CN105024150A

CN105024150A - 一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线

Info

Publication number: CN105024150A
Application number: CN201510236041.5A
Authority: CN
Inventors: 申东娅; 何谢勇; 袁洪; 张秀普
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: CN105024150B

Abstract

本发明涉及一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，属于无线通信技术领域。本发明包括：底部第一微带分支结构（1），左侧第二微带分支结构（2、3），中间第三微带分支结构（4），右侧第四微带分支结构（5-7），微带馈线（8），“梳状”寄生单元（9-12），共地面结构（13-18），介质板（19）；其中：a.基本辐射单元由上文所提四个微带分支结构组成，与微带馈线（8）直接相连；b.微带馈线（8）与共地面结构间有缝隙，形成共面波导馈电；c.介质板采用FR4介质材料。本发明具有结构紧凑、易集成、加工简单、多频段、可调谐性好、方向图稳定等优点，能同时满足WLAN和WiMAX系统的要求。

Description

一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线

技术领域

本发明涉及一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，无线局域网（Wireless Local Area Networks, WLAN)得到了广泛应用。WLAN利用无线通信技术在空中传输数据、话音和视频信号，使用户可以随时随地交换信息。全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX）是一项新兴的宽带无线接入技术，能够提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50公里。目前的WLAN主要工作在2.4 GHz（2.4-2.484 GHz），5.2 GHz（5.15-5.35 GHz），5.8 GHz（5.725-5.825 GHz）。而对于WiMAX而言，目前各国没有统一的频率划分标准，目前各国的频率划分主要集中在2.3 GHz（2.3-2.4 GHz），2.5 GHz（2.5-2.69 GHz），3.5 GHz（3.3-3.7 GHz），5.8 GHz（5.725-5.85 GHz）等频段。随着WLAN和WiMAX技术在通信领域中得到广泛应用，适用于WLAN/WiMAX的小型化多频段微带天线成为天线领域的研究热点之一。

目前应用于WLAN和WiMAX的多频段天线的各个谐振频点主要是通过增加分支结构和在辐射贴片上蚀刻各种金属槽等两种方式来实现的，设计方法比较单一。在这些多频段天线中有些不能同时满足WLAN和WiMAX两种系统的要求。虽然，有些天线能同时适用于WLAN和WiMAX系统，但又不能同时覆盖目前WLAN和WiMAX的所有工作频段。此外，有些适用于WLAN和WiMAX的多频段天线各个工作频段的可调谐性较差，不能很好地调节各个工作频段的范围。因此，需要设计结构紧凑，可调谐性好，能同时覆盖WLAN和WiMAX所有工作频段的多频段天线。

本发明设计的一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，设计出一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线。

在本发明所涉及的一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线中，基本辐射单元采用了一种非对称式的多分支结构，并在此基础上引入了一种新型的“梳状”寄生单元。利用寄生单元与基本辐射单元间较强的耦合作用实现了一种可调谐性好，覆盖了WLAN：2.4GHz、5.2 GHz、5.8 GHz和WiMAX：2.3 GHz、2.5 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz等上述所有频段的三频段天线。此外，本发明中三频段天线具有紧凑型的结构（29mm*29mm*1.6mm），能够很容易地集成到WLAN和WiMAX设备中。

本发明的技术方案如下所述：

本发明中的一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线由以下八部分构成：底部第一微带分支结构（1）、左侧第二微带分支结构（2、3），中间第三微带分支结构（4），右侧第四微带分支结构（5-7），微带馈线（8），“梳状”寄生单元（9-12），共地面结构（13-18），介质板（19）。其中微带馈线（8）、共地面结构（13-18）和介质板（19）的特征如下：

a. 微带馈线（8）为一竖直方向上的矩形微带结构，与共地面结构中的矩形金属贴片（13、16）构成缝隙，形成共面波导馈电；

b. 共地面结构（13-18）由矩形金属贴片（13、16）、倒“L”形微带结构（14、17）和三角形金属贴片（15、18）构成；

c. 介质板（19）为长方体，采用介电常数为4.4和损耗角正切为0.02的FR4介质材料，其尺寸为29mm*29mm*1.6mm；

d. 上文中所提的所有微带分支结构，微带馈线，寄生单元和共地面结构均印刷于介质板的同一面。

本发明三频段天线的辐射单元采用了一种非对称的多分支微带结构，该非对称式多分支微带结构由四部分组成：第一部分微带分支结构为一横向的矩形金属贴片（1），是辐射单元的底部部分，与微带馈线（8）直接相连；第二微带分支结构是由金属贴片（2、3）组成的朝左开口的“F”形金属微带结构，是辐射单元的左侧部分；第三微带分支结构为一“L”形金属微带结构（4），是辐射单元的中间部分；第四微带分支结构是由金属贴片（5-7）构成的“类G”形金属微带结构，是辐射单元的右侧部分。

在以上四个微带分支结构中，底部第一微带分支结构（1）用来产生第一个谐振频段，左侧第二微带分支结构（2、3）用来产生第二个谐振频段，右侧第四微带分支结构（5-7）用来产生第三个谐振频段，中间第三微带分支结构（4）用来调节阻抗匹配。

本发明中三频段天线中的“梳状”寄生单元是由左侧倒“F”形微带结构（9、10）和右侧倒“J”形微带结构（11、12）连接而成的“非对称式梳状”结构。“梳状”寄生单元（9-12）与基本辐射单元（1-7）的耦合作用使天线-10dB带宽的高频端截止频率从6.89GHz(未加载寄生单元)下降到了6.0GHz(加载了寄生单元)，同时产生了一个从3.84GHz-5.02GHz的陷波。

本发明通过改变“梳状”寄生单元左侧部分尺寸来调节第二个谐振频点，通过改变寄生单元右侧部分尺寸来调节第三个谐振频点，两个谐振频点的调节相互独立，彼此间影响较小，并且对第一个谐振频点几乎无影响；共地面结构（13-18）的高度影响高频端截止频率，共地面结构（13-18）的宽度则影响低频端截止频率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、能同时覆盖目前WLAN和WiMAX的所有工作频段；

2、能较独立调整各个工作频带，具有很好地可调谐性；

3、结构简单、尺寸紧凑、重量轻、损耗低，满足平面设计的要求；

4、制作成本低、精度高、可重复性好，适合于小型化设备使用，便于批量生产。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为寄生单元。

图3为本发明去除“梳状”寄生单元后的结构。

图4为基本辐射单元。

图5为基本辐射单元的底部第一微带分支结构图。

图6为基本辐射单元的底部左侧第二微带分支结构图。

图7为基本辐射单元的底部中间第三微带分支结构图。

图8为基本辐射单元的底部右侧第四微带分支结构图。

图9为本发明中天线回波损耗的仿真和测试结果。

图10为有无寄生单元天线回波损耗仿真结果对比。

图11为在2.4GHz时XOZ面上的仿真和测试辐射方向图。

图12为在2.4GHz时YOZ面上的仿真和测试辐射方向图。

图13为在3.5GHz时XOZ面上的仿真和测试辐射方向图。

图14为在3.5GHz时YOZ面上的仿真和测试辐射方向图。

图15为在5.5GHz时XOZ面上的仿真和测试辐射方向图。

图16为在5.5GHz时YOZ面上的仿真和测试辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

由图1所示，本发明中的一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线由以下八部分构成：底部第一微带分支结构（1），左侧第二微带分支结构（2、3），中间第三微带分支结构（4），右侧第四微带分支结构（5-7），微带馈线（8），“梳状”寄生单元（9-12），共地面结构（13-18），介质板（19）。其中：

a. 底部第一微带分支结构（1）为一横向的矩形金属贴片，与微带馈线（8）直接相连；

b. 左侧第二微带分支结构是由金属贴片（2、3）组成的朝左开口的“F”形金属微带结构；

c. 中间第三微带分支结构（4）为一“L”形金属微带结构；

d. 右侧第四微带分支结构是由金属贴片（5-7）构成的“类G”形金属微带结构；

e. 微带馈线（8）为一竖直方向上的矩形金属微带结构，与共地面结构中的矩形金属贴片（13、16）构成缝隙，形成共面波导馈电；

f. “梳状”寄生单元是由左侧倒“F”形微带结构（9、10）和右侧倒“J”形微带结构（11、12）连接而成的“非对称式梳状”结构；

g. 共地面结构（13-18）由矩形金属贴片（13、16）、倒“L”形带状微带结构（14、17）和三角形金属贴片（15、18）构成；

h. 介质板（19）为长方体，采用介电常数为4.4和损耗角正切为0.02的FR4介质材料，其尺寸为29mm*29mm*1.6mm；

i. 上述所有分支结构，微带馈线，寄生单元和共地面结构均印刷于介质板的同一面。

本发明中三频段天线的最终尺寸为29mm*29mm*1.6mm，具有很好的紧凑性。天线回波损耗的仿真和测试结果如图9所示。由图可知，回波损耗的仿真结果和测试结果基本一致，测试结果显示天线S11≤-10dB的工作频段为：2.29-2.90 GHz, 3.30-3.93 GHz 和 4.92-6.0 GHz，很好地覆盖了WLAN：2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz和WiMAX：2.3 GHz、2.5 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz等所有频段。有无“梳状”寄生单元天线回波损耗仿真结果对比如图10所示。由图可知，“梳状”寄生单元的引入使天线-10dB带宽的高频端截止频率从6.89GHz下降到了6.0GHz，同时产生了一个3.84GHz-5.02GHz的陷波。本发明中三频段天线分别在2.4 GHz、3.5 GHz、5.5 GHz处时XOZ面和YOZ面上的仿真和测试辐射方向图如图11和图12、图13和图14、图15和图16所示。由图可知，测试和仿真结果基本一致。由测试结果可知，该天线具有很好的辐射特性，是一款很好的全向辐射天线。

Claims

1.一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，包括：底部第一微带分支结构（1），左侧第二微带分支结构（2、3），中间第三微带分支结构（4），右侧第四微带分支结构（5-7），微带馈线（8），“梳状”寄生单元（9-12），共地面结构（13-18），介质板（19），其中：

a. 介质板（19）为长方体，采用介电常数为4.4和损耗角正切为0.02的FR4介质材料，其尺寸为29mm*29mm*1.6mm；

b. 所有微带分支结构，微带馈线，寄生单元和共地面结构均印刷于介质板的同一面。

2.根据权利要求1所述的一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，其特征在于：

本发明三频段天线的辐射单元采用了一种非对称的多分支微带结构，该非对称式多分支微带结构由四部分组成：第一部分微带分支结构为一横向的矩形金属贴片（1），是辐射单元底部部分，与微带馈线（8）直接相连；第二微带分支结构是由金属贴片（2、3）组成的朝左开口的“F”形金属微带结构，是辐射单元的左侧部分；第三微带分支结构为一“L”形金属微带结构（4），是辐射单元的中间部分；第四微带分支结构是由金属贴片（5-7）构成的“类G”形金属微带结构，是辐射单元的右侧部分。

3.根据权利要求1所述的一种应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，其特征在于：“梳状”寄生单元是由左侧倒“F”形微带结构（9、10）和右侧倒“J”形微带结构（11、12）连接而成的“非对称式梳状”结构。

4.根据权利要求1至3所述的应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，其特征在于：底部第一微带分支结构（1）用来产生第一个谐振频点，左侧第二微带分支结构（2、3）用来产生第二个谐振频点，右侧第四微带分支结构（5-7）用来产生第三个谐振频点，中间第三微带分支结构（4）用来调节阻抗匹配。

5.根据权利要求1 至4所述的应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，其特征在于：本发明通过改变“梳状”寄生单元左侧部分尺寸来调节第二个谐振频点，通过改变寄生单元右侧部分尺寸来调节第三个谐振频点，两个谐振频点的调节相互独立，彼此间影响较小，并且对第一个谐振频点几乎无影响；共地面结构（13-18）的高度影响高频端截止频率，共地面结构（13-18）的宽度则影响低频端截止频率。

6.根据权利要求1 至5所述的应用于WLAN和WiMAX的三频段天线，其特征在于：“梳状”状寄生单元（9-12）与基本辐射单元（1-7）的耦合作用使天线-10dB带宽的高频端截止频率从6.89GHz(未加载寄生单元)下降到了6.0GHz(加载了寄生单元)，同时产生了一个3.84GHz-5.02GHz的陷波。