一种单、双频段可重构微带准八木天线的制作方法

1.本发明创造属于无线通信技术领域，尤其是涉及一种单、双频段可重构微带准八木天线。


背景技术：

2.随着5g通信的技术变革与快速推广，5g通信逐渐成为主流通信技术，作为中国商用通信行业的领军企业，中国移动、中国电信、中国联通、中国广电四大运营商紧跟技术浪潮且积极开展5g布局，已经在多个城市完成重点区域5g覆盖，而在国内四大运营商5g频谱分配中，技术运用成熟的n78(3.3-3.8ghz)与n79(4.4-5.0ghz)均作为重点部署的5g频段(其中，中国移动拥有4.8-4.9ghz的频段，中国电信拥有3.4-3.5ghz的频段，中国联通拥有3.5-3.6ghz的频段，中国广电拥有4.9-5.0ghz的频段，中国联通、中国电信、中国广电共同使用3.3-3.4ghz频段)。
3.作为5g通信中不可缺少的关键部件，天线的性能在一定程度上决定了通信系统的优良，针对n78与n79多种频段的通信场合，单天线已然不能满足多功能通信设备的使用，然而若采用多天线设计，势必会加剧通信设备的承重负担与生产制造成本，浪费空间资源，同时天线间电磁兼容问题若考虑不妥则会大大降低通信质量，为了避免以上缺点，在单个天线上实现谐振频率可调复用已成为当下的研究关注点。微带准八木天线作为一种经典的定向天线，综合了微带天线与八木天线的优点，具有增益高，定向辐射特性好，质量轻、剖面低、散射截面小等优点，已广泛应用于卫星通信、频谱环境检测、武器引信等领域。结合频率可重构技术与微带准八木天线技术，可实现天线在5g通信环境中根据实际需要实时重构天线的谐振频率，同时满足高增益定向特性，但是目前结合二者技术且应用于5g频段的频率可重构微带准八木天线很少，在已有的研究中，如商锋等研究人员发表的《一种应用于5g-fr1的频率可重构端射天线》一文中提出了中心谐振频率在3.5ghz或4.9ghz可重构端射天线，该设计共计利用了10个开关实现频率的切换，频率切换功能实现复杂、调频模式少，且需要多个开关控制电路，制作难度较大。而在申请公开号为cn107785671a，名称为“一种频率可重构微带贴片八木天线及重构方法”专利申请中，提出中心调谐频率可由14.2ghz到13.15ghz的频率可重构微带贴片天线，该天线采用三层结构，利用液晶材料实现频率重构，成本较高且复杂的调频手段会受到许多参数的影响，天线辐射增益低，在实际应用中频率重构难度大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明创造提供一种应用于5g通信n78与n79频段的单/双频段可重构微带准八木天线，本发明创造结合频率可重构技术与微带准八木天线技术，使得天线可在n78与n79频段的进行频率切换功能，同时各项电气性能良好，具备稳定的定向辐射性能，该发明生产成本低，低剖面，散射截面积小，结构简单易制作，加工难度低，有利于工程实现。
5.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
6.一种单、双频段可重构微带准八木天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板正面印刷有共面辐射贴片、第一引向器和第二引向器，所述共面辐射贴片底部与介质基板正面下边沿相连，所述共面辐射贴片上设置有第一射频pin二极管、第二射频pin二极管、第三射频pin二极管和第四射频pin二极管，所述介质基板反面印刷有微带馈线，微带馈线底端与介质基板背面下边沿相连。
7.具体的，所述主辐射贴片由共面带状线、上下两对不等长矩形双偶极子与加载矩形枝节的截短地平面组成。根据微带准八木天线基本原理，共面带状线作为主辐射贴片激励源，将电磁能量传输至双偶极子。双偶极子作为准八木天线激励振子，决定天线的谐振频点，本发明上下两对不等长矩形双偶极子的设计，使得天线具备在5g通信n78和n79频段的双频工作特性。加载矩形枝节的截短地平面作为准八木天线反射器，起到抑制后瓣辐射，改善方向图前后比的作用，本发明通过将两个延伸的矩形枝节对称地加载到截短地平面两端，在作为反射器工作的同时有效减小了天线的横向尺寸。
8.进一步的，所述共面带状线沿介质基板的中心线由下至上开有由窄至宽的三阶梯状缝隙，这种结构工作等效于巴伦结构，实现共面带状线从三阶梯状缝隙到双偶极子阻抗过渡的目的。
9.进一步的，所述第一引向器和第二引向器作为准八木天线的引向振子，可以有效将电磁能量汇聚于天线端射方向，提升天线在工作频段的辐射效率，改善主瓣辐射方向指向性
10.进一步的，所述微带馈线具备宽带阻抗变换器的特性，实现与50ω馈源良好的阻抗匹配。本发明采用微带线过渡带共面带状线的馈电方式，可以通过提供180
°
相位延迟将不平衡输入信号转换为能够在双偶极子上传输的平衡信号，实现八木天线定向辐射特性，并且本发明设计微带馈线结构也可以改善传统微带准八木天线带宽较窄的缺点，有效拓宽天线的阻抗带宽。
11.进一步的，所述寄生辐射贴片的加载主要靠近在主辐射贴片两对不等长矩形双偶极子，这样可不改变微带准八木天线的基本结构，不影响天线本身的定向辐射特性，在实现高增益辐射的同时实现频率重构。
12.进一步的，所述介质基板正面的共面辐射贴片由主辐射贴片与寄生辐射贴片构成，二者之间的缝隙设置有射频pin二极管，射频pin二极管的导通或截止，延长或截断天线表面电流的分布路径，改变场分布，影响天线谐振频点，从而实现频率重构。
13.相对于现有技术，本发明创造所述的一种单、双频段可重构微带准八木天线具有以下优势：
14.本发明创造提供的天线在n78与n79频段可灵活切换，适用于5g通信新频段，频率切换方式简单有效且具有3种频率切换模式，通过合理设置4个pin二极管的导通与截止，使本发明创造可工作在n78频段或n79频段，亦可作双频天线同时工作n78与n79频段内。
15.本发明创造天线通过设计不等长双偶极子、设计共面带状线沿介质基板的中心线由下至上加载由窄至宽的三阶梯状缝隙与设计改进型微带线过渡带共面带状线的馈电方式，实现了天线在5g通信n78与n79频段良好的阻抗带宽，并且阻抗匹配程度较好。
16.本发明创造天线为单层结构，尺寸小、重量轻、剖面低、散射截面小。可安装在各类通信设备平台，方便通信设备模块化设计，且不易与其余通信模块发生结构上的干涉，工程
利用价值高。
17.本发明创造天线工作原理清晰、结构新颖简单，可按照常规生产方式进行加工制作，可实现低成本和高效率生产。天线工作频带宽，电性能稳定，实物调测工作量小，易于工程实现。
18.本发明创造提供的天线在工作频段均实现了良好的定向辐射，辐射性能稳定，可用于频谱监测，信号补盲，通信中继等各类设备，适用于室内或室外多种5g通信场合，也为5g通信天线阵列设计方案提供了一种新的阵元思路。
附图说明
19.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
20.图1是本发明创造天线一种实施例的正面结构图；
21.图2是本发明创造天线一种实施例的背面结构图；
22.图3是本发明创造实施例1中天线的回波损耗曲线图；
23.图3(a)是本发明创造实施例1中天线工作在n78频段的回波损耗曲线图；
24.图3(b)是本发明创造实施例1中天线工作在n79频段的回波损耗曲线图；
25.图3(c)是本发明创造实施例1中天线工作在n78和n79频段内的回波损耗曲线图；
26.图4是本发明创造实施例1中天线工作在n78频段时3.6ghz的远场辐射方向图；
27.图5是本发明创造实施例1中天线工作在n79频段时4.8ghz的远场辐射方向图；
28.图6是发明创造实施例1中天线工作在n78和n79双频模式时的远场辐射方向图；
29.图6(a)是发明创造实施例1中3.6ghz的远场辐射方向图；
30.图6(b)是发明创造实施例1中4.8ghz的远场辐射方向图。
31.附图标记说明
32.1-介质基板；2-共面辐射贴片；3-第一引向器；4-第二引向器；5-微带馈线。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
36.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
37.本发明创造设计一种应用于5g通信n78与n79频段的单/双频段可重构微带准八木天线(简称天线，参见图1-2)，该天线包括介质基板1、共面辐射贴片2，第一引向器3、第二引向器4、微带馈线5，第一射频pin二极管(sw1)，第二射频pin二极管(sw2)，第三射频pin二极管(sw3)和第四射频pin二极管(sw4)，所述介质基板正面印刷有共面辐射贴片2，第一引向器3和第二引向器4，所述共面辐射贴片2底部与介质基板1正面下边沿相连，所述共面辐射贴片2上设置有第一射频pin二极管(sw1)，第二射频pin二极管(sw2)，第三射频pin二极管(sw3)和第四射频pin二极管(sw4)，通过控制射频pin二极管的导通或截止，实现天线工作频率的重构，所述介质基板反面印刷有微带馈线5，微带馈线5底端与介质基板1背面下边沿相连。
38.天线的共面辐射贴片2包括主辐射贴片与寄生辐射贴片，主辐射贴片由共面带状线、上下两对不等长矩形双偶极子与加载矩形枝节的截短地平面组成，且共面带状线沿介质基板的中心线由下至上开有由窄至宽的阶梯状缝隙，寄生辐射贴片分为上寄生辐射贴片与下对寄生辐射贴片，上寄生辐射贴片由两个形状大小一致的圆角矩形组成，且与主辐射贴片的共面带状线左右两侧以第一射频pin二极管(sw1)，第二射频pin二极管(sw2)相连接；下寄生辐射贴片由两个形状大小一致的矩形组成，且与主辐射贴片的下矩形双偶极子左右两侧以第三射频pin二极管(sw3)，第四射频pin二极管(sw4)相连接。主辐射贴片与两对寄生辐射贴片之间均以介质基板1的中心线对称分别放置于介质基板正面的左右两侧；
39.天线的第一引向器3和第二引向器4为形状大小一致的矩形贴片，且与共面辐射贴片2的中线共线，第一引向器3在共面辐射贴片2正上方，第二引向器4在第一引向器3的正上方。
40.天线的微带馈线4的由矩形贴片与不规则圆角开口矩形环组成，不规则圆角开口矩形环位于矩形贴片上方，且二者相连。
41.实施例1
42.本实施例中介质基板1的形状为矩形(参见图1-2)，所用的材料为玻璃纤维环氧树脂覆铜板(fr-4)，其相对介电常数是4.4，介质基板1的长宽高尺寸是50mm
×
33mm
×
1.6mm(参见图3)。介质基板1的正面印刷有共面辐射贴片2，第一引向器3、第二引向器4，并且加载有4个射频pin二极管(sw1、sw2、sw3、sw4)，介质基板1的背面印刷有微带馈线5。
43.所述共面辐射贴片2由主辐射贴片与寄生辐射贴片构成。
44.主辐射贴片由共面带状线、上下两对不等长矩形双偶极子与加载矩形枝节的截短地平面组成，其中共面带状线尺寸为31mm
×
10mm，位于介质基板1正面的中心线处，相距介质基板1下边沿的距离为5mm，且共面带状线沿介质基板的中心线由下至上开有由窄至宽的阶梯状缝隙，缝隙尺寸由下至上分别为14mm
×
0.3mm、3mm
×
0.8mm以及14mm
×
2mm。上下两对不等长矩形双偶极子与共面带状线相连，且关于介质基板1中线左右对称，上矩形双偶极子的尺寸为9.5mm
×
4mm，与共面带状线顶部相连，下矩形双偶极子的尺寸为7.5mm
×
4mm，两者间距13mm。截短地平面的尺寸为33mm
×
5mm，其在靠近介质基板1左右两侧边沿处对称加载
了尺寸为6mm
×
0.9mm的矩形枝节。
45.寄生辐射贴片由上下两对辐射贴片组成，上寄生辐射贴片由5mm
×
2mm的圆角矩形贴片与1mm
×
0.9mm的矩形贴片组成，距离上双偶极子下方1mm，且分别与共面带状线左右两侧相距1.1mm。下寄生辐射贴片是尺寸为5.9mm
×
2mm的矩形辐射贴片，分别垂直放置于下双偶极子左右两侧1.1mm处。
46.所述第一引向器3、第二引向器4形状大小一致的矩形贴片，尺寸均为15mm
×
2.5mm，第一引向器3在共面辐射贴片2正上方，相距2.5mm，第二引向器4在第一引向器3的正上方，相距3mm，且第二引向器4相距介质基板1上边沿的距离为3.5mm。
47.所述微带馈线5由矩形贴片与不规则圆角开口矩形环相连组成，其中矩形贴片尺寸为6mm
×
3mm，与介质基板1下边沿相连，相距介质基板1左边沿的距离为12mm，不规则圆角开口矩形环由尺寸为10mm
×
2mm、8.5mm
×
2mm与10mm
×
3mm的矩形贴片组成，矩形环顶部为圆弧切角，其半径分别为1mm与2mm。
48.所述射频pin二极管(sw1、sw2、sw3、sw4)型号为英飞凌公司生产的bar50-02v，该器件具备低导通电阻，工作频率为10mhz-6ghz，引脚电感为0.6nh，导通电阻为3ω，关断并联电阻为5kω，关断电容为0.15pf，工作温度为-55～125℃。当sw1、sw2、sw3、sw4均导通时，天线工作频率范围为3.11-4.11ghz，可覆盖n78频段；当sw1、sw2、sw3、sw4均截止时，天线工作频率范围为3.97-5.01ghz，可覆盖n79频段；当sw1、sw2导通，sw3、sw4截止时，天线为双频天线，工作频率范围为3.10-4.12ghz和4.62-5.04ghz，可工作在n78和n79频段内。
49.图3为本实施例天线的回波损耗(s11)曲线图，图3(a)显示天线工作在n78频段的回波损耗曲线图，有效工作带宽为在3.11-4.11ghz；图3(b)显示天线工作在n79频段的回波损耗曲线图，有效工作带宽为在3.97-5.01ghz；图3(c)显示天线工作在n78和n79频段内的回波损耗曲线图，有效工作带宽为3.10-4.12ghz和4.62-5.04ghz，说明本实施例的天线能够有效地工作在5g通信n78和n79频段有着良好的阻抗带宽，且实现了三种状态的频率的可重构功能。
50.图4、图5、和图6分别是本实施例天线在频率3.6ghz、4.8ghz时对应的该天线的方向图，图中e-plane/h-plane指电场或磁场，从图4中可以看出当天线工作在n78频段时，在3.6ghz处的增益为4.96dbi；从图5中可以看出当天线工作在n79频段时，在4.8ghz处的增益为6.74dbi；图6(a)和图6(b)分别是3.6ghz和4.8ghz的远场辐射方向图，从图6中可以看出当天线工作在n78和n79频段时，在3.6ghz处的增益为5.09dbi，在4.8ghz处的增益为6.41dbi；说明本实施例的天线辐射方向图呈现定向辐射状态，具有良好的指向性辐射特性，在上述三个工作状态下，该天线均表现出较好的定向辐射功能，辐射性能稳定且增益性能良好，具备工程实用价值。
51.以上对本发明创造所提供的一种应用于5g通信n78与n79频段的单/双频段可重构微带准八木天线进行了详尽介绍，本发明创造应用了具体个例对本发明创造的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明创造的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明创造的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明创造的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明创造的限制。