CN105071030A - 缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，包括基板，辐射贴片单元，金属接地板，阻抗匹配输入传输线。基板的表面有辐射贴片单元、金属接地板和阻抗匹配输入传输线；金属接地板上有矩形槽、倒置直角三角形槽和圆弧槽；辐射贴片单元包含均匀式折线组合型辐射贴片A和辐射贴片C，不均匀式折线组合型辐射贴片B三个辐射贴片，三个辐射贴片底部重叠，底部中间与阻抗匹配输入传输线一端连接，阻抗匹配输入传输线的另一端与基板的底端连接，三个辐射贴片及阻抗匹配输入传输线均对称基板y轴。本发明结构非常简洁、紧凑、新颖，具有较高的适用性，同时也扩大了贴片有效面积，提高天线性能。

Description

缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线

技术领域

本发明涉及无线电天线技术领域，具体为一种缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线。

背景技术

随着无线通信需求的急剧增长，无线通信技术取得了飞速发展，新的无线通信技术、无线通信频段不断出现。目前，3G/4G无线通信系统、蓝牙技术、微波存取全球互通系统(WIMAX)、无线局域网系统(WLAN)等都使用了不同的无线频谱。为了解决不同无线频谱通信问题，一般在系统设备上架设多个天线。然而架设多个天线，又带了许多新问题，最突出的是频谱利用率低、天线之间相互干扰严重。

缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线不仅结构简洁、新颖，在单一口径天线上，可以工作在三个波段，且各频段间干扰小，同时在三个工作频段内H面、E面辐射方向图基本一致，且都具有良好驻波比和较高的增益。

本发明由国家自然基金顶目“低相关区m子序列理论与构造研究”(61372094)、“基于m序列的非线性m子序列研究”(61071001)资助。

发明内容

本发明针对目前主要通信系统3G/4G无线通信系统、微波存取全球互通系统(WIMAX)、无线局域网系统(WLAN)，提供一种缺陷地结构不对称共而波导式三频带天线。天线中心频率分别为2.0GHz、3.5GHz、5.5GHz；带宽分别为1.9～2.1GHz、3.1～3.9GHz和5.1～5.9GHz。本发明在三个频段都具有良好的阻抗匹配，拥有较高近似全向特性、高增益的方向特性。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，包括基板，辐射贴片单元，金属接地板，阻抗匹配输入传输线四个部分。基板的表面有辐射贴片单元、金属接地板和阻抗匹配输入传输线；辐射贴片单元包含三个尺寸、形状均不相同的辐射贴片A、B、C；阻抗匹配输入传输线对称沿基板纵向中心轴y轴(简称基板y轴)从基板的底边垂直向上与辐射贴片单元底边连接；阻抗匹配输入传输线左右两边是两个金属接地板，尺寸均为7.8mm(宽)*15mm(高)，且均距阻抗匹配输入传输线有0.85mm缝隙，上距辐射贴片单元有1.5mm间隙。金属接地板上有矩形槽、倒置直角三角形槽和圆弧槽，其中左右两边开出的矩形槽因尺寸不同，位置也不对称，故称之为“不对称”式天线。

基板选择聚四氟乙烯材料，其相对介电常数ε_r＝2.55，尺寸为38mm(长)、*20mm(宽)*0.8mm(厚)，在较宽频率范围内它的介电损耗都很低，击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。基板有正面和背面，正面由辐射贴片单元、金属接地板和阻抗匹配输入传输线组成；背面没有金属镀层，是空面。

辐射贴片单元包含辐射贴片A、B、C。三个辐射贴片的长度依据各通信频段中心频率等参数计算、匹配得到；三个辐射贴片的宽度根据各波段回波损耗等指标调整得到。由于通信频段不同，三个辐射贴片的长度和宽度亦不相同。为了提高频谱的利用率，减小设备体积，简化天线结构，将A、B、C三个辐射贴片底部重叠、方向朝上集成在辐射贴片单元中，置于基板上部，共用一个馈线。为了使天线面积微型化，本发明将不同长度辐射贴片有效折叠、紧凑嵌套，在最小的基板面积中放置三个不同长度辐射贴片。在此基础上，引入对称技术，将三个辐射贴片，对称于基板y轴复制，从而增加了一倍辐射贴片有效面积，提高了各天线品质因数和增益。辐射贴片单元中三个辐射贴片的长度和宽度根据公式(1)、(2)确定：

W＝2πr(1)

$f=\frac{72}{L+r+g}---\left(2\right)$

其中，W为以r为半径的周长即辐射贴片的宽度，f为对应天线的中心频率，L为辐射贴片长度，g为辐射贴片与接地板之间的间隙，本发明取g＝1.5mm。为了充分利用基板面积，本发明基板宽度取辐射贴片单元宽度。根据公式(1)确定r，利用公式(2)确定中心频率分别为2.0GHz、3.5GHz、5.5GHz的三个不同频段天线辐射贴片长度分别为32mm、21mm和18mm。根据实际带宽需要，本发明将三个辐射贴片长度分别调整到37.5mm、25mm和22.5mm。为了在最小基板面积上集成三个长度不同辐射贴片，本发明将长度为37.5mm(宽度取1mm)的辐射贴片折成10mm、17.5mm、10mm三段，构成个10mm(上宽)*17.5mm(左高)*10mm(下宽)缺少右边框的矩形贴片框。为了增大贴片面积，再对称扩展一个大小相同且缺少左边框的矩形贴片框，两者对接成20mm(宽)*17.5mm(高)矩形贴片框，构成辐射贴片A。该辐射贴片框宽度与基板宽度等同，对称于基板y轴水平放置于基板，上边框距基板顶端2mm；将长度为22.5mm(宽度取1mm)的辐射贴片折成7.5mm和15mm两段，7.5mm段贴片作为水平段，15mm段贴片在其上方与其垂直，构成L形状，为了增大贴片面积，再对称扩展，形成一个15mm(宽)*15mm(高)缺少上边的口子形辐射贴片框，构成辐射贴片C，该辐射贴片框底边与辐射贴片A底边水平重叠，对称于基板y轴放置于基板；长度为25mm(宽度取1mm)的辐射贴片B折成7.5mm、8mm、7.5mm和2mm四段，其中7.5mm、8mm、7.5mm三段构成7.5mm(上宽)*8mm(左高)*7.5mm(下宽)缺少右边框的矩形贴片框，对称扩展为一个15mm(宽)*8mm(高)的完整矩形贴片框，在该矩形贴片框上边框上，连接上边沿且对称于框的纵向中心线放置2mm(高)贴片。为了形成局部加载，改变天线上的电流分布，将矩形框上边框贴片的宽度增大为3.5mm，同时，将矩形上边框上所加的2mm贴片，宽度对称增大到5mm，构成辐射贴片B，该辐射贴片框底边与辐射贴片A、C底边水平重叠，对称于基板y轴放置于基板。

上述三个辐射贴片均采用折线组合方式，由长短不同、宽度不一贴片组合构成。为了提高品质因数，增加天线的增益，本发明均对称增加了一倍贴片面积，使天线有效辐射增强了，最终达到增加带宽目的。

为了消除三个频段间阻带信号干扰，本发明首次从阻带带宽角度提出开槽长度计算方法：

$L=\frac{c}{{\mathrm{BW}}^{3\mathrm{dB}}+2f_i}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_{r+1}}}---\left(3\right)$

其中：L为开槽长度，BW为两个通带之间阻带的带宽，f_i为阻带下限频率，c为天线电波传输速度。

为了抑制2.1～3.1GHz阻带内信号，根据公式(3)得到天线开槽长度为27mm。本发明结合接地板开槽技术，且将槽开成2个长度均为13.5mm、宽度分别为1.1mm和1mm的不对称槽，从接地板上端边沿向下分别置于阻抗匹配输入传输线左右两侧，左槽中心线距基板左边缘垂直距离为1.45mm，右槽中心线距基板右边缘垂直距离为1.5mm。

为了抑制3.9～5.1GHz阻带内信号，根据公式(3)得到天线开槽长度为20mm。对基板称于y轴，从左、右两个接地板上边沿垂直向下各开1个深10mm、宽4mm矩形槽，槽中心线与基板y轴垂直距离6mm。为了增大该阻带驻波比，本发明创新地将该矩形槽调整为4mm(直角边)*10mm(直角边)的倒置直角三角型槽，且槽口宽4mm、槽深10mm，背靠背的对称放置在左、右两个接地板中，槽中心线与基板y轴垂直距离不变。在该槽内，辐射贴片与金属接地板之间的距离由内向外递减，增加了该频段贴片对其电磁波的束缚能力，增大天线回波损耗，保证天线具有三个清晰通带。

为了进一步弥补2.0GHz频段回波损耗的不足，拓展5.5GHz频段带宽，结合天线接地板电流密度分布，本发明独特地在邻近阻抗匹配输入传输线两侧的金属接地板上方开出圆弧槽，圆弧槽的半径为4mm，弧度设置为180度。圆弧槽与辐射贴片之间的圆弧缝隙形成的耦合电容平衡了馈线的电感，从而使天线获得了更好阻抗匹配。

本发明中阻抗匹配输入传输线(馈线)采用最通用的50欧姆，具有有效性和实用性，便于同其它器件集成。其宽度由下式决定：

$z=\frac{71k^{\′}\left(m\right)}{k\left(m\right)}---\left(4\right)$

$m^2=\frac{x^2(w-1)}{w^3{(x-x^2+2y-2\mathrm{xy})}^2(1+x)}---\left(6\right)$

$n^2=\frac{\sin h^2\left(0.628w\right)}{\sin h^2\left(0.5\frac{x}{y}\right)}\·\frac{{\sin }^2\left(w\right)-\sin h^2\left(0.5w\right)}{{\sin }^2\left(w\right)-{\sinh }^2\left(\mathrm{wx}\right)}---\left(7\right)$

其中，K(m)、K(n)、K’(m)、K’(n)为第一类完全椭圆积分函数和其补函数，m和n为过渡变量；W、X、Y分别为介质基板的宽度、共面波导阻抗匹配输入传输线的宽度与基板宽度比值、共面波导阻抗匹配输入传输线与接地板之间间隙与基板宽度比值。计算得出共面波导阻抗匹配输入传输线的宽度2.7mm、缝隙宽度0.85mm。

与已公开技术相比，本发明存在以下优点：

(1)本发明融合多种技术，经过有效设计、巧妙剪裁、合理布局，得到尺寸为20mm*38mm的三个频段、微型化天线。本发明不仅满足三个频段通信的各顶指标，而且结构非常简洁、新颖。

(2)本发明可以工作在1.9～2.1GHz、3.1～3.9GHz和5.1～5.9GHz三个频段上，覆盖了3G/4G无线通信系统、微波存取全球互通系统(WIMAX)和无线局域网系统(WLAN)三个主流无线通信系统使用的频段，具有较高的适用性。

(3)本发明采用折线组合方法、重叠方法和对称方法，并将不同形状、不同尺寸贴片紧凑嵌套，构造了均匀和不均匀三个不同频段贴片天线，并有效集成在辐射贴片单元中，共用一个馈线，减小了贴片单元面积、扩大了贴片有效面积，从而提高天线性能。

(4)本发明不同于单极子天线，创造性地设计了四段式对称贴片B，通过增大局部宽度，形成局部加载，有效提高3.1～3.9GHz频段通信性能。

(5)本发明在共面波导天线上采用接地板开槽技术，创造性地在接地板上开出不对称放置的不对称矩形槽和对称放置的对称倒置直角三角形槽，调整天线对电磁波的束缚能力，增大天线回波损耗，保证天线具有三个清晰通带。

(6)本发明独特地在邻近阻抗匹配输入传输线两侧金属接地板上方开出圆弧槽，如图1(7)，利用圆弧槽与辐射贴片之间的圆弧缝隙形成的耦合电容平衡馈线的电感，从而使天线获得了更好阻抗匹配。

(7)本发明在三个工作频段内H面辐射方向图接近理想全向性，E面辐射方向图呈8字形，同时该天线在三个频段上具有良好驻波比和较高的增益。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的未开圆弧槽回波损耗图。

图3为本发明的回波损耗图。

图4为本发明在2.0GHz的E面和H面辐射方向图。

图5为本发明在3.5GHz的E面和H面辐射方向图。

图6为本发明在5.5GHz的E面和H面辐射方向图。

图1中：1、基板；2、辐射贴片单元，包括：2-1辐射贴片A；2-2辐射贴片B；2-3辐射贴片C；3金属接地板；4、阻抗匹配输入传输线；5、矩形槽；6、倒置直角三角形槽；7、圆弧槽。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，包括：基板1，辐射贴片单元2，金属接地板3，阻抗匹配输入传输线4。

基板选择聚四氟乙烯材料，其相对介电常数＝2.55，尺寸为20mm(宽)*38mm(高)*0.8mm(厚)。基板分为正面和背面，背面没有金属镀层，是空面。基板正面由辐射贴片单元2、金属接地板3和阻抗匹配输入传输线4组成。

辐射贴片单元2包括均匀式折线组合型辐射贴片A(2-1)和辐射贴片C(2-3)，以及不均匀式折线组合型辐射贴片B(2-2)。

辐射贴片A构成水平宽20mm垂直高17.5mm矩形框，距基板顶部2mm处对称放置基板表面，A贴片各段宽度均1mm；

辐射贴片C构成一个缺少上边的口子形框，宽、高尺寸均为15mm，C贴片各段宽度均1mm，该辐射贴片底部与辐射贴片A底部并齐，并相对y轴对称放置；

辐射贴片B由一个矩形框和一段2mm贴片组成。其矩形框尺寸为宽15mm、高8mm，该矩形框中左、右边框贴片及下边贴片宽度均1mm，框上边宽度均3.5mm；辐射贴片B的另一小段贴片为2mm(高)*4mm(宽)，它沿矩形框纵向中心轴对称放置在矩形框上边框的上方且与其连接，构成辐射贴片B。辐射贴片B相对y轴对称放置，其底部与辐射贴片A、辐射贴片C底部平齐且重叠，还与辐射贴片C重叠左右两个8mm纵向垂直贴片。

金属接地板3分布在阻抗匹配输入传输线4的左右两侧，上侧与辐射贴片底端有1.5mm间隙，内侧与阻抗匹配输入传输线4有0.85mm缝隙，尺寸均为宽7.8mm、高15mm。金属接地板上开有矩形槽5、倒置直角三角形槽6和圆弧槽7。

左右两个金属接地板上都开有矩形槽，分别从金属接地板上边沿垂直向下开出长为13.5mm矩形槽，左边槽宽度为1.1mm，其中心线距基板左边缘垂直距离为1.45mm，右边槽宽度为1mm，其中心线距基板右边缘垂直距离为1.5mm。

相对于基板y轴，在左右两侧金属接地板上对称开有倒置直角三角型槽，分别从金属接地板上边沿垂直向下开出，直角三角形的一个4mm直角边为槽口宽、另一个10mm直角边是靠近基板y轴的槽边，槽的外侧边是直角三角形的斜边。在该槽内，辐射贴片与金属接地板之间的距离由内向外递减，槽中心线与基板y轴垂直距离6mm。

以基板y轴上距基板底边15mm的点为圆心，以4mm为半径画180弧度半圆，在左右两侧金属接地板内侧顶部，开出圆弧槽7。

阻抗匹配输入传输线(馈线)50欧姆，长度16.5mm、宽度2.7mm，与接地板之间间隙0.85mm。它对称基板y轴从基板底部垂直向上与辐射贴片底端相连。

本发明的各项性能指标如附图3、4、5、6所示。由图3可知，在1.8～2.1GHz、3.1～3.8GHz和5.1～5.9GHz频段内，都具有-15dB以下的回波损耗。

图4～6所示的为本发明分别在2.0GHz、3.5GHz和5.5GHz时的E面和H面辐射方向图。由图可知在2.0GHz、3.5GHz时天线的增益大都在2dB到3dB之间，辐射H面近似的全向性和对称性；辐射E面呈现出“8”字型，其辐射场类似于偶极子辐射场。5.5GHz时方向图增益最大可以达到3.7dB。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：包括基板(1)，辐射贴片单元(2)，金属接地板(3)，阻抗匹配输入传输线(4)；基板(1)的表面有辐射贴片单元(2)、金属接地板(3)和阻抗匹配输入传输线(4)；金属接地板(3)上有矩形槽(5)、倒置直角三角形槽(6)和圆弧槽(7)；辐射贴片单元(2)包含均匀式折线组合型辐射贴片A(2-1)和辐射贴片C(2-3)，及不均匀式折线组合型辐射贴片B(2-2)三个辐射贴片。

2.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的基板(1)为聚四氟乙烯材料，相对介电常数ε_r＝2.55，尺寸为38mm*20mm*0.8mm，上层和下层为金属涂层，材料为铜。

3.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的辐射贴片单元(2)有A、B、C三部分辐射贴片组成，都是折线构成，下边均是宽度相同的水平贴片且重叠，A、B、C三辐射贴片均对称于基板Y轴。

4.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的辐射贴片A是一矩形贴片框，其框宽20mm、高17.5mm，贴片宽度为1mm；所述的辐射贴片B是一矩形贴片框，其框宽15mm、高8mm，该框左、右边及下边贴片宽度为1mm，上边贴片宽为3.5mm，在上边的上沿对称于基板Y轴连接有高2mm、宽5mm贴片；所述的辐射贴片C是一缺少上边的方形贴片框，其框宽、高均15mm，各边贴片宽度为1mm。

5.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的金属接地板(3)为两块宽度为7.8mm，高度为15mm，放置在阻抗匹配输入传输线(4)左右两侧，左侧金属接地板(3)与阻抗匹配输入传输线(4)左边有0.85mm缝隙，右侧金属接地板(3)与阻抗匹配输入传输线(4)右边有0.85mm缝隙。

6.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的阻抗匹配输入传输线(4)的宽度为2.7mm，高度为16.5mm。

7.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的矩形槽(5)的宽度分别为1.1mm和1mm，长度均为13.5mm，从接地板上边垂直向下不对称放置在左、右接地板中，左边槽中心线距基板左边缘垂直距离为1.45mm，右边槽中心线距基板右边缘垂直距离为1.5mm。

8.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的倒置直角三角形槽(6)的两条直角边长度分别为4mm和10mm，两槽槽口均为4mm，背靠背的从接地板上边向下垂直放置在左、右接地板中，两槽中心线距离12mm。

9.根据权利要求1所述的缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线，其特征在于：所述的圆弧槽(7)的半径为4mm，弧度设置为180度，圆心在距基板底边15mm的y轴上。