CN101304115B

CN101304115B - 一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线

Info

Publication number: CN101304115B
Application number: CN2008100713094A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 林斌; 徐伟明; 周建华; 刘舜奎; 施芝元; 李伟文
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: CN101304115A

Abstract

一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，涉及一种微带天线。提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的兼容射频识别系统和3G系统移动终端的光子带隙双折叠偶极子双频带天线。设有单面覆铜的介质基板，覆铜区域设有左折叠偶极子辐射贴片、右折叠偶极子辐射贴片以及与左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片连接的连接贴片，左折叠偶极子辐射贴片、右折叠偶极子辐射贴片的结构相同；左折叠偶极子辐射贴片位于介质基板左侧，右折叠偶极子辐射贴片位于介质基板右侧，连接贴片位于左折叠偶极子辐射贴片与右折叠偶极子辐射贴片之间。

Description

一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于射频识别技术及3G系统移动终端的光子带隙双折叠偶极子双频带天线。

背景技术

射频识别(RFID)技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等，将此技术与互联网、通讯等技术相结合，用于物流、制造、公共信息服务等行业，可实现高效管理与运作，降低成本。随着安全软信息相关技术的不断完善和成熟，RFID系列产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点，对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面都将产生深远的影响，并具有重大的战略性意义。可以预计RFID技术将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代先进技术。

随着无线通信系统和用户人数的发展，对系统通信容量提出更高的要求。为此，人们提出了第三代移动通信系统，其中采用直接扩频技术的WCDMA除了提供传统的语音服务以外，还提供图像、数据等宽带多媒体服务。

天线设计及制造技术是射频识别技术及3G系统移动终端的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了射频识别系统及3G系统移动终端的工作性能及应用领域，天线在RFID系统及3G系统移动终端中具有举足轻重的地位。射频识别系统的两个常用工作频段的频率范围分别为0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz，其带宽要求分别为26MHz和83.5MHz。WCDMA系统射频的工作频率范围是1.92～2.17GHz，频宽达250MHz。对于RFID系统和WCDMA移动终端的天线设计要求具有大带宽、小尺寸，且在整个方位平面上提供均匀覆盖，增益在0dB以上。

对于目前的RFID天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小、难以实现双频段工作等缺点，即便通过插入短路针、使用馈电环路等技术来进行改进，效果仍不理想。目前商用的3G系统移动终端天线主要采用鞭状天线，其缺点是尺寸不易缩小，工作带宽小，且人体邻近效应的存在造成辐射方向覆盖不均匀。现代无线通信技术的发展，迫切需要一款天线能够兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段。

偶极子天线辐射能力强，具有全向辐射特性，制造工艺简单，成本低，具有一系列常规天线不可比拟的突出优点。通过对偶极子臂进行折叠的方法可以有效的减小天线的尺寸。将两个折叠偶极子天线融合在一起形成的双折叠偶极子结构，是实现天线双频带工作的有效途径。光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。目前，把双折叠偶极子天线与PBG结构结合起来实现双频带工作，并应用在RFID系统与3G系统移动终端中0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段的相关技术未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的兼容射频识别系统和3G系统移动终端的光子带隙双折叠偶极子双频带天线。

本发明设有单面覆铜的介质基板，覆铜区域设有左折叠偶极子辐射贴片、右折叠偶极子辐射贴片以及与左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片连接的连接贴片，左折叠偶极子辐射贴片、右折叠偶极子辐射贴片的结构相同；左折叠偶极子辐射贴片位于介质基板左侧，右折叠偶极子辐射贴片位于介质基板右侧，连接贴片位于左折叠偶极子辐射贴片与右折叠偶极子辐射贴片之间；左折叠偶极子辐射贴片与介质基板的边沿之间设有间距，右折叠偶极子辐射贴片与介质基板的边沿之间设有间距；左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片均设有上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂，上横臂的一端与上竖臂的上端连接，下横臂的一端与下竖臂的下端连接，上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂上均设有均布的小孔；连接贴片的两端分别设于左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片的上竖臂与下竖臂之间并与上竖臂的下端和下竖臂的上端连接，连接贴片设有断开间隙，天线馈电点设于断开间隙的两侧。

左折叠偶极子辐射贴片与右折叠偶极子辐射贴片以连接贴片的横向中心线为基准左右对称。

上横臂与上竖臂垂直，下横臂与下竖臂垂直。

断开间隙位于连接贴片的横向中心线上。

小孔最好为矩形小孔，矩形小孔最好沿上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂的中心线间隔分布。

介质基板最好选用相对介电常数为4.6±5％的介质基板。介质基板最好采用环氧树脂玻璃布介质基板。介质基板最好为矩形介质基板，其尺寸最好是长度为42mm±1mm，宽度为32mm±1mm，厚度为2mm±0.05mm。左折叠偶极子辐射贴片及右折叠偶极子辐射贴片的上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂的线宽最好均为3mm±0.03mm，上横臂的长度最好为14mm±0.1mm；下横臂的长度最好为10mm±0.1mm，上竖臂的长度最好为17mm±0.1mm，下竖臂的长度最好为7mm±0.1mm。矩形小孔的尺寸最好是长度为1mm±0.05mm，宽度为1mm±0.05mm。相邻矩形小孔的边沿间距最好为1mm±0.05mm。

左折叠偶极子辐射贴片与介质基板上边沿的距离最好为3mm±0.03mm，右折叠偶极子辐射贴片的上横臂的上边沿与介质基板上边沿的距离最好为3mm±0.03mm，左折叠偶极子辐射贴片上横臂的端面与介质基板侧边沿的距离最好为2mm±0.02mm，右折叠偶极子辐射贴片上横臂的端面与介质基板侧边沿的距离最好为2mm±0.02mm，左折叠偶极子辐射贴片下横臂的下边沿与介质基板下边沿的距离最好为2mm±0.02mm，右折叠偶极子辐射贴片下横臂的下边沿与介质基板下边沿的距离最好为2mm±0.02mm。

与用于射频识别(RFID)系统和3G系统移动终端的常规微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

尺寸小、带宽大、辐射特性好、能够双频段工作，其工作频带为0.80GHz～1.05GHz和1.84GHz～2.85GHz，其绝对带宽分别为0.25GHz和1.01GHz，对应的相对带宽分别为27.77％和45.09％，可兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段。天线尺寸为常规微带天线尺寸的30％，达到了小型化天线的目的，完全可以将其放到射频识别系统的标签、读写器或3G系统移动终端里。而且本发明具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳、易于集成和能够批量生产等优点。能够满足RFID应用系统和3G系统移动终端对天线的具体要求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例回波损耗(S₁₁)性能图。图2中的横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示回波损耗强度，单位为dB。

图3为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标

图4为本发明实施例的E面方向图。坐标为极坐标

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明设有单面覆铜的介质基板P，覆铜区域设有结构和尺寸相同的左右对称的左折叠偶极子辐射贴片1与右折叠偶极子辐射贴片2及与左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片横向连接的连接贴片3；左折叠偶极子辐射贴片1位于介质基板P左侧，右折叠偶极子辐射贴片2位于介质基板P右侧，连接贴片3位于左折叠偶极子辐射贴片1和右折叠偶极子辐射贴片2之间；左折叠偶极子辐射贴片1与右折叠偶极子辐射贴片2之间设有间距，左折叠偶极子辐射贴片1和右折叠偶极子辐射贴片2与介质基板P的边沿之间设有间距；左折叠偶极子辐射贴片1和右折叠偶极子辐射贴片2均分别设有上横臂11和21、下横臂12和22、上竖臂13和23及下竖臂14和24，上横臂11和21的一端分别与上竖臂13和23的上端垂直连接，下横臂12和22的一端分别与下竖臂14和24的下端垂直连接，上横臂11和21、下横臂12和22、上竖臂13和23及下竖臂14和24上均设有均布的矩形小孔B，矩形小孔B用于实现光子带隙结构，矩形小孔B沿上横臂11和21、下横臂12和22、上竖臂13和23和下竖臂14和24的中心线间隔分布。连接贴片3的两端分别连接在左折叠偶极子辐射贴片1的上竖臂13与下竖臂14之间以及右折叠偶极子辐射贴片2的上竖臂23与下竖臂24之间，连接贴片3设有断开间隙A，断开间隙A位于连接贴片3的横向中心线上，断开间隙A的两侧设天线馈电点。

介质基板P选用相对介电常数为4.6±5％、材质为环氧树脂玻璃布、形状为矩形的介质基板。其外形尺寸是长度为42mm，宽度为32mm，厚度为2mm(图1中外形尺寸未画出)。左折叠偶极子辐射贴片1及右折叠偶极子辐射贴片2的线宽均为3mm，其中上横臂11和21的长度为14mm；下横臂12和22的长度最好为10mm，上竖臂13和23的长度为17mm，下竖臂14和24的长度最好为7mm。矩形小孔B是边长为1mm的正方形，相邻矩形小孔B的边沿间距为1mm。

左折叠偶极子辐射贴片1及右折叠偶极子辐射贴片2的上横臂11和21的上边沿与介质基板P上边沿的距离均为3mm，上横臂11和21的端面与介质基板P侧边沿的距离均为2mm，下横臂12和22的下边沿与介质基板P下边沿的距离均为2mm。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

表1

注：1.表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计；

2.需采用高性能微波低耗单面覆铜介质板，tgδ＜0.002.

参见图2，图2给出了本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。从图2可以看出，天线的工作频带覆盖了0.80GHz～1.05GHz和1.84GHz～2.85GHz，工作频带内的回波损耗都在-10dB以下，两个工作频带内的最小回波损耗分别为-23.73dB和-28.21dB。天线回波损耗(S₁₁)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽分别为0.25GHz和1.01GHz，对应的相对带宽分别为27.77％和45.09％，远优于常规的偶极子天线，可兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段。

参见图3，图3中可见，天线有两个瓣，一个在300°～60°之间，另一个在120°～240°之间。两个瓣基本上覆盖了大部分角度，所以本发明具有全向辐射特性。

参见图4，图4中可见，天线主瓣在300°～60°之间。

将图3与图4对比可以看出，方向图上半部分的形状基本一致。

从天线回波损耗(S₁₁)性能图可以看出，天线可兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段，达到了射频识别(RFID)系统和3G系统移动终端对于天线的要求。从天线的H面和E面方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。

Claims

1.一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于设有单面覆铜的介质基板，覆铜区域设有左折叠偶极子辐射贴片、右折叠偶极子辐射贴片以及与左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片连接的连接贴片，左折叠偶极子辐射贴片、右折叠偶极子辐射贴片的结构相同；左折叠偶极子辐射贴片位于介质基板左侧，右折叠偶极子辐射贴片位于介质基板右侧，连接贴片位于左折叠偶极子辐射贴片与右折叠偶极子辐射贴片之间；左折叠偶极子辐射贴片与介质基板的边沿之间设有间距，右折叠偶极子辐射贴片与介质基板的边沿之间设有间距；左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片均设有上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂，上横臂的一端与上竖臂的上端连接，下横臂的一端与下竖臂的下端连接，上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂上均设有均布的小孔；连接贴片的两端分别设于左折叠偶极子辐射贴片和右折叠偶极子辐射贴片的上竖臂与下竖臂之间并与上竖臂的下端和下竖臂的上端连接，连接贴片设有断开间隙，天线馈电点设于断开间隙的两侧。

2.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于左折叠偶极子辐射贴片与右折叠偶极子辐射贴片以连接贴片的横向中心线为基准左右对称。

3.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于上横臂与上竖臂垂直，下横臂与下竖臂垂直。

4.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于断开间隙位于连接贴片的横向中心线上。

5.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于小孔为矩形小孔，矩形小孔沿上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂的中心线间隔分布。

6.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于介质基板为相对介电常数为4.6±5％的介质基板，介质基板为环氧树脂玻璃布介质基板。

7.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于介质基板为矩形介质基板，其尺寸是长度为42mm±1mm，宽度为32mm±1mm，厚度为2mm±0.05mm。

8.如权利要求1所述的一种光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于左折叠偶极子辐射贴片及右折叠偶极子辐射贴片的上横臂、下横臂、上竖臂和下竖臂的线宽均为3mm±0.03mm，上横臂的长度为14mm±0.1mm；下横臂的长度为10mm±0.1mm，上竖臂的长度为17mm±0.1mm，下竖臂的长度为7mm±0.1mm，矩形小孔的尺寸是长度为1mm±0.05mm，宽度为1mm±0.05mm，相邻矩形小孔的边沿间距为1mm±0.05mm。

9.如权利要求1所述的光子带隙双折叠偶极子双频带天线，其特征在于左折叠偶极子辐射贴片的上横臂的上边沿与介质基板上边沿的距离为3mm±0.03mm；右折叠偶极子辐射贴片的上横臂的上边沿与介质基板上边沿的距离为3mm±0.03mm；左折叠偶极子辐射贴片上横臂的端面与介质基板左侧边沿的距离为2mm±0.02mm；右折叠偶极子辐射贴片上横臂的端面与介质基板右侧边沿的距离为2mm±0.02mm；左折叠偶极子辐射贴片下横臂的下边沿与介质基板下边沿的距离为2mm0.02mm；右折叠偶极子辐射贴片上横臂的下边沿与介质基板下边沿的距离为2mm±0.02mm。