傘形振子(1)相連的微帶折合振子(2)，在輻射帖片(6)中間開有 T形槽構成微帶槽線(3)，微帶傘形振子(1)位于微帶折合振子(2)之下并微帶線相連，構成微帶天線的正面；饋電電路(4)包括兩段連接后近似U形的微帶線，構成微帶天線的背面，所述U形的微帶線位于微帶傘形振子(1)的背面且開口向下，電控開關(5 )處于饋電電路(4 )的兩段微帶線的之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙頻寬帶可重構微帶天線，其特征在于微帶折合振子(2) 的兩個微帶臂末端是短路的，當天線工作在雙頻的低頻段時，使微帶折合振子(2)末端短路點到饋電點的電長度等于Xlow / 4，λ Iow為低頻工作時中心頻率的導波長，當天線工作在雙頻的高頻段時，使饋電點到微帶折合振子(2)末端短路點的電長度為Xhigh / 2， λ high高頻工作時中心頻率的導波長。
3.根據(jù)權利要求2所述的雙頻寬帶可重構微帶天線，其特征在于饋電點到槽線末端短路點的距離d在λ low/6 λ low/4或者λ high / 4^3 λ high / 8之間，λ low為低頻工作時中心頻率的導波長，Xhigh高頻工作時中心頻率的導波長。
4.根據(jù)權利要求2所述的雙頻寬帶可重構微帶天線，其特征在于當Xlow/ 4興 Ahigh / 2時，則折中選取饋電點到微帶折合振子末端短路點的長度介于Xlow / 4與 Xhigh / 2之間，λ Iow為低頻工作時中心頻率的導波長，λ high高頻工作時中心頻率的導波長。
全文摘要
雙頻寬帶可重構微帶天線包括有輻射帖片(6)、微帶槽線(3)、饋電電路(4)、用于控制頻率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)頻率重構的電控開關(5)，輻射帖片(6)包括微帶傘形振子(1)和與微帶傘形振子(1)相連的微帶折合振子(2)；微帶傘形振子(1)位于微帶折合振子(2)之下并由微帶槽線(3)相連，構成微帶天線的正面；饋電電路(4)包括兩段連接后近似U形的微帶線，構成微帶天線的背面，所述U形的微帶線位于微帶傘形振子(1)的背面且開口向下，電控開關(5)處于饋電電路(4)的兩段微帶線的之間。通過電子開關在雙頻寬帶上高速切換，可實現(xiàn)頻譜的共享和信息的高效傳輸，提高頻譜利用率。
文檔編號H01Q13/08GK102394352SQ20111019645
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權日2011年7月14日
發(fā)明者華光, 岳西平, 洪偉 申請人:東南大學