一种小型化宽带频率‑方向图可重构天线的制作方法

本发明属于通信系统综合设计中的天线技术领域，具体涉及一种小型化宽带频率-方向图可重构天线。

背景技术：

随着无线通信系统向着大容量、多功能方向发展，提高通信系统容量和频谱资源利用率势在必行。天线作为无线通信系统的重要组成部件之一，其研究和设计面临着空前挑战，在要求天线更小、更轻的同时，天线还应具有多个工作频带，然而，这样势必会增加通信系统中天线数量。可重构天线可以根据不同环境的使用要求改变天线工作频率、辐射方向图和极化方式等特性，从而满足通信系统需求。频率可重构天线可以提高通信系统频谱利用率；方向图可重构天线可以节约通信系统能量，提高通信系统安全性；极化可重构天线可以增加额外的收发信道，在极化分集、频分复用等方面有巨大的贡献。

国内外学者对于可重构天线的研究主要集中在频率可重构天线和方向图可重构天线，提出多种频率或方向图单独可重构的天线设计方案。然而，天线的频率和方向图同时可重构能抑制通信系统的空间噪声，避免系统间电子干扰，提高系统安全性。目前已报道一些频率-方向图可重构天线的设计方案，但它们的共同缺点是天线性能较差，具体表现在天线体积较大，结构复杂，甚至有些形式的天线因为结构复杂而无法实现。

如何设计出高性能且结构简单的频率-方向图可重构天线是一个有待于解决的技术难题。因此，研究小型化宽带频率-方向图可重构天线是解决无线通信系统紧凑、高集成技术难题的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前无线通信系统天线数量多、设备体积大、集成度低技术问题，进而解决现有频率-方向图可重构天线性能差、结构复杂问题，提供一种小型化宽带频率-方向图可重构天线。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种小型化宽带频率-方向图可重构天线，包括接地板、介质基板、叉型微带馈线和4个PIN二极管，在所述接地板上左右对称设有两个镰刀型缝隙，接地板设在介质基板的上表面，第一和第二PIN二极管分别加载于两个镰刀型缝隙的垂直缝隙之上，同时断开或导通；叉型微带馈线设在介质基板的下表面，且使叉型微带馈线的U型头朝上，第三和第四PIN二极管分别加载于叉型微带馈线U型结构的水平枝节与垂直枝节的连接处，同时导通或择一导通。

所述接地板为附着在介质基板上表面的矩形金属层；所述接地板尺寸为40mm×30mm。

所述介质基板为矩形FR4环氧树脂板；所述介质基板尺寸为40mm×30mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4。

所述叉型微带馈线为附着在介质基板下表面的叉型金属线，其上部为一个U型结构，下部为一条微带线；所述叉型微带馈线的U型结构垂直枝节宽为1mm，长为9mm，水平枝节长为27.4mm，宽为1mm；所述微带线长14mm，宽为3.14mm，特征阻抗为50Ω。

所述镰刀型缝隙由上水平缝隙、下水平缝隙和垂直缝隙组成，上水平缝隙的一端和下水平缝隙的一端上下交错连接，垂直缝隙的下端与下水平缝隙的另一端垂直连接；所述镰刀型缝隙的上水平缝隙、下水平缝隙和垂直缝隙的宽为1mm，上水平缝隙长为6.5mm，下水平缝隙长为10mm，垂直缝隙长为4mm，两个水平缝隙的交错距离为1mm，下水平缝隙距接地板下边缘17.5mm，两个镰刀型缝隙的垂直缝隙相距1mm；两个PIN二极管距离下水平缝隙1.3mm。

通过控制接地板镰刀型缝隙上二极管同时断开或导通实现频率可重构功能，所述接地板刻蚀镰刀型缝隙，大大减小了天线的尺寸；通过控制叉型微带馈线上二极管的不同组合状态实现方向图可重构功能，所述叉型馈线结构能够改善天线的阻抗带宽。

接地板镰刀型缝隙的垂直缝隙上分别加载一个PIN二极管(第一PIN二极管和第二PIN二极管)，通过控制二极管同时断开或导通，天线产生低频和高频工作模式。微带馈线上部U型结构水平枝节和垂直枝节连接处分别加载一个PIN二极管(第三PIN二极管和第四PIN二极管)，通过控制二极管同时导通或择一导通，天线实现三个辐射模式之间的转换。进一步通过控制四个二极管的不同组合状态，天线能实现频率和方向图同时可重构。天线能够在3.4-3.8/3.7-4.2GHz两个频段范围内实现全向/定向三个辐射模式。

在第一PIN二极管和第二PIN二极管同时断开的情形下，天线工作在低频模式(3.4-3.8GHz)，当第三PIN二极管和第四PIN二极管同时导通时(state 1)，天线工作在全向辐射模式；当第三PIN二极管断开和第四PIN二极管导通时(state 2)，天线工作在+90°定向辐射模式；当第三PIN二极管导通和第四PIN二极管断开时(state 3)，天线工作在-90°定向辐射模式。

在第一PIN二极管和第二PIN二极管同时导通情形下，天线工作在高频模式(3.7-4.2GHz)，当第三PIN二极管和第四PIN二极管同时导通时(state 4)，天线工作在全向辐射模式；当第三PIN二极管断开和第四PIN二极管导通时(state 5)，天线工作在+90°定向辐射模式；当第三PIN二极管导通和第四PIN二极管断开时(state 6)，天线工作在-90°定向辐射模式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)镰刀型缝隙实现了天线的小型化，接地板上对称缝隙以及叉型微带馈电结构实现了天线的宽带性能；

(2)天线尺寸为40mm×30mm，与现有频率-方向图可重构天线相比，天线尺寸大大减小；

(3)本发明可实现频率和方向图同时可重构，在频率可重构的情况下同时实现了方向图可重构；

(4)本发明可以工作在第四代移动通信系统TD-LTE(3.4-3.8GHz)和卫星通信系统C-band(3.7-4.2GHz)频段，两个频段范围内实现全向/定向三个辐射模式。天线结构简单，成本低，容易加工制作，为无线通信系统紧凑、高集成提供行之有效的解决途径。

附图说明：

图1为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线的俯视图；

图2为图1的仰视图；

图3为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线低频工作时各模式的回波损耗曲线；

图4为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线高频工作时各模式的回波损耗曲线；

图5为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线在模式1的辐射方向图；

图6为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线在模式2的辐射方向图；

图7为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线在模式3的辐射方向图；

图8为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线在模式4的辐射方向图；

图9为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线在模式5的辐射方向图；

图10为本发明所述的小型化宽带频率-方向图可重构天线在模式6的辐射方向图。

其中，图1和图2中，1为接地板，2为介质基板，3为微带馈线，4为镰刀型缝隙，5-1、5-2、6-1、6-2为PIN二极管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

如图1和图2所示，本实施例中的一种小型化宽带频率-方向图可重构天线，包括接地板1、介质基板2、叉型微带馈线3和4个PIN二极管5-1、5-2、6-1、6-2，在所述接地板1上左右对称设有两个镰刀型缝隙4，接地板1设在介质基板2的上表面，第一PIN二极管5-1和第二PIN二极管5-2分别加载于两个镰刀型缝隙4的垂直缝隙之上，同时断开或导通；叉型微带馈线3设在介质基板2的下表面，且使叉型微带馈线3的U型头朝上，第三PIN二极管6-1和第四PIN二极管6-2分别加载于叉型微带馈线3的U型结构的水平枝节与垂直枝节的连接处，同时导通或择一导通。

所述接地板1为附着在介质基板2上表面的矩形金属层，其尺寸为40mm×30mm。

所述介质基板2为矩形FR4环氧树脂板，其尺寸为40mm×30mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4。

所述叉型微带馈线3为附着在介质基板2下表面的叉型金属线，其上部为一个U型结构，下部为一条微带线；所述叉型微带馈线3的U型结构垂直枝节宽为1mm，长为9mm，水平枝节长为27.4mm，宽为1mm；所述微带线长14mm，宽为3.14mm，特征阻抗为50Ω。

所述镰刀型缝隙4由上水平缝隙、下水平缝隙和垂直缝隙组成，上水平缝隙的一端和下水平缝隙的一端上下交错连接，垂直缝隙的下端与下水平缝隙的另一端垂直连接；所述镰刀型缝隙4的上水平缝隙、下水平缝隙和垂直缝隙的宽为1mm，上水平缝隙长为6.5mm，下水平缝隙长为10mm，垂直缝隙长为4mm，两个水平缝隙的交错距离为1mm，下水平缝隙距接地板下边缘17.5mm，两个镰刀型缝隙4的垂直缝隙相距1mm；两个PIN二极管5距离下水平缝隙1.3mm。

本发明的优点可以通过实施例的仿真和测量结果进一步说明。对本发明实施例中的小型化宽带频率-方向图可重构天线进行建模仿真和加工测量，通过控制第一PIN二极管5-1和第二PIN二极管5-2同时断开或导通，得到天线的低频和高频工作模式。在频率可重构情况下通过进一步控制第三PIN二极管6-1和第四PIN二极管6-2的不同组合状态，从而得到天线在低频或高频工作模式下的方向图。附图3示出了小型化宽带频率-方向图可重构天线第一PIN二极管5-1和第二PIN二极管5-2断开时的回波损耗曲线，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。由图可知，当天线工作在state 1时(5-1和5-2断开，6-1和6-2导通)，天线工作频段为3.37-4.37GHz，在|S₁₁|<-10dB的情况下相对带宽为25.8％；当天线工作在state 2时(5-1、5-2和6-1断开,6-2导通)，天线工作频段为3.28-3.82GHz，相对带宽为15.2％；当天线工作在state 3时(5-1、5-2和6-2断开,6-1导通)，天线工作频段为3.4-3.98GHz，相对带宽为15.7％。

附图4示出了小型化宽带频率-方向图可重构天线第一PIN二极管5-1和第二PIN二极管5-2导通时的回波损耗曲线。从图中可以看出，天线工作在state 4时(5-1、5-2、6-1和6-2导通)，天线工作频段为3.25-4.54GHz，相对带宽为33.1％；天线工作在state 5时(5-1、5-2和6-2导通,6-1断开)，天线工作频段为3.43-4.78GHz，相对带宽为32.9％；天线工作在state 6时(5-1、5-2和6-1导通,6-2断开)，天线工作频段为3.27-4.22GHz，相对带宽为25.4％。

附图5-7分别示出了小型化宽带频率-方向图可重构天线在低频工作时各个模式的测量归一化辐射方向图。由图可知E面方向图基本呈“8”字型，H面方向图随第三PIN二极管6-1和第四PIN二极管6-2的通断状态改变而发生变化，最大波束的辐射方向指向了不同的角度，并且天线得到了较小的交叉极化。在状态1时第三PIN二极管6-1和第四PIN二极管6-2同时导通，天线H面得到了全向型辐射，如图5所示；在状态2时第三PIN二极管6-1的断开抑制了左边镰刀型缝隙的辐射功率，导致天线H面主波束指向θ＝+90°，如图6所示；在状态3时第四PIN二极管6-2的断开抑制了右边镰刀型缝隙的辐射功率，导致天线H面主波束指向θ＝-90°，如图7所示。

附图8-10分别示出了小型化宽带频率-方向图可重构天线在高频工作时各个模式的测量归一化辐射方向图。从图中可看出E面方向图基本呈“8”字型，H面方向图随着第三PIN二极管6-1和第四PIN二极管6-2的通断状态改变而发生变化，最大波束的辐射方向指向了不同的角度，并且天线得到了较小的交叉极化。在状态4时天线H面得到了全向型的辐射，状态5时H面主波束指向θ＝+90°，状态6时H面主波束指向θ＝-90。