CN106159436A - 一种适用于wlan的小型化双极化天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于WLAN的小型化双极化天线，包括金属辐射贴片、微带馈线、第一介质板、第二介质板和接地板，其特征是：金属辐射贴片设置在第一层介质板上表面，微带馈线设置在第一层介质板和第二层介质板之间，且刻蚀在第二层介质板上表面的相邻两边正中心处，接地板设置在第二层介质板下表面。本发明的优点是：具有高增益、宽频带、低损耗、低成本、结构紧凑、辐射性能好等特点，并满足2.4GHz频段的WLAN通信网络的要求。

Description

一种适用于WLAN的小型化双极化天线及其制作方法

技术领域

本发明涉及天线，具体是一种适用于WLAN的小型化双极化天线及其制作方法。

背景技术

WLAN(Wireless Local Area Network,无线局域网)是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，客服可以通过笔记本电脑、PDA等终端，以WLAN随时间地接入互联网和企业网；是基于IEEE802.11g标准，它使用无线电波作为数据传送的媒介，传送距离一般为几十米；无线局域网的主干网络通常使用电缆连接，无线局域网的用户电脑通过一个或很多个AP(Access Points，无线访问节点)接入无线局域网。显然，在无线局域网中天线是传送无线电波的关键元件之一。

随着通信技术的飞速发展，无线通信日益走向宽频高速率多媒体的应用，频谱资源严重不足的问题日益严重，面对如此紧张频谱资源需求，如何有效的利用相对贫乏的频谱资源，提供高质量高速率的信息已成为当前应用工程上急需解决的首要问题。如今现有移动设备的天线基本附着在独立的天线支架表面，为了使天线具备良好的辐射性能，内置天线在移动物体内需要占据一定的空间，同时天线性能受其周围环境的影响很大，尤其现在移动物体越来越向小型化趋势发展，那留给天线布局的空间越来越小。如今PCB印刷的内置天线逐渐成为WLAN天线的主流，双极化技术更是解决上述问题的最好办法，因此多种应用于WLAN的双极化天线的设计形式相继出现。比如中国专利CN 201754429 U设计了一种用于无线局域网双极化天线，此天线所表现的隔离度其实不够高，尤其在对天线小型化和高集成度要求越来越高情况下，此发明天线较高厚度和较大物理尺寸肯定会影响到该天线其它性能在实际工程中的表现；中国专利200410040393.5带宽其实不宽，而且其它性能不够突出，这种天线在实际应用的范围不广。另外很多天线虽然某一指标较优，但从综合整体指标来看，其它性能表现的不够理想，在实际应用中表现得不够突出。

所谓双极化天线就是把垂直极化和水平极化两个接收天线制作于单一天线体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收效果，即此类天线可以在一个带宽内同时接收两种信号。双极化天线作为微带天线的重要组成部分，它继承了微带天线的馈电方式和极化形式的多样性及馈电网络、有源电路集成一体化等优点，而且其本身具有低剖面结构，可以方便实现与其他载体共形，大大拓展带宽，基于其具有上述优点，双极化天线已成为当前微带天线研究的主角。但由于微带贴片天线本身所固有的带宽窄，增益低等缺点，所以在设计双极化天线时表现得相当复杂。尤其在实际工程中，使用天线时往往对天线的极化特性提出很高的要求， 需要考虑到天线增益、阻抗匹配、尺寸大小与极化耦合等问题，使得其在实际应用时受到了一些限制，并且成为当前微带天线研究的主要技术障碍。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种新型的宽频带、小型化、结构紧凑、高隔离度等各方面性能都相对优秀的天线及其制作方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种适用于WLAN的小型化双极化天线，包括金属辐射贴片、第一微带馈线、第二微带馈线、第一介质板、第二介质板和接地板，金属辐射贴片刻蚀在第一层介质板上表面，第一微带馈线和第二微带馈线设置在第一层介质板和第二层介质板之间，且刻蚀在第二层介质板的相邻两边正中心，接地板设置在第二介质板下面。

所述的金属辐射贴片为四边均切割成“凸”字形特殊形式，在贴片上开特殊形状，拓展了频带带宽,而且使得天线小型化，改善了天线的频带带宽和天线明显小型化。

所述的金属辐射贴片采用对称结构，可以保证天线较高的端口隔离度和较低的交叉极化电平，展宽了天线带宽。

所述的接地板上开有“十”字形缝，设置有第一馈电点和第二馈电点，采用缝隙耦合馈电，提高天线两端口之间的隔离度和展宽天线带宽，提高天线小型化率。

所述的第一介质板、第二介质板采用介电常数ε_r为4.4的FR-4覆铜板材料，辐射单元采用该介质板可以展宽频带，馈电网络采用高介电常数薄基片有利于将场束缚在馈线内，这样可以适当改变天线的辐射条件和阻抗特性。

所述的天线第一介质板和第二介质板之间无空气，缩小了天线厚度，在保持天线高性能的同时具有天线小型化。

天线制作方法包括如下步骤：

1)根据天线制作要求将正方型金属贴片四边设计成对称结构的“凸”字形状，并将金属贴片刻蚀在第一层介质板表面上。在辐射贴片表面四边切割四个相同凸出部分，呈对称形状，是一种有效展宽频带和实现天线小型化的方法。其原因是：采用曲流技术实际是引入扰动电流曲折绕行，贴片表面电流流向发生弯曲，从而电流流过路径增长，其等效于贴片长度增加，这样降低谐振频率，并能获得良好带宽；另外这方法实际是切断了原先贴片的表面路径，使电流绕槽曲折绕行使得路径变长，这在天线等效电路中相当于增加了电长度，缩小了天线的尺寸。

2)用介电常数ε_r为4.4的FR-4覆铜板制作出介质板两块并叠加在一起。该天线采用两层介质板，将馈电网络与天线辐射贴片分别置于不同层次介质板上，这样可以获得宽频带的驻波比，同时保证了天线小型化。再结合电磁耦合馈电方式，使带宽能完全满足天线在实际工程中的要求。

3)在接地板开四个完全一样的“十”字形缝隙。在接地板开“十”字形槽，呈对称形状，主要是采用缝隙耦合技术。将公共口径开在接地板上，使得馈电层与辐射层完全隔离，这样可以适当改变天线的辐射条件和阻抗特性，明显提高端口隔离度，而且该类型天线交叉极化电平低，易获得宽频带匹配，适合双极化天线设计和制作。耦合槽决定电磁能量耦合的强弱，“十”字槽将电磁能量耦合到准方形贴片，有效展宽天线带宽。同时在接地板开槽使得天线进一步小型化。

4)将信号输入输出微带馈线2和3设置在第一层介质板和第二层介质板之间，并刻蚀在第二层介质板5上表面的相邻两边正中心处。该天线采用水平和垂直双极化天线技术，这样天线具有高接收分集增益，在实际工程中将会大大减少天线使用数量。

5)金属辐射贴片、两块介质板、接地板依序叠加在一起制成“天线”；

对金属贴片的槽长度进行优化，可以调整谐振频率，对微带馈线长度优化，可以调整谐振深度。

本发明的优点是：具有高增益、高隔离度、低损耗、低成本、结构紧凑、辐射性能好等特点，并满足2.4GHz频段的WLAN通信网络的要求。具体是：

(1)该双极化天线采用水平和垂直双极化天线技术，该天线将具有高接收分集增益，有利于在实际应用工程中减少天线使用的数量。

(2)该发明双极化天线使用的介质板是市场上常见的FR-4覆铜板材料，具有损耗低、成本很低、低交叉极化特性、结构简单、便与集成、满足无线局域网通信要求。

(3)该发明双极化天线实现手段灵活，可操作性强，本领域普通工程技术人员易于掌握和实施。

(4)该发明双极化天线采用极化分集技术，大大提高了接收信号幅度，并能减小多径衰落的影响。

(5)该发明双极化天线制作时无需采用特别的加工工艺与材料，只采用了市场上普通的FR-4覆铜板，成本低廉，且易于加工制造。

(6)该发明双极化天线具有结构简单、体积小、成本低、阻抗匹配容易、调试方便等很多优点，因此在实际工程中具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1是天线的结构主视图；

图2是天线的结构侧视图；

图中：1.金属辐射贴片2.第一微带馈线3.第二微带馈线4.第一介质板5.第二介质板6.第一馈电点7.第二馈电点8.接地板

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例

一种适用于WLAN的小型化双极化天线，包括金属辐射贴片1、第一微带馈线2、第二微带馈线3、第一介质板4、第二介质板5和接地板8，金属辐射贴片1刻蚀在第一层介质板4上表面，第一微带馈线2和第二微带馈线3设置在第一层介质板4和第二层介质板5之间，且刻蚀在第二层介质板5的相邻两边正中心，接地板8设置在第二介质板5下面。

金属辐射贴片1为四边均切割成“凸”字形特殊形式，在贴片上开特殊形状，不但拓展了频带带宽,而且使得天线明显小型化，此种方法很大程度上改善了天线的频带带宽和天线明显小型化。

金属辐射贴片1采用对称结构，可以保证天线较高的端口隔离度和较低的交叉极化电平，展宽了天线带宽。

接地板8上开有“十”字形缝，设置有第一馈电点6和第二馈电点7，采用缝隙耦合馈电，提高天线两端口之间的隔离度和展宽天线带宽，提高天线小型化率。

第一介质板4和第二介质板5采用介电常数ε_r为4.4的FR-4覆铜板材料，辐射单元采用该介质板可以展宽频带，馈电网络采用高介电常数薄基片有利于将场束缚在馈线内，这样可以适当改变天线的辐射条件和阻抗特性。

天线第一介质板4和第二介质板5之间无空气，缩小了天线厚度，在保持天线高性能的同时具有明显小型化优势。

天线制作方法包括如下步骤：

1)根据天线制作要求将正方型金属贴片四边设计成对称结构的“凸”字形状，并将金属贴片刻蚀在第一层介质板表面上。在辐射贴片表面四边切割四个相同凸出部分，呈对称形状，是一种有效展宽频带和实现天线小型化的方法。其原因是：采用曲流技术实际是引入扰动电流曲折绕行，贴片表面电流流向发生弯曲，从而电流流过路径增长，其等效于贴片长度增加，这样降低谐振频率，并能获得良好带宽；另外这方法实际是切断了原先贴片的表面路径，使电流绕槽曲折绕行使得路径变长，这在天线等效电路中相当于增加了电长度，缩小了天线的 尺寸。

2)用介电常数ε_r为4.4的FR-4覆铜板制作出介质板两块并叠加在一起。该天线采用两层介质板，将馈电网络与天线辐射贴片分别置于不同层次介质板上，这样可以获得宽频带的驻波比，同时保证了天线小型化。再结合电磁耦合馈电方式，使带宽能完全满足天线在实际工程中的要求。

3)在接地板开四个完全一样的“十”字形缝隙。在接地板开“十”字形槽，呈对称形状，主要是采用缝隙耦合技术。将公共口径开在接地板上，使得馈电层与辐射层完全隔离，这样可以适当改变天线的辐射条件和阻抗特性，明显提高端口隔离度，而且该类型天线交叉极化电平低，易获得宽频带匹配，适合双极化天线设计和制作。耦合槽决定电磁能量耦合的强弱，“十”字槽将电磁能量耦合到准方形贴片，有效展宽天线带宽。同时在接地板开槽使得天线进一步小型化。

4)将信号输入输出微带馈线2和3设置在第一层介质板和第二层介质板之间，并刻蚀在第二层介质板5上表面的相邻两边正中心处。该天线采用水平和垂直双极化天线技术，这样天线具有高接收分集增益，在实际工程中将会大大减少天线使用数量。

5)金属辐射贴片、两块介质板、接地板依序叠加在一起制成“天线”；

对金属贴片的槽长度进行优化，可以调整谐振频率，对微带馈线长度优化，可以调整谐振深度。

制作一个正方形边长为51mm、厚4mm的WLAN天线：

如图1和图2所示，一种适用于WLAN的小型化双极化微带天线，包括一个正方形金属辐射贴片1、两个信号输入输出微带馈线分别为2和3、完全相同的上下两层正方形介质板4和5、正方形接地板8。金属辐射贴片1刻蚀在第一层介质板4的上表面，在金属辐射贴片1四边分别切割出完全一样且对称的“凸”字形状；信号输入输出微带馈线2和3设置在第一层介质板和第二层介质板之间，且刻蚀在第二层介质板5上表面的相邻两边正中心处；在接地板8上开四个完全一样、对称的“十”字形缝隙，正方形接地板8设置在第二层介质板5下表面。

介质板采用的是介电常数ε_r为4.4；正切损耗角tanσ为0.02，厚度为2毫米FR-4覆铜板材料；天线主体结构各部分尺寸的重要参数分别是：介质板长度为51.0毫米(L)，宽度为51.0毫米(W)；辐射贴片长度为23.6毫米(L)，宽度为23.6毫米(W)；四边“凸”出的小矩形长度为14.0毫米(L)，宽度为2.0毫米(W)；信号输入输出微带馈线长度为42.8毫米(L)，宽度为3.2毫米(W)；接地板长度为51.0毫米(L)，宽度为51.0毫米(W)；“十” 字形缝隙长度为15.6毫米(L)，宽度为2.6毫米(W)；“十”字形缝隙离介质板四边的距离S都为2.2毫米。

该天线经检测：天线通频带在2.37GHz～2.59GHz之间，带宽达到了220MHz，相对带宽达到了9.1％，完全覆盖了IEEE802.11g标准的WLAN2.4GHz频段2.4～2.48GHz整个频段；天线端口隔离度达到-32dB，具有高隔离度性能；天线谐振在2.43GHz点，天线增益为3.63dBi，在2.4GHz～2.55GHz之间增益值都大于3dBi，说明该天线具有高增益性能，而且该天线辐射性能很好，在谐振点辐射效率达90％多。把实测值与仿真值作比较，两者基本吻合，误差在可允许的范围之内。

该天线采用50欧姆微带线馈电，在微波暗室中使用网络矢量分析仪等仪器对双极化天线回波损耗、驻波比曲线和增益等辐射特性参数进行了测量，所得的WLAN双极化天线的回波损耗S11曲线：入射端口S11，谐振点实测值达-25dB；此发明天线谐振频率为2.43GHz，在2.37GHz～2.59GHz范围内天线电压驻波比（VSWR）小于等于2时，工作带宽范围约为220MHz，这完全覆盖了2.4GHZ频段2.4~2.48GHz的整个频率范围；该天线具有优秀的辐射特性，辐射效率高，天线辐射功率为6dBm天线在谐振点2.43GHz处峰值增益达到了3.63dBi。

Claims (7)

1.一种适用于WLAN的小型化双极化天线，其特征在于：第一微带馈线、第二微带馈线、第一介质板、第二介质板和接地板，金属辐射贴片刻蚀在第一层介质板上表面，第一微带馈线和第二微带馈线设置在第一层介质板和第二层介质板之间，且刻蚀在第二层介质板的相邻两边正中心，接地板设置在第二介质板下面。

2.根据权利要求1所述的适用于WLAN的小型化双极化天线，其特征在于：金属辐射贴片为四边均切割成“凸”字形特殊形式，在贴片上开特殊形状，拓展了频带带宽,而且使得天线小型化，改善了天线的频带带宽和天线明显小型化。

3.根据权利要求1所述的适用于WLAN的小型化双极化天线，其特征在于：金属辐射贴片采用对称结构，可以保证天线较高的端口隔离度和较低的交叉极化电平，展宽了天线带宽。

4.根据权利要求1所述的适用于WLAN的小型化双极化天线，其特征在于：接地板上开有“十”字形缝，设置有第一馈电点和第二馈电点，采用缝隙耦合馈电，提高天线两端口之间的隔离度和展宽天线带宽，提高天线小型化率。

5.根据权利要求1所述的适用于WLAN的小型化双极化天线，其特征在于：第一介质板、第二介质板采用介电常数ε_r为4.4的FR-4覆铜板材料，辐射单元采用该介质板可以展宽频带，馈电网络采用高介电常数薄基片有利于将场束缚在馈线内，这样可以适当改变天线的辐射条件和阻抗特性。

6.根据权利要求1所述的适用于WLAN的小型化双极化天线，其特征在于：天线第一介质板和第二介质板之间无空气，缩小了天线厚度，在保持天线高性能的同时具有天线小型化。

7.天线制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据天线制作要求将正方型金属贴片四边设计成对称结构的“凸”字形状，并将金属贴片刻蚀在第一层介质板表面上。在辐射贴片表面四边切割四个相同凸出部分，呈对称形状，是一种有效展宽频带和实现天线小型化的方法。其原因是：采用曲流技术实际是引入扰动电流曲折绕行，贴片表面电流流向发生弯曲，从而电流流过路径增长，其等效于贴片长度增加，这样降低谐振频率，并能获得良好带宽；另外这方法实际是切断了原先贴片的表面路径，使电流绕槽曲折绕行使得路径变长，这在天线等效电路中相当于增加了电长度，缩小了天线的尺寸。

2)用介电常数ε_r为4.4的FR-4覆铜板制作出介质板两块并叠加在一起。该天线采用两层介质板，将馈电网络与天线辐射贴片分别置于不同层次介质板上，这样可以获得宽频带的驻波比，同时保证了天线小型化。再结合电磁耦合馈电方式，使带宽能完全满足天线在实际工程中的要求。

3)在接地板开四个完全一样的“十”字形缝隙。在接地板开“十”字形槽，呈对称形状，主要是采用缝隙耦合技术。将公共口径开在接地板上，使得馈电层与辐射层完全隔离，这样可以适当改变天线的辐射条件和阻抗特性，明显提高端口隔离度，而且该类型天线交叉极化电平低，易获得宽频带匹配，适合双极化天线设计和制作。耦合槽决定电磁能量耦合的强弱，“十”字槽将电磁能量耦合到准方形贴片，有效展宽天线带宽。同时在接地板开槽使得天线进一步小型化。

4)将信号输入输出微带馈线2和3设置在第一层介质板和第二层介质板之间，并刻蚀在第二层介质板5上表面的相邻两边正中心处。该天线采用水平和垂直双极化天线技术，这样天线具有高接收分集增益，在实际工程中将会大大减少天线使用数量。

5)金属辐射贴片、两块介质板、接地板依序叠加在一起制成“天线”；

对金属贴片的槽长度进行优化，可以调整谐振频率，对微带馈线长度优化，可以调整谐振深度。