CN106067590B - 一种双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线，包括依次层叠设置的双层基板结构：第一介质基板的上表面设有馈电微带线，下表面设有第一金属层；第二介质基板的上表面设有第二金属层，下表面设有第三金属层，第二介质基板与其表面的第二金属层和第三金属层贯穿设置有金属化通孔，所述金属化通孔沿第二金属层的边缘分布成一个封闭阵列，第一金属层与第二金属层的相应位置均设有大小相同的圆形缝隙，圆形缝隙位于金属化通孔封闭阵列中，第三金属层的金属化通孔封闭阵列中间设有平面螺旋缝隙。本发明用于同时接收移动通信信号和无线局域网信号，且在工作频段内垂直面方向具有全向特性，具有低剖面、重量轻、高增益、易于和平面电路集成等优点。

Description

一种双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线
技术领域
本发明涉及一种双频缝隙天线，尤其是一种双频段全向基片集成波导螺旋缝隙天线。
背景技术
由于在移动通信和无线局域网络同时覆盖区域存在2G/3G/4G/WIFI等不同标准的信号，常常需要双频或多频全向天线来接收来自各个方向的信号。
目前，国内外不少专家学者研究了各种各样的双频天线，来满足不同的通信需要，例如，双频微带天线、双频平面倒置F型天线、双频单极子天线等等。这些双频天线大多数为单向辐射天线，能全向辐射的天线较少。公布号为CN105490012A的发明专利“一种CPW馈电双频微带天线”采用将两个倒Л型槽以及共面集成波导馈线设置在介质基板的上表面，实现了可覆盖WLAN与WIMAX所有工作频段，但天线不能在所有工作频段实现全向辐射，并且增益低。公布号为CN105514612A的发明专利“低剖面双频带全向天线”采用在带接地板介质基板的另一侧印刷辐射金属贴片和围绕在辐射金属贴片周围的多个蘑菇型谐振单元结构，实现了有类似单极子天线的辐射方向图的两频段天线，可以工作在3.995～4.025GHz和4.94～6.06GHz频段上，还不能满足接收1.8GHz、2.4GHz等不同标准的2G/3G/4G/WIFI信号的需要。公布号为CN104795630A的发明专利“双频WIFI全向天线”采用两个低频辐射臂和两个高频辐射臂对称设置于所述平衡微带线的两侧，实现了能同时工作在2.4～2.5GHz及5.15～5.85GHz的全向天线，还不能同时接收移动通信信号和无线局域网信号。
综上所述，目前同时接收移动通信信号和无线局域网信号的双频带全向天线较少，对兼容多标准、多频段的天线需求显得愈发迫切。
发明内容
本发明的目的是提出一种双频段全向基片集成波导螺旋缝隙天线，能同时接收移动通信信号和无线局域网信号，全向性好且增益高。
本发明的具体技术方案如下：一种双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线，包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板与第二介质基板均为矩形，第一介质基板叠置在第二介质基板上；第一介质基板的上表面设有馈电微带线，第一介质基板的下表面设有第一金属层；第二介质基板的上表面设有第二金属层，第二介质基板的下表面设有第三金属层，第二介质基板与其表面的第二金属层和第三金属层贯穿设置有金属化通孔，所述金属化通孔沿第二金属层的边缘分布成一个封闭阵列框，第一金属层与第二金属层均设有大小相同的圆形缝隙，两个圆形缝隙位置相对，所述圆形缝隙位于金属化通孔封闭阵列框中，第三金属层设有平面螺旋缝隙，所述平面螺旋缝隙位于金属化通孔封闭阵列框中。
第一介质基板的上表面设有微带线，为天线馈电、提供匹配阻抗，第一金属层和第二金属层上的圆形缝隙将能量从第一介质基板的微带线耦合到第二介质基板，第三金属层上的平面螺旋缝隙起对外辐射电磁波作用，第二介质基板与其表面的第二金属层和第三金属层的四周设置金属化通孔，构成基片集成波导腔体，增强天线增益。采用这样的天线结构，实现了天线的高增益、双频全向辐射性能。
作为本发明的进一步改进，所述圆形缝隙的半径大于等于第一金属层宽度的1/6。圆形缝隙过小，耦合到第二介质基板的能量太低，甚至不能通过平面螺旋缝隙向外发射。
作为本发明的进一步改进，第一介质基板的长度比第二介质基板的长度长2-5mm。设置第一介质基板略长于第二介质基板，方便焊接馈电的接头。
本发明的有益效果：本发明利用平面螺旋缝隙有效辐射带可以随频率变化而变化这一特性，实现双频带全向天线，采用基片集成波导结构，有效提高天线增益，本发明能同时接收1.8GHz、2.4GHz等不同标准的移动通信信号和无线局域网信号，在垂直于天线基板的平面内天线全向性好。
附图说明
图1为本发明的天线结构爆炸图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的仰视图。
图4为本发明的天线反射系数S11随频率变化图。
图5为本发明的天线增益随频率变化图。
图6为本发明的天线垂直面辐射方向图。
图7为本发明的天线水平面辐射方向图。
图中标记：
1.第一介质基板，2.第二介质基板，3.馈电微带线，4.第一金属层，5.第二金属层，6.第三金属层，7.金属化通孔，8.圆形缝隙，9.平面螺旋缝隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1～3所示，一种双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线，包括第一介质基板1和第二介质基板2，第一介质基板1叠置在第二介质基板上2；第一介质基板1的上表面设有馈电微带线3，第一介质基板1的下表面设有第一金属层4；第二介质基板2的上表面设有第二金属层5，第二介质基板2的下表面设有第三金属层6，第二介质基板2与其表面的第二金属层5和第三金属层6贯穿设置有金属化通孔7，第二金属层5和第三金属层6通过金属化通孔7内壁的导电金属层相连，所述金属化通孔7沿第二金属层5的边缘分布成一个封闭阵列框，第二金属层5、第二介质基板2、第三金属层6以及金属化通孔7构成基片集成波导；第一金属层4与第二金属层5均设有大小相同的圆形缝隙8，所述圆形缝隙8为圆形通孔，两个圆形缝隙位置相对，所述圆形缝隙8位于金属化通孔封闭阵列框中，第三金属层6设有平面螺旋缝隙9，所述平面螺旋缝隙9位于金属化通孔封闭阵列框中。所述第一介质基板1、第一金属层4、第二金属层5、第二介质基板2和第三金属层6均为矩形且大小相同。
第一介质基板与第二介质基板的宽度都为W1，为天线最低工作频率时对应真空中波长的0.3至0.6倍。为了使第一介质基板耦合到第二介质基板的能量不太低，设置圆形缝隙的半径大于等于第一金属层宽度的1/6。为了方便焊接馈电的接头，第一介质基板的长度L1略长于第二介质基板的长度约2-5mm。
本发明的各个尺寸参数相互影响制约，天线的排布及结构设计对天线的性能影响较大，实际应用中根据性能要求和安装条件的限制，需要对天线的性能参数，例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等进行综合研究。本发明经过对天线的尺寸、性能、结构排布等方面的权衡，最终得到了下述较佳的结构实施方式，由下述具体实施例的性能参数可见，本发明的结构具有显著的进步效果。
第一介质基板采用厚度为2.0mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布，其上下表面均覆设铜板，第二介质基板采用厚度为0.5mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布，其上下表面也覆设铜板，第一介质基板与第二介质基板的相对介电常数εr都为2.2，损耗角正切tanδ为0.001；第一介质基板的长度L1和宽度W1分别为78mm和78mm，第二介质基板的长度L3和宽度W3分别为73mm和78mm；微带线的宽度W2和长度L2分别为3.3mm和43.3mm，微带线位于第一介质基板的中线上；金属化通孔阵列的每个通孔的直径为3mm，相邻两个通孔之间的间距为5.4mm；圆形缝隙的半径为22mm；平面螺旋缝隙最外缘的半径R0为26.67mm；圆形缝隙的圆心与平面螺旋缝隙的中心处于同一轴线上。
如图4所示，对比了该双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线的反射系数S11随频率变化的仿真曲线和测量曲线，证明当对应的S11小于-10dB时，该双频段缝隙天线能同时工作在1.705～1.865GHz频段(可以接收或发射工作频率处于该频段的常见移动通信信号，如中国电信的FDD-LTE信号、中国移动的GSM1800信号、中国联通的GSM1800信号等)和2.321～2.646GHz频段(频率处于该频段的常见通信信号有Wifi无线局域网信号、WiMAX无线局域网信号、中国电信/移动/联通的4G信号等)。
图5给出了该天线的增益随频率变化图，如图所示可见采用基片集成波导结构时天线的最大增益在观察的频率范围内可以达到5.5dBi。同时，将该天线所有金属化通孔(即基片集成波导结构)去掉、其它尺寸不变时得到无基片集成波导结构时的天线增益随频率变化曲线，对比这两个曲线，可见采用通过四周有金属化通孔阵列形成的基片集成波导腔体能增强天线增益(尤其在更高的频段)，提高了天线的辐射性能。
图6、7为该双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线在垂直面(垂直于天线的平面)和水平面辐射方向图，天线在低频段谐振点、天线垂直面具有全向辐射特性(谐振点频率为1.84GHz，对应的增益为4.4dBi)，在高频段谐振点、天线垂直面同样具有全向辐射特性(谐振点频率为2.45GHz，对应增益为5dBi)。

Claims (3)

1.一种双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线，其特征在于：包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板与第二介质基板均为矩形，第一介质基板叠置在第二介质基板上；第一介质基板的上表面设有馈电微带线，第一介质基板的下表面设有第一金属层；第二介质基板的上表面设有第二金属层，第二介质基板的下表面设有第三金属层，第二介质基板与其表面的第二金属层和第三金属层贯穿设置有金属化通孔，第二金属层和第三金属层通过金属化通孔内壁的导电金属层相连，所述金属化通孔沿第二金属层的边缘分布成一个封闭阵列框，第一金属层与第二金属层均设有大小相同的圆形缝隙，所述圆形缝隙为圆形通孔，两个圆形缝隙位置相对，所述圆形缝隙位于金属化通孔封闭阵列框中，第三金属层设有平面螺旋缝隙，所述平面螺旋缝隙位于金属化通孔封闭阵列框中。
2.根据权利要求1所述的双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线，其特征在于：所述圆形缝隙的半径大于等于第一金属层宽度的1/6。
3.根据权利要求1所述的双频全向基片集成波导螺旋缝隙天线，其特征在于：第一介质基板的长度比第二介质基板的长度长2-5mm。
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