CN103346392A

CN103346392A - 一种方向图可重构手机天线

Info

Publication number: CN103346392A
Application number: CN2013102274374A
Authority: CN
Inventors: 李文兴; 张永春; 李思; 毛云龙; 常亮
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: CN103346392B

Abstract

本发明属于宽频带可重构微带天线领域，具体涉及一种在手机和ISM等通信设备中接受和发射无线信号的方向图重构手机天线。方向图可重构手机天线，由两块介质基板，四个弯折形无源振子，四个水平直无源振子，六个开关，两个偶极子激励振子，两个垂直寄生振子，一个平衡器和一条同轴馈线组成，第一弯折形无源振子、第一水平直无源振子、第二水平直无源振、第二弯折形无源振子通过开关按上述顺序连接在一起构成第一连接结构，第三弯折形无源振子、第三水平直无源振子、第四水平直无源振、第四弯折形无源振子通过RF-PIN开关按上述顺序连接在一起构成第二连接结构；该天线SAR值小，辐射低，效率高，结构简单，加工方便，成本低。

Description

一种方向图可重构手机天线

技术领域

本发明属于宽频带可重构微带天线领域，具体涉及一种在手机和ISM等通信设备中接受和发射无线信号的方向图重构手机天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线通信的依赖也越来越强，为了提高系统容量，实现通信系统的多功能和超宽带化，下一代无线通信将更多的考虑采用多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术。但是，随着天线数量的增加，通信系统的尺寸增大，成本升高，而且会带来电磁兼容方面的问题，使得MIMO技术实现的复杂度和成本大幅度增高，不能充分发挥其技术优势。相控阵天线技术相对成熟，但是存在馈电网络复杂、需增加移相器以及由此造成的高成本和高技术难度等缺点，在此背景下可重构天线应运而生。可重构天线就是使用同一个天线或天线阵的口径面上，通过在天线口径上加载变容二极管、微电子机械开关（MEMS）开关或RF-PIN开关等方法，控制天线辐射体表面的电流分布，实现不同的辐射特性，使一个天线具有多副天线的功能。可重构天线为天线技术的发展带来了一次革命，为提高无线通信系统容量、扩展系统功能、增加系统工作带宽、实现软件无线电等方面提供重要的技术保障，将对无线通信技术带来深远的影响。可重构天线按照功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、频率和方向图同时可重构天线、极化可重构天线等。方向图是天线的一个重要特性，定向天线的天线波束后瓣辐射小，全向天线具有全向辐射特性。如果将方向图可重构技术应用于手机等便携式无线通信设备中，将会显著减小SAR值，降低其对人体的辐射，同时由于能量集中，还能提高天线效率，因此，方向图可重构手机天线具有巨大的市场应用价值。

传统的手机天线，大多采用单极子天线或者PIFA天线。这两种天线都是全向天线，SAR值都比定向天线高，而重构天线则可以在不降低通信质量的情况下，能有效减小SAR值，降低手机天线对人体的辐射。文献“W.Kang,J.Park and Y.Yoon,Simple reconfigurable antennawith radiation pattern,Elecronics letters.No.3,2008.”和文献“J.Dong and A.Wang,“A SimpleRadiation Pattern Reconfigurable Printed Dipole Antenna,”Proceedings of20093rd IEEEInternational Symposium on Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for WirelessCommunications.2009.”提出了一种方向图重构天线，该天线通过控制天线口径面上的MEMS开关状态，使其在不带地结构的单极子天线和带反射地结构的偶极子天线之间切换，设计出可以重构天线全向方向图和定向方向图的天线，但是该天线结构不对称，为了解决工作频率会偏移问题，需要另外加匹配调节支路，设计复杂，此外天线方向图的重构需要依靠地结构，尺寸较大，不利于天线的小型化。八木天线具有结构简单，方向性好，增益高等优点，但是传统的八木尺寸较大，不适于在小型设备中应用，为了减小天线的尺寸，文献“G.Ni,B.Gao,and J.Lu,A newly dielectric embedded quasi-microstrip Yagi antenna with barrier,InternationalConference on Microwave and Millimeter Wave Technology,2008.”提出一种介质埋藏微带八木天线，该天线将微带线埋藏于介质板中，因此，有效的减小了天线的尺寸，但是该天线只能实现定向辐射，不具有全向辐射特性，不适于在手机等移动通信设备中。为了设计方向图可重构天线，文献“S.Zhang,G.H.Huff,J.Feng and J.T.Bernband,A Pattern ReconfigurableMicrostrip Parasitic Array,IEEE Transaction on Antennas and Propagation,vol.52,2004,pp.35-36.”设计了一个方向图可重构微带八木天线阵，方向图重构天线是一种微带线天线，通过控制安装在天线口径表面上的4个MEMS开关状态，该天线结构对称，方向图的重构过程中，工作频率保持不变，因此，不需要外加匹配开路短截线，更易于设计，但是该天线只能实现方向图的定向重构，不具有全向辐射特性。为了减小天线的尺寸，有效减小SAR值，降低其对人体的辐射，本发明提出一种能够提供全向和定向方向图的重构手机天线。

本发明通过改变反射振子和引向振子与激励振子之间的夹角，增加引向振子的数量，在垂直方向上添加寄生振子，加载RF-PIN二极管以及介质埋藏振子的方法，在保持工作频率不变的情况下，实现了天线方向图全向和定向重构。该天线辐射方向图能够根据实际通信情况而改变天线的辐射方向图：当无通信时，天线工作在全向辐射状态，保证了天线的灵敏度；若进行通信时，天线工作在定向辐射状态，主波束背离人体，且能重构主波束辐射方向，为了保证能接受到天线后向信号，天线后向波束也有增益，但是比较小。该天线在保证通信质量的前提下，有效减小了SAR值，降低了电磁波对人体的有害辐射，提高了系统的整体性能，并且该天线具有良好的天线增益，尺寸相对小，结构简单、对称，易于加工设计，便于批量生产，并且成本低廉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种满足低辐射通信需求、宽频带的可重构微带天线。

本发明的目的是这样实现的：

方向图可重构手机天线，由两块介质基板，四个弯折形无源振子，四个水平直无源振子，六个RF-PIN开关，两个偶极子激励振子，两个垂直寄生振子，一个平衡器和一条同轴馈线组成，第一弯折形无源振子、第一水平直无源振子、第二水平直无源振、第二弯折形无源振子通过RF-PIN开关按上述顺序连接在一起构成第一连接结构，第三弯折形无源振子、第三水平直无源振子、第四水平直无源振、第四弯折形无源振子通过RF-PIN开关按上述顺序连接在一起构成第二连接结构；第一连接结构与第二连接结构对称布置，两个偶极子激励振子布置在第一连接机构与第二连接结构之间，第一偶极子激励振子与平衡器外壁相连，第二偶极子激励振子与平衡器内部的同轴馈线连接。

弯折形无源振子、水平直无源振子、偶极子激励振子布置在两块介质基板之间；第一垂直寄生振子印刷在第一介质基板上表面，第二垂直寄生振子印刷在第二介质基板下表面。

第一连接结构与第二连接结构中间的两个水平直无源振子可由一个大的水平直无源振子代替。

两个垂直寄生振子、两个偶极子激励振子布置在该装置中轴线处。

本发明的有益效果在于：

该天线具有结构简单，采用弯折形无源振子和层叠式微带线结构技术，有效的减小天线的结构尺寸，增加定向方向图主波束宽度，该天线使用了6个PIN二极管实现天线方向图的重构，可以显著的增加天线的阻抗带宽，覆盖“3G”频段和ISM频段，从而设计满足宽频通信需求。该天线采用在激励振子的水平方向加载无源振子和垂直方向加载寄生振子的技术，提高天线全向方向图的增益。该天线SAR值小，辐射低，效率高，结构简单，加工方便，成本低。

附图说明

图1为本发明实施实例1的基本结构的正视图；

图2为本发明实施实例1的基本结构的侧视图；

图3为本发明实施实例2的基本结构的正视图；

图4为本发明实施实例2的基本结构的侧视图；

图5为本发明实施实例3的基本结构的正视图；

图6为本发明实施实例3的基本结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图举例本对发明做更详细地描述：

本发明涉及一种方向图可重构手机天线。该天线属于微带贴片八木天线，该天线由介质基板201、202，弯折形无源振子101、107、109、115，水平直无源振子103、105、111、113，RF-PIN开关102、104、106、110、112、114，偶极子激励振子108、116，垂直寄生振子203、204，平衡器205和同轴馈线206组成。其中弯折形无源振子，水平直无源振子，RF-PIN开关和偶极子激励振子可以根据微带八木天线原理和方向图可重构天线原理设计。

弯折形无源振子和水平直无源振子构成引向振子或反射振子，垂直寄生振子起引向振子作用，RF-PIN开关控制反射振子和引向振子的状态，实现天线方向图的全向和定向辐射，偶极子激励振子分别与平衡器和同轴馈线相连，平衡器实现天线平衡-不平衡电路的转换，起阻抗匹配作用。

弯折形无源振子，水平直无源振子，RF-PIN开关和偶极子激励振子构成了微带八木天线结构，由RF-PIN开关和RF-PIN开关的断开（或闭合），控制弯折形无源振子与水平直无源振子的断开（或连接），弯折形无源振子与水平直无源振子的断开（或连接），使无源振子工作在反射振子（或引向振子）状态，达到控制天线方向图重构的目的。

该天线将微带天线埋藏于介质中，构成层叠式微带天线结构，通过埋藏式微带天线相关技术设计，有效的减小了天线尺寸。

弯折形无源振子与水平直无源振子的断开（或连接），弯折形无源振子与水平直无源振子的断开（或连接）构成天线的引向振子（或反射振子），调节弯折形无源振子角度能灵活调节天线阻抗，增加天线水平方向图主波束的宽度，提高天线主波束的增益。

垂直寄生振子与偶极子激励振子平行且层叠放置，构成了层叠式结构，能有效的提高天线在垂直方向上的增益，且同时增加阻抗带宽。

此外，偶极子激励振子通过平衡器205和同轴线206与系统馈电信号线连接。本发明采用微带八木天线结构和层叠式微带天线结构，同时采用了加载弯折形无源振子和垂直寄生振子技术，不仅有效的减小了天线尺寸，展宽天线阻抗带宽，而且大大降低了天线的SAR值，改善了天线的性能。

若工作频段仅需要3G或者ISM频段，该天线可以只是用RF-PIN开关（102、106、110、114），以简化天线设计，降低成本。

该天线弯折形无源振子（101、107、109、115）的角度可以调整，从而改变天线的主波束宽度和增益。

偶极子激励振子通过平衡器（205）和同轴线（206）与系统馈电信号线连接，同时集成了平衡器（巴伦）。也可以采用微带线馈电方式，使用独立的匹配网络，提高天线辐射体与馈线的匹配性，展宽天线的阻抗带宽。

垂直方向上的寄生振子可以加载RF-PIN开关，重构垂直方向上的天线方向图。

根据微带八木天线结构实现方向图重构和埋藏式微带天线技术的优势，本发明采用的技术方案为：

1、该天线是应用于3G频段和ISM频段的方向图可重构手机天线，可通过微带八木天线理论和方向图可重构天线理论进行设计，该天线具有全向方向图和定向方向图重构功能，且天线结构简单，易于匹配，容易实现小型化。

2、该天线采用层叠式微带线结构，能有效的减小天线振子的长度，同时采用对称的微带八木天线结构，不需要匹配开路短截线，易于设计和制作，适于在手机和便携式无线通信设备中应用。

3、该天线使用了弯折形无源振子101、107、109、115技术和垂直方向寄生振子203、204技术，增加了主波束宽度和垂直方向上的天线增益，提高天线的全向辐射性能。

4、该天线在水平直无源振子103、105、111、113之间加载RF-PIN开关技术，有效的展宽天线的阻抗带宽。

实施实例1：

本发明涉及的方向图可重构手机天线的一个实例如图1和图2所示。该天线由介质基板（201、202），弯折形无源振子（101、107、109、115），水平直无源振子（103、105、111、113），RF-PIN开关（102、104、106、110、112、114），偶极子激励振子（108、116），垂直寄生振子（203、204），平衡器（205）和同轴馈线（206）组成。天线的侧视图如图2所示，其中101和107为图1右侧弯折形无源振子，103和105图1右侧直无源振子，102和104为图1右侧PF-PIN开关，205为平衡器，206为同轴馈线。根据图1和图2所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足方向图重构和宽频阻抗带宽的需求。

所述的一种方向图可重构手机天线，该天线的全部弯折形无源振子、全部水平直无源振子，全部RF-PIN开关以及两个偶极子激励振子埋藏于介质基板201和和介质基板202之间，垂直寄生振子203印刷在介质基板的201的上表面，垂直寄生振子204印刷在介质基板202的下边面，与偶极子激励振子构成层叠式结构，偶极子激励振子108与平衡器205外壁相连，偶极子激励振子116与平衡器205内部同轴线连接，实际中平衡器由金属板线或微带线实现。

实施实例2：

如图3和图4所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例1的基础上，去掉RF-PIN开关。通过调节弯折形无源振子的弯折角度和无源振子与有源偶极子振子距离，可以调整天线阻抗带宽和方向图增益，使所设计的天线满足所需的通信需求。该天线由介质基板（401、403），弯折形无源振子（301、305、307、311），水平直无源振子（303、309），RF-PIN开关（302、304、308、310），偶极子激励振子（306、312），垂直寄生振子（404、405），平衡器（406）和和同轴馈线（407）组成。根据图1和图2所示的结构，只要尺寸合适，就能满足窄带频段的方向图重构的需求。

实施实例3：

如图5和图6所示，本发明的另一种实施实例是在仅仅采用水平直无源振子，偶极子激励振子和RF-PIN开关设计方向图可重构天线。该天线的辐射单元可以利用八木天线理论和方向图可重构天线理论进行设计。该天线由介质基板（601、602），弯折形无源振子（501、507、509、515），水平直无源振子（503、505、511、513），RF-PIN开关（502、504、506、510、512、514），偶极子激励振子（508、516），平衡器（603）和和同轴馈线（604）组成。根据图4所示的结构，只要选择合适的尺寸就能满足窄带频段的方向图重构的需求。

Claims

1.一种方向图可重构手机天线，由两块介质基板，四个弯折形无源振子，四个水平直无源振子，六个RF-PIN开关，两个偶极子激励振子，两个垂直寄生振子，一个平衡器和一条同轴馈线组成，其特征在于：第一弯折形无源振子、第一水平直无源振子、第二水平直无源振、第二弯折形无源振子通过RF-PIN开关按上述顺序连接在一起构成第一连接结构，第三弯折形无源振子、第三水平直无源振子、第四水平直无源振、第四弯折形无源振子通过RF-PIN开关按上述顺序连接在一起构成第二连接结构；第一连接结构与第二连接结构对称布置，两个偶极子激励振子布置在第一连接机构与第二连接结构之间，第一偶极子激励振子与平衡器外壁相连，第二偶极子激励振子与平衡器内部的同轴馈线连接。

2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构手机天线，其特征在于：所述的弯折形无源振子、水平直无源振子、偶极子激励振子布置在两块介质基板之间；第一垂直寄生振子印刷在第一介质基板上表面，第二垂直寄生振子印刷在第二介质基板下表面。

3.根据权利要求1或2所述的一种方向图可重构手机天线，其特征在于：所述的第一连接结构与第二连接结构中间的两个水平直无源振子可由一个大的水平直无源振子代替。

4.根据权利要求1或2所述的一种方向图可重构手机天线，其特征在于：所述的两个垂直寄生振子、两个偶极子激励振子布置在该装置中轴线处。