CN101465467A - 三频平面贴片天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多频天线技术领域。一种三频平面贴片天线及其设计方法，所述的三频平面贴片天线包括基板，位于基板上表面的辐射单元、馈电点和位于基板下表面的接地板。辐射单元为贴附于基板上的单层长方形金属贴片，靠近辐射单元的两条辐射边处各开一条不同宽度的平行槽体，馈电点被设置在与辐射单元具有相同中心点、各边均平行于辐射单元的假想正方形的对角线上，且偏离辐射单元的中心点。本发明同时具有可工作于三个不同频率的信号收发功能，且最低工作频率可实现圆极化波，其它两个工作频率为直线极化波。在一个通信系统中，只需配置一个本发明提供的天线，便可同时实现GPS、蓝牙及VICS等功能，既可节省设备费用，又可节省天线占用空间。

Description

三频平面贴片天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及多频天线技术领域。

背景技术

现代无线通信的飞速发展对无线通信设备的设计提出了越来越高的要求，小型化便是其中一个很重要的指标。通信装置的小型化，天线的设计也必须相应的小型化。而天线小型化的解决方案，在现有技术中已逐渐成为成熟技术。例如，微带天线、高介电常数天线、隙缝天线与小型螺旋形天线均为因应天线小型化所发展出的技术。平面天线，如F型贴片天线，具有高度低、重量轻等优点，是一种被广泛应用的小型天线。

在现代通信系统中，经常要用到天线多频工作。例如，在智能交通系统中，用于汽车通信的全球定位系统(GPS)、籃牙(Bluetooth)及汽车通信系统(VICS)要用到三个工作频率，如果三个工作频率分别用三个天线来实现，则天线占用空间较大，对于移动体(如汽车)上通信设备的小型化是非常不利的。

目前关于双频平面贴片天线的报道很多，而关于三频平面贴片天线的相关技术则比较少见。理论上虽然通过堆积贴片或在辐射单元旁边设置寄生单元可以实现天线的三频工作特性，但是天线剖面太厚或面积太大，不利于小型化，并且会造成馈电困难，限制它的应用范围。

中国专利CN2577453Y所公开的一种双频或者三频平面型倒F天线，运用印刷电路板的方式将平面型倒F天线呈现；在笔记型计算机或可携式电子设备的空间限制下，该实用新型透过平面型倒F天线的设计，将双频或三频的天线开路端加以计算不同频率的共振长度，来设计出多频段的平面型倒F天线；开路端至信号馈入端的等效长度即为天线欲发射波长的1/4，不同频率的天线，其共振长度不同；并且，透过调整开路端的形状，即可调整天线的工作频宽。但该专利揭示的三频平面天线体积大，而底板面积较小，造成辐射效率不够、增益较小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、辐射效率高、制造成本低且具有三个工作频率的三频平面贴片天线及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明三频平面贴片天线技术方案是：

一种三频平面贴片天线，包括有基板，位于基板上表面的辐射单元、设置有辐射单元上的馈电点以及位于基板下表面的接地板，所述辐射单元为贴附于基板上表面上的方形金属贴片，辐射单元辐射边长对应三频天线的低频段，辐射单元上平行于辐射单元的两条辐射边开有两个宽度不同的槽体，窄槽体和宽槽体，两个槽体尺寸决定三频天线中频段和高频段的工作频率。

上述三频平面贴片天线的设计方法是：

第一步、在一块基板下表面设置接地板，上表面设置一个方形辐射单元，形成一个TM10模可工作于三频天线低频段的贴片天线，辐射单元的边长通过现有常规的电磁理论公式计算确定、通过仿真计算确定或通过实验确定。

第二步、在靠近辐射单元辐射边并平行于辐射边开两个相同宽度的开槽，调整开槽长度、宽度、及开槽与辐射边的距离，使TM30模工作于三频天线的高频段；

第三步、保持一个开槽形状不变，加宽另一个开槽的宽度，最终使TM20模工作于三频天线的中频段。

第四步、确定馈电点的位置，当三频天线的三个频段的工作频率均为线极化波时，所述馈电点设置在窄槽体和宽槽体的中心连线上；

当三频天线的低频段工作频率为圆极化波，另外两个高频段工作频率为线极化波时，所述馈电点设置在与辐射单元具有相同中心点、各边均平行与辐射单元的假想正方形的对角线上，且偏离辐射单元的中心点。

本发明相比现有技术具有以下显著优点：

本发明的三频平面贴片天线通过在普通的贴片天线的辐射单元辐射边附近开设两个平行的开槽，并且调节天线的开槽长度和宽度便能方便地调节天线的第二个和第三个工作频率，因此可以很方便地将天线工作频率调整到所需频率，实现天线的三频同时工作。这种结构的三频工作天线体积小、高度低，有效地实现了天线的小型化。

本发明实现了具有三个频率的天线统一地制作在一块介质材料板上，加工容易，并可降低生产成本。

本发明所提供的三频平面贴片天线可以通过调节馈电点距离天线中心的位置，来实现天线三个工作频率的同时阻抗匹配，实用性强。

附图说明

图1为本发明三频平面贴片天线最低频率为圆极化波、其它两个频率为线极化波时的结构示意图；

图2为图1中A-A剖面图；

图3为本发明天线的三个工作频率均为线极化波时的结构示意图；

图4是本发明天线同时工作于汽车通信的全球定位系统GPS、蓝牙Bluetooth及汽车通信系统VICS三个工作频率的反射系数特性数据图，图中x轴表示的是频率(单位：GHz)，y轴表示的是天线输入端口的反射系数(单位：dB)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

参见图1、2，一种三频平面贴片天线，包括有基板1，基板下表面上设置有接地板5。在基板上表面的设有辐射单元2、该辐射单元上的有馈电点3。辐射单元为贴附于基板上表面上的方形金属贴片，辐射单元辐射边长决定TM10模的工作频率，即三频天线的低频段工作频率。

在天线辐射单元的两个辐射边附近各开一个长度相等、宽度相同的长方形槽体，槽体的走向与辐射单元的辐射边平行，所开的槽体的尺寸，包括槽体的长度、宽度及开槽与辐射边的距离决定天线TM30模的工作频率，即高频段工作频率。

如果两个开槽的形状相同、并且分别距离辐射边的距离相等，则TM20模的电流分布会形成对称形状，并且位于图1中的中心对称轴B-B’两边的电流会形成相反方向，其结果由TM20模的电流辐射的远场会在天线的正上方形成零点，辐射的能量最弱。因此为了增强TM20模中频段工作频率的电流在天线正上方的辐射，则需调整两个开槽为不等宽度，一个为窄槽体6、另一个为宽槽体4，最终使TM20模中频段工作频率的电流在天线正上方辐射能量最强，TM20模方向图变得与TM10模及TM30模的方向图形状相似，从而TM10模、TM20模和TM30模三个频率可以同时使用，达到天线三频工作的目的。

当需要上述天线最低工作频率为圆极化波，而另两个工作频率为线极化波时，馈电点设置在与辐射单元具有相同中心点、各边均平行与辐射单元的假想正方形的对角线上，且与辐射单元的中心点有一定距离，该距离能够保证三个工作频率均能达到阻抗匹配，参见图1。

当需要上述的天线的三个工作频率均为线极化波时，馈电点则设置在A-A’轴上。参见图3。

下面通过具体的应用实例说明，同时具有汽车通信的全球定位系统GPS、蓝牙Bluetooth及汽车通信系统VICS三个工作频率的平面贴片天线设计方法。

第一步、在一块天线基板下表面设置接地板，上表面设置一个方形辐射单元，形成一个TM10模可工作于汽车通信的全球定位系统GPS的工作频率为1.575GHz的贴片天线，方形辐射单元的辐射边边长可以通过现有常规技术手段确定。如可以通过电磁理论中的计算公式确定或者通过仿真计算确定。实际测定时，方形辐射单元的辐射边边长的数值还与所选取的基板的介电常数有关，使用不同的基板，该边长的数值也会不同的。

第二步、在靠近辐射单元辐射边附近开两个相同宽度的开槽，调整开槽长度、宽度、及开槽与辐射边的距离，使TM30模工作于频率2.5GHz，(VICS)，即与汽车通信系统VICS的工作频率对应。

第三步、保持一个开槽形状不变，加宽另一个开槽的宽度，最终使TM20模工作于频率2.4GHz，即蓝牙Bluetooth的工作频率对应。

第四步、确定馈电点的位置，当三频天线的三个频段的工作频率均为线极化波时，所述馈电点设置在窄槽体6和宽槽体4的中心连线上；

当三频天线的低频段工作频率为圆极化波，另外两个高频段工作频率为线极化波时，所述馈电点设置在与辐射单元具有相同中心点、各边均平行与辐射单元的假想正方形的对角线上，且偏离辐射单元的中心点。

这样就可以设计出一个可同时工作于汽车通信的全球定位系统GPS、蓝牙Bluetooth及汽车通信系统VICS三个工作频率的平面贴片天线。

图4是本发明天线同时工作于汽车通信的全球定位系统GPS、蓝牙Bluetooth及汽车通信系统VICS三个工作频率的反射系数特性数据图，图中x轴表示的是频率(单位：GHz)，y轴表示的是天线输入端口的反射系数(单位：dB)。从图中可以看出，天线同时工作在三个频率，即1.575GHz、2.4GHz和2.5GHz，并且在三个频率点上具有良好的阻抗匹配特性。

本发明所提供的三频平面贴片天线通过在普通的贴片天线的辐射单元辐射边附近开设两个平行的开槽，并且调节天线的开槽长度和宽度便能方便地调节天线的第二个和第三个工作频率，因此可以很方便地将天线工作频率调整到所需频率，实现天线的三频同时工作。这种结构的三频工作天线体积小、高度低，有效地实现了天线的小型化。同时这种天线的设计方法，加工过程简便、实用。

Claims (5)

1、一种三频平面贴片天线，包括有基板(1)，位于基板上表面的辐射单元(2)、设置有辐射单元上的馈电点(3)以及位于基板下表面的接地板(5)，

其特征在于：所述辐射单元为贴附于基板上表面上的方形金属贴片，辐射单元辐射边长对应三频天线的低频段，辐射单元上平行于辐射单元的两条辐射边开有两个宽度不同的槽体，宽槽体(4)和窄槽体(6)，两个槽体的尺寸决定三频天线中频段和高频段的工作频率。

2、根据权利要求1所述的三频平面贴片天线，其特征在于：当三频天线的三个频段的工作频率均为线极化波时，所述馈电点设置在窄槽体(6)和宽槽体(4)的中心连线(A-A’)上。

3、根据权利要求1所述的三频平面贴片天线，其特征在于：当三频天线的低频段工作频率为圆极化波，另外两个频段工作频率为线极化波时，所述馈电点(3)设置在与辐射单元具有相同中心点、各边均平行于辐射单元的假想正方形的对角线上，且偏离辐射单元的中心点。

4、一种根据权利要求1～3所述的三频平面贴片天线的设计方法，包括以下步骤：

第一步、在一块基板下表面设置接地板，上表面设置一个方形辐射单元，形成一个TM10模可工作于三频天线低频段的贴片天线，辐射单元的边长通过电磁理论中的公式计算、通过仿真计算或通过实验确定；

第二步、在靠近辐射单元辐射边并平行于辐射边开两个相同宽度的开槽，调整开槽长度、宽度、及开槽与辐射边的距离，使TM30模工作于三频天线的高频段；

第三步、保持一个开槽形状不变，加宽另一个开槽的宽度，最终使TM20模工作于三频天线的中频段；

第四步、确定馈电点的位置，当三频天线的三个频段的工作频率均为线极化波时，所述馈电点设置在窄槽体(4)和宽槽体(6)的中心连线(A-A’)上；

当三频天线的低频段工作频率为圆极化波，另外两个频段工作频率为线极化波时，所述馈电点(3)设置在与辐射单元具有相同中心点、各边均平行于辐射单元的假想正方形的对角线上，且偏离辐射单元的中心点。

5、根据权利要求4所述的三频平面贴片天线的设计方法，其特征在于：取决于辐射单元辐射边长的低频段的工作频率选取GPS的工作频率1.575GHz，

由辐射单元上平行于辐射单元的两条辐射边所开设的两个宽度不同的槽体尺寸所决定的中频段工作频率选取蓝牙的工作频率2.4GHz，高频段的工作频率选取汽车通信系统VICS工作频率2.5GHz。

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