CN102683826B

CN102683826B - 一种采用双阻带电磁带隙结构的]-e结构双频贴片天线

Info

Publication number: CN102683826B
Application number: CN201210161288.1A
Authority: CN
Inventors: 张岩; 林珊珊; 马妍; 吕善伟
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN102683826A

Abstract

本发明提供一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，用以实现双频工作性能，提高天线前后比，满足应用需求；该天线包括双阻带电磁带隙结构、立体金属墙和具有]-E形状的贴片，其中具有]-E形状的贴片位于双阻带电磁带隙结构第一表面上方并平行于双阻带电磁带隙结构第一表面，具有]-E形状的贴片形状新颖，采用同轴馈电结构，贴片周围采用双阻带电磁带隙结构。本发明天线具有双频工作、高前后比的优点，贴片天线与电磁带隙结构的结合能够有效提高前后比。

Description

一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线

技术领域

本发明涉及多阻带电磁带隙结构和多频贴片天线的技术领域，特别是涉及一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线。

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。对于在通信产品中用来发射与接收信号的天线，其性能优异与尺寸大小更是直接决定着通信产品能否达到应用目标。

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(RadiationPattern)、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性能佳、尺寸小和成本低等特点，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(Rhombic Antenna)、正交叉式天线(Turnstile Antenna)、贴片天线、倒F形天线等。其中，贴片天线具有剖面低、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。传统贴片天线的贴片尺寸约为二分之一波长的长度，只能工作在单一频段，因此如何减小天线尺寸的同时实现双频段工作便成为天线研发的一个重要课题。电磁带隙结构是一种人造的周期结构，存在明显的频率禁带特性，能够控制电磁波的传播，提高天线前后比，因此引起人们的普遍关注。

根据目前检索发现，Yang等设计的双槽E形贴片天线，实现1.9/2.4GHz双频工作；Jin提出一种用于PCS和蓝牙的E形1.8/2.4GHz双频天线，通常改进E形天线自身结构以实现双频工作，但两个工作频率间隔不大，很难达到某些特殊应用要求。在双阻带电磁带隙结构设计方面，曹祥玉等提出了一种双阻带紧凑电磁带隙结构，采用交替排列凹凸金属贴片实现双阻带；Masri等提出了一种Sierpinski多阻带电磁带隙结构。在电磁带隙结构与天线组合应用方面，Bell等采用电磁带隙结构代替阿基米德螺旋天线的λ/4背腔，使天线厚度压缩，同时增益和带宽基本不变。杨绍华等将电磁带隙结构应用于小型圆极化贴片天线，通过添加锯齿提高天线方向图的前后比。

本发明将]-E结构双频贴片天线与双阻带电磁带隙结构结合，提高了天线前后比，改善了天线性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：提供一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，使得天线满足双频工作，同时具有较好的辐射特性。

本发明采用的技术方案：一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，其结构实现如下：

双阻带电磁带隙结构，所述双阻带电磁带隙结构包括介质基板、金属贴片和金属过孔，该介质基板具有平行的第一表面和第二表面，其中第二表面上为金属接地板，该金属接地板具有平整的表面；金属贴片位于第一表面上，其与金属接地板之间由金属过孔连接，金属过孔周围为介质基板；

立体金属墙，其位于上述双阻带电磁带隙结构的内围并垂直于该双阻带电磁带隙结构的第一表面和第二表面，高度为第一表面和第二表面之间的距离；

具有]-E形状的贴片，位于双阻带电磁带隙结构第一表面的上方并且与双阻带电磁带隙结构第一表面平行，所述具有]-E形状的贴片为金属，所述具有]-E形状的贴片位于上述立体金属墙所围成的正方形的中心，该具有]-E形状的贴片具体结构如下：

该具有]-E形状的贴片由从左至右有三部分组成，三部分之间无缝隙并且不重叠连接，整体结构上下对称，三个部分各自上下对称；

该具有]-E形状的贴片左边是类似于中括号之右括号的“]”形状的结构，该结构主体是竖线结构，并在竖线结构的上下两端分别加垂直于竖线结构的小突起，形成上下两个直角弯结构；

该具有]-E形状的贴片中间是一个小的矩形结构，该矩形结构位于整体结构上下对称的中间部分；

该具有]-E形状的贴片右边是E形状贴片结构，其中上下两臂长于中间臂。

进一步的，根据双频贴片天线的工作频率能够优化设计出所述的双阻带电磁带隙结构的金属贴片边长和金属贴片间隔的值。

进一步的，所述双阻带电磁带隙结构由两种不同尺寸金属贴片的电磁带隙结构排列组合而成，其组合方式为：外围是呈正方形周期性排列的工作于天线低频的电磁带隙结构，内围是呈正方形周期性排列的工作于天线高频的电磁带隙结构，其中内围电磁带隙结构在交接处将外围电磁带隙结构的最内圈切割，切割后整体外围电磁带隙结构呈中心对称。

进一步的，所述立体金属墙结构如下：

立体金属墙由四片金属片墙体垂直无缝隙连接组成，围成正方形形状；

立体金属墙将内围电磁带隙结构的最内圈切割，切割后整体内围电磁带隙结构呈中心对称；

立体金属墙垂直连接双阻带电磁带隙结构的第一表面和第二表面，高度为第一表面和第二表面之间的距离。

进一步的，所述的介质基板为微波高频板。

进一步的，所述具有]-E形状的贴片的馈电点位于E形状贴片结构中间臂上。

进一步的，该天线的馈电形式采用同轴线内导体直接焊接至具有]-E形状的贴片的馈电点位置的方式，即同轴线内导体穿过第二表面、与具有]-E形状的贴片的馈电点相连接，同轴线外导体与第二表面相连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明是一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，可供优化的天线设计参数多，设计自由度大；可以双频工作，前后比高。

（2）本发明将双频贴片天线与双阻带电磁带隙结构相结合，能够有效改善天线性能。

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为本发明贴片天线部分的示意图；

图3A为本发明实施例的低频段关于反射系数的仿真数据图；

图3B为本发明实施例的高频段关于反射系数的仿真数据图；

其中，附图标记：

100：具有]-E形状的贴片

200：第一表面

300：第二表面

400：介质基板

500：金属贴片

600：金属过孔

700：立体金属墙

110a：左边竖线结构所加第一小突起

110b：左边竖线结构所加第二小突起

120：左边竖线结构

130：中间矩形

140：右边E形结构

501a、501b：外围电磁带隙结构金属贴片

502a、502b：内围电磁带隙结构金属贴片

701：第一金属墙

702：第二金属墙

703：第三金属墙

704：第四金属墙

F:馈电点

F1：同轴线内导体

F2:同轴线外导体

L：金属接地板边长

W_E：贴片整体宽度

L_Earm：E形贴片上/下臂长度

Ls：E形贴片开槽深度

Ws：E形贴片开槽宽度

Lt：E形贴片上/下臂与中间臂长度差

2Wt：E形贴片中间臂的宽度

W1：中间矩形的横向长度

W3：中间矩形的垂直长度

W2：左边竖线结构的宽度

a：左边竖线结构所加小突起的横向长度

b：左边竖线结构所加小突起的垂直长度

H4：贴片距离地面高度

H：电磁带隙结构的高度

O：坐标原点

Xf：馈电点横坐标

Yf：馈电点竖坐标

W4：外围电磁带隙结构金属贴片边长

W5：内围电磁带隙结构金属贴片边长

g：金属贴片间距

R：金属过孔半径

LW：金属墙长度

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。

图1A、1B，其为本发明较佳实施例的整体俯视和侧视示意图。图2为本发明较佳实例中贴片天线部分的俯视示意图。

如图1A和1B所示，双阻带电磁带隙结构包括介质基板400、金属贴片500和金属过孔600。该介质基板400具有相互平行的第一表面200和第二表面300，其中第二表面300上为金属接地板。

双阻带电磁带隙结构中，金属贴片500位于第一表面200上，由两种不同尺寸金属贴片501和502组合而成，外围是呈正方形周期性排列的工作于天线低频的金属贴片501，边长为W4，内围是呈正方形周期性排列的工作于天线高频的金属贴片502，边长为W5，贴片之间的间隔为g，外围电磁带隙结构金属贴片501a和501b间隔尺寸为（W4+g），内围电磁带隙结构金属贴片502a和502b间隔尺寸为（W5+g）；金属过孔600位于电磁带隙结构金属贴片的中心位置，周围是介质基板400，金属过孔的半径为R，高度为介质基板的厚度H。

立体金属墙700垂直于电磁带隙结构的第一表面200和第二表面300，该结构由四个金属片墙体701至704垂直无缝隙连接组成，围成正方形形状，墙的高度为介质基板400的厚度H，每片墙的长度为LW。

此外，所述双阻带电磁带隙结构中，内围电磁带隙结构在交接处将外围电磁带隙结构的最内圈切割，切割后整体外围电磁带隙结构呈中心对称。立体金属墙将内围电磁带隙结构的最内圈切割，切割后整体内围电磁带隙结构呈中心对称。具有]-E形状的贴片位于金属墙700所围正方形的中心。

如图2所示，具有]-E形状的贴片100为金属，由从左至右由三部分组成，三部分之间无缝隙不重叠连接；具有]-E形状的贴片100左边是类似于中括号之右括号的“]”结构，主体是竖线结构120，并在竖线结构的上下两端分别加垂直于竖线的小突起110a和110b，形成上下两个直角弯结构；具有]-E形状的贴片100中间是一个小的矩形结构130，位于关于上下对称的中间部分；贴片右边是E形贴片结构140，其中上下两臂的长度长于中间臂。

馈电点(feeding point)F位于E形结构140的中间臂上。本发明的馈电形式采用同轴线内导体F1直接焊接至具有]-E形状的贴片100馈电点F位置的方式，即同轴线内导体F1穿过第二表面300、与具有]-E形状的贴片100相连接，同轴线外导体F2与第二表面300相连接。

如图1A所示，此最佳实例中，带有双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线整体结构为正方形，边长L为305.5mm，其中双阻带电磁带隙结构的外围贴片边长W4为25.5mm，内围贴片边长W5为8.5mm，间隙长度g为0.5mm，金属过孔半径R为0.5mm，设计得到的电磁带隙结构具有2.4/5.8GHz双阻带特性。金属墙的长度LW为80mm。如图1B所示，电磁带隙结构第一表面200和第二表面300之间的高度H为1.524mm，具有]-E形状的贴片100距离第二表面300的高度H4约为7.0mm，介质基板400的相对介电常数为4.4。如图2所示，坐标原点位于具有]-E形状的贴片100的中心位置，馈电点F的坐标位置为（11.35mm，0mm）。具有]-E形状的贴片100的左边突起部分110a和110b的水平长度a约为5.0mm，竖直长度b约为5.3mm。左边竖线部分120的宽度W2为7.0mm，竖直长度W_E为28mm。中间矩形130的水平长度W1为4.3mm，竖直长度W3为3.5mm。左边E形结构140的竖直宽度W_E为28mm，E形上下臂的长度L_Earm为27.7mm，E形开槽的长度Ls和宽度Ws分别为19.5mm和2.3mm。E形中间臂的宽度2Wt为6.6mm，中间臂小于上下臂的长度Lt为6.2mm。设计得到的]-E结构贴片天线具有2.4/5.8GHz双频工作能力。

如图3所示，其为本发明实施例的具有]-E结构的双频贴片天线关于反射系数的仿真数据图。其中图3A是低频段的反射系数图，图3B是高频段的反射系数图。可以看出此双频贴片天线的第一个工作频点为2.4GHz，此时反射系数低于-14dB；双频贴片天线的第二个工作频点为5.8GHz，此时反射系数低于-27dB。本发明实施例的具有]-E结构的双频贴片天线在低频段带宽为70MHz，高频段带宽为620MHz。表1为带有本发明双阻带电磁带隙结构的具有]-E结构的双频贴片天线与带有相同尺寸金属地板的具有]-E结构的双频贴片天线相比较的表格。可以看到，在低频点，电磁带隙结构使得天线的前后比增加了3.3dB；在高频点，电磁带隙结构使得天线的前后比增加了2.9dB。

表1带有本发明电磁带隙结构的双频贴片天线与带有相同尺寸金属地板的双频贴片天线相比较的结果

由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：单个贴片天线能双频工作，将双阻带电磁带隙结构与天线结合应用提高了天线前后比，改善了天线性能。

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

1.一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，其特征在于：该天线包括：

双阻带电磁带隙结构，所述双阻带电磁带隙结构包括介质基板（400）、金属贴片（500）、金属过孔（600）；该介质基板（400）具有平行的第一表面（200）和第二表面（300），其中第二表面（300）上为金属接地板，该金属接地板具有平整的表面；金属贴片（500）位于第一表面（200）上，其与金属接地板之间由金属过孔（600）连接，金属过孔（600）周围为介质基板（400）；

立体金属墙（700），其位于上述双阻带电磁带隙结构的内围并垂直于该双阻带电磁带隙结构的第一表面（200）和第二表面（300），高度为第一表面（200）和第二表面（300）之间的距离；

具有]-E形状的贴片（100），位于第一表面（200）上方并且与第一表面（200）平行，所述具有]-E形状的贴片（100）为金属，所述具有]-E形状的贴片（100）位于上述立体金属墙所围成的正方形的中心，该具有]-E形状的贴片（100）具体结构如下：

该具有]-E形状的贴片（100）由从左至右有三部分组成，三部分之间无缝隙并且不重叠连接，整体结构上下对称，三个部分各自上下对称；

该具有]-E形状的贴片（100）左边是类似于中括号之右括号的“]”形状的结构，该结构主体是竖线结构(120)，并在竖线结构的上下两端分别加垂直于竖线结构的小突起(110a和110b)，形成上下两个直角弯结构；

该具有]-E形状的贴片（100）中间是一个小的矩形结构（130），该矩形结构位于整体结构上下对称的中间部分；

该具有]-E形状的贴片（100）右边是E形状贴片结构（140），其中上下两臂长于中间臂；

所述双阻带电磁带隙结构由两种不同尺寸金属贴片的电磁带隙结构排列组合而成，其组合方式为：外围是呈正方形周期性排列的工作于天线低频的电磁带隙结构，内围是呈正方形周期性排列的工作于天线高频的电磁带隙结构，其中内围电磁带隙结构在交接处将外围电磁带隙结构的最内圈切割，切割后整体外围电磁带隙结构呈中心对称；

所述立体金属墙（700）结构如下：

立体金属墙（700）由四片金属片墙体垂直无缝隙连接组成，围成正方形形状；

立体金属墙（700）将内围电磁带隙结构的最内圈切割，切割后整体内围电磁带隙结构呈中心对称；

立体金属墙（700）垂直连接双阻带电磁带隙结构的第一表面（200）和第二表面（300），高度为第一表面（200）和第二表面（300）之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，其特征在于：根据贴片双频天线的工作频率优化设计出所述的双阻带电磁带隙结构的金属贴片（500）边长和金属贴片（500）间隔的值。

3.根据权利要求1所述的采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，其特征在于：所述的介质基板（400）为高频微波板。

4.根据权利要求1所述的采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，其特征在于：所述具有]-E形状的贴片（100）的馈电点位于E形状贴片结构的中间臂上。

5.根据权利要求4所述的采用双阻带电磁带隙结构的]-E结构双频贴片天线，其特征在于：该天线的馈电形式采用同轴线内导体直接焊接至具有]-E形状的贴片（100）的馈电点位置的方式，即同轴线内导体穿过第二表面（300）、与具有]-E形状的贴片（100）的馈电点相连接，同轴线外导体与第二表面（300）相连接。