CN102832451A - 一种宽频带小型化增益可控定向天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种宽频带小型化增益可控定向天线及其制造方法，天线分为三层结构，从上至下依次为信号辐射层、介质层、信号反射层；信号辐射层从内到外依次分布有金属环、辐射环、围边，金属环位于信号辐射层的中心；在围边和辐射环之间设有扰动元件；同轴馈电线的芯线在馈电点处穿过介质板，与辐射环相连；辐射环的外侧设有过孔，集总元件置于过孔内，其方法是，首先按照微带天线的设计方法来设计天线，采用微带电路印刷板制造工艺实现天线制作，天线的辐射单元采用环形辐射单元来减小天线辐射体的尺寸，实现天线的小型化；在环形辐射单元上对称的位置开槽或切角形成圆极化工作，能满足设备小型化、集成化的需求，结构简单，成本低，利于产品的普及和产业化。

Description

一种宽频带小型化增益可控定向天线及其制造方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种宽频带小型化增益可控定向天线及其制造方法。

背景技术

无线通信技术的发展给人类的生活带来了便捷性，提高了人们信息和数据交互的效率。随着各种体制和功能的无线通信设备的发展，信息交互的私密性、安全性和可靠性逐渐受到人们的重视，比如通过无线通信技术来实现中、短距离的数据传输功能，因此适合于不同距离下，尤其是近距离下通信的定向天线是满足此类应用的关键。

目前应用于无线通信的各类定向天线大都应远距离通信的要求而设计，天线的增益都较高，通常都在5dB以上，不具有限制通信距离的功能。而天线的增益和波束宽度是一对矛盾，天线增益的降低会带来波束宽度的增加，甚至成为全向天线，这使得通信的私密性很难保证。

微带天线是目前无线通信系统中广泛采用的一种定向天线形式，它的外形呈薄片状，易于与其他设备进行连接和安装，工艺先进，容易批量加工，适合工业化生产，但是微带天线的增益通常较高，改变微带天线的形状或者将微带天线制作在高介电常数的介质材料上可以降低天线增益，但会使微带天线会变成全向天线或成本提高，并且当天线的材料和尺寸固定后，增益便不再变化，无法满足不同距离下通信的需求。

1953年Georges A. Deschamps教授提出微带天线理论的时候，并没有引起天线界的重视。此后微带天线的研究只零星进行着。最早的实用微带天线由Howellt和Munson在1972年研制成功。到了上世纪80年代，随着微波集成技术的发展及各种低损耗介质材料的出现，使微带天线的制造得到保证，微带天线才开始发展和应用。1981年IEEE天线与传播协会会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。这标志着微带天线已成为天线领域的一个专门分支。今天随着空间技术和卫星通信对低剖面天线的迫切需求，微带天线的应用研究已日趋商业化。目前微带天线技术的研究热点是：高增益、低副瓣；小型化、超宽带；多极化、多频段。

与通常的微波天线相比，微带天线的主要优点是：体积小、重量轻、剖面低的平面结构，可以做成共形天线；制造成本低，易于大量生产；可以做得很薄，因此，不扰动装载飞行器的空气动力学性能；无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上；稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化（左旋和右旋）；比较容易制成双频段工作的天线；不需要背腔；微带天线适合于组合式设计（如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）；馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作。

现有微带天线不适合中、短距离保密通信，主要因为：

1）天线尺寸大，无法满足设备小型化、集成化的需求，不满足现今对电子设备外形美化的要求；

2）天线增益高，电磁波辐射距离远，较多的能量和信息泄漏到非通信区，使得不相关设备收到电磁波，不利于通信的保密性和抗干扰，还会对环境造成一定的电磁污染；

3）天线结构复杂，成本高，不利于工业生产，本发明采用传统介质材料，微带电路加工工艺，适宜大批量生产加工，不利于发明产品的普及和产业化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽频带小型化增益可控定向天线及其制造方法，旨在解决现有微带天线尺寸大，无法满足设备小型化、集成化的需求，不满足现今对电子设备外形美化的要求；天线增益高，电磁波辐射距离远，较多的能量和信息泄漏到非通信区，使得不相关设备收到电磁波，不利于通信的保密性和抗干扰，还会对环境造成一定的电磁污染；天线结构复杂，成本高，不利于工业生产，本发明采用传统介质材料，微带电路加工工艺，适宜大批量生产加工，不利于发明产品的普及和产业化的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种宽频带小型化增益可控定向天线的制造方法，该制造方法为：

按照设计图纸，采用微带电路印刷板制造工艺，通过激光刻蚀，得到天线母板，再将集总元件焊接在相应加载位置，再将同轴馈电线的芯线穿过介质板与辐射单元焊接，同轴馈电线外皮与底板焊接。

进一步，所述天线的辐射单元采用环形辐射单元来减小天线辐射体的尺寸，实现天线的小型化，在环形辐射单元上对称的位置开槽或切角形成圆极化工作。

进一步，在所述辐射单元上对称的位置加载集总元件，根据通信距离需求确定出元件值，使圆极化微带天线的增益可控，并具有宽频带特性。

进一步，在所述辐射单元的一组对角各切去一条带后形成扰动元件，所述扰动元件与辐射单元存在一定的耦合，用于改善圆极化指标。

本发明实施例的另一目的在于提供一种宽频带小型化增益可控定向天线，所述天线主要结构为： 

天线分为三层结构，从上至下依次为信号辐射层、介质层、信号反射层；信号辐射层从内到外依次分布有金属环、辐射环、围边，金属环位于信号辐射层的中心；在围边和辐射环之间设有扰动元件；同轴馈电线的芯线在馈电点处穿过介质板，与辐射环相连；辐射环的外侧设有过孔，集总元件置于过孔内。

进一步，所述扰动元件为开槽或离角，位于所述辐射环的一对角上。

进一步，在所述馈电点位置设有一个通过改变长度微调天线的电压驻波比的调节枝节。

进一步，所述辐射环的外侧到金属底板之间的介质上均匀的打有四个过孔，分别安装有四个集总元件。

进一步，所述金属底板与介质板尺寸相同。

进一步，所述介质板为方形或圆形结构，材料为FR4；离角是等腰三角形；集总元件为四个贴片电阻，安装在过孔内，贴片电阻的两个焊点分别与辐射环和金属底板焊接。

本发明的优点和积极效果：

1）本发明提供的天线在形成定向波束的同时具有较低增益的特点，适合于中、短距离保密通信的要求，主要因为在天线设计中在辐射单元上对称加载了集总元件，采取该方法设计的天线增益可控，可根据需要的通信距离确定集总元件值，使天线辐射的电磁波限定在一定距离内，可解决近距离通信中的保密性和抗干扰性问题。

2）本发明提供的天线与典型的同频率微带天线相比，面积减小了81%，有两方面的意义，其一，不用采用特殊材料大大减小了天线尺寸，降低了生产成本，其二，小尺寸天线有利于与设备的集成和安装，不会显著增加设备体积，有利于环境美化。

3）本发明提供的天线在与便携设备通信时，对便携设备的姿态无要求，主要因为采用开槽或者切角使天线工作在圆极化状态，人们在使用便携设备与标签通信时，如限定通信时的姿态，将大大降低设备的易用性和友好性，采用本发明天线将解决该问题。

4）本发明提供的天线具有较宽的工作频带，主要因为在天线设计中加载了集总元件，随着电子设备的发展，在有限的空间内无线电设备越来越多，如采用本天线，其一，可以使天线与设备配套的适用性更强，一付天线即可满足大部分频段的需求，其二，可以多个设备共用一付天线，消除天线间的相互干扰，节省空间。

附图说明

图1 本发明实施例提供的天线的整体结构图。

图2本发明实施例提供的天线的上表面俯视图。

图3 本发明实施例提供的天线圆形结构的上表面俯视图。

图4本发明实施例提供的天线的增益方向图。

图5本发明实施例提供的天线的电压驻波比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的天线首先按照微带天线的设计方法来设计天线，采用微带电路印刷板制造工艺实现天线制作，天线的辐射单元采用环形辐射单元来减小天线辐射体的尺寸，实现天线的小型化，在环形辐射单元上对称的位置开槽或切角形成圆极化工作，传统技术中采用在辐射单元上加载非对称结构的短路钉或集总元件可对线极化天线减小尺寸或增加带宽，本发明在辐射单元上对称的位置加载集总元件，根据通信距离需求优化出合适的元件值，可使圆极化微带天线的增益可控，并具有宽频带特性，满足在不同距离下保密通信的要求。

上述的宽频带小型化增益可控定向天线，在辐射单元的内侧和外侧还附加了金属环结构，可以限制微带天线方向图的波束宽度，保证在有限的范围内进行通信。

利用上述设计方法，本发明可采用微带电路印制板工艺加工，按照设计图纸，通过激光刻蚀，得到天线母板，再将优化得出的集总元件焊接在相应加载位置，再将同轴馈电线的芯线穿过介质板与辐射环焊接，同时，同轴馈电线外皮与底板焊接。

图1、2、3示出了本发明实施例提供的宽频带小型化增益可控定向天线的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

天线分为三层结构，从上至下依次为信号辐射层、介质层、信号反射层；信号辐射层从内到外依次分布有金属环5、辐射环1、围边，金属环5位于信号辐射层的中心；在围边4和辐射环1之间设有扰动元件；同轴馈电线10的芯线在馈电点处穿过介质板6与辐射环1相连；辐射环1的外侧设有过孔7，集总元件8置于过孔7内。

该天线的上表面通过激光刻蚀技术得到辐射环1，离角2（在圆形天线里面叫开槽，如图3所示），调节枝节3，金属围边4，金属环5。金属环5位于介质板6上表面的中心，辐射环1在金属环5的外围，离角2位于辐射环1的一对角上，辐射环1的四边外侧的中部有四个过孔7，集总元件8置于过孔7内，金属围边4在辐射环1的外围。介质板6可选用常规的或特殊的介电常数材料，介质板6的上下表面敷有金属层，介质板6在指定的位置加工出过孔7，同轴馈电线10的外导体与金属底板9相连。

在本发明实施例中，介质板6的上表面一次激光刻蚀出辐射环1、离角2（开槽）、调节枝节3、金属围边4和金属环5。

在本发明实施例中，辐射环1位于上表面的主要部分，它是从辐射片演变而来的，在辐射片的内部挖出一个同心的孔，改变辐射环1内外尺寸可以改变工作频率以及天线的输入阻抗。

在本发明实施例中，离角2是在辐射方环的一组对角切去一条带后形成，调节条带的宽度以及离角2的尺寸可以使天线工作在圆极化状态，离角2与辐射方环存在一定的耦合，有利于改善圆极化指标，开槽是在辐射圆环的一组正对的位置切出的长方形槽，调节长方形槽的长宽可以调节天线的圆极化性能。

在本发明实施例中，同轴馈电线的芯线在馈电点处穿过介质板6，与辐射环1相连，同轴馈电线的外导体与金属底板相连，在馈电点位置有一调节枝节3，改变其长度可以微调天线的电压驻波比。

在本发明实施例中，辐射环1的外侧到金属底板之间的介质上均匀的打有四个过孔7，分别安装有四个集总元件，选择合适的元件值可以控制天线的增益，还有利于改善天线的工作带宽。

在本发明实施例中，在上表面辐射环1的外侧设计有一个金属围边4，上表面中心有一个金属环5，它们可以限制天线方向图的波束宽度。

在本发明实施例中，金属底板使微带天线具有定向辐射特性，为控制天线尺寸，可使金属底板与介质板6尺寸相同。

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1 方形结构微带天线

如图1、2所示，介质板为方形结构，边长为32mm，厚度为3mm，介质板的材料为FR4，介电常数4.6。

辐射环采用方形结构，内外边长为15mm～25mm，在辐射环的一对角切去的条带宽度约为2mm，离角是等腰三角形，高为2～5mm。

同轴馈电线在距介质板中心9～11mm处，并且位于辐射环一边的中心，同轴馈电线的芯线穿过介质板焊接到辐射环上，同轴馈电线的外导体在介质板下表面焊接到金属底板上。

调节枝节从同轴馈电线位置向辐射环内部伸出，调节枝节的长宽分别是3mm和2mm。

金属环的圆心位于介质板的中心，金属环的内外半径可取1.5mm～4.5mm，金属围边的宽度是1～3mm。

过孔为长方形孔，长宽分别是1.5mm和0.5mm。

集总元件为四个阻值为100欧姆的贴片电阻，安装在过孔内，贴片电阻的两个焊点分别与辐射环和金属底板焊接。

本发明天线的方形结构的性能如图1、2所示，天线增益小于-13dB，在2GHz到3GHz的范围内，40%以上的宽频带内电压驻波比小于2。

实施例2 圆形结构微带天线

参照图3，介质板为圆形结构，半径为16mm，厚度为3mm，介质板的材料为FR4，介电常数4.6。

辐射环为圆环结构，内外半径为7mm～13mm，在辐射环上与垂直方向夹角45度为两个长方形切槽，切槽的长宽分别为3mm和2mm。

同轴馈电线在距介质板圆心9～10mm处，同轴馈电线的芯线穿过介质板焊接到辐射环上，同轴馈电线的外导体在介质板下表面焊接到金属底板上。

调节枝节从同轴馈电线位置向辐射圆环内部伸出，调节枝节的长宽分别是3mm和2mm。

金属环的圆心位于介质板的圆心，金属环的内外半径为1.5mm～4.5mm，金属围边的宽度是1～3mm。

过孔为长方形孔，长宽分别是1.5mm和0.5mm。

集总元件为四个阻值为100欧姆的贴片电阻，安装在过孔内，贴片电阻的两个焊点分别与辐射环和金属底板焊接。

天线处于发射状态时，高频电流通过同轴馈电线流入辐射环，在合适的尺寸下，在辐射环上激励起同频率的主模表面电流，在切角或者开槽的作用下，主模分离成两个正交的模式TM₁₀和TM₀₁，这两个模式相位差90度，可以形成圆极化表面电流，进而向空间辐射，同时，在集总元件的作用下，一部分电流重新流回底板并被吸收，不再向外辐射，从而降低天线增益，金属围边对电磁波有反射的作用，可以限制波束宽度，金属环有引导电磁波的作用，也会控制电磁波的发散。

图4是本发明天线的典型增益方向图，从图上可以看出天线的辐射能量主要集中在上半空间，形成了定向波束，并且增益的最大值小于-13dB，比典型微带天线增益小18dB，这说明本发明天线在限定的范围内具有较低增益特性。

图5是本天线的电压驻波比，图中曲线为对样件进行测量得到，测量频段为从2GHz到3GHz的范围，从图上可以看出在40%以上的宽频带内电压驻波比小于2，这可以充分满足各无线通信频段对工作带宽的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽频带小型化增益可控定向天线的制造方法，其特征在于，该制造方法为：

按照设计图纸，采用微带电路印刷板制造工艺，通过激光刻蚀，得到天线母板，再将集总元件焊接在相应加载位置，再将同轴馈电线的芯线穿过介质板与辐射单元焊接，同轴馈电线外皮与底板焊接。

2.如权利要求1所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线的制造方法，其特征在于，所述天线的辐射单元采用环形辐射单元来减小天线辐射体的尺寸，实现天线的小型化，在环形辐射单元上对称的位置开槽或切角形成圆极化工作。

3.如权利要求2所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线的制造方法，其特征在于，在所述辐射单元上对称的位置加载集总元件，根据通信距离需求确定出元件值，使圆极化微带天线的增益可控，并具有宽频带特性。

4.如权利要求3所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线的制造方法，其特征在于，

在所述辐射单元的一组对角各切去一条带后形成扰动元件，所述扰动元件与辐射单元存在一定的耦合，用于改善圆极化指标。

5.一种宽频带小型化增益可控定向天线，其特征在于，所述天线主要结构为： 

天线分为三层结构，从上至下依次为信号辐射层、介质层、信号反射层；信号辐射层从内到外依次分布有金属环、辐射环、围边，金属环位于信号辐射层的中心；在围边和辐射环之间设有扰动元件；同轴馈电线的芯线在馈电点处穿过介质板，与辐射环相连；辐射环的外侧设有过孔，集总元件置于过孔内。

6.如权利要求5所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线，其特征在于，所述扰动元件为开槽或离角，位于所述辐射环的一对角上。

7.如权利要求5所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线，其特征在于，在所述馈电点位置设有一个通过改变长度微调天线的电压驻波比的调节枝节。

8.如权利要求5所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线，其特征在于，所述辐射环的外侧到金属底板之间的介质上均匀的打有四个过孔，分别安装有四个集总元件。

9.如权利要求5所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线，其特征在于，所述金属底板与介质板尺寸相同。

10.如权利要求5所述的一种宽频带小型化增益可控定向天线，其特征在于，所述介质板为方形或圆形结构，材料为FR4；离角是等腰三角形；集总元件为四个贴片电阻，安装在过孔内，贴片电阻的两个焊点分别与辐射环和金属底板焊接。

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