CN106329145A - 一种基于微带线馈电的ocsrr缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁场与电磁波技术领域，具体涉及一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线。基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，包括一个介质基板1，介质基板的顶层设置有矩形辐射贴片2，OCSRR缝隙结构5，1/4阻抗变换器3和微带馈线4，其中OCSRR缝隙结构5刻蚀在矩形辐射贴片2上，OCSRR是互补开口环谐振器，由OSRR和CSRR共同组成；矩形辐射贴片2和微带馈线4通过1/4阻抗变换器3相连，构成天线的馈电部分；所述介质基板1的底层为屏蔽导体。本天线结构简单，剖面低，制作工艺简单、成本低廉。该天线的设计思想可以实现天线谐振频率的提高，实现天线的谐振频率的变化。

Description

一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线
技术领域
本发明属于电磁场与电磁波技术领域，具体涉及一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线。
背景技术
近年来，随着室内无线网络的普及与应用，应用于WiMAX或WLAN频段的天线越来越受到重视，而且由于微带天线具有剖面低、易集成的优点，使其得到了广泛的应用。然而应用于室内WiMAX或WLAN频率的微带天线比较少，有的微带天线的反射系数带宽还比较窄，结构比较复杂，不能很好的覆盖WiMAX或WLAN频段的5.10GHz-5.80GHz；此外，通过改变微带缝隙天线中缝隙的形状，不仅能够使天线的谐振频率出现在5.26GHz左右，而且还能够增加天线在谐振频率附近的反射系数带宽，还易于天线的制作和集成，因此设计一种谐振频率在WiMAX或WLAN频段的微带缝隙天线具有十分重要的实践意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、工作带宽相对较宽、易于实物制作和集成的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线。
本发明的目的是这样实现的：
基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，包括一个介质基板1，介质基板的顶层设置有矩形辐射贴片2，OCSRR缝隙结构5，1/4阻抗变换器3和微带馈线4，其中OCSRR缝隙结构5刻蚀在矩形辐射贴片2上，OCSRR是互补开口环谐振器，由OSRR和CSRR共同组成；矩形辐射贴片2和微带馈线4通过1/4阻抗变换器3相连，构成天线的馈电部分；所述介质基板1的底层为屏蔽导体。
所述OCSRR缝隙结构5是一种互补开口环谐振器，其缝隙结构的宽度都是相等的，其有一个变化范围，它的形状可以是方形或者圆形，矩形OCSRR环的总长度为2.3mm，其长度也是可以改变的。其粒子的等效电路可以看成是一个开口并联谐振电路，并且OCSRR环具有带阻特性，它具有较大的电感值L0和较小的电容值CC。
所述1/4波长阻抗变换器3连接辐射贴片2和微带馈线4，其长度为17.45mm，宽为1.16mm，为固定值，该阻抗变换器3可实现单一工作频率的阻抗匹配。
介质基板1的介电常数的变化范围为2.2到4.4。
所述辐射贴片2的形状为矩形、圆形、三角形或者任意多边形的组合形状。
所述微带馈电线4为中心馈电，偏心馈电或者间隙馈入贴片内部馈电。不同馈点位置的馈线对应不同的天线阻抗匹配器。天线的微带馈线的长度为15mm，宽为2.98mm，为固定值。
本发明的有益效果在于：
本发明通过采用刻蚀OCSRR缝隙形成辐射贴片、微带馈线和阻抗变换器组合构成谐振频率在WiMAX或WLAN频段的微带缝隙天线，可获得频率范围为5.30GHz-5.50GHz，相对带宽约为3.7％的工作频带，在获得带宽相对较宽的天线的同时，较之传统的未刻蚀缝隙的微带天线其谐振频率与工作频段都有显著提高。本天线结构简单，剖面低，制作工艺简单、成本低廉。该天线的设计思想可以实现天线谐振频率的提高，实现天线的谐振频率的变化。
附图说明
图1a是本发明天线的结构平面示意图与剖面图。
图1b是本发明天线的结构剖面图。
图2是本发明天线OCSRR缝隙结构的平面示意图。
图3a是传统微带贴片天线的结构平面图。
图3b是传统微带贴片天线的结构剖面图。
图4是利用高频电磁仿真软件HFSS计算的本发明天线结构反射系数频率特性图。
图5是利用HFSS软件计算的微带贴片天线的反射系数频率特性图。
图6a是利用HFSS软件计算的本发明天线的E平面方向图。
图6b是利用HFSS软件计算的本发明天线的H平面方向图。
图7a是利用HFSS软件计算的微带贴片天线的E平面方向图。
图7b是利用HFSS软件计算的微带贴片天线的H平面方向图。
图1中标号：1是介质基板，2是辐射贴片，3是1/4阻抗变换器，4是微带馈线，5是OCSRR缝隙。
图3中标号：11是介质基板，21是辐射贴片，31是1/4阻抗变换器，41是微带馈线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明提供了一种应用于全球微波互联接入(WiMAX)的微带线馈电的缝隙天线设计，主要应用于WiMAX或者无线局域网(WLAN)的5.10GHz-5.80GHz频段。天线结构的底层是介质基板(1)，在介质基板(1)的顶层有辐射贴片(2)、1/4阻抗变换器(3)以及微带馈线(4)。辐射贴片上刻蚀了一个OCSRR形状的缝隙(5)，增加该缝隙使天线工作在5.10GHz-5.80GHz频段。通过使用微带线对天线进行馈电。同时为了实现辐射贴片与馈线的阻抗匹配，采用1/4波长阻抗变换器进行阻抗变换。辐射贴片的长度、宽度和OCSRR环的位置等对天线的性能均有影响。通过改变天线的这些结构参数，可以获得一组最优的天线参数，实现天线工作在WiMAX频段，获得较好的反射系数带宽。
本发明设计工作频段为5.10GHz-5.80GHz的微带缝隙天线，增加缝隙天线的带宽的问题。通过改变微带缝隙天线缝隙的形状，将其改变成OCSRR谐振器，采用微带线馈电，提出一种OCSRR缝隙天线。
本发明为解决以上技术问题采用如下技术方案：
一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，包括一个介质基板，介质基板顶层设置有多边形辐射贴片，1/4波长阻抗变换器和微带馈线。其中多边形辐射贴片上形成了天线的缝隙结构，其形状为OCSRR开口互补环，该环的形状可以是方形或者圆形，其缝隙的宽度都是相等的，OCSRR环底端的缝隙的宽度与辐射贴片的宽度是相等的；辐射贴片与1/4波长阻抗变换器的上端相连，下端连接微带馈线，并且阻抗变换器和微带馈线构成了天线的馈电部分；所述介质基板的底层为屏蔽导体。利用高频电磁仿真软件HFSS设置天线的仿真条件为自由空间，，最终得到天线的参数仿真图。
作为本发明的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线的进一步优化方案，所述辐射贴片的形状可以是矩形，圆形或者其它多边形的组合形状。
作为本发明的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线的进一步优化方案，所述辐射贴片上的缝隙是由OCSRR环构成，它是有开口环谐振器和互补环谐振器组成的开口互补环谐振器，OCSRR环的形状可以是方形或者圆形。
作为本发明的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线的进一步优化方案，所述OCSRR缝隙的宽度都是相等的，其变化范围为0.2mm到1mm。
作为本发明的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线的进一步优化方案，所述介质基板的介电常数为2.2到4.4。
作为本发明的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线的进一步优化方案，所述辐射贴片上的缝隙的外圈和内圈的整体形状均为矩形或者均为圆形的开口互补环谐振器。
综合图1、2、3所示，本发明的结构是：天线制作在介质基板1上，多边形辐射贴片2，1/4阻抗变换器3和微带馈线4关于y轴对称；多边形辐射贴片2，1/4阻抗变换器3和微带馈线4相连构成馈电结构；其中，OCSRR结构5作为本发明的天线的缝隙结构，其位于多边形辐射贴片2上，其最低端的缝隙宽度与多边形辐射贴片2的宽度相等，该缝隙结构由开口互补环谐振器组成，OCSRR结构关于y轴互补对称。本发明从上到下的结构层次依次为多边形辐射贴片2，OCSRR缝隙5，1/4阻抗变换器3，微带馈线4和介质基板1。用于构成天线的缝隙OCSRR的宽度间距均相等，宽度变化区间为0.2mm到1mm，这样设计的优点在于增加天线的带宽同时提高了天线的谐振频率。
本发明的微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其多变形辐射贴片的形状为矩形、三角形或其他多边形的组合形状，其缝隙的形状为矩形或者圆形。其中，OCSRR缝隙外圈的尺寸控制在一定的范围内，内圈缝隙的尺寸比外圈缝隙的尺寸小0.4mm，且在附图2中，附图2中的灰色缝隙和白色缝隙的宽度是相等的，该设计用以达到增加天线带宽和改变天线谐振频率的要求。
通过改变多边形辐射贴片和OCSRR缝隙的宽度的尺寸和缝隙整体的位置可对天线进行阻抗带宽的调整。当辐射贴片的形状为矩形时，其宽度不能小于30mm，否则会使天线的宽度性能变差。不同的缝隙位置会改变天线的谐振频率，因此可以通过调节其位置获得所需性能的天线。
如图3所示，图3是传统微带线馈电的天线，其结构是：介质基板11、矩形辐射贴片21、1/4阻抗变换器31、微带馈线41，都关于y轴对称；矩形辐射贴片11、1/4阻抗变换器31和微带馈线41构成馈电装置；从上到下的结构层次依次为矩形辐射贴片11、1/4阻抗变换器31和微带馈线41，介质基板11。
对照附图4，附图4给出了介质基板按照相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm实施，金属辐射贴片按照长36.24毫米、宽29.21毫米实施。当天线的各部分轮廓与附图1一致时，利用高频电磁仿真软件HFSS仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图4的结果可见本发明的天线的工作频带为5.16GHz到5.64GHz。相对工作频带宽度为8.9％。不仅天线的带宽得到了增大，而且天线的谐振频率也得到了提高。
对照附图5，附图5给出了介质基板按照相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm实施，金属辐射贴片按照长37.26毫米、宽28毫米实施。当天线的各部分轮廓与附图3一致时，利用高频电磁仿真软件HFSS仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图5的结果可见传统的微带线馈电的天线的工作频带为2.39GHz到2.52GHz。相对工作频带宽度为5.2％。
对照附图6，附图6给出了工作频率为5.42GHz时，天线的E平面和H平面方向图。从附图中可见，天线具有全向性，因为天线结构具有相对对称特性，其方向图也具有对称特性。
对照附图7，附图7给出了工作频率为2.45GHz时，天线的E平面和H平面方向图。从附图中可见，天线辐射具有全向性，其方向图也具有对称特性。
基于OCSRR缝隙的微带馈电的天线克服了传统微带缝隙天线带宽小和谐振频率低的缺点，使其具有宽带特性。天线具有全向辐射特性，而且此天线结构简单、易于制作、成本低廉。按照前述实施方式制作的基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线工作频带可覆盖WiMAX或WLAN频段，可将该天线用做室内短距离通信，具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其特征在于：包括一个介质基板(1)，介质基板的顶层设置有矩形辐射贴片(2)，OCSRR缝隙结构(5)，1/4阻抗变换器(3)和微带馈线(4)，其中OCSRR缝隙结构(5)刻蚀在矩形辐射贴片(2)上，OCSRR是互补开口环谐振器，由OSRR和CSRR共同组成；矩形辐射贴片(2)和微带馈线(4)通过1/4阻抗变换器(3)相连，构成天线的馈电部分；所述介质基板(1)的底层为屏蔽导体。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其特征在于：所述OCSRR缝隙结构(5)是一种互补开口环谐振器，其缝隙结构的宽度都是相等的，其有一个变化范围，它的形状可以是方形或者圆形，矩形OCSRR环的总长度为2.3mm，其长度也是可以改变的。其粒子的等效电路可以看成是一个开口并联谐振电路，并且OCSRR环具有带阻特性，它具有较大的电感值L0和较小的电容值CC。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其特征在于：所述1/4波长阻抗变换器(3)连接辐射贴片(2)和微带馈线(4)，其长度为17.45mm，宽为1.16mm，为固定值，该阻抗变换器(3)可实现单一工作频率的阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其特征在于：介质基板(1)的介电常数的变化范围为2.2到4.4。
5.根据权利要求1所述的一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其特征在于：所述辐射贴片(2)的形状为矩形、圆形、三角形或者任意多边形的组合形状。
6.根据权利要求1所述的一种基于微带线馈电的OCSRR缝隙天线，其特征在于：所述微带馈电线(4)为中心馈电，偏心馈电或者间隙馈入贴片内部馈电。不同馈点位置的馈线对应不同的天线阻抗匹配器。天线的微带馈线的长度为15mm，宽为2.98mm，为固定值。
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