CN105098347A - 一种基于复合左右手传输线单元的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合左右手传输线单元的天线，包括：介质基板，所述介质基板的上下表面分别印制第一金属层和第二金属层；所述第一金属层上设有复合左右手传输线单元，所述第二金属层的中心处设有逆开口环；所述介质基板的两个侧面分别设有电缆接头。采用本发明的技术方案，具有体积小、频率比调节更加自由，且可以线极化和圆极化共用特点。

Description

一种基于复合左右手传输线单元的天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于复合左右手传输线单元的天线。

背景技术

早期的无线电设备一般都工作在某一个特定的频段。但是随着无线通信技术的发展和需求的不断增加，有时需要无线通信系统能够工作在不同的频段。在这种情况下，当两个频段相距比较近的时候，我们可以采用宽带，或者超宽带的天线来覆盖这些频段。可是当这些频段相距比较远的时候，这种天线设计的难度就会相当大，实现的可能性就比较小。因此可以采用两套天线系统分别对应不同的收发设备，这对于天线设计而言和原来没有什么区别，并且需要考虑两套天线系统之间的干扰问题。但是设备小型化和降低成本的要求使得双频或者多频系统有时只能采用一个天线，因此要设计双多频天线才能达到目的。所谓双多频天线是指：在两个或者多个不同的频段范围内，各项性能均能满足系统要求的一副天线，具体包括带宽内驻波比、增益、方向图和效率等指标。

为了使微带天线能够实现双多频工作，现在已经研究出了多种方法，其中较为常用的方法有贴片法、抗性加载法。

一、贴片法

贴片法是实现天线双频工作的较好方法之一，也是较为常用的一种方法。下面主要介绍正交模贴片法和多贴片法这两种方法。

1)、正交模贴片法

正交模贴片天线是实现双频工作的最简单方案。它通过使矩形贴片长、宽两正交边的第一谐振频率实现双频，比如TM01模和TM10模。该方法对低成本和短距离应用较为适用，其局限性在于两个频率呈现正交极化。

2)、多贴片法

与正交模双频贴片天线不同，多贴片天线方案采用多个辐射单元来获取多个频率。各个频率既可以以相同的极化模式工作，也可以在不同极化模式下工作。对于不同的多层贴片结构，他们具有各自相应的特性。多贴片法有两种结构，一种是叠层结构，与各自独立的贴片相比，叠层多贴片结构使单一结构中的高频谐振频率进一步提高；另一种是共面多谐振器天线结构，由于受频率比有限的影响，该结构通常应用于短链路收发模块或车载卫星系统中。

二、抗性加载法

在微带天线上加载电抗性负载是目前使用最广泛的天线双频技术。加载的电抗性负载包括以下一些类型：短截线、开设槽口、销钉和电容以及缝隙等。当在微带天线上加载短截线或开设槽口来实现双频工作时，天线尺寸将有所缩减，但是频率比只能设计在不大于1.2范围之内，否则交叉极化将变大。通过在天线贴片与接地板间引入短路孔或集总电容也可以实现双频工作，可以改变短路孔或是电容数量来调节频率比。

不论是贴片法还是抗性加载法来设计双频天线，其本质都是利用传统右手传输线的相位滞后效应，因此基于右手传输线设计的双频天线往往具有体积大，频率比固定，极化方式单一固有缺点，同时频率比调节起来不够灵活。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于复合左右手传输线单元的天线，具有体积小、频率比调节更加自由，且可以线极化和圆极化共用特点。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于复合左右手传输线单元的天线包括：介质基板，所述介质基板的上下表面分别印制第一金属层和第二金属层；所述第一金属层上设有复合左右手传输线单元，所述第二金属层的中心处设有逆开口环；所述介质基板的两个侧面分别设有电缆接头。

作为优选，所述复合左右手传输线单元由中心导体带和位于两侧的导体平面构成,所述中心导体带上设有相互对称分布的一对叉指电容，两侧的所述导体平面上分别设有分别位于所述叉指电容两端且相互对称分布的一对折线电感，所述导体平面和中心导体带之间具有缝隙。

作为优选，所述叉指电容包含五个叉指，每个叉指的宽度为1.15mm，长度为2.4mm，叉指间的缝隙宽度为0.15mm；所述折线电感从左至右分为十一段，长度分别为0.62mm、2.89mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、2.89mm、0.62mm，宽度均为0.24mm，折线电感周围的缝隙宽度为0.18mm；所述导体平面和中心导体带之间的缝隙宽度为0.4mm。

作为优选，所述逆开口环为方形，其长度为9.2mm,环线宽度为0.25mm，开口宽度为0.2mm。

作为优选，所述同轴接头通过固定件安装在所述介质基板的侧面上。

作为优选，所述第一金属层和所述第二金属层通过金属化过孔连接。

作为优选，所述介质基板采用介电常数为4.3、厚度为1.5mm的FR-4基板。

作为优选，所述电缆接头为同轴电缆接头。

本发明采用复合左右手传输线单元来设计小型双频天线，与右手传输线设计的双频天线相比，该天线具有更小的体积，频率比调节更加自由，且可以线极化和圆极化共用的特点，具有更为普遍的通用性。

附图说明

图1为本发明实施例基于复合左右手传输线单元的天线的结构示意图；

图2为本发明实施例天线的等效电路模型；

图3为本发明实施例天线仿真的色散关系图；

图4为本发明实施例天线仿真和实测端口反射系数的对比曲线图；

图5为本发明实施例天线在2.0GHz时的归一化远场方向图；

图6为本发明实施例天线在2.6GHz时的归一化远场方向图；

图7为本发明实施例天线在2.0GHz时电场分布；

图8为本发明实施例天线在2.6GHz时电场分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于复合左右手传输线单元的天线，包括：介质基板1，所述介质基板1的上下表面分别印制第一金属层2和第二金属层3；所述第一金属层2上设有复合左右手传输线单元，所述第二金属层3的中心处设有逆开口环6；所述介质基板的两个侧面分别设有电缆接头8。

作为优选，所述复合左右手传输线单元由中心导体带9和位于两侧的导体平面10构成,所述中心导体带9上设有相互对称分布的一对叉指电容4，两侧的所述导体平面10上分别设有分别位于所述叉指电容4两端且相互对称分布的一对折线电感5，所述导体平面10和中心导体带9之间具有缝隙。

作为进一步优选，所述叉指电容4包含五个叉指，每个叉指的宽度为1.15mm，长度为2.4mm，叉指间的缝隙宽度为0.15mm；所述折线电感5从左至右分为十一段，长度分别为0.62mm、2.89mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、2.89mm、0.62mm，宽度均为0.24mm，折线电感5周围的缝隙宽度为0.18mm；所述导体平面10和中心导体带9之间的缝隙宽度为0.4mm。

作为进一步优选，所述逆开口环为方形，其长度为9.2mm,环线宽度为0.25mm，开口宽度为0.2mm；所述逆开口环可以等效成一个并联谐振电路，具有相应的谐振频率，应用于天线中可以在谐振频率上向外辐射能量。

作为优选，所述同轴接头8通过固定件11安装在所述介质基板1的侧面上。

作为优选，所述第一金属层2和所述第二金属层3通过金属化过孔7连接。

作为优选，所述介质基板1采用介电常数为4.3、厚度为1.5mm的FR-4基板。

作为优选，所述电缆接头8为同轴电缆接头，所述电缆接头8用于通过电源给天线馈电。

如图2所示，所述叉指电容4构成等效电路中左手传输线的串联电容C_L和右手传输线串联电感L_R，所述折线电感5构成等效电路中左手传输线的并联电感L_L，所述叉指电容4和所述导体平面10与中心导体带9之间的缝隙构成等效电路中右手传输线的并联电容C_R；逆开口环6构成等效电路中C_p和L_p组成的并联谐振电路，第一金属层2和第二金属层3之间的缝隙电容构成等效电路中的电容C_S；Z代表复合左右手传输线单元的串联阻抗，Y₁，Y₂分别代表复合左右手传输线单元的并联导纳和逆开口环等效的并联导纳。

根据本发明天线的等效电路模型，该天线的色散关系表达式为： $\mathrm{\β}L={\cos }^{-1}\left(1-\frac{1}{2}\frac{(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{se}^2})(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{sh}^2})}{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_L^2}}+\frac{C_s}{2C_L}\frac{(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{se}^2})(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_p^2})}{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_s^2}}\right),$ 其中，b为电磁波的相位常数，L为介质基板的长度， ${\mathrm{\ω}}_{se}=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_R}},{\mathrm{\ω}}_{sh}=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_L}},{\mathrm{\ω}}_L=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_L}},{\mathrm{\ω}}_R=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_R}},{\mathrm{\ω}}_p=\frac{1}{\sqrt{C_p{L}_p}},$ ${\mathrm{\ω}}_S=\frac{1}{\sqrt{L_P(C_P+C_S)}}.$

在电磁仿真软件HFSS中对本发明天线进行仿真，对仿真得到的S参数进行数据处理，并且在ADS软件中对电路模型进行仿真。将得到的两组色散关系进行对比如图3所示。发现结果吻合一致，验证了电路模型的正确性，且从图3可以看出，本发明天线在低于1.89GHz的频段内表现出左手特性，在高于2.0GHz频段内表现出右手特性。在1.89GHz～2.0GHz频段内为频率禁带。由前述分析可知，本发明天线结构在低频段表现左手特性，在高频段表现右手特性。

为了说明天线的工作机理，需要对天线建模仿真。如图4所示，天线在2.0GHz附近和2.60GHz附近反射系数小于-10dB，表明天线可以在该两个频段内有效工作。同时，图5和图6分别给出了天线在两个频率上的远场辐射方向图，表明天线在该两个频段上天线具有规则的辐射方向图，能够进行有效辐射。

为了说明天线在两个频段上的极化形式，利用HFSS仿真了天线在两个频率上的电场和电流分布。图7为天线在2.0GHz时的电场分布，可以看出电场在水平面内均匀分布，此时天线工作在先计划状态；图8给出了天线在2.6GHz时的电流分布，可以看出电流在水平面内具有周期旋转特性，此时天线工作在圆极化状态。

本发明基于复合左右手传输线单元作为基本辐射源，基于复合左右手传输线的非线性色散关系，在HFSS中通过建模仿真运算，设计了一副基于复合左右手传输线单元的小型化双频线/圆极化共用天线。分别仿真和测试了天线端口反射系数，远场辐射方向图，并且分析了天线的极化方式。最后将该双频天线测试结果总结如表1所示。

表1双频天线测试结果

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，包括：介质基板(1)，所述介质基板(1)的上下表面分别印制第一金属层(2)和第二金属层(3)；所述第一金属层(2)上设有复合左右手传输线单元，所述第二金属层(3)的中心处设有逆开口环(6)；所述介质基板(1)的两个侧面分别设有电缆接头8。

2.如权利要求1所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述复合左右手传输线单元由中心导体带(9)和位于两侧的导体平面(10)构成,所述中心导体带(9)上设有相互对称分布的一对叉指电容(4)，两侧的所述导体平面(10)上分别设有分别位于所述叉指电容(4)两端且相互对称分布的一对折线电感(5)，所述导体平面(10)和中心导体带(9)之间具有缝隙。

3.如权利要求2所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述叉指电容(4)包含五个叉指，每个叉指的宽度为1.15mm，长度为2.4mm，叉指间的缝隙宽度为0.15mm；所述折线电感(5)从左至右分为十一段，长度分别为0.62mm、2.89mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、5.78mm、1.24mm、2.89mm、0.62mm，宽度均为0.24mm，折线电感(5)周围的缝隙宽度为0.18mm；所述导体平面和中心导体带之间的缝隙宽度为0.4mm。

4.如权利要求3所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述逆开口环(6)为方形，其长度为9.2mm,环线宽度为0.25mm，开口宽度为0.2mm。

5.如权利要求1所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述同轴接头(8)通过固定件安装在所述介质基板(1)的侧面上。

6.如权利要求1所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述第一金属层(2)和所述第二金属层(3)通过金属化过孔(7)连接。

7.如权利要求1所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述介质基板(1)采用介电常数为4.3、厚度为1.5mm的FR-4基板。

8.如权利要求1所述的基于复合左右手传输线单元的天线，其特征在于，所述电缆接头(8)为同轴电缆接头。