CN102780086A - 基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，属于通信工程领域，包括由金属贴片层、介质基片层、金属地平面层依次层叠为一体结构的双面覆铜PCB板，所述金属贴片层的数量为一层，且其上表面上刻蚀有一个用于在双频段保持高辐射效率和优良辐射方向图的辐射阵列。本发明解决了现有技术中使用的双频贴片天线占用面积大或者辐射方向容易受到畸变并且辐射强度减少、交叉极化恶化的缺陷，在确保小型化的同时实现了高辐射效率和优良辐射方向图，而且，本发明无须过孔、焊接、嵌入等加工工艺，非常适合大规模制造、加工与生产。

Description

基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线

技术领域

 本发明属于通信工程中的天线技术领域，具体的说，涉及一种基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线。

背景技术

双频系统是在两个频段上可同时工作的无线通信系统，是现有无线通信技术的重要组成部分。现阶段的双频工作被广泛应用于手机通讯、卫星通讯、无线局域网、双频段雷达等重要场合，因此设计出能够同时工作在双频段且性能优良的天线对于双频系统至关重要。

贴片天线以剖面低、体积小、重量轻、成本轻、易于共形化设计以及易于与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点而倍受青睐。在现代无线通信系统中，双频方案中使用的传统的贴片天线包括单层双贴片、双层双贴片、无源元件加载等。其中：

（1）无源元件加载常常会破坏原有贴片天线的优良辐射特性，从而导致天线整体性能降低，比如辐射效率下降、方向图畸变、交叉极化恶化等；同时，传统无源元件加载技术中必然涉及到过孔、焊接、嵌入等额外加工工艺，从而使得其加工程序变得十分复杂，不利于大规模生产加工。

（2）单层双贴片和双层双贴片为了保证性能，往往会增加天线的横向或者剖面尺寸，使得天线的整体尺寸变大，以至于这种天线难以满足当今社会天线小型化的需求。

综上所述，目前出现的双频天线在尺寸和性能两方面难以实现兼顾，难以满足市场的实际需求。

发明内容

本发明的目的在于克服传统双频贴片天线技术中普遍存在的尺寸增大、方向图畸变等不足，提供一种既能够完全保持天线原有尺寸、又能够在双频段保持高辐射效率和优良辐射方向图的基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，包括由金属贴片层、介质基片层、金属地平面层依次层叠为一体结构的双面覆铜PCB板，所述金属贴片层的数量为一层，且其上表面上刻蚀有一组用于在双频段保持高辐射效率和优良辐射方向图的谐振环微结构阵列。

以上述思路为基础，本发明提供了以下两种谐振环微结构阵列的实现方案：

方案一

所述谐振环微结构阵列为CELC阵列，该CELC阵列包括四个成矩形排列的辐射单元；每个辐射单元包括两个分别由条形凹槽围成的矩形结构，该两个矩形结构之间相互平行且相邻的两条边中部设置有开口，而在两个矩形结构上与该两条边平行的另外两条边之间则设置有穿过该开口的连接槽。

所述谐振环微结构阵列刻蚀于金属贴片层的左侧或右侧。

方案二

所述谐振环微结构阵列为CSRR阵列，该CSRR阵列包括九个成矩形排列的辐射单元；每个辐射单元包括一个由条形凹槽围成的矩形结构，该矩形结构的一条边从中部断开形成两个断裂口，且该两个断裂口均向矩形结构内部弯折90度并平行延伸至少1mm。

在上述两种方案的基础上，所述介质基片层为长方体，其长度为L_G：λ/2.1≤L_G≤λ/1.7，宽度为W_G：λ/4.5≤W_G≤λ/4.9，厚度为h：λ/200≤h≤λ/150，其中λ为贴片天线低频段中心工作频率对应的真空波长。

同时，所述金属地平面层为长方形，其长和宽分别与介质基片层的长和宽相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明设计巧妙、结构简单，解决了现有技术中双频天线经常使用两个贴片分别作为高低频段的辐射源而导致尺寸大、成本高的缺陷，保证了天线小型化的要求。

（2）本发明通过在金属贴片层上刻蚀谐振环微结构阵列，并利用该谐振环微结构阵列使其正下方部分的介质基片的两个电磁本构参数之一即等效介电常数或等效磁导率具有洛仑兹色散特性。介质基片层的这一本构参数在低频工作频点f₁大于1，而在高频工作频点f₂介于0～1之间甚至小于0，这就使得该贴片天线在高频工作频点f₂的工作模式得到了改造，贴片两个辐射边缘上的电场大致保持等幅反向的特点，这与天线在低频工作频点f₁上的模式非常相近，从而也具有了相似的远场边射辐射特性。由此可见，本发明中双频贴片天线在f₁和f₂上均能保持高辐射效率和优良边射辐射，并且使该优良特性在单一贴片上即得到了实现。

（3）本发明只用单层单个金属贴片便实现了双频功能，不仅避免了天线尺寸的增大，节约了成本，而且防止了天线辐射特性被破坏，保证了贴片天线原有的优良辐射特性，有效地解决了现有技术中辐射方向容易畸变、交叉极化恶化等问题。

（4）本发明提出的新型双频天线在加工工艺方面与普通贴片天线完全相同，其谐振环微结构阵列只需先在现有PCB板上洗出金属贴片层，而后刻蚀出来即可，无需传统无源元件加载技术中所必需的过孔、焊接、嵌入等额外加工工艺，加工非常简单，非常便于流水线的大规模加工、制造。

（5）本发明中谐振环微结构阵列为对称结构，这种对称结构有效地减小了两个主平面上的交叉极化，保证了辐射的优良特性。

（6）本发明主要提供了一种在单一贴片上实现双频的设计思路，突破了传统的双频天线设计固有理念，在设计思想上实现了重大创新，拓展出双频天线技术发展的一个新平台，极大地促进了双频天线小型化高性能的技术进步。

（7）本发明中谐振环微结构阵列的选择和设计，与实际应用中所需要的高低频率比密切相关。例如：当高低频率比较小时适宜采用能使介质基片中磁导率呈洛仑兹色散的CELC阵列，而当高低频率比较大时适宜采用能使介质基片中介电常数呈洛仑兹色散的CSRR阵列。另一方面，谐振环微结构阵列的诸多尺寸参数例如阵元数目，单元周期尺寸、单元开槽宽度等也可根据实际需求设计和优化；因此，本发明具有很高的设计灵活性，能够适应不同的应用需求，适用范围广泛。

附图说明

图1为本发明—实施例1俯视图。

图2为本发明—实施例1的正视图。

图3为本发明—实施例1中CELC单元的结构图。

图4为本发明—实施例1中仿真和实测的反射系数图。

图5为本发明—实施例1中低频段1.71GHz的实测辐射方向图。

图6为本发明—实施例1中高频段2.75GHz的实测辐射方向图。

图7为本发明—实施例1中CELC阵列下方部分介质基片的等效磁导率变化图。

图8为本发明—实施例2中CSRR单环单元的结构图。

图9为本发明—实施例2的俯视图。

图10为本发明—实施例3中CSRR双环单元的结构图。

图11为本发明—实施例3的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1所示的双面覆铜PCB板俯视图，和图2所示的双面覆铜PCB板正视图，其中金属贴片层位于最上方且面积小于介质基片层，该金属贴片层的数量为一层，且由铜制成；介质基片层位于金属贴片层下方，其长、宽、高分别为：

W_G=λ/1.2

L_G=λ/1.7

h=λ/170

其中λ为该贴片天线低频段中心工作频率对应的真空波长；所述介质基片层下方还固定有金属地平面层，所述金属地平面层的长和宽与介质基片层相同，其中在金属贴片层上还安装有一个馈电点，且该馈电点距离金属贴片层左边的直线距离：

f_p=λ/16.8

本发明中的双频天线内只需要单个单层金属贴片层即可，因为该贴片天线中的金属贴片层上右侧刻蚀有2×2的用于在双频段保持高辐射效率和优良辐射方向图的谐振环微结构阵列，该谐振环微结构阵列为CELC阵列，其具体结构如图3所示，其中，每个CELC单元包括两个分别由条形凹槽围成的矩形结构，该两个矩形结构之间相互平行且相邻的两条边中部设置有开口，而在两个矩形结构上与该两条边平行的另外两条边之间则设置有穿过该开口的连接槽。整个CELC单元关于该连接槽对称。

该连接槽的宽度为：

W_strip=λ/1169.3

两个矩形结构相互平行且相邻的两条边的间距：

W_cap=λ/1754

这两条相邻边除去中间开口后的半长度：

L_cap=λ/134.9

并且该CELC单元整体宽度为：

W=λ/17.9

该CELC单元整体长度为：

L=λ/50.1

该CELC阵列在贴片天线的高频工作频段能够改变基板中的电场分布，从而使得在高频工作频段具有和低频工作频段相同的远场辐射特性。

按照如上所述的结构对贴片天线进行仿真和实测得到的反射系数曲线如图4所示。从图中可以看出，贴片天线在1.71GHz的低频段中心频率和在2.75GHz高频段中心频率时，其反射系数均小于-10dB，因此无论是高频段还是低频段，均能得到非常好的匹配。

所述贴片天线在低频段1.71GHz和高频段2.75GHz两个频率上的实测辐射方向图分别如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，该贴片天线在两个频段都保持了经典的边射辐射，同时两个主平面上的交叉极化也很小。

图7显示了CELC阵列下方部分介质基片的等效磁导率变化情况，其中CELC阵列下方部分也就是图2中阴影部分的介质基片的等效磁导率具有洛仑兹色散特性，即在低频工作频点f₁大于1，而在高频工作频点f₂介于0～1，这就使得该贴片天线在高频工作频点f₂的工作模式得到了改造，贴片两个辐射边缘上的电场大致保持等幅反向的特点，这与天线在低频工作频点f₁上的模式非常相近，从而也具有了相似的远场边射辐射特性。由此可见，本发明中双频贴片天线在f₁和f₂上均能保持高辐射效率和优良边射辐射，并且使该优良特性在单一贴片上即得到了实现。 

实施例2

如图9所示的贴片天线俯视图，与实施例1的区别在于，所述辐射单元采用如图8所示的CSRR单环单元，该CSRR单环单元为由四条凹槽围成的正方形，其中一条边从中部断开形成两个断裂口，且该两个断裂口均向正方形内部弯折90度后相互平行地延伸一小段，如1cm。其中两个断裂口之间的距离：

W_cap=λ/1713

该断裂口的长度为：

L_cap=λ/144.3。

所述谐振环微结构阵列为3×3共9个刻蚀于金属贴片层上CSRR单环单元排列而成。

由于整个阵列共有9个CSRR单环单元，使得介质基片的介电常数能受到CSRR影响的面积比实例一中的CELC更大，可以进一步增大双频天线系统的高低频率比。

其余实现方式与实施例1相同。

实施例3

与实施例1的区别在于，本实施例中谐振环微结构阵列由图11所示的4个CSRR双环单元排列而成。

如图10所示的CSRR双环单元，共有两个分别由条形凹槽围成的内矩形

和外矩形。其中内矩形位于外矩形内部，外矩形的一条长边中部设置有开口，该开口的宽度为：W_cap=λ/1754；同时，在内矩形上与外矩形设置开口的长边平行且远离该长边的一条边中部也设置有开口，该开口的长度同样为W_cap。

其余实现方式与实施例1相同。

按照上述实施例，便可很好的实现本发明。上述实施例仅仅为实现本发明目的与效果的较优实施例，并非全部实施方式，本发明的实施方式可以根据实际情况而改变，在此无法一一穷举，本发明的保护范围也并不局限于上述实施例，凡是基于本发明设计原理而进行的无创造性变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，包括由金属贴片层、介质基片层、金属地平面层依次层叠为一体结构的双面覆铜PCB板，其特征在于，所述金属贴片层的数量为一层，且其上表面上刻蚀有一组用于在双频段保持高辐射效率和优良辐射方向图的谐振环微结构阵列。

2.根据权利要求1所述的基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，其特征在于，所述谐振环微结构阵列为CELC阵列，该CELC阵列包括四个成矩形排列的辐射单元；每个辐射单元包括两个分别由条形凹槽围成的矩形结构，该两个矩形结构之间相互平行且相邻的两条边中部设置有开口，而在两个矩形结构上与该两条边平行的另外两条边之间则设置有穿过该开口的连接槽。

3.根据权利要求2所述的基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，其特征在于，所述谐振环微结构阵列刻蚀于金属贴片层的左侧或右侧。

4.根据权利要求1所述的基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，其特征在于，所述谐振环微结构阵列为CSRR阵列，该CSRR阵列包括九个成矩形排列的辐射单元；每个辐射单元包括一个由条形凹槽围成的矩形结构，该矩形结构的一条边从中部断开形成两个断裂口，且该两个断裂口均向矩形结构内部弯折90度并平行延伸。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，其特征在于，所述介质基片层为长方体，其长度为L_G：λ/2.1≤L_G≤λ/1.7，宽度为W_G：λ/4.5≤W_G≤λ/4.9，厚度为h：λ/200≤h≤λ/150，其中λ为贴片天线低频段中心工作频率对应的真空波长。

6.根据权利要求5所述的基于谐振环微结构阵列的新型双频贴片天线，其特征在于，所述金属地平面层为长方形，其长和宽分别与介质基片层的长和宽相同。

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