CN107204516A - 一种基于开路电流环的圆极化wlan天线 - Google Patents

一种基于开路电流环的圆极化wlan天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于开路电流环的圆极化WLAN天线，属于微带天线技术领域。本发明基于采用共面波导进行馈电的T型单极子天线增设开路电路环，并通过单极子天线与开路电流环结构间的电磁能量耦合，在远场处形成近似等幅正交且具有90度相位差的电场分量，从而获得圆极化特性；本发明设计的天线结构带宽覆盖广，并且与传统WLAN天线相比，本发明天线结构紧凑，具有体积小、重量轻、剖面低等特点，且对加工工艺没有较高要求，易于与射频电路集成，因此，本发明在WLAN无线通信设备领域具有广阔前景。

Description

一种基于开路电流环的圆极化WLAN天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种具有开路电流环结构的小型化天线。
背景技术
随着网络技术的不断发展和推动，衍生出大量相关的电子科技产品，而这些电子设备往往需要连接网络进行数据的传输和交换。传统的电脑设备可以通过物理线路，如电缆、光缆，连接网络端口建立独立有效的通信通路，然而这些通路的组建，拆装以及重新布局较为困难，而且需要较大的人工成本和代价。于是，具有新型连接模式的WLAN(无线局域网)一经提出，就被广泛应用于绝大多数电子设备中。
WLAN技术使得无线电子设备可以通过无线电技术加入到局域网中，实现便捷的网络共享，大大降低了设备连接成本高，复杂等缺点，并且使得用户可以在信号覆盖范围内持设备自由移动。WLAN通信的许可范围为：5.18-5.825GHz(9802.11a,802.11ac标准)。作为无线通信设备的信号发射和接收端口，WLAN天线同样亟需具有体积小、剖面低、质量轻以及易与集成等特点，而且为了提高通信系统的工作性能，通常还要求天线具有圆极化辐射的特性，圆极化天线能有效的降低极化损耗，提高系统的抗干扰能力，从而大大提升无线设备的通信质量。
传统的WLAN圆极化天线大多基于矩形缝隙结构，如文章《A Dual-BroadbandCircularly Polarized Slot Antenna for WLAN Applications》(《应用于无线局域网的双频宽带圆极化缝隙天线》)中公开了一种通过对矩形缝隙进行正交馈电，在缝隙中建立正交的工作模式，并且在适当的区域引入扰动单元，使激励的模式具有90°相位差，最终在远场处也获得具有90度相位差的正交电场分量。然而，上述结构往往需要较大的地板结构，而且，微扰单元的位置和结构尺寸需要通过大量的实验来获得，设计难度较大。另外如Tan,Ming Tao等人《A Dual-Band Circularly Polarized Planar Monopole Antenna forWLAN/Wi-Fi Applications》(《应用于WLAN/Wi-Fi的双频宽带圆极化平面单极子天线》)中公开了一种直接通过建立正交的辐射元来激励正交的远场分量的方法，而分量间90°相位差主要依靠电流路径的相位差来实现。与上一个技术方案相比，此技术方案具有更为直观的理论指导，并且易于实施。但是仍然存在较为明显的不足：因为需同时激励两个正交的辐射元，故天线的匹配网络设计较难，而且要实现两个固定谐振点之间的90°相位差，导致其工作带宽和轴比带宽及其有限，不适合宽带通信设备。综上可以看出，现有WLAN天线存在实现圆极化困难，或者实现圆极化后存在带宽较窄的缺陷，因此亟需一种能够克服上述缺陷的WLAN天线。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明通过在上、下表面具有金属片的介质基板内穿设金属化过孔构造开路电流环，并通过介质基板上的平面单极子激励开路电流环，进而在远场形成正交的电场分量，实现圆极化特性，并且具有较宽匹配带宽和轴比带宽。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
技术方案1：
一种基于开路电流环的圆极化WLAN天线，包括：介质基板，共面波导馈电的T型单极子，第一金属片，第二金属片，金属背板和短路线；
介质基板上表面设有T型金属带，T型金属带包括阻抗匹配传输微带线和T型辐射单元，阻抗匹配传输微带线的左右两侧分别设有第一接地平面和第二接地接地平面，阻抗匹配传输微带线终端是由水平枝节和垂直枝节构成的T型辐射单元，两接地平面及T型金属带形成共面波导馈电的T型单极子；
在T型辐射单元左右两侧分别设有左侧金属片和右侧金属片，且T型辐射单元及阻抗匹配传输微带线靠近右侧金属片设置；右侧金属片的设置方向与左侧金属片的设置方向相反，使得左侧金属片相对远离同侧接地平面，而右侧金属片相对靠近同侧接地平面，左侧金属片靠近T型辐射单元侧与右侧金属片靠近T型辐射单元侧相应开设有一列金属化过孔，左侧金属片上的金属化过孔与右侧金属片上的金属化过孔关于介质基板上表面中心线对称设置，所述介质基板上表面中心线为介质基板平面内的一条几何中心线；
介质基板下表面设有金属背板，金属背板左右两侧各通过一列金属化过孔与左侧金属片和右侧金属片相连；左侧金属片通过金属短路线与其相靠近的左侧接地平面相连。
技术方案2：
一种基于开路电流环的圆极化WLAN天线，包括：介质基板，共面波导馈电的T型单极子，第一金属片，第二金属片，金属背板和短路线；
介质基板上表面设有T型金属带，T型金属带包括阻抗匹配传输微带线和T型辐射单元，阻抗匹配传输微带线的左右两侧分别设有第一接地平面和第二接地接地平面，阻抗匹配传输微带线终端是由水平枝节和垂直枝节构成的T型辐射单元，两接地平面及T型金属带形成共面波导馈电的T型单极子；
在T型辐射单元左右两侧分别设有左侧金属片和右侧金属片，且T型辐射单元及阻抗匹配传输微带线靠近左侧金属片设置；左侧金属片的设置方向与右侧金属片的设置方向相反，使得左侧金属片相对靠近同侧接地平面，而右侧金属片相对远离同侧接地平面，左侧金属片靠近T型辐射单元侧与右侧金属片靠近T型辐射单元侧相应开设有一列金属化过孔，左侧金属片上的金属化过孔与右侧金属片上的金属化过孔关于介质基板上表面中心线对称设置，所述介质基板上表面中心线为介质基板平面内的一条几何中心线；
介质基板下表面设有金属背板，金属背板左右两侧各通过一列金属化过孔与左侧金属片和右侧金属片相连；右侧金属片通过金属短路线与其相靠近的右侧接地平面相连。进一步地，本发明中第一金属片或者第二金属片上任意两个相邻金属过孔之间的距离可以相等，也可以不等。
进一步地，本发明中第一金属片或者第二金属片上多个金属过孔的尺寸可以相同，也可以不同。
根据本领域技术人员普通知识可知：T型辐射单元及阻抗匹配传输微带线在介质基板上表面的右侧设置，并且左侧金属片通过金属短路线与同侧相靠近接地面连接时，如图1所述示，天线在介质基板上方且垂直介质基板平面方向(即图1中+z方向)上实现右旋圆极化，而天线在介质基板下方且垂直介质基板平面方向(即图1中-z方向)上实现左旋圆极化；如图2所述示，T型辐射单元及阻抗匹配传输微带线在介质基板上表面的左侧设置，并且右侧金属片通过金属短路线与同侧相靠近接地面连接时，天线在介质基板上方且垂直介质基板平面方向(即图1中+z方向)上实现左旋圆极化，而天线在介质基板下方且垂直介质基板平面方向(即图1中-z方向)上实现右旋圆极化。
在实现+z方向上右旋圆极化(-z方向上左旋圆极化)时，为了使得T型辐射单元更好地与右侧金属片进行能量的耦合，故应使得T型辐射单元靠近右侧金属片设置，T型辐射单元发挥辐射作用，并将部分能量耦合到开路电流环中，激励电流从介质基板上表面右侧金属片经金属化过孔流至金属背板一侧，再通过金属背板另一侧金属过孔流至位于介质基板上表面左侧金属片，最后通过与左侧金属片相连的金属短路微带线流至同侧接地面，从而实现完整的环路电流路径；
在实现+z方向上的左旋圆极化(-z方向上的右旋圆极化)时，为了使得T型单极子更好地与左侧金属片进行能量的耦合，故应使得T型金属带靠近左侧金属片设置，T型辐射单元发挥辐射作用，并将部分能量耦合到开路电流环中，激励电流从介质基板上表面左侧金属片经金属化过孔流至金属背板一侧，再通过金属背板另一侧金属过孔流至位于介质基板上表面右侧金属片，最后通过与右侧金属片相连的金属短路微带线流至同侧接地面，从而实现完整的环路电流路径；
由于T型单极子被较好的激励(形成垂直电场分量)，并且将能量耦合到开路电流环上(形成水平电场分量)，从而在远场处激励两个具有幅度近似相等的电场分量，加之两电场分量之间存在90°相位差，进而形成圆极化特性；
进一步地，为了调节垂直电场分量大小、获得较好的圆极化特性，在T型辐射单元两侧设置第一金属片和第二金属片时，应使得两个金属片的设置方向相反，即使得第一金属片和第二金属片在T型辐射单元两侧交错设置，两金属片在介质基板上表面的位置仅保留设置一列金属过孔的耦合部分。通过第一金属片和第二金属片的反向设计能够使得远场正交分量在较宽的工作频带上保持不变。
本发明通过设置两片方向相反的金属片、连接金属片与金属背板的金属过孔以及连接金属片和相应接地平面的短路微带线，由于上述技术手段形成的开路电流环能够在远场形成与T型单极子在远场正交的电场分量，进而实现了天线圆极化特性，相比现有技术简化了天线设计；并且，通过本发明技术方案明显降低了天线的整体剖面，在实现天线小型化的同时获得了较宽的匹配和轴比带宽。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
相比传统WLAN天线，本发明在尺寸上具有较为明显的优势，并且采用单层基板制作，易于加工且有利于与系统集成，根据本发明实施例可以看出：运用本发明结构设计的天线具有较宽的匹配带宽和轴比带宽，能够完全覆盖WLAN通信频段，在满足正常的WLAN设备通信的同时，还提供了较宽的带外可用频段；本发明能够实现较好的圆极化特性，克服了在与其他极化天线的通讯过程产生极化损耗，进而造成能量损失的不足；因此，本发明在目前小型化手持无线设备技术领域具有较好的应用完全适合当今使用。
附图说明
图1为本发明所提供右圆极化WLAN天线的结构示意图；图(a)为右圆极化WLAN天线的立体结构示意图，图(b)为右圆极化WLAN天线的侧视图，其中：101为介质基板，2011为第一接地面，2012为第二接地面，301为T型金属带，3011为阻抗匹配传输微带线，3012为T型辐射单元，401为第一金属片，501为第二金属片，601为金属背板，701为短路微带线。
图2为本发明所提供左圆极化WLAN天线的俯视示意图；其中：102为介质基板，2021为第一接地面，2022为第二接地面，302为T型金属带，3021为阻抗匹配传输微带线，3022为T型辐射单元，402为第一金属片，502为第二金属片，602为金属背板，702为短路微带线。
图3为本发明所提供圆极化WLAN天线的结构及尺寸参数。
图4为本发明所提供圆极化WLAN天线的反射系数和轴比。
图5为本发明所提供圆极化WLAN天线的方向图。
图6：圆极化WLAN天线增益和效率图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明具体实施例进行详述：
根据图1所示，本发明具体实施例提供了一种右旋圆极化WLAN天线，包括：介质基板101，共面波导馈电结构，T型金属带301，第一金属片401，第二金属片501，金属背板601和短路微带线701；介质基板1的上表面设有位于两接地平面2011、2012之间的T型金属带301，T型金属带301包括阻抗匹配传输微带线3011及T型辐射单元3012，其中：阻抗匹配传输微带线3011位于两接地平面2011、2012之间，并且阻抗匹配传输微带线3011的终端连接有由水平枝节和垂直枝节构成的T型辐射单元3012，两接地平面2011、2012及T型金属带301形成共面波导馈电的T型单极子；在T型辐射单元3012两侧分别设有第一金属片401和第二金属片501，且T型辐射单元3012及阻抗匹配传输微带线3001靠近第二金属片501设置；第二金属片501的设置方向与第一金属片401的设置方向相反，使得第二金属片501相比第一金属片401更靠近对应的接地平面，第一金属片401靠近T型辐射单元3012侧与第二金属片501靠近T型辐射单元3012侧相应开设有一列金属化过孔，本实施例中第一金属片401或者第二金属片501上一列金属化过孔尺寸均相同且等距排列，第一金属片上的金属化过孔与第二金属片上的金属化过孔关于介质基板1的中心线对称设置；介质基板1的下表面设有金属背板601，金属背板601两侧分别通过一列金属化过孔与第一金属片401和第二金属片501相连，进而使得金属背板601关于介质基板101的中心线对称，第一金属片401通过一金属短路线701与相靠近的第一接地面2011相连。
根据图2所示，本发明具体实施例提供了一种左旋圆极化WLAN天线，包括：介质基板102，共面波导馈电结构，T型金属带302，第一金属片402，第二金属片502，金属背板602和短路微带线702；介质基板102的上表面设有位于两接地平面2021、2022之间的T型金属带302，T型金属带302包括阻抗匹配传输微带线3021及T型辐射单元3022，其中：阻抗匹配传输微带线3021位于两接地平面2021、2022之间，并且阻抗匹配传输微带线3021的终端连接有由水平枝节和垂直枝节构成的T型辐射单元3022，两接地平面2021、2022及T型金属带302形成共面波导馈电的T型单极子；在T型辐射单元3022两侧分别设有第一金属片402和第二金属片502，且T型辐射单元3022及阻抗匹配传输微带线3021靠近第一金属片402设置；第二金属片502的设置方向与第一金属片402的设置方向相反，使得第一金属片402相比第一金属片502更靠近对应的接地平面，第一金属片402靠近T型辐射单元3022侧与第二金属片502靠近T型辐射单元3022侧相应开设有一列金属化过孔，本实施例中第一金属片402或者第二金属片502上一列金属化过孔尺寸均相同且等距排列，第一金属片上的金属化过孔与第二金属片上的金属化过孔关于介质基板102的中心线对称设置；介质基板102的下表面设有金属背板602，金属背板602两侧分别通过一列金属化过孔与第一金属片402和第二金属片502相连，进而使得金属背板602关于介质基板102的中心线对称，第二金属片502通过一金属短路线702与相靠近的第二接地面2022相连。
本发明通过在T型单极子两侧设置金属片及在其内穿设金属化过孔，使得金属片与介质基板底面的金属背板导通，并且连接金属片与同侧接地平面，进而实现完整的环路电流路径，由于上述技术手段形成的超低剖面开路电流环能产生水平方向的电场分量，而T型单极子天线能够产生垂直电场分量，能够在远场形成正交的电场分量，进而实现圆极化特性。
实施例：
本实施例中介质基板1采用相对介电常数εr为4.40，损耗正切角tanδ为0.02的正方形FR-4基板，FR-4基板边长W为20mm，厚度为0.8mm；
如图3所示，本实施例中以纸面横向作为宽度所在方向，纸面纵向作为长度所在方向，下文不再赘述，介质基板上表面的金属层部分：共面波导的接地面长度为l1为9mm，而T型单极子天线位置在介质基板中心偏右侧，以更好地与第二金属片5进行能量耦合，故设计第一接地面201的宽度w1为9.9mm，第二接地面202的宽度w2为7.9mm，T型金属带3包括单极子辐射单元及匹配阻抗传输微带线，T型金属带3超出接地面的长度为l5为2mm，其中：匹配阻抗传输微带线与接地平面之间的距离g为0.3mm，匹配阻抗传输微带线的宽度wf为1.6mm，匹配阻抗传输微带线的特性阻抗为50欧姆；单极子辐射单元为由水平臂和垂直臂构成的T形结构，垂直臂的纵向尺寸(即单极子辐射单元终端距离接地面的顶端距离)为l4为4mm，水平臂的横向尺寸w3为4mm；本实施例中设置方向相反的第一金属片4和第二金属片5的物理尺寸完全一致，二者尺寸均是长l3为6mm，宽w4为3mm，第一金属片4底端设有一长为l2，宽为ws的短路微带线7，使得第一金属片4与共面波导的第一接地面201相接，短路微带线7到第一接地面201的距离为d1为6.4mm，第二金属片5底端到共面波导第二接地面202的距离为d2为1mm，第二金属片5到介质基板1右边沿的距离为d3为3.5mm；
介质基板下表面设有关于介质基板1中心线对称的矩形金属背板6，金属背板6的长度为l6为4mm，宽度w3为8mm，并通过左侧和右侧各五个金属过孔分别与第一金属片4和第二金属片5连接；金属背板6到介质基板1的上边沿的距离d3以及右边沿的距离d4分别为4mm和6mm，金属过孔的深度(即为金属过孔底端到金属片4、5的垂直距离)d7为0.4mm，本实施例中任意两个相邻金属过孔圆心的距离d6为0.8mm，每个金属过孔圆面的半径r均为0.2mm。
根据以上参数进行仿真，仿真结构如图4至6所示：
图4为本实施提供圆极化WLAN天线的反射系数和轴比，图4中横轴表示频率(单位：GHz)，左边纵轴表示反射系数(单位：dB)，右边纵轴为轴比(单位：dB)。结果显示天线的匹配带宽(满足∣S11∣≤-10dB)约为5.13～7.68GHz，绝对带宽为2.55GHz，相对带宽为39.8％；而获得的轴比带宽(满足AR≤3dB)约为5.17～7.45GHz，绝对带宽为2.28GHz，相对带宽为36.1％。同时上述数据可以看出：本实施设计得到的圆极化天线完全能用于WLAN无线设备通信，并且具有较大可用额外带宽可供选用。
通过图5和图6可以看出本实施设计得到天线的远场特性：在图5中给出了天线在5.5GHz、6GHz和7GHz的辐射方向图，RHCP为右旋圆极化，LHCP为左旋圆极化。本实施例设计得到的天线在+z轴方向上主要实现了RHCP特性，在-z轴方向上主要实现LHCP特性，并且具有较宽的3dB轴比波束带宽，辐射方向图也较为稳定，随频率变化不大。本实施例得到的右圆极化WLAN天线，能够在+z轴方向实现LHCP特性，而在-z轴方向实现RHCP特性。
图6给出了本实施天线的最大增益和辐射效率曲线，图6中横轴表示频率(单位：GHz)，左边纵轴表示最大增益(单位：dBi)，右边纵轴为辐射效率(单位：％)，从图中可以看出：天线具有较为稳定的增益，工作频带内平均增益可达到2.7dBi左右，辐射效率高达90％以上，因此天线在整个工作频带内具有较好的辐射特性。
以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于开路电流环的圆极化WLAN天线，其特征在于，包括：介质基板，共面波导馈电的T型单极子，第一金属片，第二金属片，金属背板和短路线；
介质基板上表面设有T型金属带，T型金属带包括阻抗匹配传输微带线和T型辐射单元，阻抗匹配传输微带线的左右两侧分别设有第一接地平面和第二接地接地平面，阻抗匹配传输微带线终端是由水平枝节和垂直枝节构成的T型辐射单元，两接地平面及T型金属带形成共面波导馈电的T型单极子；
在T型辐射单元左右两侧分别设有左侧金属片和右侧金属片，且T型辐射单元及阻抗匹配传输微带线靠近右侧金属片设置；右侧金属片的设置方向与左侧金属片的设置方向相反，使得左侧金属片相对远离同侧接地平面，而右侧金属片相对靠近同侧接地平面，左侧金属片靠近T型辐射单元侧与右侧金属片靠近T型辐射单元侧相应开设有一列金属化过孔，左侧金属片上的金属化过孔与右侧金属片上的金属化过孔关于介质基板上表面中心线对称设置，所述介质基板上表面中心线为介质基板平面内的一条几何中心线；
介质基板下表面设有金属背板，金属背板左右两侧各通过一列金属化过孔与左侧金属片和右侧金属片相连；左侧金属片通过金属短路线与其相靠近的左侧接地平面相连。
2.一种基于开路电流环的圆极化WLAN天线，其特征在于，包括：介质基板，共面波导馈电的T型单极子，第一金属片，第二金属片，金属背板和短路线；
介质基板上表面设有T型金属带，T型金属带包括阻抗匹配传输微带线和T型辐射单元，阻抗匹配传输微带线的左右两侧分别设有第一接地平面和第二接地接地平面，阻抗匹配传输微带线终端是由水平枝节和垂直枝节构成的T型辐射单元，两接地平面及T型金属带形成共面波导馈电的T型单极子；
在T型辐射单元左右两侧分别设有左侧金属片和右侧金属片，且T型辐射单元及阻抗匹配传输微带线靠近左侧金属片设置；左侧金属片的设置方向与右侧金属片的设置方向相反，使得左侧金属片相对靠近同侧接地平面，而右侧金属片相对远离同侧接地平面，左侧金属片靠近T型辐射单元侧与右侧金属片靠近T型辐射单元侧相应开设有一列金属化过孔，左侧金属片上的金属化过孔与右侧金属片上的金属化过孔关于介质基板上表面中心线对称设置，所述介质基板上表面中心线为介质基板平面内的一条几何中心线；
介质基板下表面设有金属背板，金属背板左右两侧各通过一列金属化过孔与左侧金属片和右侧金属片相连；右侧金属片通过金属短路线与其相靠近的右侧接地平面相连。
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