CN107196064A - 双频缝隙天线的谐振模式分析方法 - Google Patents

双频缝隙天线的谐振模式分析方法 Download PDF

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邓力
李书芳
张贯京
葛新科
张红治
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Abstract

本发明公开一种双频缝隙天线的谐振模式分析方法，所述双频缝隙天线包括多模缝隙谐振器，该多模缝隙谐振器由折叠缝隙谐振器和共面波导阶梯阻抗谐振器组成，该多模缝隙谐振器的结构关于对称轴左右对称。本发明所述双频缝隙天线的谐振模式分析方法基于奇偶模原理，通过分析双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的电场分布，即可分析出双频缝隙天线的各个谐振模式的谐振频率和谐振阶数。此外，本发明所述双频缝隙天线不仅设计尺寸小、加工简单成本低廉，而且利用一个多模缝隙谐振器通过共面波导馈电，实现了天线的双频特性。

Description

双频缝隙天线的谐振模式分析方法
技术领域
本发明涉及射频微波通信技术领域，尤其涉及一种双频缝隙天线的谐振模式分析方法。
背景技术
在天线设计中，如果仅仅利用单个谐振模式，则通常只能实现单频窄带天线设计，而有效利用多个谐振模式则可以实现多频、宽频天线设计。天线结构一般比较复杂，设计者通常只能借助于电磁仿真软件来优化天线的各个尺寸参数。目前常用的天线模式分析方法为特征模法，但是特征模法对设计者的理论基础要求很高，并且仿真软件的有效操作也是特征模法分析的重要基础，因此特征模法具有一定的难度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种双频缝隙天线的谐振模式分析方法，基于奇偶模原理，通过分析双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的电场分布，即可分析出双频缝隙天线的各个谐振模式的谐振频率和谐振阶数。
为实现上述目的，本发明提供一种双频缝隙天线的谐振模式分析方法，所述双频缝隙天线包括多模缝隙谐振器，该多模缝隙谐振器由折叠缝隙谐振器和共面波导阶梯阻抗谐振器组成，该多模缝隙谐振器的结构关于对称轴a-a'左右对称，所述双频缝隙天线的谐振模式分析方法包括：
利用两个激励端口对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励使该多模缝隙谐振器产生四个谐振频率fFSLR0、fCSIR0、fCSIR1和fFSLR2；
通过奇偶模理论沿对称轴a-a'分解多模缝隙谐振器来获得在偶模条件下和奇模条件下的等效电路模型，其中：
在偶模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为开路，根据折叠缝隙谐振器在fFSLR0的沿线电场分布，判断折叠缝隙谐振器等效为开路λ/2非均匀传输线谐振器，并且判断fFSLR0为折叠缝隙谐振器的基本谐振频率；根据折叠缝隙谐振器在fFSLR2的沿线电场分布的波数，判断fFSLR2为折叠缝隙谐振器的二阶高次谐振频率；
在奇模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为短路，根据共面波导阶梯阻抗谐振器在fCSIR0的沿线电场分布，判断共面波导阶梯阻抗谐振器等效为短路λ/4非均匀传输线谐振器，并且判断fCSIR0为共面波导阶梯阻抗谐振器的基本谐振频率；根据折叠缝隙谐振器在fCSIR1的沿线电场分布的波数，判断fCSIR1为共面波导阶梯阻抗谐振器的一阶谐振频率。
优选的，所述双频缝隙天线刻蚀在介质基板上，该介质基板的上表面敷设有金属层作为金属射频地，所述共面波导阶梯阻抗谐振器通过金属线与金属射频地连接，并且通过一个末端为T形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
优选的，所述共面波导阶梯阻抗谐振器为由所述折叠缝隙谐振器包围住的部分介质基板，且通过一个宽度为S1的金属线与金属射频地连接。
优选的，所述多模缝隙谐振器连接有第一激励端口P1和第二激励端口P2，第一激励端口P1和第二激励端口P2均为微带馈线。
优选的，所述折叠缝隙谐振器由一根第一槽线、两根第二槽线、两根第三槽线、两根第四槽线以及两根第五槽线组成，其中，两根第二槽线的一端各自垂直连接在第一槽线的两端形成直角U型结构，其中一根第三槽线的一端和其中一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，其中另一根第三槽线的一端和其中另一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，两根第三槽线的另一端垂直连接在两根第二槽线的另一端。
优选的，所述折叠缝隙谐振器的两根第四槽线位于两根第二槽线之间且相互平行，两根第四槽线相互靠近且通过金属线隔开，第一槽线、第三槽线和第五槽线相互平行且通过部分介质基板隔开形成所述共面波导阶梯阻抗谐振器。
优选的，所述折叠缝隙谐振器的第一槽线的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线，该第六槽线的一端连通至第一槽线的中部位置，第六槽线的另一端向下延伸并连接至介质基板的一条长边缘。
优选的，所述共面波导馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第二馈线的一端垂直连接至第一馈线的中部位置形成T形结构，所述第一馈线内置于所述缝隙谐振器的第一槽线中，所述第二馈线内置于第六槽线中，使T形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
相较于现有技术，本发明所述双频缝隙天线的谐振模式分析方法基于奇偶模原理，通过分析双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的电场分布，即可分析出双频缝隙天线的各个谐振模式的谐振频率和谐振阶数。此外，本发明所述双频缝隙天线不仅设计尺寸小、加工简单成本低廉，而且利用一个多模缝隙谐振器通过共面波导馈电，实现了天线的双频特性。
附图说明
图1是本发明双频缝隙天线的整体结构及尺寸示意图；
图2是本发明双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的结构示意图；
图3是多模缝隙谐振器开设有槽线的结构示意图；
图4是本发明双频缝隙天线中的共面波导馈线的结构示意图；
图5是利用微带线对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励的结构图；
图6是利用微带线对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励馈电弱耦合激励后的传输响应示意图；
图7为多模缝隙谐振器在四个谐振频率时的电场分布示意图；
图8是折叠缝隙谐振器和共面波导阶梯阻抗谐振器的传输线等效模型以及多模谐振器四个谐振模式的沿线电场分布图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明双频缝隙天线的整体结构及尺寸示意图。在本实施例中，本发明提出的双频缝隙天线包括一个多模缝隙谐振器，该多模缝隙谐振器由一个折叠缝隙谐振器(FSLR)1和一个共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2组成，并且该共面波导阶梯阻抗谐振器2通过一个宽度为S1的金属线5与金属射频地(Ground)4连接，通过一个末端为T形结构的共面波导馈线3(简称CPW馈线3)给该多模缝隙谐振器馈电，可以实现一个双频天线。所述双频缝隙天线刻蚀在介质基板10上，所述介质基板10的上表面敷设有金属层，例如敷铜金属层作为金属射频地4(图1中的金属射频地4是指没有被多模缝隙谐振器包围的那部分金属层)。所述介质基板10具体的板材类型为单层金属FR4板材、厚度为1.6mm、介电常数为4.4。
参考图2所示，图2是本发明双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的结构示意图。在本实施例中，所述多模缝隙谐振器由一个折叠缝隙谐振器1和一个共面波导阶梯阻抗谐振器2组成，且关于该多模缝隙谐振器的轴中心线左右对称。所述折叠缝隙谐振器1包括一根第一槽线21、两根第二槽线22、两根第三槽线23、两根第四槽线24以及两根第五槽线25。两根第二槽线22的一端各自垂直连接在第一槽线21的两端形成直角U型结构，其中一根第三槽线23的一端和其中一根第五槽线25的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线24的两端形成一个准直角U型结构，其中另一根第三槽线23的一端和其中另一根第五槽线25的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线24的两端形成一个准直角U型结构，两根第三槽线23的另一端垂直连接在两根第二槽线22的另一端，两根第四槽线24位于两根第二槽线22之间且相互平行，两根第四槽线24相互靠近且通过金属线5隔开。第一槽线21、第三槽线23和第五槽线25相互平行且通过部分介质基板10隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器2。由于多模缝隙谐振器关于该多模缝隙谐振器的轴中心线左右对称，因此两个准直角U型结构关于多模缝隙谐振器的轴中心线左右对称。
在本实施例中，所述直角U型结构定义为构成U型的两个转角为直角且构成U型的两根槽线长度相等(均为第二槽线22)，准直角U型结构定义为构成准U型的两个转角为直角且构成准U型的两根槽线长度不相等(一根槽线为第三槽线23，另一根槽线为第五槽线25，且第三槽线23的长度大于第五槽线25)。所述槽线均为在介质基板10上开设的镂空缝隙。
参考图1和图2所示，第一槽线21的长度为两根第三槽线23的长度L3与金属线5的宽度S1之和(即2×L3+S1)，第一槽线21的宽度为W1；第二槽线22的长度为L2，第三槽线23的长度为L3，第四槽线24的长度为L4，第五槽线25的长度为L5，第二槽线22、第三槽线23、第四槽线24和第五槽线25的宽度均为W2；两根第四槽线24之间的内侧间距为S0，两根第四槽线24之间的外侧间距等于金属线5的宽度，均为S1；第一槽线21和第五槽线25之间的间距为S2。
所述共面波导阶梯阻抗谐振器2为由折叠缝隙谐振器1包围住的部分介质基板10，且通过一个宽度为S1的金属线5与金属射频地4连接。第一槽线21、第三槽线23和第五槽线25相互平行且通过部分介质基板10隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器2。
参考图3所示，图3是本发明双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器开设有槽线的结构示意图。在本实施例中，所述折叠缝隙谐振器1的第一槽线21的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线26，该第六槽线26的一端连通至第一槽线21的中部位置，另一端向下延伸并连接至介质基板10的一条长边缘。第六槽线26的长度为L0+d1，宽度为W0+2×d0。
参考图4所示，图4是本发明双频缝隙天线中的共面波导馈线3的结构示意图。在本实施例中，所述共面波导馈线3呈T形结构，该共面波导馈线3包括第一馈线31和第二馈线32，所述第二馈线32的一端垂直连接至第一馈线31的中部位置。第一馈线31的长度为T形结构的末端横向长度L6的两倍与第二馈线32的宽度W0之和(即2×L6+W0)，第一馈线31的宽度为W6；第一馈线31与第一槽线21下边框之间的间隔为d1；第二馈线32的长度为L0，第二馈线32的宽度为W0。第二馈线32的两条边框与第六槽线26的两条边框之间的间隔均为d0(第二馈线32两侧的镂空缝隙均为d0)，所述T形结构的共面波导馈线3的末端横向长度为L6。在制作本发明的双频缝隙天线时，将共面波导馈线3的第一馈线31直接放置于缝隙谐振器1的第一槽线21中且使第一馈线31与第一槽线21下边框之间的间隔为d1的位置处，并将CPW馈线3的第二馈线32直接放置于第六槽线26且使第二馈线32两侧的镂空缝隙均为d0的中央位置，从而使得T形结构的共面波导馈线3给多模缝隙谐振器馈电，实现本发明所述的双频缝隙天线。
再结合图1所示，本发明所述双频缝隙天线优选实施例的尺寸如下表1所示：
表1本发明所述双频缝隙天线优选实施例的尺寸
参数 W0 W1 W2 W6 L0 L1 L2 L3 L4
值(mm) 4.6 2.2 1.2 0.5 22 17.55 9.0 18.45 4.6
参数 L5 L6 d0 d1 d2 S0 S1 S2
值(mm) 8.55 7.8 0.4 1.2 1.0 4.6 3.6 2.0
在本实施例中，所述介质基板10的长度L优选为68.9mm，宽度为W优选为46mm。所述介质基板10的长度L和宽度W也可以根据天线尺寸大小的需求选择。
本发明所述双频缝隙天线不仅设计尺寸小、加工简单成本低廉，而且利用一个多模缝隙谐振器通过共面波导馈电，实现了天线的双频特性。该双频缝隙天线的工作频段包括四个谐振频率，设计者通过调节不同的设计尺寸参数来调谐天线的各个谐振频率，可以有效调节天线的中心工作频率和带宽特性。由于分析天线的谐振模式主要是分析多模缝隙谐振器的谐振模式，以下基于奇偶模原理，通过分析双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的电场分布，即可分析出双频缝隙天线的各个谐振模式的谐振阶数和谐振频率。
如图5所示，图5是利用微带线对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励的结构图。在本实施例中，所述多模缝隙谐振器连接有两个激励端口P1和P2，第一激励端口P1和第二激励端口P2均为微带馈线，且连接至多模缝隙谐振器的折叠缝隙谐振器1的左右两根第二槽线22附近(即可以连接在左右两根第二槽线22上面，也可以在左右两根第二槽线22的附近)。即：第一激励端口P1连接至左侧的第二槽线22附近，第二激励端口P2连接至右侧的第二槽线22附近。本发明利用微带线对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励，从而使得多模缝隙谐振器构成为微带线弱耦合激励谐振器。本发明利用微带线弱耦合激励方式来分析多模缝隙谐振器的各个谐振模式的谐振阶数。
如图6所示，图6是利用微带线对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励馈电弱耦合激励后的传输响应示意图。该多模缝隙谐振器的传输系数(S21)仿真结果如图6所示，可以看出，该多模缝隙谐振器产生四个谐振频率(fFSLR0，fCSIR0，fCSIR1，fFSLR2)。在本实施例中，通过分析多模缝隙谐振器的各个谐振模式的电场分布来分析判断各个谐振模式的谐振阶数。
如图7所示，图7为多模缝隙谐振器在四个谐振频率时的电场分布示意图。由于多模缝隙谐振器的结构左右对称，对称轴为a-a'，因此可以通过奇偶模理论来分解该左右对称结构的多模缝隙谐振器。在偶模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为开路，在奇模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为短路，因此可以推导出折叠缝隙谐振器(FSLR)1和共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2在偶模条件下和奇模条件下的传输线等效模型分别如图8中(a)和(b)的左侧所示。
如图8所示，图8为折叠缝隙谐振器(FSLR)1和共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2的传输线等效模型以及多模谐振器四个谐振模式的沿线电场分布。根据图7中沿着传输线的电场分布，可以得到四个谐振模式的沿线电场分布，分别如图8中(a)和(b)的右侧所示，图中8中的“极小值”标记点对应图7中电场密度极小的区域，即“极小”区域。
本发明提供了一种双频缝隙天线的谐振模式分析方法，该方法包括：利用微带线组成的两个激励端口对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励使多模缝隙谐振器产生四个谐振频率fFSLR0、fCSIR0、fCSIR1和fFSLR2；通过奇偶模理论沿对称轴a-a'分解多模缝隙谐振器来获得在偶模条件下和奇模条件下的等效电路模型；在偶模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为开路时，根据折叠缝隙谐振器(FSLR)1在fFSLR0的沿线电场分布，可以判断此时折叠缝隙谐振器(FSLR)1等效为开路λ/2(二分之一波长)非均匀传输线谐振器，并且fFSLR0为折叠缝隙谐振器(FSLR)1的基本谐振频率。根据折叠缝隙谐振器(FSLR)1在fFSLR2的沿线电场分布波数，可以判断fFSLR2为折叠缝隙谐振器(FSLR)1的二阶高次谐振频率；在奇模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为短路时，根据共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2在fCSIR0的沿线电场分布，可以判断此时共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2等效为短路λ/4(四分之一波长)非均匀传输线谐振器，并且fCSIR0为共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2的基本谐振频率。根据折叠缝隙谐振器fCSIR1在折叠缝隙谐振器(FSLR)1的沿线电场分布的波数，可以判断fCSIR1为共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2的一阶谐振频率。
本发明所述双频缝隙天线的谐振模式分析方法基于奇偶模原理，通过分析双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的电场分布，即可分析出双频缝隙天线的各个谐振模式的谐振频率和谐振阶数，降低了对设计者的理论基础要求，同时降低了对仿真软件的有效操作要求，具有推广意义和实用价值。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述双频缝隙天线包括多模缝隙谐振器，该多模缝隙谐振器由折叠缝隙谐振器和共面波导阶梯阻抗谐振器组成，该多模缝隙谐振器的结构关于对称轴a-a'左右对称，所述双频缝隙天线的谐振模式分析方法包括：
利用两个激励端口对多模缝隙谐振器进行弱耦合激励使该多模缝隙谐振器产生四个谐振频率fFSLR0、fCSIR0、fCSIR1和fFSLR2；
通过奇偶模理论沿对称轴a-a'分解多模缝隙谐振器来获得在偶模条件下和奇模条件下的等效电路模型，其中：
在偶模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为开路，根据折叠缝隙谐振器在fFSLR0的沿线电场分布，判断折叠缝隙谐振器等效为开路λ/2非均匀传输线谐振器，并且判断fFSLR0为折叠缝隙谐振器的基本谐振频率；根据折叠缝隙谐振器在fFSLR2的沿线电场分布的波数，判断fFSLR2为折叠缝隙谐振器的二阶高次谐振频率；
在奇模条件下，多模缝隙谐振器在对称轴a-a'的位置处等效为短路，根据共面波导阶梯阻抗谐振器在fCSIR0的沿线电场分布，判断共面波导阶梯阻抗谐振器等效为短路λ/4非均匀传输线谐振器，并且判断fCSIR0为共面波导阶梯阻抗谐振器的基本谐振频率；根据折叠缝隙谐振器在fCSIR1的沿线电场分布的波数，判断fCSIR1为共面波导阶梯阻抗谐振器的一阶谐振频率。
2.如权利要求1所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述双频缝隙天线刻蚀在介质基板上，该介质基板的上表面敷设有金属层作为金属射频地，所述共面波导阶梯阻抗谐振器通过金属线与金属射频地连接，并且通过一个末端为T形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
3.如权利要求2所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述共面波导阶梯阻抗谐振器为由所述折叠缝隙谐振器包围住的部分介质基板，且通过一个宽度为S1的金属线与金属射频地连接。
4.如权利要求1所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述多模缝隙谐振器连接有第一激励端口P1和第二激励端口P2，第一激励端口P1和第二激励端口P2均为微带馈线。
5.如权利要求1所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述折叠缝隙谐振器由一根第一槽线、两根第二槽线、两根第三槽线、两根第四槽线以及两根第五槽线组成，其中，两根第二槽线的一端各自垂直连接在第一槽线的两端形成直角U型结构，其中一根第三槽线的一端和其中一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，其中另一根第三槽线的一端和其中另一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，两根第三槽线的另一端垂直连接在两根第二槽线的另一端。
6.如权利要求5所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述折叠缝隙谐振器的两根第四槽线位于两根第二槽线之间且相互平行，两根第四槽线相互靠近且通过金属线隔开，第一槽线、第三槽线和第五槽线相互平行且通过部分介质基板隔开形成所述共面波导阶梯阻抗谐振器。
7.如权利要求5所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述折叠缝隙谐振器的第一槽线的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线，该第六槽线的一端连通至第一槽线的中部位置，第六槽线的另一端向下延伸并连接至介质基板的一条长边缘。
8.如权利要求7所述的双频缝隙天线的谐振模式分析方法，其特征在于，所述共面波导馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第二馈线的一端垂直连接至第一馈线的中部位置形成T形结构，所述第一馈线内置于所述缝隙谐振器的第一槽线中，所述第二馈线内置于第六槽线中，使T形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
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