CN102664307A

CN102664307A - 一种缝隙加载的多频印刷天线

Info

Publication number: CN102664307A
Application number: CN2012101560035A
Authority: CN
Inventors: 杨明川; 蔡润南; 赵琳; 李明; 刘晓锋
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: CN102664307B

Abstract

一种缝隙加载的多频印刷天线，它涉及一种多频印刷天线。本发明解决了传统的多频印刷天线具有尺寸大、结构复杂、谐振频率可控性差的缺点，限制了其在无线通信领域应用的问题。本发明的辐射单元和馈电结构由上至下印刷在介质板上，且辐射单元的底部镶嵌在馈电结构的顶端中部，馈电结构为共面波导馈电结构，辐射单元为倒三角形贴片，辐射单元的两腰上分别开有第一水平缝隙和第二水平缝隙，第一水平缝隙和第二水平缝隙上下并列设置，第一水平缝隙和第二水平缝隙距离馈电结构顶端的高度分别为h₁=14.0mm-17.0mm和h₂=9.0mm-13.0mm，第一水平缝隙和第二水平缝隙的宽度分别为w₁=0.4mm-1.5mm和w₂=0.5mm-2.0mm，第一水平缝隙和第二水平缝隙的长度分别为l₁=9.0mm-14.0mm和l₂=5.0mm-9.0mm。本发明可以应用于WLAN和WiMAX等通信系统中。

Description

一种缝隙加载的多频印刷天线

技术领域

本发明涉及一种多频印刷天线，具体涉及一种缝隙加载的多频印刷天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的飞速发展，同时工作在两个或多个频段的通信系统成为无线通信研究的一个重要方向。为实现系统的小型化，人们希望天线尺寸可以尽量减小，并且具有多频特性或者宽带特性，以实现整个多频系统只用一个天线就可以正常工作。另外，对应用于移动通信的天线则希望其具备全向特性，以保证通信的稳定。当前的研究主要集中在三个方面：

（1）利用分形结构的自相似性实现多频工作，典型的天线是谢尔宾斯基(Sierpinski)分形天线，但是由于实际天线的截断效应，使得多频的控制较为复杂；

（2）利用加载的方法改变天线的场分布以实现多频工作，典型的天线是平面倒F天线，但这种天线需要有较大的地板，故限制了应用；

（3）利用在天线的金属辐射体上开槽的方法获得多频特性，通过开槽可以改变金属辐射体的表面电流分布，从而获得多频效果，该方法实现起来较为灵活，但是规律性不明确。

由于传统的多频印刷天线具有尺寸大、结构复杂、谐振频率可控性差的缺点，限制了其在无线通信领域的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的多频印刷天线具有尺寸大、结构复杂、谐振频率可控性差的缺点，限制了其在无线通信领域应用的问题，进而提供一种缝隙加载的多频印刷天线。

本发明的技术方案是：一种缝隙加载的多频印刷天线包括介质板、馈电结构和辐射单元，辐射单元和馈电结构由上至下印刷在介质板上，且辐射单元的底部镶嵌在馈电结构的顶端中部，馈电结构和辐射单元位于介质板的同侧，所述馈电结构为共面波导馈电结构，所述辐射单元为倒三角形贴片，辐射单元的两腰上分别开有第一水平缝隙和第二水平缝隙，第一水平缝隙和第二水平缝隙上下并列设置，第一水平缝隙和第二水平缝隙距离馈电结构顶端的高度分别为h₁=14.0mm-17.0mm和h₂=9.0mm-13.0mm，第一水平缝隙和第二水平缝隙宽度分别为w₁=0.4mm-1.5mm和w₂=0.5mm-2.0mm，第一水平缝隙和第二水平缝隙的长度分别为l₁=9.0mm-14.0mm和l₂=5.0mm-9.0mm。

本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明形式紧凑，充分利用了天线空间，天线最大尺寸为最低工作频率对应波长的28.8%，具有良好的小型化的效果。2.本发明采用在三角形辐射单元加载水平缝隙的形式，增加了电流流经路径的长度，天线可以在WLAN（IEEE802.11b/g：2.4~2.484GHz，IEEE802.11a：5.15~5.35GHz，5.725~5.825GHz）和WiMAX（IEEE802.16：3.5GHz）系统的多个频点工作，并且提高了天线的阻抗带宽和频率可控性。3.本发明天线的馈电结构为共面波导结构，可以适用于同轴线等传统馈线馈电，也可以适用于现代集成传输线馈电。4.本发明所提出的天线是单面印刷电路，在大批量生产中加工方便、成本低，会产生显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明多频印刷天线的辐射单元上开有两个水平缝隙时的结构示意图；图2为本发明辐射单元上开有两个水平缝隙时天线反射系数的测试结果；图3为辐射单元上开有两个水平缝隙，2.4GHz时天线方向图的实验结果；图4为辐射单元上开有两个水平缝隙，3.5GHz时天线方向图的实验结果；图5为辐射单元上开有两个水平缝隙，5.2GHz时天线方向图的实验结果；图6为辐射单元上开有两个水平缝隙，5.8GHz时天线方向图的实验结果；图7为本发明多频印刷天线的辐射单元上开有三个水平缝隙时的结构示意图；图8为辐射单元上开有三个水平缝隙时，天线反射系数的测试结果；图9为辐射单元上开有三个水平缝隙，1.8GHz时天线方向图的实验结果；图10为辐射单元上开有三个水平缝隙，2.4GHz时天线方向图的实验结果；图11为辐射单元上开有三个水平缝隙，3.5GHz时天线方向图的实验结果；图12为辐射单元上开有三个水平缝隙，5.2GHz时天线方向图的实验结果。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种缝隙加载的多频印刷天线包括介质板1、馈电结构2和辐射单元3，辐射单元3和馈电结构2由上至下印刷在介质板1上，且辐射单元3的底部镶嵌在馈电结构2的顶端中部，馈电结构2和辐射单元3位于介质板1的同侧，所述馈电结构2为共面波导馈电结构，所述辐射单元3为倒三角形贴片，辐射单元3的两腰上分别开有第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2，第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2上下并列设置，第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2距离馈电结构2顶端的高度分别为h₁=14.0mm-17.0mm和h₂=9.0mm-13.0mm，第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2宽度分别为w₁=0.4mm-1.5mm和w₂=0.5mm-2.0mm，第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2的长度分别为l₁=9.0mm-14.0mm和l₂=5.0mm-9.0mm。

本实施方式的三角形贴片的高h可以由h/λ₁≈0.15计算得出，其中λ₁为第一通频带的中心频率所对应的自由空间的波长。第一水平缝隙3-1的长度l₁的尺寸可以由l₁/λ₂=0.14~0.15计算得出，其中λ₂为第二通频带的中心频率所对应的自由空间的波长。第一水平缝隙3-1的宽度w₁可以调整第二通频带的阻抗带宽，第二水平缝隙3-2的宽度w₂可以调整第三通频带的阻抗带宽。w₁的取值范围为0.4mm~1.5mm，w₂的取值范围为0.5mm~2.0mm。

共面波导馈电部分可以直接采用同轴接头馈电，也可以与集成电路中的共面波导馈电直接相连馈电，天线可以与印刷电路板集成。

作为优选的一个方案，天线的尺寸为：h=18mm、w=17mm、h₁=16mm、h₂=12mm、w₁=0.5mm、w₂=1.5mm、l₁=13.5mm、l₂=8mm、h_s=38mm、w_s=38mm、w_g=16.5mm、h_g=20mm、w_l=3mm、s=1mm。其中，h_g为馈电结构2的高度，s为槽缝宽度，w_l为中心导体宽度，w_g为馈电地板的宽度，w_s为介质板宽度，h_s为介质板长度。

根据上述要求的尺寸制作了天线的实物并进行了测试。反射系数测试结果如图2所示，天线的三个通频带为1.95~2.43GHz、3.45~4.05GHz、5.08~6.09GHz，相对带宽分别为21.92%、16.00%和18.08%，频带覆盖了无线局域网络（WLAN,IEEE802.11b/g：2.4~2.484GHz，IEEE802.11a：5.15~5.35GHz，5.725~5.825GHz）和全球微波互联网接入(WiMAX,IEEE802.16：3.5GHz）系统的工作频带，所以本发明可以应用于WLAN和WiMAX系统中。

从图3-图6的天线测试结果可以看出，天线在WLAN和WiMAX所应用的典型频率处具有较好的全向辐射特性，说明了本项发明在天线尺寸、带宽、全向辐射等指标上获得了良好的结合。

缝隙加载多频印刷天线的提出，是借鉴了传统三角形单极子天线的表面电流分布设计得到；具有如下特点：

（1）由于传统三角形单极子具有宽频带的阻抗特性，通过水平缝隙的加载，改变了三角形单极子表面电流流经路径的长度和方向，原有天线的宽频带特性被多个通频带所取代；

（2）缝隙的结构参数主要有：缝隙的长度、缝隙的宽度和缝隙的高度位置，可以通过调整缝隙的结构参数调整通频带的特性，实现天线的频率可控性；

（3）由于水平缝隙加载的引入，使得表面电流的有效路径增加，相比于一般单极天线能实现小型化；

（4）本发明所提出的天线是单面印刷电路，在大批量生产中易于加工，可以节约成本，会产生显著的经济效益。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2距离馈电结构2顶端的高度分别为h₁=16mm和h₂=12mm，第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2宽度分别为w₁=0.5mm和w₂=1.5mm。如此设置，结构接凑，同时，水平缝隙的宽度用于调整多频印刷天线的阻抗带宽。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2的长度分别为l₁=13.5mm和l₂=8mm。如此设置，便于调整多频印刷天线的谐振频率。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的辐射单元3的高为h=18mm，辐射单元3的底边宽为w=17mm。如此设置，形式紧凑。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的介质板1为环氧玻璃布层压板，相对介电常数为4.4，厚度为1.5mm。如此设置，介质板为FR-4材料，接收信号好。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式的辐射单元3的两腰上还开有第三水平缝隙3-3，第三水平缝隙3-3平行于第一水平缝隙3-1和第二水平缝隙3-2，且第三水平缝隙3-3位于第二水平缝隙3-2下方，第三水平缝隙3-3距离馈电结构2顶端的高度为h₃=12.0mm-16.0mm，第三水平缝隙3-3的宽度为w₃=0.4mm-1.5mm，第三水平缝隙3-3的长度为l₃=5.0mm-11.0mm。如此设置，通过增加一个水平缝隙，可以实现该天线在四个不同频点处工作，并且通过调整缝隙的长度达到调整天线各个谐振频率的目的，天线的频率可控性强，且结构紧凑，小型化程度高。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式的第三水平缝隙3-3距离馈电结构2顶端的高度为h₃=13.5mm，第三水平缝隙3-3的宽度为w₃=0.5mm，第三水平缝隙3-3的长度为l₃=7.75mm。如此设置，通过增加一个水平缝隙可以使天线在高频段增加一个通频带，该水平缝隙的长度和宽度可以较好地控制这个通频带的谐振频率和带宽，这样可以使一个天线辐射单元同时在四个不同的频带中工作，即该天线具有良好的多频特性，且天线的频率可控性强。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

作为优选的一个方案，具体实施方式七天线的尺寸为：h=27mm、w=28mm、h₁=26mm、h₂=22mm、h₃=13.5mm、w₁=2mm、w₂=1.5mm、w₃=0.5mm、l₁=20.5mm、l₂=13.05mm、l₃=7.75mm、h_s=48mm、w_s=44mm、w_g=19mm、h_g＝20mm、w_l=4mm、s=1mm。需要说明的是，具体实施方式七与具体实施方式一是基于同一设计思想实现的两个多频天线，具有两套相对独立的尺寸。

根据具体实施方式七，依据上述尺寸制作了天线的实物并在微波暗室中对其进行了测试。天线的反射系数测试结果如图8所示，天线的四个通频带分别为1.6~1.9GHz、2.3~2.7GHz、3.3~3.5GHz和5.0~5.5GHz，相对带宽分别为17.2%、16.0%、5.9%和9.5%，频带覆盖了无线局域网络和全球微波互联网接入以及蓝牙的工作频段，图9~图12为天线在1.8GHz、2.4GHz、3.5GHz和5.2GHz的辐射方向图的实验结果，表明该天线在H面具有近似的全向辐射特性，表明天线在一个较宽的频带内辐射性能较为稳定，并且天线的尺寸仅为44mm×48mm，结构紧凑。

本发明在实际应用的过程中，有两种实现方式，一种是在辐射单元3上开有两个平行的缝隙；另一种是在辐射单元3上开有三个平行的缝隙。因此可以说明该发明的设计思路可以进行多种变换实现和改进，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

工作原理：

由于传统的倒三角形贴片辐射单元的带宽较宽，天线的表面电流主要分布于三角形两腰，若在三角形两腰上开缝是最直接的改变电流表面分布的方法，从而使天线的阻抗带宽由宽频带转变为多频特性。因此，其工作原理是改变倒三角形贴片辐射单元的电流分布，从而在一个辐射单元上使各个电流流经的路径长短不尽相同，在反射系数上表现为天线具有不同的谐振频率，从而该天线实现了多频工作的特性。

Claims

1.一种缝隙加载的多频印刷天线，它包括介质板（1）、馈电结构（2）和辐射单元（3），辐射单元（3）和馈电结构（2）由上至下印刷在介质板（1）上，且辐射单元（3）的底部镶嵌在馈电结构（2）的顶端中部，馈电结构（2）和辐射单元（3）位于介质板（1）的同侧，其特征在于：所述馈电结构（2）为共面波导馈电结构，所述辐射单元（3）为倒三角形贴片，辐射单元（3）的两腰上分别开有第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2），第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）上下并列设置，第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）距离馈电结构（2）顶端的高度分别为（h₁）=14.0mm-17.0mm和（h₂）=9.0mm-13.0mm，第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）的宽度分别为（w₁）=0.4mm-1.5mm和（w₂）=0.5mm-2.0mm，第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）的长度分别为（l₁）=9.0mm-14.0mm和（l₂）=5.0mm-9.0mm。

2.根据权利要求1所述一种缝隙加载的多频印刷天线，其特征在于：第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）距离馈电结构（2）顶端的高度分别为（h₁）=16mm和（h₂）=12mm，第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）宽度分别为（w₁）=0.5mm和（w₂）=1.5mm。

3.根据权利要求1或2所述一种缝隙加载的多频印刷天线，其特征在于：第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2）的长度分别为（l₁）=13.5mm和（l₂）=8mm。

4.根据权利要求3所述一种缝隙加载的多频印刷天线，其特征在于：辐射单元（3）的高为（h）=18mm，辐射单元（3）的底边宽为（w）=17mm。

5.根据权利要求1或4所述一种缝隙加载的多频印刷天线，其特征在于：介质板（1）为环氧玻璃布层压板，相对介电常数为4.4，厚度为1.5mm。

6.根据权利要求1所述一种缝隙加载的多频印刷天线，其特征在于：辐射单元3的两腰上还开有第三水平缝隙（3-3），第三水平缝隙（3-3）平行于第一水平缝隙（3-1）和第二水平缝隙（3-2），且第三水平缝隙（3-3）位于第二水平缝隙（3-2）下方，第三水平缝隙（3-3）距离馈电结构（2）顶端的高度为（h₃）=12.0mm-16.0mm，第三水平缝隙（3-3）的宽度为（w₃）=0.4mm-1.5mm，，第三水平缝隙（3-3）的长度为（l₃）=5.0mm-11.0mm。

7.根据权利要求6所述一种缝隙加载的多频印刷天线，其特征在于：第三水平缝隙（3-3）距离馈电结构（2）顶端的高度为（h₃）=13.5mm，第三水平缝隙（3-3）的宽度为（w₃）=0.5mm，第三水平缝隙（3-3）的长度为（l₃）=7.75mm。