一种应用于WLAN/WiMAX频段的频率可重构天线的制作方法

一种应用于wlan/wimax频段的频率可重构天线
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种应用于wlan(wireless local area network，无线局域网)/wimax(world interoperability for microwave access，全球微波接入互操作性，别称802.16)频段的频率可重构天线。


背景技术：

2.近几年来，无线通信技术的发展势不可当，其应用领域规模也逐步扩大，使得人们的生活更加现代化、高效化、信息化。由近距离通信转变到远距离通信，由文字的对话转变到图像的交流，而这一切的实现都离不开天线的发展。天线基于一类在无线电设施里用以发射并收取电磁波的元件，在无线通讯体系里是不可或缺的一部分。
3.为了消除天线基于整体通讯体系进步的限制，可重构某一全新的天线，使其发挥关键用途，因此，需要将设计应用于无线通信频段的可重构天线，以避免多个天线的使用造成电磁兼容问题，尝试使用多个可调器件，将可变电容和可调开关集成于天线结构，以提高天线可调范围。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种应用于wlan/wimax频段的频率可重构天线，该频率可重构天线能够实现在2.4ghz、2.5ghz、3.5ghz三个频率点进行离散频率可重构，能够代替多个微带天线进行通信，减少了资源利用，同时解决了电磁干扰的问题。
5.本发明采用以下具体技术方案：
6.一种应用于wlan/wimax频段的频率可重构天线，该频率可重构天线采用共面波导的馈电方式，包括介质基板、设置于所述介质基板正面的辐射贴片以及设置于所述介质基板背面的接地板；
7.所述辐射贴片设置有缝隙结构，所述缝隙结构包括具有缺口的环形缝、第一直缝、第二直缝、第三直缝以及第四直缝；所述第一直缝和所述第二直缝对称设置于所述环形缝的两侧且一端与所述环形缝连通；所述第三直缝和所述第四直缝平行设置且间隔设置于所述缺口的两侧，所述第三直缝的一端与所述环形缝的一端部连通、且另一端位于所述介质基板的边缘，所述第四直缝的一端与所述环形缝的另一端部连通、且另一端位于所述介质基板的边缘；
8.在所述第一直缝和所述第二直缝中均设置有两个pin二极管，两个所述pin二极管沿所述第一直缝和所述第二直缝的排列方向间隔设置；所述第一直缝中的两个pin二极管与所述第二直缝中的两个pin二极管对称设置；
9.所述频率可重构天线通过四个pin二极管的通断控制改变谐振点位置和电流排布来实现频率的重构。
10.更进一步地，所述介质基板的长度为70mm，宽度为50mm，厚度为1.6mm；
11.所述第一直缝和所述第二直缝沿所述介质基板的长度方向延伸，且均经过所述环
形缝的圆心；
12.所述第三直缝和所述第四直缝沿所述介质基板的宽度方向延伸。
13.更进一步地，还包括设置于所述介质基板侧边的馈电导带；
14.所述馈电导带的一端与所述接地板连接，另一端与所述第三直缝和所述第四直缝之间的微带线连接。
15.更进一步地，所述环形缝内的所述辐射贴片构成圆形微带贴片天线；
16.所述介质基板正面与所述馈电导带相对的位置设置有用于对所述圆形微带贴片天线进行波端口激励的端口。
17.更进一步地，所述端口的高度大于所述介质基板厚度的4倍；
18.所述端口的长度大于3(w2+2w3)，其中，w2表示微带线宽度，w3表示第三直缝的宽度。
19.更进一步地，所述环形缝的内径为18mm，所述环形缝的宽度为1mm；
20.所述第一直缝的长度为13mm，所述第一直缝的宽度为3mm；
21.所述第三直缝的宽度为3mm，所述第三直缝与所述第四直缝之间的间距为1mm；
22.所述第一直缝中两个所述pin二极管之间的间距为8.3mm，其中，一个pin二极管与所述环形缝的间距为4mm。
23.更进一步地，所述介质基板采用fr4介质基板。
24.有益效果：
25.本发明的频率可重构天线采用共面波导的馈电方式，在传统微带天线的基础上，采用介质基板、辐射贴片以及接地板形成，在辐射贴片上进行对称开槽形成缝隙，同时在缝隙中设置四个pin二极管开关，通过pin二极管的设置位置及控制通断从而影响电流分布，实现天线频率的可重构，从而避免了使用多个天线容易造成电磁兼容的问题。因此，采用本发明的频率可重构天线能够在2.4ghz、2.5ghz、3.5ghz三个频率点进行离散频率重构，能够代替多个微带天线进行通信，减少了资源利用，同时解决了电磁干扰的问题。
附图说明
26.图1为本发明频率可重构天线的立体结构示意图；
27.图2为图1中频率可重构天线的俯视图；
28.图3为对本发明的频率可重构天线进行全仿真时采用bap51-02型号二极管的等效参数图；
29.图4为本发明的频率可重构天线在2.4ghz下的回波损耗；
30.图5为本发明的频率可重构天线在2.4ghz下的平面方向图；
31.图6为本发明的频率可重构天线在2.5ghz下的回波损耗；
32.图7为本发明的频率可重构天线在2.5ghz下的平面方向图；
33.图8为本发明的频率可重构天线在3.5ghz下的回波损耗；
34.图9为本发明的频率可重构天线在3.5ghz下的平面方向图；
35.其中，1-介质基板，2-辐射贴片，3-环形缝，4-缺口，5-第一直缝，6-第二直缝，7-第三直缝，8-第四直缝，9-第一pin二极管，10-第二pin二极管，11-第三pin二极管，12-第四pin二极管，13-馈电导带，14-微带线，15-圆形微带贴片天线，16-端口
具体实施方式
36.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
37.本发明实施例提供了一种应用于wlan/wimax频段的频率可重构天线，如图1和图2结构所示，该频率可重构天线采用共面波导(cpw)的馈电方式，包括介质基板1、设置于介质基板1正面的辐射贴片2以及设置于介质基板1背面的接地板；在图1中，介质基板1的顶面覆盖有辐射贴片2，在介质基板1的底面设置有接地板(图中未示出)；介质基板1采用fr4(环氧玻璃纤维布基板，俗称环氧板、玻纤板、纤维板)介质基板1；在介质基板1的一个侧面设置馈电导带13，馈电导带13与接地板处于同一平面即构成了共面波导结构；这种馈电方式使得天线有了更大的的带宽、更好的阻抗匹配以及更低的辐射损耗等优点；
38.辐射贴片2通过开槽的形式设置有缝隙结构，缝隙结构贯穿辐射贴片2的厚度设置，即在辐射贴片2设置有缝隙的位置，介质基板1的顶面则露出；缝隙结构包括具有缺口4的环形缝3、第一直缝5、第二直缝6、第三直缝7以及第四直缝8；第一直缝5和第二直缝6对称设置于环形缝3的两侧且一端与环形缝3连通；第三直缝7和第四直缝8平行设置且间隔设置于缺口4的两侧，第三直缝7的一端与环形缝3的一端部连通、且另一端位于介质基板1的边缘，第四直缝8的一端与环形缝3的另一端部连通、且另一端位于介质基板1的边缘；如图1和图2结构所示，环形缝3位于辐射贴片2的中心位置，第一直缝5、第二直缝6、第三直缝7以及第四直缝8位于环形缝3的周向且沿环形缝3的径向延伸，第一直缝5和第二直缝6沿介质基板1的长度方向延伸，且均经过环形缝3的圆心，第一直缝5和第二直缝6可位于介质基板1的中部；第三直缝7和第四直缝8平行设置，沿介质基板1的宽度方向延伸，第三直缝7和第四直缝8均设置于环形缝3与介质基板1的侧边之间；
39.在第一直缝5和第二直缝6中均设置有两个pin二极管，两个pin二极管沿第一直缝5和第二直缝6的排列方向间隔设置；第一直缝5中的两个pin二极管与第二直缝6中的两个pin二极管对称设置；pin二极管选用bap51-02型号的二极管；如图1和图2结构所示，在第一直缝5中间隔设置有两个pin二极管开关，在第二直缝6中间隔设置有两个pin二极管开关，并且环形缝3两侧的四个pin二极管为对称结构；pin二极管的两端分别连接在第一直缝5的两个侧边，通过pin二极管可以控制第一直缝5两侧的辐射贴片2的通断；为了方便说明，四个pin二极管可以分别为第一pin二极管9、第二pin二极管10、第三pin二极管11以及第四pin二极管12，其中，第一pin二极管9和第三pin二极管11设置于第一直缝5中，第二pin二极管10和第四pin二极管12设置于第二直缝6中，并且第一pin二极管9和第二pin二极管10以环形缝3的中心对称设置，第三pin二极管11和第四pin二极管12以环形缝3的中心对称设置；
40.如图2结构所示，介质基板1的长度l可以为70mm、宽度w可以为50mm、厚度可以为1.6mm，并且当介质基板1的长度l为70mm、宽度w为50mm、厚度h为1.6mm时，环形缝3的内径d为18mm，环形缝3的宽度g为1mm；第一直缝5的长度为13mm，第一直缝5的宽度w1为3mm；第三直缝7的宽度w3为3mm，第四直缝8的宽度与第三直缝7的宽度w3相等，第三直缝7与第四直缝8之间的间距为1mm，第三直缝7与第四直缝8之间的间距为微带线14的宽度w2；第一直缝5中两个pin二极管之间的间距l1为8.3mm，即，第一pin二极管9与第三pin二极管11之间的间距l1为8.3mm，第一pin二极管9靠近环形缝3设置，并且第一pin二极管9与环形缝3之间的间距l0为4mm，第三pin二极管11与环形缝3之间的间距l0+l1为12.3mm，第一直缝5的长度l0+l1+
l2为13mm，由于第一直缝5和第二直缝6对称设置，同理，第二pin二极管10与环形缝3之间的间距为4mm，第四pin二极管12与环形缝3之间的间距为12.3mm，第二直缝6的长度为13mm。
41.上述频率可重构天线通过四个pin二极管的通断控制改变谐振点位置和电流排布来实现频率的重构；当四个pin二极管全部断开时，即，第一pin二极管9、第二pin二极管10、第三pin二极管11以及第四pin二极管12全部断开，此时，第一直缝5和第二直缝6的有效长度均为13mm，频率可重构天线的谐振频率为2.4ghz，工作频带为2.2ghz～2.52ghz；当对称设置的第三pin二极管11和第四pin二极管12导通且对称设置的第一pin二极管9和第二pin二极管10断开时，此时，第一直缝5和第二直缝6的有效长度均为12.3mm，频率可重构天线的谐振频率为2.5ghz，工作频带为2.38ghz～2.65ghz；当对称设置的第一pin二极管9和第二pin二极管10导通且对称设置的第三pin二极管11和第四pin二极管12断开时，此时，第一直缝5和第二直缝6的有效长度均为4mm，频率可重构天线的谐振频率为3.5ghz，工作频带为3.36ghz～3.63ghz。
42.上述频率可重构天线采用共面波导的馈电方式，在传统微带天线的基础上，采用介质基板1、辐射贴片2以及接地板形成，在辐射贴片2上进行对称开槽形成缝隙，同时在缝隙中设置四个pin二极管开关，通过pin二极管的设置位置及控制通断从而影响电流分布，实现天线频率的可重构，从而避免了使用多个天线容易造成电磁兼容的问题。因此，采用本发明的频率可重构天线能够在2.4ghz、2.5ghz、3.5ghz三个频率点进行离散频率重构，能够代替多个微带天线进行通信，减少了资源利用，同时解决了电磁干扰的问题。
43.一种具体的实施方式中，如图1结构所示，上述频率可重构天线还包括设置于介质基板1侧边的馈电导带13；馈电导带13的一端与接地板连接，另一端与第三直缝7和第四直缝8之间的微带线14连接。环形缝3内的辐射贴片2构成圆形微带贴片天线15；介质基板1正面与馈电导带13相对的位置设置有用于对圆形微带贴片天线15进行波端口16激励的端口16。端口16的高度大于介质基板1厚度的4倍，即，当介质基板1的厚度为1.6mm时，端口16的高度大于6.4mm；端口16的长度大于3(w2+2w3)，其中，w2表示第三直缝7与第四直缝8之间的微带线14宽度，w3表示第三直缝7的宽度，即，端口16的长度大于21mm。
44.天线的频率可重构是通过加载开关实现的，即选用四个bap51-02型号的二极管分别加载于天线的两个缝隙处，天线的缝隙长度是根据微带天线计算公式初步确定，然后在hfss(high frequency structure simulator，高频结构仿真)软件中进行优化调节的。由于在缝隙两侧对称加载pin二极管开关，那么开关的通断就会改变缝隙的长度，从而使得天线的整体频率产生偏移。在采用仿真软件hfss对上述结构的天线加以具体仿真检验，如图3给出了全仿真时bap51-02型号二极管的等效参数图，在仿真过程中，将pin二极管在断开时等效为由0.2pf的电容和10kω的电阻组成的并联电路，并且pin二极管在导通时等效为1.5ω的电阻；根据仿真结果显示，天线能够有效地工作于2.4ghz、2.5ghz以及3.5ghz这3个频率点，而且在其谐振频率诸频段里的回波耗损s11都小于-10db，并且存在优良的导向性以及增益。
45.当四个二极管开关均断开时，缝隙有效长度为13mm，此时天线处于模式一的工作状态，图4和图5分别示意了天线的性能参数，即天线在2.4ghz下的回波损耗s11和平面方向图，根据图4和图5的结果可知，天线在2.20ghz～2.52ghz频段里都符合回波耗损小于-10db的规定，且在谐振频率点2.4ghz处，回波损耗为-23.4607db。模式一的天线最大增益为
3.0949db。综合两个参数，天线在模式一下保持了良好的工作性能。
46.当第三pin二极管和第四pin二极管导通，且第一pin二极管和第二pin二极管断开时，缝隙有效长度为12.3mm，此时天线处于模式二的工作状态，将第三pin二极管和第四pin二极管均等效为1.5欧姆的电阻，图6和图7分别示意了天线的性能参数，即天线在2.5ghz下的回波损耗s11和平面方向图，通过图6和图7能够看出天线在2.38ghz～2.61ghz频段里都符合回波耗损小于-10db的规定，且在谐振频率点2.5ghz处，回波损耗为-22.6066db；模式二的天线最大增益为3.1936db。综合两个参数可得知，天线在模式二下保持着良好的工作性能。
47.当第一pin二极管和第二pin二极管导通，且第三pin二极管和第四pin二极管断开时，缝隙有效长度为4mm，此时天线处于模式三的工作状态，第三pin二极管和第四pin二极管均等效为1.5欧姆的电阻。图8和图9分别给出了性能参数，即回波损耗s11和平面方向图，能够看出天线在3.36ghz～3.63ghz频段里都符合回波耗损小于-10db的规定，且在谐振频率点3.5ghz处，回波损耗为-21.4741db。在模式三下天线的最大增益为3.4984db。综合两个参数可得知，天线在模式三下保持着良好的工作性能。
48.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。