CN105305053A - 一种小型平面四频段开槽天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型平面四频段开槽天线，包括介质基板1、微带辐射单元2及梳状接地板3；所述微带辐射单元2设置在介质基板1上，由两个呈“T”形分布的矩形部分组成，其中宽部矩形部分上设有一个圆形槽，窄部矩形部分一侧设有一个倒L形槽；利用开设的梳状地结构实现2.4/5.5GHz两个特定频带；设计的微带辐射单元及其上所开的倒L形槽结构实现3.5GHz频带；设计的辐射单元及其上所开的圆形槽实现8GHz频带。这样的组合开槽设计完美实现了四个频带的通信应用需求，而且，采用印刷天线的结构，体积得到较大幅度的减小。相比于现有技术中的多频带天线，本发明具有体积小、结构简单、阻抗带宽宽、覆盖频带较多的特点。
Description
技术领域
本发明属于移动通信系统和无线通信领域，具体涉及一种小型平面四频段开槽天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，移动通信网、无线局域网、全球微波互联接入网等无线网络中，多种无线通信标准逐渐完善并投入应用，已经出现多种无线通信标准共存的局面。
移动通信网的标准中，GSM(GlobalSystemforMobilecommunication，全球移动通信系统)，仍是当前应用最为广泛的无线通信标准之一，通常工作于900MHz频段或者1800MHz频段。LTE(LongTermEvolution，长期演进)是由3GPP(The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统)技术标准的长期演进。我国TD-LTE的频段主要分布在1.8/2.3/2.6GHz频段，具体为：中国移动的1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz频段；中国联通的2300-2320MHz、2555-2575MHz频段；中国电信的2370-2390MHz、2635-2655MHz频段。城域网中的WiMAX(WorldwideinteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波互联接入)标准，又称802.16标准，主要工作于2.5/3.5/5.5GHz的频段。WLAN(WirelessLocalAreaNetwork，无线局域网)工作在无需授权的2.4/5GHz频段。根据国际电信联盟无线电规则第8条，X频段在空间应用方面有空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。X波段通常的下行频率为7.25-7.75GHz，上行频率为7.9-8.4GHz，也常被称为7/8GHz波段。
目前，将支持多频段的多频段天线集成到移动智能终端设备中，使得移动智能终端设备具备多模式(通常不同模式工作在不同频率)的接入网络的能力已经成为发展趋势。现有的多频段天线存在体积较大、结构复杂并且工作频带不足以覆盖多种通信应用的缺点，无法适应移动终端设备轻薄化、功能多样化的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多频微带贴片天线，实现简化结构，降低尺寸和成本，增加频段，并且能够同时工作在移动通信系统，WLAN/WiMAX，X波段上行信号频段，用以满足微带天线小型化，结构简单，易于制作的技术特点。通过在辐射贴片单元上进行组合开槽并与梳状地相结合，从而实现单个天线的多频段特性。
一种小型平面四频段开槽天线，包括介质基板1、微带辐射单元2及梳状接地板3；
所述微带辐射单元2设置在介质基板1上，由两个呈“T”形分布的矩形部分组成，其中宽部矩形部分上设有一个圆形槽，窄部矩形部分一侧设有一个倒L形槽；
所述梳状接地板3设置在介质基板背面底部，梳状接地板宽度与介质基板宽度相同；所述梳状接地板上设有三个呈梳形分布的矩形槽，且三个矩形槽关于介质基板的竖直轴线对称。
所述微带辐射单元通过底端进行馈电，即通过“T”形中的窄部矩形部分馈电。
所述微带辐射单元2总长度为30mm，与介质基板1的长度相同；
所述微带辐射单元的宽部矩形部分的长和宽均为12mm；
所述微带辐射单元的窄部矩形部分的长度为18mm，宽度为2.7-3.0mm。
所述微带辐射单元2中宽部矩形部分上圆形槽的半径为R1，设置为4.8-5.2mm。
所述微带辐射单元2中窄部矩形上倒L形槽包括：竖槽和横槽；
所述竖槽的长为13.3-13.5mm，宽为0.5mm；所述横槽的长和宽均为0.5mm。
所述介质基板1背面底端的梳形接地面长度为10mm，宽度为20mm，与介质基板的宽度相同。
所述梳状接地板是在一块矩形接地板上开设三个矩形槽所形成；
所述三个矩形槽中位于介质基板竖直轴线上的矩形槽长度设置为6.9-7.1mm，宽度设置为6.8-7.2mm；对称分布的两个矩形槽长度设置为8.8-9.2mm，宽度设置为1mm。
所述介质基板1为FR4环氧树脂材质，介质基板厚度为1.6mm。
该小型四频段开槽天线通过微带辐射单元组合开槽且与梳妆地相结合的方式，可实现各自独立、互不耦合的的频带特性，而且，通过槽参数的调整可以调节各自频带的中心频率和带宽。
有益效果
本发明提供了一种小型平面四频段开槽天线，包括介质基板1、微带辐射单元2及梳状接地板3；所述微带辐射单元2设置在介质基板1上，由两个呈“T”形分布的矩形部分组成，其中宽部矩形部分上设有一个圆形槽，窄部矩形部分一侧设有一个倒L形槽；
利用开设的梳状地结构实现2.4/5.5GHz两个特定频带；设计的微带辐射单元及其上所开的倒L形槽结构实现3.5GHz频带；设计的辐射单元及其上所开的圆形槽实现8GHz频带。这样的组合开槽设计完全不同于以往的结构，完美实现了四个频带的通信应用需求，而且，采用印刷天线的结构，体积得到较大幅度的减小。相比于现有技术中的多频带天线，本发明具有体积小、结构简单、阻抗带宽宽、覆盖频带较多的特点，同时克服了现有空间不足以及频带少两个问题。
与同类设计的对比，现有的设计大多只能实现2.4GHz以上的双频段或三频段应用，且体积偏大。要想在如此狭小的空间内实现三频段以上的频带特性是非常困难的，这是因为一方面因为受制于空间，另一方面各相邻频段间容易发生相互耦合。本发明成功实现了1.87～2.53GHz，3.39～3.95GHz，4.95～6.39GHz，7.84～8.42GHz四个有用频段，并且结构简单、体积较小、各频段带宽较宽，因此大大增加了其适用范围，可同时满足PCS、WCDMA、WLAN(2.4/5.2/5.8GHz)和WiMAX(2.5/3.5/5.5GHz)的应用及X波段卫星上行信号。
附图说明
图1是本发明所述天线结构示意图，其中，(a)为天线侧视图，(b)为天线正面图，(c)为天线反面图；
图2是实施例小型平面四频段开槽天线的S11曲线图；
图3是实施例小型平面四频段开槽天线组合开槽方式对应的S11曲线图，其中，(a)为辐射贴片和接地板均未开槽时对应的S11曲线图，(b)为由接地板开槽形成的梳状地对应的S11曲线图，(c)为倒L形槽和梳状地结合对应的S11曲线图，(d)为倒L形槽和圆形槽组合开槽后结合梳状地所对应的S11曲线图；
图4是实施例小型平面四频段开槽天线组合开槽方式对应的电流分布图；
图5是实施例小型平面四频段开槽天线的增益曲线图；
图6是实施例S11随辐射单元窄部矩形宽度Wp的变化曲线图；
标号说明：1-介质基板，2-微带辐射单元，3-梳状接地板。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种小型平面四频段开槽天线，包括介质基板1、微带辐射单元2及梳状接地板3；
所述微带辐射单元2设置在介质基板1上，由两个呈“T”形分布的矩形部分组成，其中宽部矩形部分上设有一个圆形槽，窄部矩形部分一侧设有一个倒L形槽；
所述梳状接地板3设置在介质基板背面底部，梳状接地板宽度与介质基板宽度相同；所述梳状接地板上设有三个呈梳形分布的矩形槽，且三个矩形槽关于介质基板的竖直轴线对称。
所述微带辐射单元通过底端进行馈电，即通过“T”形中的窄部矩形部分馈电。
实施例：天线结构如图1所示，对应参数标于其上，天线印制在尺寸为30×20×1.6mm3的介质基板上1上，即FR4基板上。介质基板1的正面是一个刻有倒L形及圆形槽的微带辐射单元2。基板背面的梳形接地板3由矩形接地板经过如下改造：在矩形接地板竖直轴线上开一个矩形槽，同时在矩形接地板上开两个相对狭长的矩形槽。具体参数列表见表1：
表1(单位：mm)
| Wg1 | Lg1 | Lp | Lp1 | Wp | Wz1 | Lz1 | Lg2 |
| 20 | 10 | 30 | 18 | 2.8 | 12 | 12 | 9 |
| Wg2 | Lg3 | Wg3 | Lc1 | Wc1 | Lc2 | Wc2 | R1 |
| 1 | 7 | 7 | 13 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 5 |
图2是实施例小型平面四频段开槽天线的回波损耗曲线图，从图中可以看出，天线在1-10GHz频带范围内存在四个工作频段：
1.87～2.53GHz，3.39～3.95GHz，4.95～6.39GHz，7.84～8.42GHz，对应覆盖整个PCS、WCDMA、WLAN(2.4/5.2/5.8GHz)和WiMAX(2.5/3.5/5.5GHz)应用以及X波段卫星上行信号。
图3是实施例小型平面四频段开槽天线组合开槽方式对应的S11曲线图，从图中可以看出，利用开设的梳状地结合辐射贴片单元可实现2.4/5.5GHz两个特定频段，如图3(b)所示；利用辐射贴片单元上开设的倒L形槽可实现3.5GHz频段，如图3(c)所示；利用辐射贴片单元上开设的圆形槽可实现8GHz频段，如图3(d)所示。总之，通过在辐射贴片上组合开槽并与梳状地相结合的方式，可实现各自独立互不耦合的四频带特性，而且通过各自槽参数的调整可以调节各自频带的中心频率和带宽。图4是实施例小型平面四频段开槽天线组合开槽方式对应的电流分布图，其中，箭头表示电流的流向，其粗细和疏密程度表示电流的强弱。激励电流产生天线的工作频段，电流主要集中在某个范围时，表明是该部分的结构引起的激励电流。图4中，对应各工作频段的激励电流分别由不同的结构引起。
从图中可以看出，在2.4/3.5/5.5/8GHz四个不同频段，产生各自频段的激励电流主要分布在不同的开槽结构中，这说明本设计通过在贴片上组合开槽并与梳状地相结合的方式可以实现互不耦合的四频段特性。具体来说，当天线工作在3.5GHz频段时，如图4(a)所示，电流主要分布在倒L形槽附近；如图4(b)所示，梳形地上中间部分的矩形槽配合辐射贴片单元产生了2.4GHz频段；如图4(c)所示，梳形地上左右两侧对称的矩形槽配合辐射贴片单元产生了5.5GHz频段；当天线工作在8GHz频段时，如图4(d)所示，电流主要分布在贴片单元的圆形槽附近。
图5是实施例小型平面四频段开槽天线的增益曲线图，从图中可以看出，天线在较宽的频带内增益稳定在3～6dB范围内。
图6是实施例小型平面四频段开槽天线主要参数扫描分析。从图中可以看出，当Wp取范围2.7-3.0mm时，天线能够覆盖前文提到的四个频段。
相比于现有技术中的多频带天线，本发明具有体积小、结构简单、阻抗带宽宽、覆盖频带较多的特点。与同类设计的对比参见表2
表2
| 文献 | 体积(mm3) | 工作频段(GHz) |
| 文献[1] | 63.865×52.96×1.6 | 双频段：2.4-2.52,5.1-5.85 |
| 文献[2] | 60×60×1.6 | 双频段：2.395-2.695,4.975-5.935 |
| 文献[3] | 64×62×1.6 | 三频段：2.38-2.49,3.49-3.63,5.57-6.20 |
| 文献[4] | 35×30×1.6 | 三频段：2.4-3.0,3.25-3.68,4.9-6.2 |
| 文献[5] | 38×25×1.6 | 三频段：2.4-2.7,3.1-4.15,4.93-5.89 |
本发明具有良好的阻抗带宽和多频带特性，特别强调的是，在如此小的体积上完整实现四频段应用是非常困难的，本发明成功实现并且结构简单、体积较小，因此大大增加了其适用范围，且比较容易和射频前端微波集成电路集成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
参考文献：
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[3]L.Peng,C.L.Ruan,andX.H.Wu,“Designandoperationofdual/triplebandasymmetricM-shapedmicrostrippatchantennas”,IEEETransactiononAntennasandPropagation,vol.10,pp1069-1072,2010.
[4]L.Dang,Z.Y.Lei,Y.J.Xie,G.L.Ning,andJ.Fan,“Acompactmicrostripslottriple-bandantennaforwlan/wimaxapplications,”IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,vol.9,pp.1178–1181,2010.
[5]J.Pei,A.G.Wang,S.Gao,andW.Leng,“MiniaturizedTriple-bandantennawithadefectedgroundplaneforwlan/wimaxapplications”,IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,vol.10,pp.298-301,2011。
Claims (7)
1.一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，包括介质基板(1)、微带辐射单元(2)及梳状接地板(3)；
所述微带辐射单元(2)设置在介质基板(1)上，由两个呈“T”形分布的矩形部分组成，其中宽部矩形部分上设有一个圆形槽，窄部矩形部分一侧设有一个倒L形槽；
所述梳状接地板(3)设置在介质基板背面底部，梳状接地板宽度与介质基板宽度相同；所述梳状接地板上设有三个呈梳形分布的矩形槽，且三个矩形槽关于介质基板的竖直轴线对称。
2.根据权利要求1所述的一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，所述微带辐射单元(2)总长度为30mm，与介质基板(1)的长度相同；
所述微带辐射单元的宽部矩形部分的长和宽均为12mm；
所述微带辐射单元的窄部矩形部分的长度为18mm，宽度为2.7-3.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，所述微带辐射单元(2)中宽部矩形部分上圆形槽的半径为R1，设置为4.8-5.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，所述微带辐射单元(2)中窄部矩形上倒L形槽包括：竖槽和横槽；
所述竖槽的长为13.3-13.5mm，宽为0.5mm；所述横槽的长和宽均为0.5mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，所述介质基板(1)背面底端的梳形接地面长度为10mm，宽度为20mm，与介质基板的宽度相同。
6.根据权利要求5所述的一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，所述梳状接地板是在一块矩形接地板上开设三个矩形槽所形成；
所述三个矩形槽中位于介质基板竖直轴线上的矩形槽长度设置为6.9-7.1mm，宽度设置为6.8-7.2mm；对称分布的两个矩形槽长度设置为8.8-9.2mm，宽度设置为1mm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型平面四频段开槽天线，其特征在于，所述介质基板(1)为FR4环氧树脂材质，介质基板厚度为1.6mm。
Priority Applications (1)
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| CN108627836A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-10-09 | 江苏大学 | 一种双频段探测停车位雷达射频前端装置 |
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| CN202373694U (zh) * | 2011-10-26 | 2012-08-08 | 天津职业技术师范大学 | 具有双陷波特性的超宽带天线 |
| CN104953272A (zh) * | 2015-07-15 | 2015-09-30 | 中南大学 | 一种具有缺陷地圆形槽的三频带超宽带天线 |
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2015
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| CN108627836B (zh) * | 2018-01-30 | 2020-06-26 | 江苏大学 | 一种双频段探测停车位雷达射频前端装置 |
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