专利名称：用于移动终端的宽带平面型可重构天线系统的制作方法
技术领域：
本发明属于移动终端可重构天线设计领域，涉及一种无线通信特别但不限于用于在复杂通信环境中的移动终端可重构天线系统结构设计。
背景技术：
天线是连接无线信道与通信系统的重要组成部分，其性能对整个通信系统有重要的影响。随着移动通信系统在功能、容量、质量和服务业务上的不断升级，移动终端天线系统需要满足越来越高的性能指标要求；同时，移动终端上的天线系统通常工作在复杂的无线传播环境，电磁波在空中传播时将会受到多方面的衰落，另外无线信道因受到地形、温度、湿度等环境因素的影响而复杂多变，由此无线移动通信系统的通信质量会受到很大影响。此外，移动终端正朝着体积小，重量轻，待机时间长，低成本，辐射效率高和多频或宽频等方向发展，所有这些要求对于应用在移动终端上的天线设计也提出了十分巨大的挑战。为了适应现代无线通信系统对天线模块提出的要求，可重构天线概念被提出并获得广泛的发展。新型无线通信系统的发展趋势是扩展系统功能、减小系统体积、简化硬件模块、对通信环境具有自适应能力。为了满足这种趋势的技术要求、与系统的信号处理和软件控制模块协调工作，天线模块必须具备灵活多样的频率和辐射性能，满足频率、方向图或者极化方式的工作需求。而可重构天线体积小、性能灵活，作为系统的关键部件，能够极大地改善整个系统的性能，解决传统天线对新型无线通信系统性能的制约问题，使系统更加适应复杂多变的应用环境。同时在复杂多变的电磁环境中，可重构天线通过采用最优的重构天线形式能够实现信道容量最大化，满足用户的大容量的数据需求，从而达到优化通信质量的目的。因此，为了能够设计出结构紧凑、易集成、并适用于移动通信终端特别是小尺寸移动终端的天线结构，可重构天线是有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现多频段/宽带、低成本、易集成、电小尺寸的无线通信移动终端可重构天线的结构设计。它可以克服现有无线通信移动终端天线性能和结构上的不足，通过加PIN开关二极管的方式来改变天线的辐射结构，从而改变天线的辐射方向图；它采用平面结构，易于与通信系统集成；采用普通的数字电路的印刷电路板加工工艺， 使天线成本很低。本发明的特征在于，含有介质板1、辐射天线单元2、寄生T形天线单元3、微带馈线4、直流偏置电路5以及金属地6，其中介质板1，是一块矩形印刷电路板；辐射天线单元2，位于所述矩形印刷电路板1的背面上方，包括位于左侧的第一槽天线21和位于右侧的第二槽天线22，所述两个槽天线21、22对背面的纵轴左右镜像对称，并且相连后接金属地6;寄生T形天线单元3，对纵轴左、右镜像对称地位于所述印刷电路板1的正面中央， 在T字形顶端和两端折弯处各有一块用于匹配和增加带宽的矩形块；微带馈线4，位于所述印刷电路板1的正面，包括一条主馈线41和左、右两条L形馈线分枝42、43，其中，主馈线41与下端的正面纵轴同轴，特性阻抗为50欧姆，在该主馈线 41中间的断开处接有一个隔直流电容C，在该隔直电容C上方的所述主馈线41的一个位置附近依次接一个第三隔交流电感L3后再通过第五焊盘44、接地过孔7接地；所述两条L形馈线分支41、42横跨各自分别对应的位于所述印刷电路板1背面的第一槽天线21和第二槽天线22，所述两条L形馈线分支42、43对正面纵轴左、右镜像对称；位于左侧的第一个所述L形馈线分支42的顶端与所述主馈线41之间正向接有一个第一开关二极管PIN1，位于右侧的第二个所述L形馈线分支43的顶端与所述主馈线41之间正向接有一个第二开关二极管PIN2，所述两条L形馈线分支42、43的底边向上正对着所述寄生T形天线单元3 ；直流偏置电路5，位于所述印刷电路板1的正面，包括左、右两个直流偏置电路51、 52，分别位于所述左、右两条L形馈线分枝42、43下方，其中左直流偏置电路51，依次由第一隔交流电感Ll、第一焊盘511、第一电阻Rl和第二焊盘512依次串接而成，所述第二焊盘512接电源，通过所述第一隔交流电感Ll向所述左侧第一个馈线分支42施加直流偏压；右直流偏置电路52，依次由第二隔交流电感L2、第三焊盘521、第二电阻R2和第四焊盘522依次串接而成，所述第四焊盘522接电源，通过所述第二隔交流电感L2向所述右侧第二个馈线分支43施加直流偏压；金属地6，位于所述印刷电路板1的背面，且与所述辐射天线单元2底部相连，用以模拟无线通信系统移动终端中除所述辐射天线单元2以外的其它金属部分。本发明具有宽带/多频带、结构紧凑、易集成的优点，支持方向图可重构功能，并适用于移动终端特别是小尺寸移动终端的可重构天线结构的特点，而且采用普通数字电路制造工艺，制造工艺简单，成本低。
图1为本发明提供的一种用于移动终端的宽带平面型可重构天线系统的三维图。图2为图1的A向视图即纵向剖面图。图3为图1的B向视图即微带馈线、寄生T形天线单元和直流供电线路的结构图 (左右对称结构)。图4为图1的C向视图即槽天线单元和金属地的结构图和实施实例尺寸图(左右对称结构)，单位均为毫米(mm)。图5为本发明天线系统的实施实例尺寸图(B向视图，左右对称结构)，单位均为毫米(mm) ο图6为图1的实施实例中左面的开关二极管Pim导通，右面的开关二极管PIN2 断开时的反射系数(S参数)图。图7为图1的实施实例中右面的开关二极管PIN2导通，左面的开关二极管Pim 断开时的反射系数(S参数)图。
图8为可重构天线工作在1. 94GHz时实测的χ-y平面和y_z平面辐射方向图(8a)为左侧的开关二极管Pim导通时χ-y平面实测方向图；(8b)为右侧的开关二极管PIN2导通时x-y平面实测方向图；(8c)为左侧的开关二极管Pim导通时x-z平面实测方向图；(8d)为右侧的开关二极管PIN2导通时x-z平面实测方向图。图9为可重构天线工作在2. 13GHz时实测的χ-y平面和y_z平面辐射方向图(9a)为左侧的开关二极管Pim导通时χ-y平面实测方向图；(9b)为右侧的开关二极管PIN2导通时x-y平面实测方向图；(9c)为左侧的开关二极管Pim导通时x-z平面实测方向图；(9d)为右侧的开关二极管PIN2导通时x-z平面实测方向图。对附图中的标示说明如下1为介质板；21、22为槽天线单元；3为寄生T形天线单元；41为印刷在介质板1正面的主馈线；42、43分别为左、右L形馈线分支；511、512、521、522为连有导线的金属焊盘； 6为介质板背面的金属地；7为接地过孔；L1、L2、L3为22nH隔交流电感；C为IOOpF隔直流电容；PIN1、PIN2为开关二极管。
具体实施例方式本发明提供一种用于移动终端的宽带平面型可重构天线系统，其三维结构示意图如图1所示。整个天线结构印制在印刷电路板的两个面上，包括辐射天线单元、寄生T形天线单元、微带馈线、直流偏置电路以及金属地。其特征在于，两个槽天线单元21和22位于印刷电路板的背面上部的两侧，左右镜像对称，尺寸相同；槽天线单元01、22)由横跨在其上方的L型馈线分支(42、4；3)进行馈电；为了扩展天线系统的带宽，增加了寄生T形天线单元3，位于印刷电路板的正面，左右镜像对称，其中寄生T形天线单元顶端和两边折弯处的矩形块可以起到调节匹配、增加带宽的作用；在41与42、43之间加入两个开关二极管Pim和PIN2，用于选择天线辐射单元；在 42,43的下方分别是左右两个PIN 二极管的直流控制电路，包括金属焊盘511、512、521、 521，在42、511之间和43、521之间分别接22nH的电感，用来防止交流电流入直流回路，烧坏电源；511、512之间和521、522之间分别接100欧姆的电阻，为分压电阻；512、522为金属焊盘，外接直流电压源；41与44之间接22nH电感，用来防止交流电流入直流回路；7为接地过孔；金属地6，位于印刷电路板的背面，用于模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其它金属部分。本发明的技术方案是这样实现的首先槽天线单元为1/4波长谐振模式，产生高频谐振模式，因此可以根据工作频段选取合适的槽天线单元尺寸；然后寄生T形天线单元亦为1/4波长谐振模式，它可以产生低频谐振模式，因此可以根据工作频段选取合适的寄生T形天线单元尺寸；最后，将两个尺寸进行一定的调整和联合设计以满足设计要求；天线单元的选择是通过开关二极管Pim和PIN2的通断来实现的。本发明具有以下特点第一，在本发明中，可重构天线有两个可变单元，天线尺寸符合移动终端小型化的要求。
第二，在本发明中，可重构天线有两种工作方式，每种工作方式的带宽均可覆盖 PCS (1850-1990MHZ)和UMTS (1920-2170MHz)频带，带内辐射方向图满足可重构的使用要求。第三，在本发明中，可重构天线采用平面结构，易于与通信系统集成，且印刷在PCB 板上，制作简单成本低。第四，在本发明中，PIN 二极管的直流供电电路结构简单，易实现。为了说明本发明提供的一种无线通信特别但不限于用于在复杂通信环境中的移动终端可重构天线系统的性能，下面给出一个具体实例。在本例中，采用介质基片厚度为0.8mm、相对介电常数为4. 4，各部分尺寸如图 2-图5所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。以图2-图5所示尺寸制作的可重构天线的反射系数(S参数)结果如图6(左面PIN 二极管导通)、图7 (右面PIN 二极管导通)所示，虽然结构对称，但由于天线两端直流回路器件和PIN 二极管的影响，导致S参数不完全一致，由图可知，反射系数小于-IOdB时的带宽分别为500MHz (1830-2330MHz)，可以完全覆盖PCS(1850-1990MHz)和 UMTS(1920-2170MHz)频带。图7、图8分别给出可重构天线工作在1. 94GHz、2. 13GHz时的实测辐射方向图。由图可见，其辐射特性满足PCS和UMTS的要求。由于其尺寸很小，适用于移动终端比如手机的天线。
权利要求
1.用于移动终端的宽带平面型可重构天线系统，其特征在于，含有介质板(1)、辐射天线单元O)、寄生T形天线单元(3)、微带馈线G)、直流偏置电路(5)以及金属地(6)，其中介质板(1)，是一块矩形印刷电路板；辐射天线单元O)，位于所述矩形印刷电路板(1)的背面上方，包括位于左侧的第一槽天线和位于右侧的第二槽天线(22)，所述两个槽天线(21、22)对背面的纵轴左右镜像对称，并且相连后接金属地(6)；寄生T形天线单元(3)，对纵轴左、右镜像对称地位于所述印刷电路板(1)的正面中央， 在T字形顶端和两端折弯处各有一块用于匹配和增加带宽的矩形块；微带馈线G)，位于所述印刷电路板(1)的正面，包括一条主馈线Gl)和左、右两条L 形馈线分枝02、43)，其中，主馈线与下端的正面纵轴同轴，特性阻抗为50欧姆，在该主馈线Gl)中间的断开处接有一个隔直流电容C，在该隔直电容C上方的所述主馈线的一个位置附近依次接一个第三隔交流电感L3后再通过第五焊盘(44)、接地过孔(7)接地；所述两条L形馈线分支(41、42)横跨各自分别对应的位于所述印刷电路板(1)背面的第一槽天线和第二槽天线(22)，所述两条L形馈线分支(42、43)对正面纵轴左、右镜像对称；位于左侧的第一个所述L形馈线分支02)的顶端与所述主馈线Gl)之间正向接有一个第一开关二极管(Pmi)，位于右侧的第二个所述L形馈线分支的顶端与所述主馈线Gl)之间正向接有一个第二开关二极管(PIN2)，所述两条L形馈线分支(42、43)的底边向上正对着所述寄生T形天线单元(3)；直流偏置电路(5)，位于所述印刷电路板(1)的正面，包括左、右两个直流偏置电路 (51、52)，分别位于所述左、右两条L形馈线分枝(42、4；3)下方，其中左直流偏置电路(51)，依次由第一隔交流电感Li、第一焊盘(511)、第一电阻Rl和第二焊盘(51 依次串接而成，所述第二焊盘(51 接电源，通过所述第一隔交流电感Ll向所述左侧第一个馈线分支0 施加直流偏压；右直流偏置电路(52)，依次由第二隔交流电感L2、第三焊盘(521)、第二电阻R2和第四焊盘(522)依次串接而成，所述第四焊盘(522)接电源，通过所述第二隔交流电感L2向所述右侧第二个馈线分支^幻施加直流偏压；金属地(6)，位于所述印刷电路板(1)的背面，且与所述辐射天线单元( 底部相连，用以模拟无线通信系统移动终端中除所述辐射天线单元O)以外的其它金属部分。
全文摘要
用于移动终端的宽带平面型可重构天线系统属于移动终端天线领域，其特征在于包括介质板、辐射天线单元、寄生T形天线单元、微带馈线、直流偏置电路以及金属地。辐射天线单元包括两个槽天线单元，位于印刷电路板的背面；寄生T形天线单元，位于印刷电路板的正面中央；微带馈线包含一条主馈电和两条L形馈线分支，位于印刷电路板的正面，两条L形馈线分枝分别横跨在其对应的槽天线单元的上方；L形馈线分支下方的直流偏置电路控制PIN二极管的通断；金属地，位于印刷电路板的背面。本发明具有宽带/多频带、低成本、易制作、易集成的优点，支持方向图可重构功能，适用于无线通信移动终端特别是小尺寸移动终端的可重构天线结构的特点。
文档编号H01Q5/01GK102437418SQ201110246598
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者康高健, 杜正伟, 龚克 申请人:清华大学