CN102280701B - 一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，借以减少天线尺寸，拓展应用场合，降低加工成本，来满足天线需求，该微带天线采用同轴馈电结构，并包括介质基板、金属地板和具有槽结构的金属贴片，其中金属贴片位于介质基板上表面，而槽结构是由八个波浪形槽与四个正方形连接槽所组成，其中从八个波浪形槽中选取两个互为镜射的一组波浪形槽为基准，其他六个波浪形槽都可由互为镜射的一组通过绕金属贴片中心位置旋转90°、180°、270°所得到，四个正方形连接槽将两个相邻但不为镜射的波浪形槽相连接。本发明可缩减天线尺寸，并降低加工成本。

Description

一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线

技术领域

本发明涉及一种具有槽(slot)结构的微带天线，特别是涉及一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线。

背景技术

随着通信科技的蓬勃发展，各式的通信产品与技术也如雨后春笋般地出现。集成电路的技术日益成熟，使产品体积也逐渐轻薄短小。对于在通信产品中用来发射与接收信号的天线，其尺寸大小更是直接关系着通信产品能否达到轻薄短小的目标。

天线是用以发射或接收电磁波的一种元件，一般可从工作频率、辐射方向图(Radiation Pattern)、反射系数(Return Loss)和天线增益(Antenna Gain)等参数来获知天线的特性。现今的无线产品所使用的天线必须具有尺寸小、性能佳和成本低等优点，才能得到市场的广泛接受与肯定。由于不同的通信产品，其所需的功能都不尽相同，因此用以发射或接收信号的天线设计更是多样化，例如菱形天线(RhombicAntenna)、正交叉式天线(Turnstile Antenna)、微带天线、倒F形天线等。其中，微带天线具有剖面低、重量轻、易加工、易共形安装、以及可与其它电路元件制作在同一电路等优点。传统微带天线的金属贴片(Patch)尺寸约为微带线上波长的二分之一，如何进一步缩减微带天线的尺寸成为一个重要的课题。

根据目前检索发现，Richard等设计了一种小型微带天线，通过在半波长槽加载C形环，天线尺寸减少50％，但可供优化的自由度较小，因此金属贴片的表面利用率较低；Ojaroudi等设计倒T形槽结构的超宽频平面单极天线，全向辐射性能较好，尺寸压缩了36％，但曲线形式过于简单，T形槽线靠近金属贴片边缘，进一步缩减尺寸受到限制；Chi等在慢波结构周期性加载并联电容，使天线尺寸减少了44％，但加工成本较高；Mustafa采用Minskowski分形结构，天线尺寸减小了33.6％，但直角拐角对表面电流产生较强的反射，不利于天线匹配。

目前国内外学者大多关注槽结构本身的设计方法或者金属贴片的形状改良，其中槽结构本身设计偏向于直槽结构的不同组合或者简单的弯曲形槽结构，还未见到对复杂弯曲形结构组合进行研究的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，提高天线设计优化的自由度及金属贴片的表面利用率，在不增加天线加工难度和成本的前提下，使天线进一步小型化；改变传统槽线形式，使槽线拐角更加平滑，减小表面电流反射，使天线更易匹配。

为了实现上述目的，本发明采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，具有一槽结构，该微带天线至少包括：一介质基板，具有相互平行的一第一表面和一第二表面；一金属贴片，位于该介质基板的该第一表面中，该金属贴片具有该槽结构，以暴露出部分的该介质基板，该槽结构具有：八波浪形槽，由第一波浪形槽至第八波浪形槽所组成；所有波浪形槽的尺寸相同；八波浪形槽两两互为镜射，其他六个波浪形槽都可由互为镜射的一组通过绕金属贴片中心位置旋转90°、180°、270°所得到；四正方形连接槽，由第一正方形连接槽至第四正方形连接槽所组成；所有正方形连接槽的尺寸相同；四正方形连接槽将两个相邻但不为镜射的波浪形槽相连接。该槽结构制作步骤如下：该第一波浪形槽由第一半圆至第四半圆所组成，其中第一半圆与第二半圆首尾相连，第二半圆与第三半圆首尾相连，第三半圆与第四半圆首尾相连，这四个半圆半径一致，且四个圆心的连线平行于该金属贴片的一侧边；第二波浪形槽与第一波浪形槽互为镜射，其镜射对称轴位于该金属贴片的两平行侧边的中轴线；该波浪形槽的四个半圆的半径不大于该四个半圆中任意一个圆的圆心到该金属贴片的两平行侧边的中轴线的距离。将第一波浪形槽与第二波浪形槽视为一个整体，将这个整体沿着该金属贴片的中心顺时针旋转90°，得到第三、四波浪形槽，顺时针旋转180°，得到第五、六波浪形槽，顺时针旋转270°，得到第七、八波浪形槽；该第一正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第一波浪形槽与第八波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第二正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第二、三波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第三正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第四、五波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第四正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第六、七波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起。该槽结构特征还具有：该金属贴片的形状为一正方形。该金属贴片的两个相对的角各被切掉一个尺寸相同的等边直角三角形，以暴露出三角形下方的该介质基板。

上述微带天线，还具有：一金属地板，位于该介质基板的该第二表面上，并与该第二表面重合；一馈电点，位于该第一波浪形槽与该第二波浪形槽的中间位置。

上述微带天线馈电形式采用同轴线内导体直接焊接至金属贴片馈电点位置的方式，即同轴线内导体穿过金属地板、与金属贴片相连接，同轴线外导体与金属地板相连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用的波浪形槽结构的圆极化微带天线，可供优化的天线设计参数多，设计自由度大；槽线可以充分利用金属贴片面积，金属贴片的表面利用率提高；此微带天线只改变槽线的结构，结构简单，加工成本低；且槽线的拐角平滑，对表面电流的反射较小，易于匹配。

(2)本发明可缩减天线尺寸，拓展应用场合，能够满足天线需求。

附图说明

图1A为本发明实施例的俯视示意图；

图1B为本发明实施例的侧视示意图；

图2为本发明实施例的关于轴比的仿真数据图；

图3为本发明实施例的关于反射系数的仿真数据图；

图4为本发明实施例的关于辐射方向图的仿真数据图。

其中，附图标记：

100：金属贴片    110a：第一波浪形槽

200：介质基板    110b：第二波浪形槽

202：第一表面    110c：第三波浪形槽

204：第二表面    110d：第四波浪形槽

300：金属地板    110e：第五波浪形槽

F：馈电点        110f：第六波浪形槽

F1：同轴线内导体 110g：第七波浪形槽

F2：同轴线外导体 110h：第八波浪形槽

L：金属贴片边长  120a：第一正方形连接槽

D：槽宽度        120b：第二正方形连接槽

T：厚度          120c：第三正方形连接槽

W：槽间距        120d：第四正方形连接槽

R：半圆半径      130a：第一半圆

130b：第二半圆   140a：第一切角

130c：第三半圆   140b：第二切角

130d：第四半圆

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

请参照图1A和图1B，其为本发明较佳实施例的微带天线的侧视和俯视示意图。

如图1A所示，金属贴片100具有一槽结构，此槽结构暴露出部分的介质基板200的第一表面202。槽孔结构由八个波浪形槽110a至110h与四个正方形连接槽120a至120d所组成；该第一波浪形槽110a由第一半圆至第四半圆130a至130d所组成，其中第一半圆130a与第二半圆130b首尾相连，第二半圆130b与第三半圆130c首尾相连，第三半圆130c与第四半圆130d首尾相连，这四个半圆半径一致，且四个圆心的连线平行于该金属贴片的一侧边；第二波浪形槽110b与第一波浪形槽110a互为镜射(mirror-reflected)，将第一波浪形槽110a与第二波浪形槽110b视为一个整体，将这个整体沿着该金属贴片的中心依次顺时针旋转90°、180°、270°，分别得到第三、四波浪形槽110c、110d，第五、六波浪形槽110e、110f，第七、八波浪形槽110g、110h；四正方形连接槽，由第一正方形连接槽至第四正方形连接槽120a至120d所组成，其中第一正方形连接槽120a位于两个相邻又不相对称的第一波浪形110a槽及第八波浪形槽110h的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽自然地连接在一起，第二正方形连接槽120b位于两个相邻又不相对称的第二、三波浪形槽110b、110c的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第三正方形连接槽120c位于两个相邻又不相对称的第四、五波浪形槽110d、110e的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第四正方形连接槽120d位于两个相邻又不相对称的第六、七波浪形槽110f、110g的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起。该金属贴片100的两个相对的角各被切掉一个尺寸相同的等边直角三角形140a及140b，以暴露出三角形下方的该介质基板200的第一表面202。

如图1B所示，介质基板200(例如：印刷电路板)具有相互平行的第一表面202和第二表面204，金属贴片100(例如：正方形)形成于介质基板200的第一表面202中，金属地板300形成于介质基板200的第二表面204上，其中金属地板300可覆盖部分或全部的第二表面204。介质基板200可由例如：玻璃纤维(FR4)材料或其它材料所制成的印刷电路板，而金属贴片100和金属地板300由金属材料所制成。

馈电点(feeding point)F位于该第一波浪形槽110a与该第二波浪形槽110b的中间位置。本发明的馈电形式采用同轴线内导体F1直接焊接至金属贴片100馈电点F位置的方式，即同轴线内导体F1穿过金属接地面、与金属贴片100相连接，同轴线外导体F2与金属地板300相连接。

另外，如图1A所示，本较佳实施例的介质基板200的厚度T为1.524mm，介质基板的介电常数为4.47。如图1B所示，金属贴片100的边长L为27.8mm。第一半圆至第四半圆130a至130d的半径R为1.4mm。波浪形槽宽度D为1mm。第一波浪形槽110a与第二直线槽110b之间的槽间距W(＞2R)为4mm。第一切角140a与第二切角140b尺寸为2.7mm。馈电点F与金属贴片100的中心位置(标示为0)的距离为6.8mm。

以上所述的馈电点F及同轴线内外导体F1、F2的位置、以及微带天线的尺寸与形状仅为举例说明，并不作为对本发明的限制。

如图2所示，其为本发明实施例的具有波浪形槽结构的微带天线关于轴比的仿真数据图。其中当天线工作频率为2.045GHz时，轴比为5.3。

如图3所示，其为本发明实施例的具有波浪形槽结构的微带天线关于反射系数的仿真数据图。其中当天线工作频率为2.045GHz时，反射系数低于-12dB。此外本发明实施例的具有波浪形槽结构的微带天线的带宽为13MHz。

如图4所示，其为本发明实施例的具有波浪形槽结构的微带天线工作频率为2.045GHz时的辐射方向图。其中，包含φ＝0°、45°、90°、135°剖面的RHCP(右旋圆极化)和LHCP(左旋圆极化)辐射方向图。从图4可得知，本实施例的辐射方向图呈现良好的圆极化特性，可以满足使用者的需求。

由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：可大幅地缩减天线尺寸，并降低加工成本。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，其特征在于包括：

介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；

金属贴片，位于所述介质基板的第一表面中，所述金属贴片具有槽结构，以暴露出部分的所述介质基板，所述槽结构具有：

八波浪形槽，由第一波浪形槽至第八波浪形槽所组成；所有波浪形槽的尺寸相同；从八波浪形槽选取两个互为镜射的一组波浪形槽为基准，其他六个波浪形槽都可由互为镜射的一组通过绕金属贴片中心位置旋转90°、180°、270°所得到；

四正方形连接槽，由第一正方形连接槽至第四正方形连接槽所组成；所有正方形连接槽的尺寸相同；四正方形连接槽将两个相邻但不为镜射的波浪形槽相连接；

所述八波浪形槽的结构实现如下：

第一波浪形槽由第一半圆至第四半圆所组成，其中第一半圆与第二半圆首尾相连，第二半圆与第三半圆首尾相连，第三半圆与第四半圆首尾相连，这四个半圆半径一致，且四个圆心的连线平行于所述金属贴片的一侧边；

第二波浪形槽与第一波浪形槽互为镜射，镜射对称轴位于所述金属贴片的两平行侧边的中轴线；所述波浪形槽的四个半圆的半径不大于该四个半圆中任意一个圆的圆心到所述金属贴片的两平行侧边的中轴线的距离；

将第一波浪形槽与第二波浪形槽视为一个整体，将这个整体沿着所述金属贴片的中心顺时针旋转90°，得到第三、四波浪形槽，顺时针旋转180°，得到第五、六波浪形槽，顺时针旋转270°，得到第七、八波浪形槽；

所述四正方形连接槽的结构如下：

第一正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第一波浪形槽与第八波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；

第二正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第二、三波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第三正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第四、五波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起；第四正方形连接槽位于两个相邻又不相对称的第六、七波浪形槽的第一半圆的起点处，使这两个波浪形槽连接在一起。

2.根据权利要求1所述的采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述金属贴片的形状为一正方形，在所述金属贴片的两个相对的角各被切掉一个尺寸相同的等边直角三角形，以暴露出三角形下方的所述介质基板。

3.根据权利要求1所述的采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述微带天线还具有：

金属地板，位于所述介质基板的第二表面上，并与所述第二表面重合；

馈电点，位于所述第一波浪形槽与所述第二波浪形槽之间间距的中间位置。

4.根据权利要求1所述的采用波浪形槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述微带天线的馈电形式采用同轴线内导体直接焊接至金属贴片馈电点位置的方式，即同轴线内导体穿过金属地板、与金属贴片相连接，同轴线外导体与金属地板相连接。

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