一种陷波可重构超宽带天线

摘要

本发明公开了一种陷波可重构超宽带天线，属于微波天线设计领域。该天线为左右镜像对称结构，包括介质基板，设置于介质基板正面的辐射贴片、微带馈线、两个方形空槽和两个可重构单元，设置于介质基板背面的接地板；方形空槽分别设置于微带馈线的左右两侧，用于可拆卸放置可重构单元；可重构单元包括介质板及其正面的开口谐振环，开口谐振环设置有缝隙用于焊接变容二极管。本发明结合了电可重构和人工可重构，通过更换可重构单元和调节可重构单元上的变容二极管电容值，天线同时具备陷波生成、移除和移动功能，使天线具备陷波宽频带移动特性。

权利要求

1.一种陷波可重构超宽带天线，包括介质基板，设置于介质基板正面的辐射贴片、微带馈线、两个方形空槽和两个可重构单元，设置于介质基板背面的接地板；所述陷波可重构超宽带天线为左右镜像对称结构；

其特征在于，所述方形空槽分别设置于微带馈线的左右两侧；

所述可重构单元可拆卸放置于方形空槽内；

所述可重构单元包括介质板、设置于介质板正面的开口谐振环，所述开口谐振环的开口对侧位置设置有缝隙用于焊接变容二极管；

所述可重构单元由以下方式获得：

S1.设置可重构单元的初始尺寸以适配放置于微带馈线两侧；

S2.选择一个开口基础谐振环结构并给定初始尺寸，计算开口基础谐振环结构的等效周长L；

S3.根据陷波需要移动的整体频段，确定中心频率f；由公式(2)计算得到可重构单元的介质板的相对介电常数εr；

其中，f为陷波位置中心频率，c为光速，εr为介质材料的相对介电常数；

选择相对应的相对介电常数的介质材料作为可重构单元的介质板；

S4.在开口基础谐振环结构的开口对侧设置一个缝隙用于加载变容二极管；

S5.建立所述陷波可重构超宽带天线的初始模型并进行仿真优化，若陷波能够在所述整体频段内移动，则设计结束，得到所述陷波可重构超宽带天线的最终模型；若不能，则将两侧未覆盖频段的中心频率代入公式(2)，并返回S3。

2.如权利要求1所述的一种陷波可重构超宽带天线，其特征在于，所述开口谐振环为矩形开口谐振环，且开口位置为邻近微带馈线的金属臂的中心位置。

3.如权利要求2所述的一种陷波可重构超宽带天线，其特征在于，所述矩形开口谐振环的开口处设置有向内弯折的横向枝节。

说明书

一种陷波可重构超宽带天线

技术领域

[0001] 本发明属于微波天线设计领域，具体涉及一种陷波可重构超宽带天线。

背景技术

[0002] 随着通信技术的迅猛发展，超宽带(UWB)系统获得了研究者们的重视与关注。美国联邦通信委员会(FCC)开放了3.1～10.6GH带宽为7500MHz的频率资源用于超宽带设备。对于UWB系统的开发，UWB天线的设计具有非常重要的意义。UWB通信系统的工作频段中包含多个民用窄带通信频段，如卫星广播C波段上行\下行频段(5.925‑6.425\3.7‑4.2GHz)、局域网WLAN频段(5.15‑5.35GHz、5.725‑5.85GHz)和卫星通信X波段上行\下行频段(7.9‑8.4/7.25‑7.75GHz)等。由于窄带通信系统占用了超宽带部分频段，导致窄带通信频段与超宽带系统两者之间会不可避免地造成相互干扰，因此具有陷波特性的UWB天线具有一定的研究价值。

[0003] 在天线设计中，许多方法可以使得天线具有陷波特性，包括蚀刻几何槽、添加寄生单元或短路直接。然而，这些陷波频段是固定的，当它们需要被移除或需要改变时，必须重新设计天线。一些研究人员提出了陷波可重构天线，其中有些可重构方式可以实现陷波的开关控制，有些可以在有限范围内连续移动陷波工作频段。如参考文献“Ahmed S.Elkorany,Ghidaa T.Ahmed,Hesham A.Mohamed and Zeinab F.Elsharkawy,“Reconfigurable band notch butterfly‑wing shaped ultra‑wide band antenna using varactor diodes,”Microsystem Technologies,vol.27,pp.2695‑2703,2021”，作者提出在结构单元上加载变容二极管来实现陷波工作频段的连续移动，但陷波的移动范围有限，并且陷波不可被移除。又如参考文献“J.Sun,H.Jing,H.Zhou,Y.Wang,P.Wang and Y.Qin.“Design of a Reconfigurable Band‑Notch SWB Antenna,”Progress In Electromagnetics Research Letters,vol.99,pp.1–9,2021.”，作者提出在天线上开一个槽，用于放置用不同介电常数的介质板材做成的谐振环介质片。通过更换谐振环介质片，天线实现了陷波移动，且不加载谐振环介质片时可以移除陷波。但是，如果用这种人工可重构的方法来实现在更宽的频带上陷波连续移动需要设计大量不同的谐振环介质片，导致大量的制造成本。如何用低成本使UWB天线同时具备陷波的产生、移除和宽范围连续移动的功能，是一个重要的研究突破方向。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种陷波可重构超宽带天线，以人工可重构和电可重构相结合的方式，使天线同时具有陷波生成、移除和宽频带移动的功能。

[0005] 为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种陷波可重构超宽带天线，包括介质基板，设置于介质基板正面的辐射贴片、微带馈线、两个方形空槽和两个可重构单元，设置于介质基板背面的接地板；所述陷波可重构超宽带天线为左右镜像对称结构；

[0007] 其特征在于，所述方形空槽分别设置于微带馈线的左右两侧；

[0008] 所述可重构单元可拆卸放置于方形空槽内；

[0009] 所述可重构单元包括介质板、设置于介质板正面的开口谐振环，所述开口谐振环的开口对侧位置设置有缝隙用于焊接变容二极管。

[0010] 进一步地，所述开口谐振环为矩形开口谐振环，且开口位置为邻近微带馈线的金属臂的中心位置。

[0011] 进一步地，所述矩形开口谐振环的开口处设置有向内弯折的横向枝节。

[0012] 进一步地，所述可重构单元的设计方法为：

[0013] S1.设置可重构单元的初始尺寸以适配放置于微带馈线两侧；

[0014] S2.选择一个开口基础谐振环结构并给定初始尺寸，计算开口基础谐振环结构的等效周长L；

[0015] S3.根据陷波需要移动的整体频段，确定中心频率f；由公式(2)计算得到可重构单元的介质板的相对介电常数εr；

[0016]

[0017] 其中，f为陷波位置中心频率，c为光速，εr为介质材料的相对介电常数；

[0018] 选择相对应的相对介电常数的介质材料作为可重构单元的介质板；

[0019] S4.在开口基础谐振环结构的开口对侧设置一个缝隙用于加载变容二极管；

[0020] S5.建立所述陷波可重构超宽带天线的初始模型并进行仿真优化，若陷波能够在所述整体频段内移动，则设计结束，得到所述陷波可重构超宽带天线的最终模型；若不能，则将两侧未覆盖频段的中心频率代入公式(2)，并返回S3。

[0021] 进一步地，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的矩形微带馈线，其一端为馈电端口，另一端连接辐射贴片。

[0022] 进一步地，所述辐射贴片为矩形贴片，其中矩形贴片与微带馈线连接处对应的两个直角进行切角处理，以扩展带宽。

[0023] 进一步地，所述接地板为梯形贴片，且梯形贴片的上底一侧设置有矩形缺口。

[0024] 本发明的有益效果为：

[0025] 本发明提出的一种陷波可重构超宽带天线使天线同时具有陷波生成、移除和移动的功能，且通过电可重构和人工可重构相结合方式，可实现更宽频带范围的陷波移动。当天线没有放置可重构单元时，天线处于无陷波模式；当天线放置可重构单元时，天线处于陷波模式。在陷波模式之下，调节可重构单元上变容二极管的电容值可以实现一定范围之内陷波连续移动，电容值增大，陷波频段向低频移动；通过更换不同介电常数介质板制作的可重构单元，陷波移动的范围可以进一步得到拓展，介电常数增大，陷波频段向低频移动。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例中的陷波可重构超宽带天线结构图(未放置可重构单元)。

[0027] 图2为本发明实施例中的陷波可重构超宽带天线结构图(放置可重构单元)。

[0028] 图3为本发明实施例中的可重构单元结构图。

[0029] 图4为本发明实施例中的陷波可重构超宽带天线无陷波和有陷波模式仿真的驻波比曲线图。

[0030] 图5为本发明实施例中的陷波可重构超宽带天线调节变容二极管电容值陷波移动仿真的驻波比曲线图。

[0031] 图6为本发明实施例中的陷波可重构超宽带天线更换可重构单元陷波移动仿真的驻波比曲线图。

[0032] 图7为本发明实施例中的陷波可重构超宽带天线在应用背景下陷波移动仿真的驻波比曲线图。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案及效果作进一步描述。

[0034] 本实施例的陷波可重构超宽带天线，用于屏蔽卫星广播C波段上行频段(5.925‑6.425GHz)、WLAN频段(5.15‑5.35GHz、5.725‑5.85GHz)或卫星X波段上行/下行频段(7.9‑
8.4/7.25‑7.75GHz)。如图1‑3所示，天线结构为左右镜像对称结构，包括介质基板、设置于介质基板正面的辐射贴片、微带馈线、两个方形空槽和两个可重构单元，设置于介质基板背面的接地板。

[0035] 其中，介质基板选择FR4，介电常数为4.3，天线尺寸为18×16×1.6mm3。

[0036] 微带馈线为特性阻抗为50Ω的矩形微带馈线，长度为6mm、宽度为1.8mm，与介质基板正面底部居中对齐，一端为馈电端口，另一端连接辐射贴片。

[0037] 辐射贴片为切角处理的矩形贴片，矩形贴片的长为11mm、宽为7mm；矩形贴片与微带馈线连接处对应的两个直角进行切角处理以扩展工作带宽，连接处的宽度与微带馈线的宽度相同，切掉的三角形底边长为2mm。

[0038] 接地板为等腰梯形贴片，其高为4mm、上底长为11mm、下底长为16mm，梯形贴片的上底一侧设置有矩形缺口，矩形缺口长为3.5mm，宽为1mm。

[0039] 两个可重构单元分别位于微带馈线的左右两侧，设置方形空槽用于可重构单元的可拆卸放置。

[0040] 可重构单元包括矩形介质板、设置于介质板正面的矩形开口谐振环，其开口位置为邻近微带馈线的金属臂的中心位置，开口处设置有向内弯折的横向枝节，开口对侧设置有缝隙用于焊接变容二极管。

[0041] 本实施例中可重构单元的设计过程为：

[0042] S1.设置可重构单元的初始尺寸为4.1×4.1×1.5mm3，以适配放置于微带馈线两侧。

[0043] S2.选择一个开口基础谐振环结构并给定初始尺寸，本实施例中选择方形开口谐振环，且开口处设置有向内弯折的横向枝节，其外边长为4mm，内边长为3.5mm，开口缝隙为0.4mm，开口处向内弯折的横向枝节长度为1mm。通过公式(1)计算开口基础谐振环结构的等效周长L；

[0044] L＝4×[(L1+L2)/2]‑W+2×L3          (1)

[0045] 其中，L1为外边长，L2为内边长，W为开口缝隙宽，L3为横向枝节长度。

[0046] S3.根据陷波需要移动的整体频段，确定中心频率f为6.775GHz；由公式(2)计算得到可重构单元的介质板的相对介电常数εr为2.558，因此，在现有材料中选择相对介电常数为2.2的Rogers RT5880作为可重构单元的介质板。

[0047]

[0048] 其中，f为陷波位置中心频率，c为光速，εr为介质材料的相对介电常数。

[0049] S4.在开口基础谐振环结构的开口对侧设置一个缝隙用于加载变容二极管，变容二极管的型号为SMV2020‑079LF，外加电压0～12V可实现电容值3.2～0.48pF的变化，根据封装设置焊点。

[0050] S5.建立所述陷波可重构超宽带天线的初始模型并进行仿真优化，陷波移动范围未能覆盖整体频段，因此将左侧未覆盖频段的中心频率5.920GHz代入公式(2)，计算得到相对介电常数3.660，在现有材料中选择介电常数为3的Rogers RO3003作为第二组可重构单元的介质板；再次仿真，确定陷波移动范围未能覆盖频段的中心频率为5.575GHz，代入公式(2)，计算得到相对介电常数4.254，在现有材料中选择介电常数为6.15的Rogers RO4360作为第三组可重构单元的介质板；通过三组可重构单元使陷波能够在整体频段移动。

[0051] 如图4所示，当天线的方形空槽为空时，天线处于无陷波模式，天线工作频段为：3.07‑12.72GHz，当天线的方形空槽中放入一组可重构单元时，天线处于陷波模式，此时产生陷波。此方法使得天线具有陷波生成和移除切换功能。

[0052] 如图5所示，当天线方形空槽放置介质板介电常数为6.15的可重构单元时，天线处于陷波模式。此时，调节变容二极管的电容值，陷波工作频段将移动。随着电容值的增大，陷波工作频段向低频位置移动。陷波中心频率移动范围为5.06‑5.68GHz，可覆盖的频段范围为4.73‑6.45GHz。

[0053] 如图6所示，保持变容二极管电容值不变，将用不同介电常数的介质板制作可重构单元依此放入天线方形空槽中进行仿真，陷波工作频段发生移动。随着可重构单元介质板的介电常数的升高，陷波工作频段向低频位置移动。陷波中心频率移动范围拓展为5.06‑7.57GHz，可覆盖的频段范围为4.73‑8.63GHz。

[0054] 以图5和图6展示的两种方式相结合，天线可扩展陷波可连续移动的范围。

[0055] 如图7所示，当两个相近的窄带通信频段需要进行屏蔽切换时，可直接调节变容二极管电容值，例如，当放置介电常数为6.15的可重构单元的陷波模式下，调节变容二极管电容值为0.48pF，陷波工作频段为5.39‑6.45GHz，可以屏蔽卫星广播C波段上行频段(5.925‑6.425GHz)；调节变容二极管电容值为1.03pF时，陷波工作频段为4.98‑6.12GHz，可以屏蔽WLAN频段(5.15‑5.35GHz、5.725‑5.85GHz)。当两个距离较远的窄带通信频段需要屏蔽切换时，更换不同介电常数的可重构单元可以实现，例如，在上述屏蔽WLAN频段的情况下，更换介电常数为2.2的可重构单元，调节变容二极管电容值为0.48pF，可以产生8.63‑7.24GHz的陷波频段以屏蔽卫星X波段上行/下行频段(7.9‑8.4/7.25‑7.75GHz)。