CN105098336B - 一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线 - Google Patents

一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，属于无线通信技术领域。该多频段天线包括介质基板，辐射面，馈线，地面结构和陷波结构；所述天线的辐射面为半个椭圆金属面，馈线与辐射面相连接，天线的馈电采用非对称共面馈电结构，所述天线的地面结构为1/4椭圆形状；所述天线的结构是一个宽频带天线，所述陷波结构位于天线的背面，所述陷波结构包括三个开口谐振环，所述三个谐振环用于产生三个频段的陷波。本发明提供的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，可以产生三个不同频率的陷波，从而获得可应用于WLAN和WiMAX通信系统的三频段天线。

Description

一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线。
背景技术
随着现代无线通信系统的飞速发展，无线局域网(Wireless Local AreaNetwork,WLAN)和全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess,WiMAX)得到广泛的应用，实现无地域限制的无线网络模式。目前的WLAN主要工作在2.45GHz(2.4—2.484GHz)、5.25GHz(5.15—5.35GHz)和5.8GHz(5.725—5.825GHz)频段，而WiMAX工作在2.5GHz(2.5—2.69GHz)、3.5GHz(3.4—3.69GHz)和5.5GHz(5.25—5.85GHz)频段。天线在无线通信系统中占据十分重要的地位，是组成无线通信系统的主要部件之一。
在无线通信领域中，微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面低、可共形等特点，引起了人们的广泛关注。微带多频天线的设计方法有两种：其一，用几个窄带谐振单元合成一个多频段天线；其二，设计一种宽带天线，然后采用滤波或频带阻断技术获得所需要的频段。现在常用的天线小型化技术有以下几种：增加介质基板的介电常数、短路加载技术、曲流技术、附加有源网络、采用特殊形状的贴片等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，该天线可同时工作于WLAN(2.4GHz和5.25GHz)和WiMAX(2.5GHz和3.5GHz)三个频段。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，包括介质基板，辐射面，馈线，地面结构和陷波结构；所述天线的辐射面为半个椭圆金属面，馈线与辐射面相连接，天线的馈电采用非对称共面馈电结构，所述天线的地面结构为1/4椭圆形状；所述陷波结构位于天线的背面，所述陷波结构包括三个开口谐振环，三个谐振环用于产生三个频段的陷波。
进一步，所述三个开口谐振环的开口尺寸均为WS，三个谐振环同圆心，所述三个开口谐振环的半径各不相同，分别为大谐振环，中谐振环，小谐振环。
进一步，所述大谐振环用于产生低频段的陷波，所述中谐振环用于产生中频段的陷波，所述小谐振环用于产生高频段的陷波。
进一步，所述辐射面椭圆的长轴为2(W–W2–W3–W0/2)，短轴为L–W4–L1；其中，W为多频段天线的宽，W2为辐射面右顶点到多频段天线右边的距离，W3为辐射面左边到多频段天线左边的距离，W0为馈线的宽，L为多频段天线的长，W4为辐射面上顶点到多频段天线上边的距离，L1为馈线的长。
进一步，所述地面结构椭圆的长轴为2(W–W3–W0–d–L2)，短轴为2(L1–W1)；其中，W为多频段天线的宽，W3为辐射面左边到多频段天线左边的距离，W0为馈线的宽，d为馈线的右边到地面结构左边的距离，L2为地面结构右顶点到多频段天线右边的距离，L1为馈线的长，W1辐射面下顶点到地面结构上顶点的距离。
进一步，所述三个开口谐振环的尺寸为：R1＝2.5mm，R2＝2.7mm，R3＝3.5mm，R4＝3.8mm，R5＝4.6mm，R6＝4.8mm，WS＝1mm，X1＝3.8mm，Y1＝5.5mm；R1为小谐振环内环半径，R2为小谐振环外环半径，R3为中谐振环内环半径，R4为中谐振环外环半径，R5为大谐振环内环半径，R6为大谐振环外环半径，X1为谐振环圆心到多频段天线左边的距离，Y1为谐振环圆心到多频段天线下边的距离。
进一步，所述三个频段分别为高频段5.2GHz-5.6GHz、中频段3.24GHz-3.91GHz和低频段2.2GHz-2.9GHz。
进一步，所述介质基板为FR4介质板，介电常数为4.4，介质板厚度为1.6mm。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，可同时工作于WLAN(2.4GHz和5.25GHz)和WiMAX(2.5GHz和3.5GHz)三个频段的微带天线；通过使用非对称共面馈电方式，极大地减小了天线的尺寸，实现天线的小型化；通过在一个宽频带的微带天线的基础上加载开口谐振金属环(SRR)，达到陷波的目的；通过使用3个大小不同的开口谐振环，以实现3个不同频率的陷波，从而获得可应用于WLAN和WiMAX通信系统的三频段天线。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明所述多频段天线的结构示意图；
图2为宽带天线的S11；
图3为加载陷波结构的天线；
图4为三频段陷波结构；
图5为加载一个环的陷波天线的S11；
图6为加载两个环的陷波天线的S11；
图7为加载三个环的陷波天线的S11；
图8为加载谐振环与未加载谐振环的天线的S11；
图9为2.5GHz的辐射方向图；
图10为3.5GHz的辐射方向图；
图11为5.5GHz的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明所提供的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其结构如图1所示，天线的基板为FR4介质板，介电常数为4.4，尺寸为：28mm×18mm×1.6mm。天线的正面由右边的半个椭圆金属面组成天线的辐射面，该椭圆的长轴为2(W–W2–W3–W0/2)，短轴为：L–W4–L1。辐射面位于多频段天线的左上方。
天线的馈电采用非对称共面馈电结构，该结构可以极大地减小天线的尺寸，实现天线的小型化。馈线与辐射面相连接，馈线的左边与椭圆辐射面的中心线在同一条线上，馈线的宽度为W0＝3mm。
该天线的地面结构为1/4椭圆，为椭圆右上部分。地面椭圆的长轴为：2(W–W3–W0–d–L2)，短轴为：2(L1–W1)。馈线的右边与地面结构左边的缝隙为d＝0.4mm。地面结构位于多频段天线的下方。图1的天线结构是一个宽频带天线，其S11如图2所示，天线的带宽从2.1GHz到6GHz以上。图2中的S参数对应的天线的尺寸为：多频段天线的长L＝28mm，多频段天线的宽W＝18mm，馈线的宽W0＝3mm，辐射面下顶点到地面结构上顶点的距离W1＝0.44mm，地面结构右顶点到多频段天线右边的距离L2＝0.2mm，辐射面右顶点到多频段天线右边的距离W2＝0.9mm，辐射面左边到多频段天线左边的距离W3＝1.4mm，辐射面上顶点到多频段天线上边的距离W4＝0.5mm，馈线的长L1＝8.44mm，馈线的右边到地面结构左边的距离d＝0.4mm。
图3所示为加载陷波结构之后的天线示意图，图4为三频段陷波结构的示意图。该陷波结构由三个开口谐振环组成，谐振环的开口尺寸均为WS，而且三个环的圆心在同一个位置上。将三个开口谐振环放置于天线的背面的左下角，三个开口谐振环可产生三个频段的陷波。
图5所示为只有一个开口谐振环的陷波天线的S参数图，该谐振环为图4中最大的一个谐振环。从图5可以看出，天线在3GHz处有一个陷波，将宽带天线变为2个频段的天线，低频段为2.2GHz-2.9GHz。
图6所示为加载两个开口谐振环的陷波天线的S参数图。这两个环是图4中的大环与中环，也即是在图5的结果的基础上加载第二个环，即中环。如图6所示，加载中环后，大环产生的在3GHz的第一个陷波保持不变，由中环产生的第二个陷波在4GHz左右。由宽带的天线变成两个频段的天线，低频段的带宽依然不变，中频段的带宽为3.24GHz-3.91GHz。
图7所示为加载三个开口谐振环的陷波天线的S参数图，这三个环的结构如图4所示。在图6的基础上加载小环，且中环的尺寸和大环的尺寸不变。如图7所示，加载小环后，对中环和大环产生的陷波频率没有任何影响。小环产生的陷波频率在5.8GHz处。此时，我们获得三个频段，低频段为2.2GHz-2.9GHz，中频段为3.24GHz-3.91GHz，高频段为5.2GHz-5.6GHz。三个开口谐振环的最优尺寸为：小谐振环内环半径R1＝2.5mm，小谐振环外环半径R2＝2.7mm，中谐振环内环半径R3＝3.5mm，中谐振环外环半径R4＝3.8mm，大谐振环内环半径R5＝4.6mm，大谐振环外环半径R6＝4.8mm，谐振环的开口的尺寸WS＝1mm，谐振环圆心到多频段天线左边的距离X1＝3.8mm，谐振环圆心到多频段天线下边的距离Y1＝5.5mm。
由图7可知，该天线的三个频段能够适用于WLAN与WiMAX通信系统，而且在同样的工作频段，该天线与一般的共面波导(CPW)馈电的天线相比，其尺寸只有CPW馈电天线的一半。
图8所示为对比研究天线从没有加载谐振环到加载一个谐振环，再到加载第二个谐振环，最后到加载第三个谐振环的S参数曲线图。从图可以看出，后面加载的谐振环对前面已加载的谐振环的性能没有影响，具有很好的独立性。从而更好地实现天线陷波的可调性，能够更加容易地产生多频段天线。
图9、10、11分别为所优化设计的小型化多频段天线在2.5GHz、3.5GHz和5.5GHz的辐射方向图。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其特征在于：包括介质基板，辐射面，馈线，地面结构和陷波结构；所述天线的辐射面为半个椭圆金属面，馈线与辐射面相连接，天线的馈电采用非对称共面馈电结构，所述天线的地面结构为1/4椭圆形状；所述陷波结构位于天线的背面，且所述陷波结构在介质基板正面的投影至少部分地与所述馈线和所述地面结构重叠，所述陷波结构包括三个开口谐振环，三个谐振环用于产生三个频段的陷波；
所述辐射面椭圆的长轴为2(W–W2–W3–W0/2)，短轴为L–W4–L1；其中，W为多频段天线的宽，W2为辐射面右顶点到多频段天线右边的距离，W3为辐射面左边到多频段天线左边的距离，W0为馈线的宽，L为多频段天线的长，W4为辐射面上顶点到多频段天线上边的距离，L1为馈线的长；
所述地面结构椭圆的长轴为2(W–W3–W0–d–L2)，短轴为2(L1–W1)；其中，W为多频段天线的宽，W3为辐射面左边到多频段天线左边的距离，W0为馈线的宽，d为馈线的右边到地面结构左边的距离，L2为地面结构右顶点到多频段天线右边的距离，L1为馈线的长，W1辐射面下顶点到地面结构上顶点的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其特征在于：所述三个开口谐振环的开口尺寸均为WS，三个谐振环同圆心，所述三个开口谐振环的半径各不相同，分别为大谐振环，中谐振环，小谐振环。
3.根据权利要求2所述的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其特征在于：所述大谐振环用于产生低频段的陷波，所述中谐振环用于产生中频段的陷波，所述小谐振环用于产生高频段的陷波。
4.根据权利要求2所述的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其特征在于：所述三个开口谐振环的尺寸为：R1＝2.5mm，R2＝2.7mm，R3＝3.5mm，R4＝3.8mm，R5＝4.6mm，R6＝4.8mm，WS＝1mm，X1＝3.8mm，Y1＝5.5mm；R1为小谐振环内环半径，R2为小谐振环外环半径，R3为中谐振环内环半径，R4为中谐振环外环半径，R5为大谐振环内环半径，R6为大谐振环外环半径，X1为谐振环圆心到多频段天线左边的距离，Y1为谐振环圆心到多频段天线下边的距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其特征在于：所述三个频段分别为高频段5.2GHz-5.6GHz、中频段3.24GHz-3.91GHz和低频段2.2GHz-2.9GHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于非对称共面馈电的小型化多频段天线，其特征在于：所述介质基板为FR4介质板，介电常数为4.4，介质板厚度为1.6mm。
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