CN103268979A - 一种双频高增益同轴馈电贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能同时工作于2.45GHz和5.8GHz这两个频段的高增益天线及其实现方法，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明提供的双频高增益同轴馈电贴片天线，包括一个矩形薄层金属贴片、一金属接地板以及EBG的两个覆层，具体实现是将EBG覆层加载到同轴馈电贴片天线正上方，其特征是加载的EBG覆层结构具有特定的尺寸和排列，且EBG的两个覆层和天线的金属接地板之间具有都特定的距离。本发明通过加载EBG覆层结构有效提高了天线两个工作频段的增益，且EBG覆层结构和贴片天线可分别设计，简化了设计双频高增益天线的过程。本发明提供的天线可工作于2.45GHz和5.8GHz这两个频段，尤其适用于对方向性要求高的应用场合，本发明提出的方法为设计多频高增益天线提供了指导。

Description

一种双频高增益同轴馈电贴片天线

技术领域

本发明提供一种双频高增益同轴馈电贴片天线，能同时工作于2.45GHz和5.8GHz两个频段，特别适用于这两个频段中对方向性要求高的系统，属于电磁传播与接收的技术领域。 

背景技术

1.微带天线的特点 

微带天线由于剖面低、体积小、易共形、能与电路集成等优点而被广泛应用（文献1，Xing Long Guo,H.B.Ji,H.H.Yin,J.Huang，Antenna for Wireless Communications on Unmanned Aerial Vehicles,Applied Mechanics and Materials,Vol.241–244,2013）。通过开槽、多层堆叠贴片、合适同轴馈电等技术，很容易使微带天线在两个或多个频率工作，这既利于集成也节约了成本。微带天线也有一些缺点，它由于损耗高而使增益低，这限制了其在对方向性要求高的系统中的应用（文献2，Mohammad Ojaroudi and Nasser Ojaroudi,Dual-band coplanar waveguide-fed monopole antenna for2.45.8GHz radiofrequency identification applications.MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS.Vol.54,No.10,October 2012）。因此，如何提高微带天线增益成为一个研究热点。 

2.提高微带天线增益的方法 

目前常用的提高天线增益的方法包括以下几个方面。对于传统的微带天线，高增益是通过组阵形成阵列天线来实现的（文献3，K Rosengren,PS Kildal,Radiation efficiency,correlation,diversity gain and capacity of a six-monopole antenna array for a MIMO system:theory,simulation and measurement in reverberation chamber.Microwaves Antennas and Propagation,IEE Proceeding,Vol.152,Feb2005），但是阵列天线不但体积大，而且馈线网络复杂，效率较低；Roberto等人将UC-EBG结构用作贴片天线的衬底，将天线的增益提高3dB(文献4，Roberto Coccioli,Fei-Ran Yang,Kuang-Ping Ma and Tatsuo Itoh,Aperture-coupled patch antenna on UC-EBG substrate,IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques,Vol.47,No.11,pp.2123-2130.Nov.1999)；另一种被广泛使用的高方向性天线是法布里-珀罗空腔天线，该天线适用于卫星通信、点对点通信中（文献5，H.Boutayeb,K.Mahdjoubi,A.-C.Tarot,and T.A.Denidni.Directivity of An Antenna Embedded Inside A Fabry-Perot Cavity:Analysis and Design.MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS.Vol.48,No.1,January2006）。 

3.EBG覆层在高增益天线中的应用研究 

近年来，利用微波复合介质材料做天线覆层提高天线的方向性和增益也得到了深入的研究，覆层结构的形式也多种多样，如一维介质平板、金属网格等结构（文献6，S.Wang,A.P. Feresidis,G.Goussetis and J.C.Vardaxoglou,High-gain subwavelength resonant cavity antennas based on metamaterial ground planes,IEE Proc.-Microw.Antennas Propag.,Vol.153,No.1,2006:1-6），其中一维的EBG覆层被广泛使用。目前针对EBG覆层天线的研究，主要集中于EBG覆层改善天线的单个频段的增益，而国内外对于EBG覆层同时提高天线两个或多个频段增益的研究相对较少，本发明基于此点进行研究。 

本发明通过在矩形金属薄层贴片正上方加载EBG覆层结构，提出了能同时工作在2.45GHz和5.8GHz这两个频段的高增益同轴馈电贴片天线，该天线增益的提高是在没有影响工作带宽的情况下实现的，且EBG覆层和天线是分开设计的。 

发明内容

针对2.45GHz和5.8GHz这两个免许可频段，本发明提供一种能同时工作在这两个频段的高增益天线，其突出特点是保持天线两个工作带宽不变的前提下，有效提高了两个工作频段的增益，特别适用于对方向性要求高的应用场合，如用于RFID中的阅读器天线时可以有效增加阅读距离。 

本发明首先设计了一个能同时工作在2.45GHz和5.8GHz这两个频段的同轴馈电贴片天线，其结构包括金属接地板、矩形金属薄层贴片、天线介质、馈电内芯，天线结构简单；针对增益不理想的情况，提出一种能同时改善这两个工作频段的增益的方法；根据改善天线增益的方法，调节两个EBG覆层的厚度和两者的距离来设计合适EBG覆层，并将EBG覆层置于矩形金属薄层贴片正上方的合适位置，进而改善双频天线的增益。 

相对于现有技术，本发明具有如下优点： 

1、本发明所提出的双频同轴馈电贴片天线，相对于现有技术中的同轴馈电贴片天线，在两个工作频段都具有更高的增益。 

2、本发明设计的双频高增益同轴馈电贴片天线，一个天线就能很好地工作于2.45GHz和5.8GHz这两个免许可频段，相对于现有技术中的单频天线能节约成本，利于集成。 

3、本发明所提出的用EBG覆层提高天线增益的方法，其中的EBG覆层和天线可以分开设计，有效地简化了设计过程。 

4、本发明中的加载EBG覆层的双频高增益同轴馈电贴片天线，相对于现有技术中的双频天线，结构更简单，加工容易。 

本发明的工作原理如下： 

首先，双频同轴馈电贴片天线工作原理。微带天线的辐射机理可用传输线模型来分析其性能。假设辐射贴片某边的长度近似为w，介质基片的厚度为h，工作波长为λ，则可以将辐射贴片、介质基片、接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，且传输线的两端形成开路。由于h＜＜λ，故电场沿着厚度h的方向基本没有变化，而沿着长度l和宽度w的方向有变化，且辐射贴片的长度和宽度分别对应一个谐振频率，从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。辐射贴片的尺寸估算如下： 

$w=\frac{c}{2f}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\λ}}_e=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{w})}^{-\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

上述式中，c为光速，λ_e为介质内有效波长，f为工作频率，ε_e为天线介质有效介电常数，ε_r为天线介质相对介电常数，h为天线介质厚度。 

又同轴馈电点在矩形辐射贴片长度w边缘±w/2阻抗最大，在中心处阻抗为零，调节同轴馈电位置可使其在特定频率匹配为50Ω，同轴位置估算如下： 

$w_f=\frac{w}{2}(1-\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}})---\left(4\right)$

其次，EBG覆层提高天线增益的原理。其中一维EBG介质平板结构是比较典型的一种结构，通过在EBG结构中引入缺陷，在带隙范围内就会出现一个很窄的传输通带（即谐振峰），当天线工作于此缺陷模式就可获得高的方向性增益。从能量角度来说，因为EBG结构中有缺陷，这就使得整体性被破坏，造成电磁能量局限在缺陷附近，形成一个谐振效应，改善了天线辐射性能。从折射定律角度说，当电磁波工作频率在谐振频率附近，结构的有效折射率将趋近于零，从而可以认为电磁波以不同入射角入射到EBG结构上时，都能以趋近于法线的方向射出，将原本发散的电磁波整理成趋近于覆层面法线方向的平行波，起到能量汇聚的作用，因此天线的方向性也得到了提高。 

再次，EBG覆层同时改善多频天线各个工作频段增益的原理。要使EBG覆层能同时改善多频天线每个工作频段的增益，须使EBG覆层的缺陷模式在特定多个工作频率处形成偶模 传输通带，将接地板置于偶模对称位置，利用镜像定理，天线的电场分布不受影响，这样天线增益在制定频率处得到提高。EBG覆层模型见说明书附图3（a）所示，其中EBG覆层厚度决定禁带的中心频率，空气层厚度决定通带位置，EBG覆层及其尺寸估算如下： 

t=λ_e/4          (5) 

h=nλ/2（n为整数）     (6) 

上述式中，t为EBG覆层的介质厚度，h为EBG覆层及其镜像之间的距离。 

附图说明

图1为双频同轴馈电贴片天线结构图，其中：p=110mm，l=27.6mm，w=41mm，X_f=6.8mm，Y_f=9.8mm，h=1.6mm，t=1mm，ε_r＝4.4。 

图2为双频同轴馈电贴片天线的工作性能，其中图2（a）为回波损耗性能；图2（b）增益性能。图2（a）中，第一个工作频段的中心频率为2.45GHz，带宽为2.40GHz-2.483GHz；第二个频段的中心频率为5.8GHz，带宽为5.725GHz-5.875GHz，带宽满足射频应用的需求。图2（b）为天线的增益性能，在2.45GHz工作带宽范围内，增益为2-4dB；在5.8GHz工作频带范围内，增益为1-2dB。增益性能有待进一步提高。 

图3为EBG覆层的镜像模型及其性能。其中图3（a）为EBG覆层的镜像模型：t₁=3mm，t₂=15mm，h₁=61mm，h₂=104mm。图3（b）为EBG覆层的反射系数，从图中可知反射最低频点有2.45GHz、3.54GHz、5.8GHz附近，图3（c）为切向电场分布，其中2.45GHz和5.8GHz的电场在虚线对称面位置电场为零，将接地板置于虚线位置，不会改变EBG覆层结构的电场分布；而3.54GHz在对称面处电场不为零，金属接地板不能置于此处。因此用于改善天线增益的两个谐振点为2.45GHz和5.8GHz。 

图4为加EBG覆层的天线结构图，其中：天线结构参数和图1所示各部分参数相同，EBG覆层结构参数和图3（a）所示参数相同。 

图5为EBG覆层天线与同轴馈电贴片天线的回波损耗性能对比，实线表示同轴馈电贴片天线回波损耗性能，虚线表示加EBG覆层的天线回波损耗。从图中可看出，两个天线回波损耗性能基本一致，天线带宽完全一样：2.45GHz频段带宽为2.40GHz-2.483GHz，而5.8GHz频段带宽为5.725GHz-5.875GHz。 

图6为EBG覆层天线与同轴馈电贴片天线的增益性能对比，实线表示同轴馈电贴片天线增益，虚线表示加EBG覆层的天线增益。从图中可看出，加EBG覆层天线相对同轴馈电贴片天线增益在工作频段有大幅提升，在2.45GHz的工作频段内，增益最小值从3dB提升到9dB，增益最大值从4dB增加到10dB；在5.8GHz工作频段内，增益最小值从1dB增加到7dB， 增益最大值从1.5dB增加到8dB。增益整体增幅达到6dB以上。 

图7为EBG覆层天线与同轴馈电贴片天线的在2.45GHz和5.8GHz方向图性能的对比。图7（a）为2.45GHz处E面方向图，图7（b）为2.45GHz处H面方向图，图7（c）为5.8GHz处E面方向图，图7（d）为5.8GHz处H面方向图。从这四个方向图均可以看出天线的波束更窄，峰值增益提高了很多，可见本发明提出的方法能有效地改善天线增益。 

具体实施方式

本发明具体实施方式如下所述。 

第一，设计能同时工作在2.45GHz和5.8GHz这两个频率段的同轴馈电贴片天线。天线结构如图1所示，基于FR4材料实现，天线介质的相对介电常数ε_r＝4.4，天线介质厚度h=1.6mm；由式(1)、(2)、(3)及优化得到贴片（如图1所示）尺寸：l=27.6mm，w=41mm；由式(4)及优化得到同轴馈电的位置：X_f=6.8mm，Y_f=9.8mm，其中X_f为同轴中心与矩形贴片中心在x方向的位置偏移，Y_f为同轴中心与矩形贴片中心在y方向的位置偏移；接地板用铝板，为p=110mm的正方形，铝板厚度为t=1mm。金属接地板与矩形金属薄层贴片平行，且两者的中心在与两者所在平面法线平行的直线上。上述天线的回波损耗和增益性能如图2所示。 

第二，设计能同时在2.45GHz和5.8GHz谐振的EBG覆层结构，且这两点的谐振模为偶模。EBG覆层的镜像模型如图3（a）所示，由式（5）和（6）及优化得到EBG覆层的各介质厚度和空气层厚度如下：t₁=3mm，t₂=15mm，h₁=61mm，h₂=104mm；EBG覆层的各介质层相互平行。EBG覆层的反射和投射系数如图3（b）所示，其切向电场分布如图3（c）所示。 

第三，将EBG覆层结构与同轴馈电贴片天线结合，最终设计一个高增益天线。天线的整体布局如图4所示，EBG覆层结构与天线的金属接地板、矩形金属薄层贴片平行，天线的金属接地板位于镜像模型中的对称位置，即图3（a）中所示的位置。EBG覆层天线的回波损耗、增益、方向图性能可由图5、6、7得知。 

Claims (6)

1.提出一种能工作于2.45GHz和5.8GHz的双频高增益同轴馈电贴片天线，其特征在于：包括：

一金属接地板，其中有一孔使馈电同轴穿过；

一矩形金属薄层贴片，其平行于上述金属接地板，该金属上包括一馈电同轴内芯；

一天线介质，位于金属接地板和矩形金属薄层贴片之间，用于支撑矩形金属薄层贴片，其中有馈电同轴穿过；

两个EBG覆层，位于矩形金属薄层贴片的正上方，与上述的金属接地板和矩形金属薄层贴片平行。

2.如权利要求1所述高增益双频同轴馈电贴片天线，其特征在于：馈电同轴内芯与金属接地板之间并不相互接触。

3.如权利要求2所述高增益双频同轴馈电贴片天线，其特征在于：该馈电同轴所在位置与矩形金属薄层贴片的中心有特定的偏移。

4.如权利要求1所述高增益双频同轴馈电贴片天线，其特征在于：两个EBG覆层具有特定的厚度，两个介质层和接地板之间有特定的距离。

5.一种能同时提高双频同轴馈电贴片天线两个工作频段增益的方法，其特征在于：在贴片天线正上方加载EBG覆层的方法，具体包括：设置EBG覆层的两个介质层为特定厚度，调节两个介质层与金属接地板之间为特定的距离。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：EBG覆层和双频同轴馈电贴片天线可以分开设计。

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