CN101355194A - 双波段微带天线 - Google Patents

Abstract

一种双波段微带天线，包括有：一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板和位于二者之间的绝缘填充介质；其特征在于：该天线的金属贴片呈矩形，在矩形贴片上有一条以矩形一条中轴线为对称轴呈左右对称的U型缝隙，U型缝隙的两条平行边与作为其对称轴的矩形中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直，在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有：一块短路矩形金属片和一个馈电探针，矩形金属片安装在金属贴片一端，以激发两个离散的谐振频率，实现双波段工作；馈电探针的安装位置位于金属贴片上作为U型缝隙对称轴的水平中轴线上。金属贴片、金属接地板和二者之间的绝缘填充介质采用印制电路板工艺实现，馈电探针用同轴电缆或微波接头制成。

Description

双波段微带天线

技术领域

本发明涉及一种应用于无线通信的双波段微带天线，属于谐振式微带天线技术领域。

背景技术

近年来，人们对信息和多媒体通信系统需求不断增加，通信网也不断膨胀。当今，学术界和工程界在双波段和三波段微带天线领域进行了很多探索和努力，主要方向是提高探针馈电单片单层微带天线的通常不大的工作带宽。

现在，已经有许多方法用于实现小型双频微带天线。其中包括用短路销钉或者缝隙为贴片加载，以及使用矩形环。各种形式的加载都是通过扰动其场分布和改变其贴片上各种模式构成的谐振频率而实现的。所需要的不同模式间的频率比可以通过选取适当的加载位置或者加载量来确定，而频率调谐可以通过改变矩形贴片的尺寸来实现，其实现与频率比无关。

以缝隙进行加载的形式已经被作为一种传统的技术手段频繁地应用于减小天线尺寸、实现双频工作和改变极化特性等方面。

由缝隙产生的场扰动在实质上是非常复杂的，无法用简单的微扰作用进行描述。事实上，某些具体情况下缝隙对输入阻抗的影响可以作为引入电感来描述。依据应用目的不同，缝隙可以位于在贴片的边沿或者中间。在贴片天线中实现缝隙的最简单的方法是利用印制电路板工艺中的蚀刻技术在贴片上实现缝隙。

现在天线的多波段技术存在着许多缺点，其中主要是结构和馈电系统都比较复杂：大多数现有的多波段天线设有包括两层不同介质的平板结构，或者具有诸如螺旋状贴片、金属空腔、匹配加载等非常复杂的结构。因此制造加工的工艺复杂、精度要求高、成本高、成品率低，也不易与其它设备集成为一体。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于无线通信的双波段微带贴片天线。该装置在实现天线的双波段工作的同时，还具有以下特点：尺寸小，造价低，结构简单，易于与其他设备集成等。

本发明的目的是这样实现的：一种双波段微带贴片天线，包括有：一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板和位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质，采用印制电路板工艺；其特征在于：该天线的金属贴片呈矩形，在矩形贴片上有一条以矩形一条中轴线为对称轴呈左右对称的U型缝隙，U型缝隙的两条平行边与作为其对称轴的矩形中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直，在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有：一块短路矩形金属片和一个馈电探针，所述一块矩形金属片安装在金属贴片一端，以激发两个离散的谐振频率，实现双波段工作；馈电探针的安装位置位于金属贴片上作为U型缝隙对称轴的水平中轴线上。所述的金属贴片、金属接地板和二者之间的绝缘填充介质采用印制电路板工艺实现；所述的馈电探针是用具有内导体、内绝缘层、外导体和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成。

所述的一种双波段微带贴片天线，其特征在于：所述的U型缝隙的两条平行边与作为对称轴的矩形中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直，U型缝隙以此中轴线作为对称轴呈左右对称；所述的短路矩形金属片垂直安装于金属贴片的一端，其上边沿与金属贴片连接，下边沿与金属接地板连接。

所述的短路矩形金属片的位置为：所述的短路矩形金属片所在平面与矩形金属贴片上作为U型缝隙对称轴的中轴线相垂直。

所述的馈电探针的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为探针，从印制电路板上的通孔穿出，该通孔的孔径应略大于该内导体直径，且表面无覆铜，在内导体与接地板孔壁之间填充有绝缘材料，以保持两者绝缘；该内导体探针垂直于印制电路板平面，向上延伸至与贴片平面平齐，该探针伸出位置即为馈电点，在馈电点探针与贴片相连接；同轴电缆或微波接头的外导体在该金属接地板下方与该金属接地板相连接。

所述的金属贴片呈矩形，其厚度为印制电路板工业标准的铜箔厚度，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为：

$L=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

$W=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≥1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≤1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}+0.04{(1-W/h)}^2$

$\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(L/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(L/h+0.8)}$

式中：f₀是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε₀是真空介电常数；μ₀是真空磁导率；ε_r是介质的相对介电常数；ΔL是等效辐射缝隙宽度；ε_e是有效介电常数；h是金属接地板与金属贴片之间绝缘介质的厚度，其数值为印制电路板工业标准中绝缘介质的厚度。

所述的金属接地板的厚度为印制电路板工业标准铜箔厚度，其长度和宽度都应比所述的金属贴片至少大10mm。

所述的位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质，即印制电路板的介质基片推荐使用相对介电常数小于5的绝缘介质。

本发明是一种结构新颖、简单、实用的双波段微带贴片天线，可同时提供优良的带宽和辐射效率，该天线可以用于各种需要双波段天线的无线通信设备中。其主要特点是：采用单层金属贴片作为天线，结构简单；而且，几何尺寸小、重量轻，易于集成在各种器件中；馈电系统也非常简单，只有单个探针馈电。因此本发明与其他结构复杂的天线相比较，制造成本低廉，具有较好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明的一实施例-双波段微带贴片天线的俯视图。

图2是图1所示的一实施例的主视剖视图。

图3是图1所示的一实施例的侧视图。

图4是图1所示的一实施例的天线回波损耗图。

图5是图1所示的一实施例的天线在f₀₁＝2.4GHz谐振频率处的天线增益方向图。

图6是图1所示的一实施例的天线在f₀₂＝5.8GHz谐振频率处的天线增益方向图。

具体实施方式

参见图1～图3，下面结合图示的本发明的一实施例-双波段微带贴片天线-进一步说明其组成结构。本发明是一种双波段微带贴片天线，包括有：一块金属贴片1、一块与金属贴片1平行的金属接地板2和位于金属贴片1和金属接地板2之间的绝缘填充介质61、62；该天线在金属贴片1与金属接地板2之间垂直安装有一块短路矩形金属片4和一个馈电探针5；金属贴片上有一条U型缝隙3，以激发两个离散的谐振频率，实现双波段发射或接收。

在矩形贴片1上有一条以矩形一条中轴线为对称轴呈左右对称的U型缝隙3，U型缝隙的两条平行边与作为对称轴的矩形中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直；矩形贴片一端垂直安装有一块短路矩形金属片，其上边沿与金属贴片连接，下边沿与金属接地板连接；以上结构激发两个离散的谐振频率，实现双波段发射或接收.U型缝隙3以金属贴片1的垂直中轴线为轴对称分布.图1所示的U型缝隙3在金属贴片1的x-y二维平面(该坐标系是以金属贴片1的一边的中点为原点，该边为x轴，垂直该边的中线为y轴)上，以y轴为对称轴呈左右对称，外沿水平宽度为W_S＝7.5mm，垂直长度为L_S＝8mm，U型缝隙水平部分的缝宽I＝1mm，U型缝隙垂直部分的缝宽J＝1mm，U型缝隙下端距离贴片下边沿的距离为d_s＝4mm，贴片下边沿连接有宽度为M＝7mm的垂直于x-y二维平面的矩形金属片4，矩形金属片4的横截面以y轴为对称轴呈左右对称。

本发明的金属贴片1和金属接地板2的材料是高导电率金属或者表面镀有高导电率金属的材料，该实施例中是使用金属铜，馈电探针5是用具有内导体51、内绝缘层、外导体52和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成，实施例中是用特性阻抗50Ω的同轴电缆将其末端一部分外导体和绝缘层剥除之后制成的。本发明中各种金属元件之间的电连接都是采用锡焊实现。

参见图2和图3，馈电探针5的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为探针，从金属接地板2上的圆孔穿出，该圆孔的孔径应略大于该内导体51直径，在内导体51与圆孔孔壁之间填充有绝缘材料7，以保持两者绝缘。该内导体探针51垂直于金属接地板2平面，向上延伸至金属贴片1的下方与该金属贴片1相连接，该探针51与该金属贴片1相连接处即为馈电点。同轴电缆或微波接头的外导体52在该金属接地板2的下方与该金属接地板2相连接。馈电点的安装位置是根据设计要求决定的，其位置决定天线的工作频率范围；若移动馈电点的位置，天线工作频率范围也将随之改变。图1展示了馈电探针5在金属贴片1的x-y二维平面中的坐标位置为：(0，4.5)mm。

本发明的金属贴片1呈矩形，图1所示的实施例中其长L＝18mm，宽W＝17mm；与金属接地板2平行；其厚度为印制电路板工业标准的铜箔厚度，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为：

$L=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

$W=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

式中：f₀是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε₀是真空介电常数；μ₀是真空磁导率；ε_r是介质的相对介电常数；ΔL是等效辐射缝隙宽度；ε_e是有效介电常数；h是金属接地板与金属贴片之间绝缘介质的厚度，其数值为印制电路板工业标准中绝缘介质的厚度。

所述的金属接地板2的厚度为印制电路板工业标准铜箔厚度，其长度和宽度都应分别比金属贴片1的长度L和宽度W至少大20mm。

其它有关参数的计算公式是：

W/h≥1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≤1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}+0.04{(1-W/h)}^2$

$\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(L/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(L/h+0.8)}$

式中：ε_e是有效介电常数；ε_r是介质的相对介电常数；ΔL是等效辐射缝隙宽度；L是金属贴片的长度；W是金属贴片的宽度。图示的实施例的高度h＝5mm。

本发明在金属贴片1和金属接地板2之间的填充介质分为两个平行部分61和62，61为印制电路板的介质基片使用ε_r＝4.4的印制板基材，62为空气。

参见图4～图6，本发明通过对金属贴片的尺寸、金属贴片与金属接地板的距离、U型缝隙尺寸及位置和馈电点的安装位置进行计算和合理安排，使得在上述图1～图3中展示的实施例天线具有两个离散的谐振频率：f₀₁＝2.4GHz和f₀₂＝5.8GHz。图4说明了在上述两个谐振频率处的回波损耗均小于-10dB，满足了双波段工作的要求。图5展示了f₀₁＝2.4GHz谐振频率处的天线增益图；图6展示了f₀₂＝5.8GHz谐振频率处的天线增益图；由图可见，在这两个谐振频率上的增益也是比较理想的。

Claims (10)

1、一种双波段微带天线，包括有：一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板和位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质，采用印制电路板工艺；其特征在于：该天线的金属贴片呈矩形，在矩形贴片上有一条以矩形一条中轴线为对称轴呈左右对称的U型缝隙，U型缝隙的两条平行边与作为其对称轴的矩形中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直；在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有：一块短路矩形金属片和一个馈电探针，所述一块矩形金属片安装在金属贴片一端，所述馈电探针的安装位置位于金属贴片上作为U型缝隙对称轴的金属贴片水平中轴线上。

2、根据权利要求1所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的金属贴片、金属贴片上的U型缝隙、金属接地板以及位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质采用印制电路板工艺实现，短路矩形金属片是用金属铜制成，所述的馈电探针是用具有内导体、内绝缘层、外导体和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成。

3、根据权利要求1所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的U型缝隙的两条平行边与作为对称轴的矩形中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直，U型缝隙以此中轴线作为对称轴呈左右对称。

4、根据权利要求1所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的短路矩形金属片垂直安装于金属贴片的一端，其上边沿与金属贴片连接，下边沿与金属接地板连接。

5、根据权利要求1或4所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的短路矩形金属片所在平面与矩形金属贴片上作为U型缝隙对称轴的中轴线相垂直。

6、根据权利要求2所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的馈电探针的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为探针，从印制电路板上的通孔穿出，该通孔的孔径应略大于该内导体直径，且表面无覆铜，在内导体与接地板孔壁之间填充有绝缘材料，以保持两者绝缘；该内导体探针垂直于印制电路板平面，向上延伸至与贴片平面平齐，该探针伸出位置即为馈电点，在馈电点探针与贴片相连接；同轴电缆或微波接头的外导体在该金属接地板下方与该金属接地板相连接。

7、根据权利要求6所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的馈电探针的安装位置位于金属贴片上作为U型缝隙对称轴的金属贴片水平中轴线上。

8、根据权利要求1所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的金属贴片呈矩形，其厚度为印制电路板工业标准的铜箔厚度，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为：

$L=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

$W=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≥1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≤1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}+0.04{(1-W/h)}^2$

$\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(L/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(L/h+0.8)}$

式中：f₀是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε₀是真空介电常数；μ₀是真空磁导率；ε_r是介质的相对介电常数；ΔL是等效辐射缝隙宽度；ε_e是有效介电常数；h是金属接地板与金属贴片之间绝缘介质的厚度，其数值为印制电路板工业标准中绝缘介质的厚度。

9、根据权利要求1所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的金属接地板的厚度为印制电路板工业标准铜箔厚度，其长度和宽度都应比所述的金属贴片至少大10mm。

10、根据权利要求1或9所述的一种双波段微带天线，其特征在于：所述的位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质，即印制电路板的介质基片推荐使用相对介电常数小于5的绝缘介质。

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