CN102005645B - 一种小型化双频天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种小型化双频天线。它包括介质基板和印制在介质基板上的单极子天线，所述单极子天线包括主辐射单元、与主辐射单元相连的共面波导馈电信号带线、共面波导接地面以及在主辐射单元和共面波导接地面之间的辅辐射单元，所述主辐射单元为U形辐射单元，共面波导馈电信号带线的下端与SMA内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面连接。本发明可以用于接受和发射无线电波。本发明可以用于电子侦察和电子对抗，跟踪和电磁防护的终端，无线局域网和全球微波接入终端接收设备上。本发明的结构简单、工作带宽宽，便于批量生产，且成本低廉。

Description

一种小型化双频天线

技术领域

本发明涉及的是一种天线。具体地说是一种小型化双频天线，可以用于接受和发射无线电波。

背景技术

由于无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能化，小型化，超宽带以及与周围环境友好协调的方向发展，这使得宽频带，小型化，高增益成为国内外研究的热点课题之一。近年来，不需要钻孔和易于集成的共面波导结构日新月异，并且该结构可以通过照相或者光刻技术制作，并且有较好的极化特性，因此该技术已经应用在宽带天线的设计和相关的微波电路元器件的设计中。而目前的大多数情况下，需要一副天线能同时满足多频段的需求，同时要有较宽的阻抗带宽，同时能满足宽带通信的需求。特别是几年来，随着无线通信技术的飞速发展，WLAN已经广泛的普及，但是作为Wimax也在不断的推广，国内外的很多学者和公司都在研究具有双频的天线，同时能满足小型化的设计需求，便于设备的集成和小型化设计。同时解决现有双频天线的一些缺点：(1)目前的双频带天线大多数采用的是单极子天线和套筒天线的形式，但是这些天线的馈电方式比较复杂，不便于实际的调试和生产；(2)目前大多数一种小型化双频天线，都是采用的单极子天线的弯折变形，或者是采用非平面的结构，给系统的设计和安装带来一定的难度，同时不便于考虑其电磁兼容特性，又因采用的是非平面的结构形式，因此不便于系统的集成和小型化设计；(3)目前的双频带天线，大多数是带宽比较窄，不能满足目前的设备的宽带化的需求，一般的每个带宽都在几百兆以上，因此需要设计一种具有较宽带宽的双频天线；(4)近年来，学术界提出的大多数带有双频特性的天线，大都是采用多谐振元的形式，一般会是天线的体积增大，不变于小型化设计。

文献“Electromagnetically coupled WLAN/WiMax antenna，M.Bashri，Ch.Ghobadi，M.Kamyab Hesari，and J.Nourinia，IEICE Electronics Express，Vol.7，No.13，2010.”提出一种具有耦合结构的双频天线，但是该天线仍然有较大的体积和复杂的结构，文中虽然利用耦合的方法来产生双频带宽，但是该天线采用双面耦合的结构，增加了天线的复杂度，不利于天线和系统的集成。文献“Band-notched design of the planar monopole antenna forWLAN/WiMax applications，Kang-kang Chen，and Ji-xiang Zhao，Microwave And OpticalTechnology Letters，Vol.52，No.12，2010”提出采用在辐射单元上刻蚀矩形槽的方法实现双频阻抗带宽的特性，但是尺寸较大，同时采用椭圆形的接地面设计，调试不便。中国专利“双频开槽天线，申请号200510004103.6”阐述了开槽的双频天线，该天线在不同的谐振频率内采用开不同的槽的结构，同时采用同轴电缆馈电，但该天线的带宽有限，且不变于天线和系统的小型化和集成。中国专利“双频单偶极子天线，申请号：02102397.2”阐述一种叠层的双频天线设计，该专利主要是在不同的介质层上印制不同的贴片单元，从而产生不同的谐振点，但是天线的结构相对比较复杂，同时带宽比较窄，不能满足现阶段的宽带通信需求和小型化集成设计的应用。中国专利“双频印刷式天线，申请号：200710154359.4”，该双频天线仍采用叠层结构和打孔的形式形成双频特性，不但增加天线的复杂性，同时由于打孔会造成部分电磁波的泄露，从而影响天线的辐射特性。文献“Printed modified loopantenna for WLAN/WiMax applications，C.M.Peng，I. F.Chen，J.J.Yeh and C.W.Hsue，Electronics Letters，Vol.43，No.5，2007”提出一种环形双频微带天线，但是该天线的带宽很窄，不能满足宽带通信的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、工作带宽宽，便于批量生产，且成本低廉的小型化双频天线。

本发明的目的是这样实现的：

它包括介质基板和印制在介质基板上的单极子天线，所述单极子天线包括主辐射单元、与主辐射单元相连的共面波导馈电信号带线、共面波导接地面以及在主辐射单元和共面波导接地面之间的辅辐射单元，所述主辐射单元为U形辐射单元，共面波导馈电信号带线的下端与SMA内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面连接。

本发明还可以包括：

1、主辐射单元上连接有调谐微带线。

2、所述的辅辐射单元为两个U形耦合辐射元。

3、所述的辅辐射单元为两个倒L形寄生辐射单元。

4、所述的调谐微带线为矩形结构的微带线或I形结构的微带线。

为了采用单一平面印刷天线结构，而同时又能满足双频的阻抗特性需求，本发明采用以下几种措施：

1、采用在U形辐射元之间插入一条调谐微带线，通过调整调谐微带线的长度和宽度，改变其分布电容和分布电感，从而增加天线的阻抗带宽。

2、采用寄生耦合的方式实现双频带的工作，通过改变寄生耦合的缝隙和寄生辐射元的长度和宽度，改变寄生频率的阻抗带宽和谐振点，从而实现宽带操作。

3、采用U辐射单元的结构，类似于微带偶极子的形式，但是U形辐射单元的形式有效的改变了减小了天线的尺寸，便于系统的小型设计。

4、利用共面波导的形式实现单一平面印刷天线结构，同时也便于和微波集成电路集成。

使用共面波导结构的优点：

1、采用共面波导结构，可以实现单一平面印刷天线结构。

2、采用共面波导结构，可以很容易的与微波集成电路集成。

3、采用共面波导结构，共面波导的接地面即可充当整个天线的接地面，不但能实现宽带工作，且也能有效的避免外界对该天线的电磁干扰。

4、采用共面波导结构可以很容易的实现宽频带阻抗带宽，且有利于提高天线的效率，从而获得更高的天线增益。

根据以上共面波导的优势和技术思路，本发明采用的技术方案为：

1、辐射单元采用U形贴片，类似于弯折的偶极子天线，便于设计和制作，且辐射单元尺寸较小，便于系统的小型化以及易于和微波集成电路集成，同时可以实现宽频带阻抗匹配。

2、采用在U辐射单元之间插入一条调谐微带线的方法，通过改变调谐微带线的长度和宽度，改变调谐微带线的分布电容和分布电感，从而影响天线的谐振性能，改变其电流方向，增加天线的阻抗带宽。

3、馈电结构为共面波导馈电结构，由共面波导接地面和共面波导馈电信号带线组成，这样便于天线于射频前端集成，同时能很好的实现设备和系统的小型化。

4、在共面波导接地面和U形辐射单元之间的共面波导馈电信号带线的两侧分别增加两个U形耦合辐射单元，通过改变U形耦合辐射单元的尺寸和U性耦合辐射单元于共面波导馈电信号带线之间的距离，同时也可以调节U形耦合辐射单元与U形辐射单元和共面波导接地面之间的耦合缝隙，调节天线的阻抗带宽。

本发明与现有技术相比，具有显著的优点为：

1、本发明可以实现更宽的阻抗带宽，该天线在U形辐射单元，类似于传统的偶极子天线的形式，但是该天线的尺寸与传统的偶极子和弯折偶极子相比，天线的尺寸大大的降低，以便于该天线能安装在小型化的系统内部，实现整机的小型化设计。

2、本发明所设计的小型化双频天线印刷在介质基板的同一面，采用U形辐射单元，有效的降低天线的剖面，同时采用共面波导馈电方式，便于和微波射频前端的集成，进而减小系统的体积。

3、采用在U形辐射单元之间插入一条调谐微带线的方法，通过调节微带线的长度和宽度，进而改变分布电感和分布电容，使得所设计的天线能很好的和系统进行匹配，从而实现宽带设计。

4、本发明采用耦合的技术，在共面波导接地面和U形辐射单元之间的共面波导馈电信号带线的两边对称的增加一对U形耦合辐射单元，通过改变U形耦合辐射单元的尺寸，U形耦合辐射单元和U形辐射单元、U形耦合辐射单元与共面波导馈电信号带线、U形耦合辐射单元与共面波导接地面之间的距离，改变各个部分的寄生电容和耦合电感，进而改变整个天线的阻抗带宽和谐振特性，使所设计的天线能调谐在不同的频段。

5、天线所采用的多项技术有效的增加天线的带宽和天线的剖面，同时该天线还可以采用在共面波导接地面和U形辐射单元之间插入多条谐振辐射单元的形式，实现多频带设计。

本发明的小型化双频天线，主要采用在共面波导馈电的U形辐射单元，在共面波导馈电信号带线的两侧各有一个U形耦合辐射单元，由此产生两个谢振频率，从而实现双频带操作。在U形辐射单元的两个臂之间插入一条调谐的微带线，改变天线的分布电容和分布电流，从而调节天线的阻抗带宽，实现宽带操作。该天线线的结构简单、工作带宽宽，便于批量生产，且成本低廉。本发明可以用于电子侦察和电子对抗，跟踪和电磁防护的终端，无线局域网和全球微波接入终端接收设备上。

附图说明

图1为本发明的第一种实施方式的基本结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为测试的发明的第一种实施方式的回波损耗曲线；

图4为测试的第一种实施方式3.5GHz的H面辐射方向图；

图5为测试的第一种实施方式4.5GHz面H面辐射方向图；

图6为测试的第一种实施方式5.5GHz面H面辐射方向图；

图7为测试的第一种实施方式3.5GHz的E面辐射方向图；

图8为测试的第一种实施方式4.5GHz面E面辐射方向图；

图9为测试的第一种实施方式5.5GHz面E面辐射方向图；

图10为本发明的第二种实施方式的基本结构示意图；

图11为本发明第二种实施方式的驻波曲线。

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：

具体实施方式一：

本发明的一个实例如图1和图2所示。它有介质基板106、U形辐射单元101、共面波导馈电信号带线103、调谐微带线105，U形耦合辐射单元102和共面波导接地面104组成。该天线的共面波导馈电信号带线103的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面104连接。根据图1和图2所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能实现双频阻抗带宽的设计。

参数的设定：

1、调谐微带线

调谐微带线能有效地改变天线的分布电容和分布电感，使得所设计的天线能够满足宽频带的通信需求。本发明采用终端开路的调谐微带线，通过改变其长度和宽度改变其分布的电阻和电容，其等效为一个LC谐振电路。

基于本发明的需要，U形辐射单元的长度约为谐振频率的半波长，因此谐振频率的波长可以表示为：

$L_{\mathrm{cen}}=\frac{c}{2f_{\mathrm{cen}}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(1\right)$

其中c为光速，f_cen为谐振带宽的中心频率，有效介电常数ε_eff≈(ε_r+1)/2，ε_r为介质的相对介电常数，I_cen为谐振带宽中心频率的波长。

2、U形耦合辐射元的设计

U形耦合辐射单元产生另外一个谐振频率，因其为于共面波导馈电线的两边，通过耦合共面波导馈电线上的能量至U形耦合辐射元，因此产生另外一个谐振点，类似于寄生偶极子的形式，因此也可以由公式(1)计算的出初始的尺寸，然后再通过优化得到多需要的尺寸。

3、共面波导的设计

整个天线在共面波导的馈电结构的阻抗为50Ω，而共面波导的接地面采用围绕辐射贴片的结构，因此在中间部分和上下端部分采用不一致的宽度，有益于阻抗的匹配。共面波导的阻抗与共面波导馈电信号带线103的导带宽度和长度、以及共面波导接地面104与辐射单元的缝隙、介质基板106的厚度和介电常数有关，只要改变一个参数，而其它的参数不便就能改天线的特性阻抗。为此还可以利用常用的计算公式来计算共面波导的特性阻抗。

4、介质基板的选择

介质基板的介电常数一般在2-9.8之间，本发明采用的介电常数为2.65的聚四氟乙烯板，该基板价格较低，损耗较小，基于上述要求。在实际中，可根据实际应用采用介电常数损耗角小的介质基板，如介电常数损耗角小于10^-2的基板。本发明采用的介质基板的厚度为1.6mm，满足所需的强度。

5、天线的连接接头可以采用N型接头或者是SMA接头，根据生产要选择。

信号的能量通过共面波导信号带线把能量送到U形辐射单元，同时能量在U形辐射单元和共面波导接地面之间把部分能量耦合到U形耦合辐射单元上，从而产生双频特性，为了进一步优化所设计的天线，便于提供足够的带宽，满足WLAN(5.15GHz-5.825GHz)和WiMax(3.5GHz)的应用需求。本发明在U形辐射单元之间插入开路调谐微带线，通过调节其程度和宽度，改变天线的整体匹配特性，从而产生更宽的阻抗带宽。

图3为测试的回波损耗曲线，从图上可以看出在驻波比(≤2∶1)即回波损耗＜-10dB的阻抗带宽是2.7-6GHz，满足宽带通信的需求，同时能够满足WLAN(5.15GHz-5.825GHz)和WiMax(3.5GHz)的应用需求。图4-图9为该天线的辐射方向图，可以看出该天线有很好的全向辐射特性。

实施实例2：

如图10所示，本发明的另一种实施实例是在该天线的U形辐射单元和共面波导接地面之间使用两个倒L形寄生辐射单元，通过改变其尺寸，可以有效的改变天线表面的电流分布，从而改变天线的谐振带宽，实现双频操作。该天线辐射单元201、共面波导馈电信号带线203、倒L形寄生辐射单元202，共面波导接地面204组成。整个天线印刷在介电常数为2.65的介质基板上。该天线的共面波导馈电信号带线203的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面204连接。根据图10所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其宽带工作特性和双频特性。图11为该天线的回波损耗测试曲线。

Claims (5)

1.一种小型化双频天线，它包括介质基板和印制在介质基板上的单极子天线，其特征是：所述单极子天线包括主辐射单元、与主辐射单元相连的共面波导馈电信号带线、共面波导接地面以及在主辐射单元和共面波导接地面之间的辅辐射单元，所述主辐射单元为U形辐射单元，共面波导馈电信号带线的下端与SMA内导体连接，SMA的外导体与共面波导接地面连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型化双频天线，其特征是：所述的辅辐射单元为两个U形耦合辐射元。

3.根据权利要求1所述的一种小型化双频天线，其特征是：所述的辅辐射单元为两个倒L形寄生辐射单元。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种小型化双频天线，其特征是：主辐射单元上连接有调谐微带线。

5.根据权利要求4所述的一种小型化双频天线，其特征是：所述的调谐微带线为矩形结构的微带线或I形结构的微带线。

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