CN102904008A - 一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，该天线由辐射体（1）、第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）、第三U形缝隙（4）、地板（5）、馈线（6）和介质板（10）组成；辐射体（1）和馈线（6）采用覆铜工艺敷着在介质板（10）的一板面上，地板（5）采用覆铜工艺敷着在介质板（10）另一板面上，辐射体（1）和馈线（6）覆铜在一起；第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）和第三U形缝隙（4）采用光刻工艺刻蚀在辐射体（1）上。通过三个U形缝隙实现了天线的多频谐振，该多频天线能够在2.15GHz～2.8GHz、3.15GHz～3.85GHz、4.65GHz～6.1GHz和6.6GHz～8.0GHZ频率范围内工作。三个U形缝隙的设计使得天线的中心谐振频率易调，可以方便的调节多频天线的工作频率，克服了目前多频天线设计中结构复杂、谐振点不易调节等的不足。

Description

一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线

技术领域

本发明涉及一种适用于通信系统的多频天线结构，更特别的说，是指一种可以工作于蓝牙、WiMax、WLAN和X波段卫星通信等频段的频段可调的多频宽带天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，工作于单一频率的天线已无法满足现代通信设备的要求，多频天线的研究从而成为研究热点。同时，个人移动通信的发展，对通信设备提出了小型化的要求。

在《现代电子技术》2008年第1期总第264期中公开了“微带天线的设计和阻抗匹配”。在本文中公开了微带天线中的辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等。

小型化多频天线的研究适应了现代通信技术发展对于天线设计的要求。然而，传统的多频天线设计通常通过集成多个单极子天线或者多个谐振缝隙实现天线的多频工作。这类天线通常结构复杂，谐振点不易调节且频带较窄。

因此，研究基于宽带天线和陷波技术的多频天线设计，以克服传统多频天线设计的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，该多频宽带天线采用宽带天线和陷波结构的组合设计方式，既能有效的展宽天线带宽，也能实现天线谐振频点的可调；该多频宽带天线中的辐射体通过阶梯形的微带天线实现，加工成型简单；陷波结构采用U形半波缝隙谐振结构，实现天线多频工作的同时可以实现多频天线谐振频带的可调。该多频宽带天线结构简单紧凑，外形小巧，适应通信设备的小型化趋势，在个人移动通信设计中具有很好的应用前景。

本发明的一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：该天线由辐射体（1）、第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）、第三U形缝隙（4）、地板（5）、馈线（6）和介质板（10）组成；辐射体（1）和馈线（6）采用覆铜工艺敷着在介质板（10）的一板面上，地板（5）采用覆铜工艺敷着在介质板（10）另一板面上，辐射体（1）和馈线（6）覆铜在一起；第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）和第三U形缝隙（4）采用光刻工艺刻蚀在辐射体（1）上。

所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线上设计的第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）和第三U形缝隙（4）为等间距的阶梯式排列布局在辐射体（1）上。

所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线上设计的辐射体（1）的构形为阶梯式矩形结构。

本发明基于宽带天线和陷波结构的多频天线的优点在于：

①宽带天线的实现上采用了具有阶梯形结构的单极子天线，通过调节单极子天线的尺寸、单极子天线与地面之间的馈电间距可以方便的实现天线的宽带谐振，得到满足设计频带要求的宽频天线，从而实现多频天线频带的展宽。

②陷波结构的实现上采用了半波缝隙谐振单元。相比于寄生陷波单元，缝隙谐振单元结构简单、易于调节并且可以降低生产成本。通过调节半波缝隙单元的位置和水平缝隙的长度可以方便的改变其带宽和谐振频点，实现多频天线带宽的可调。

③本发明的多频宽带天线能够应用在蓝牙，WiMax、WLAN和X波段卫星通信等频段，提高了系统集成度，同时结构简单紧凑，外形小巧，适用于个人移动通信设备。

附图说明

图1是本发明基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线的结构图。

图1A是图1的后视图。

图1B是图1的正视图。

图2是本发明第一U形缝隙的放大结构图。

图3是本发明基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线的回波损耗曲线。

1.辐射体	1A.馈电辅助线	1B.第一辅助线
			1C.第二辅助线	101.第一矩形贴片	102.第二矩形贴片
103.第三矩形贴片	2.第一U形缝隙	21.第一缝隙中心线

3.第二U形缝隙	4.第三U形缝隙	5.接地板
			6.微带馈线	10.介质板

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明的一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，该天线由辐射体1、第一U形缝隙2、第二U形缝隙3、第三U形缝隙4、地板5、馈线6和介质板10组成；辐射体1和馈线6采用覆铜工艺敷着在介质板10的一板面上，地板5采用覆铜工艺敷着在介质板10另一板面上，辐射体1和馈线6覆铜在一起；辐射体1的覆铜厚度（H₁）为0.01mm，馈线6的覆铜厚度（H₆）为0.01mm，地板5的覆铜厚度（H₅）为0.01mm；第一U形缝隙2、第二U形缝隙3和第三U形缝隙4采用光刻工艺刻蚀在辐射体1上。本发明设计的天线在辐射体1上采用三个U形缝隙有利于降低天线设计的复杂度，同时可以节省生产成本。

所述的覆铜工艺和光刻工艺为微带天线加工过程中的必要过程，已非常成熟了。覆铜工艺是指在基板上敷上一层铜材料，利用敷出的铜构型来实现导电、信号联通等。覆铜的意义在于减小地线阻抗，提高抗干扰能力，降低压降，提高电源效率，与地线相连还可以减小环路面积。光刻工艺是指利用光学－化学原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。光刻的意义在于由于半导体技术的发展，光刻技术成为了一种精密的微细加工技术，通过光刻工艺可以极大的提高天线生产的精度，从而保证天线的性能。

（一）辐射体1

参见图1、图1A、图1B所示，辐射体1为阶梯矩形结构，每一阶梯分隔以辅助线进行区分，则有第一辅助线1B和第二辅助线1C。辐射体1在覆铜时与馈线6覆在一起，为了区分，在接合处画出了馈电辅助线1A。馈电辅助线1A与第一辅助线1B之间是辐射体1的第一矩形贴片101，第一辅助线1B与第二辅助线1C之间是辐射体1的第二矩形贴片102，剩余部分为第三矩形贴片103。

在本发明中，辐射体1的第一矩形贴片101与馈线6的一端是覆铜在一起的。

第一矩形贴片101的长度记为L₁₀₁（且L₆＝2.5L₁₀₁）、第一矩形贴片101的宽度记为W₁₀₁（且W₁₀₁＝W₆）；

第二矩形贴片102的长度记为L₁₀₂、第二矩形贴片102的宽度记为W₁₀₂；

第三矩形贴片103的长度记为L₁₀₃、第三矩形贴片103的宽度记为W₁₀₃；

在本发明中， $L_{101}=\frac{2}{19}{L}_{103},$ $L_{102}=\frac{10}{19}{L}_{103},$ $W_{101}=\frac{3}{43}{W}_{103},$ $W_{102}=\frac{23}{43}{W}_{103}.$

辐射体1的长度记为L₁，且有 $L_1=L_{101}+L_{102}+L_{103}=\frac{c}{2f_r}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}},$ f_r为辐射体1的基础谐振频率，c为自由空间光速，ε_r为所选介质板10的相对介电常数。辐射体1的覆铜厚度也就是辐射体的厚度记为H₁，一般H₁为0.01mm。

辐射体1与介质板10在长度方向的间距记为DL_1-10，辐射体1与介质板10在宽度方向的间距记为DW_1-10，由于辐射体1的设计是以中心线对称设置的，故在宽度上的间距是相等的。 ${\mathrm{DL}}_{1-10}=\frac{1}{10}{L}_{10},$ ${\mathrm{DW}}_{1-10}=\frac{17}{120}{W}_{10}.$

在本发明中，辐射体1的尺寸与天线的基础谐振频率及阻抗带宽是相关的。辐射体1的总长度通常为天线基础谐振频率在介质板10中波长的四分之一。辐射体1的宽度影响天线的阻抗匹配，通过调整辐射体1各部分的宽度可以有效的展宽天线的阻抗带宽，实现天线的宽带谐振。

（二）U形缝隙

参见图1、图1A、图1B所示，第一U形缝隙2、第二U形缝隙3和第三U形缝隙4沿轴向中心线以等间距的阶梯式排列布局在辐射体1上。

参见图1B、图2，第一U形缝隙2通过光刻工艺刻蚀在辐射体1上。第一U形缝隙2的长度L₂满足

c为自由空间光速，为第一U形缝隙2的中心谐振频率，ε_r为介质板10的相对介电常数。所述第一U形缝隙2的长度L₂是指沿第一U形缝隙中心线21（简称为第一缝隙中心线）的路径长度。在本发明中，第一U形缝隙2的宽度记为W₂，且

同理可得，第二U形缝隙3通过光刻工艺刻蚀在辐射体1上。第二U形缝隙3的长度L₃满足

c为自由空间光速，为第二U形缝隙3的中心谐振频率，ε_r为介质板10的相对介电常数。所述第二U形缝隙3的长度L₃是指沿第二U形缝隙中心线的路径长度。第二U形缝隙3的宽度记为W₃，且

同理可得，第三U形缝隙4通过光刻工艺刻蚀在辐射体1上。第三U形缝隙4的长度L₄满足

c为自由空间光速，

为第三U形缝隙4的谐振频率，ε_r为介质板10的相对介电常数。所述第三U形缝隙4的长度L₄是指沿第三U形缝隙中心线的路径长度。第三U形缝隙4的宽度记为W₄，且

在本发明中，通过三个U形缝隙实现了天线的多频谐振，该多频天线能够在2.15GHz～2.8GHz、3.15GHz～3.85GHz、4.65GHz～6.1GHz和6.6GHz～8.0GHZ频率范围内工作。三个U形缝隙的设计使得天线的中心谐振频率易调，可以方便的调节多频天线的工作频率，克服了目前多频天线设计中结构复杂、谐振点不易调节等的不足。

（三）介质板10

参见图1所示，介质板10的长度记为L₁₀、介质板10的宽度记为W₁₀（且W₁₀＝W₅）、介质板10的厚度记为H₁₀。介质板10的厚度H₁₀一般为1mm。

在本发明中，介质板10的材料选取FR－4板（即玻璃纤维环氧树脂覆铜板），其相对介电常数ε_r为4.4。

（四）地板5

参见图1、图1A所示，地板5的长度记为L₅（且

）、地板5的宽度记为W₅（且W₁₀＝W₅）、地板5的厚度记为H₅（且H₅＝H₁，一般H₅＝0.01mm）。

（五）馈线6

参见图1、图1A、图1B所示，馈线6在覆铜时与辐射体1的第一矩形贴片101覆在一起，为了区分，在馈线6与第一矩形贴片101接合处画出了馈电辅助线1A。馈线6的长度记为L₆（且

L₆＝2.5L₁₀₁）、馈线6的宽度记为W₆（且

）、馈线6的厚度记为H₆（且H₆＝H₁，一般H₆＝0.01mm）。

馈线6的宽度W₆与微带特性阻抗Z₀存在的关系为： $Z_0=\left\{\begin{array}{cc}\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\ln (\frac{8H_{10}}{W_6}+\frac{W_6}{4H_{10}}),& \frac{W_6}{H_{10}}\≤1\\ \frac{120\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}[\frac{W_6}{H_{10}}+1.393+0.667\ln (\frac{W_6}{H_{10}}+1.444)]},& \frac{W_6}{H_{10}}\≥1\end{array}\right.,$ H₁₀为所选介质板10所选材料的厚度，ε_e为微带线的有效介电常数，

ε_r为所选介质板10的相对介电常数。

在本发明中，馈线6延展在第一矩形贴片101的端部，有利于改善天线的阻抗匹配，展宽天线频带，实现天线在较宽频段范围内的谐振。同时，使得微带馈电结构易于设计、制造简单，方便与使用天线的产品互连。

本发明中的一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，采用矢量网络分析仪进行天线S参数的测量。如图3所示，该多频宽带天线在2.15GHz～2.8GHz、3.15GHz～3.85GHz、4.65GHz～6.1GHz和6.6GHz～8.0GHZ频率范围内，回波损耗均小于－10dB，满足了蓝牙、WiMax、WLAN和X波段卫星通信的频段要求。

本发明的一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，该天线采用阶梯形单极子天线实现天线的宽带谐振，在此基础上采用缝隙陷波结构实现天线的多频谐振，克服了目前多频天线设计中结构复杂、谐振点不易调节等不足，该多频天线结构紧凑，易于和高频前端部件和有源部件集成等优点，在个人移动通信中具有很好的应用前景。

Claims (9)

1.一种基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：该天线由辐射体（1）、第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）、第三U形缝隙（4）、地板（5）、馈线（6）和介质板（10）组成；辐射体（1）和馈线（6）采用覆铜工艺敷着在介质板（10）的一板面上，地板（5）采用覆铜工艺敷着在介质板（10）另一板面上，辐射体（1）和馈线（6）覆铜在一起；第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）和第三U形缝隙（4）采用光刻工艺刻蚀在辐射体（1）上。

2.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：第一U形缝隙（2）、第二U形缝隙（3）和第三U形缝隙（4）为等间距的阶梯式排列布局在辐射体（1）上。

3.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：辐射体（1）的构形为阶梯式矩形结构。

4.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：辐射体（1）上矩形贴片的尺寸关系 $L_{101}=\frac{2}{19}{L}_{103},$ $L_{102}=\frac{10}{19}{L}_{103},$ $W_{101}=\frac{3}{43}{W}_{103},$ $W_{102}=\frac{23}{43}{W}_{103}.$

5.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：第一U形缝隙（2）的长度L₂满足

c为自由空间光速，为第一U形缝隙2的中心谐振频率，ε_r为介质板10的相对介电常数。

6.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：第二U形缝隙（3）的长度L₃满足

c为自由空间光速，为第二U形缝隙3的中心谐振频率，ε_r为介质板10的相对介电常数。

7.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：第三U形缝隙（4）的长度L₄满足

c为自由空间光速，

为第三U形缝隙4的谐振频率，ε_r为介质板10的相对介电常数。

8.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：馈线（6）的宽度W₆与微带特性阻抗Z₀存在的关系为： $Z_0=\left\{\begin{array}{cc}\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\ln (\frac{8H_{10}}{W_6}+\frac{W_6}{4H_{10}}),& \frac{W_6}{H_{10}}\≤1\\ \frac{120\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}[\frac{W_6}{H_{10}}+1.393+0.667\ln (\frac{W_6}{H_{10}}+1.444)]},& \frac{W_6}{H_{10}}\≥1\end{array}\right.,$ H₁₀为所选介质板10所选材料的厚度，ε_e为微带线的有效介电常数，

ε_r为所选介质板10的相对介电常数。

9.根据权利要求1所述的基于宽带天线和陷波结构的多频宽带天线，其特征在于：该多频宽带天线在2.15GHz～2.8GHz、3.15GHz～3.85GHz、4.65GHz～6.1GHz和6.6GHz～8.0GHZ频率范围内，回波损耗均小于－10dB，满足了蓝牙、WiMax、WLAN和X波段卫星通信的频段要求。

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