CN107546474B - 一种纸基凹形宽频带天线 - Google Patents

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Abstract

一种纸基凹形宽频带天线，包括三层，一层梯形铜膜，一层立体凹形纸基天线衬底和一层天线层，天线层由一个微带线连接椭圆形铜膜构成，所述立体凹形纸基为四个基面两两相连构成的开放式长方腔体，梯形铜膜覆在长方腔体内表面，梯形两个下底角部分折弯后位于长方腔体相对的两个基面上，梯形的底与所述两个相对基面之间的基面的边平齐，所述天线层覆于纸基外表面，微带线的位置对应于梯形的高，椭圆形铜膜与梯形铜膜垂直，微带线末端为天线馈电处。本发明提供了一种成本低、易弯折、易共形、工作频带宽、能同时用在发射或接收移动通信、射频识别、无线局域网等多个领域信号的宽频带天线。

Description

一种纸基凹形宽频带天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，涉及纸基天线，为一种纸基凹形宽频带天线。
背景技术
纸基天线指天线基板材料采用纸基材料。纸基天线优点在于，一方面纸基材料柔软可弯折,利于和天线应用的载体共形；另一方面,纸基材料可回收利用，减少环境污染。赖晓铮，刘焕彬等人在2008年提出了“基于Manderlbrot和分形树结构的RFID标签天线”，给出了两种分形结构纸基标签天线的谐振频率、反射系数及方向图，并制作了纸质基材的3阶分形树结构RFID标签天线实物；田春胜，周凯等人在2015年提出了一种用于银行纸币管理系统的小型化纸基标签天线,可以有效地应用到实际生活中。
现有大多数天线采用FR-4基板或陶瓷基板等板材，成本高、且不能弯折，不利于和载体共形。而目前纸基天线主要用在射频识别领域中的电子标签天线，而宽频带的纸基天线研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术中提及的现有大多数天线采用FR4基板或陶瓷基板等板材，成本高、且不能弯折，不利于和载体共形，工作频带窄的技术缺陷。
本发明的技术方案是：一种纸基凹形宽频带天线，包括三层，一层梯形铜膜，一层立体凹形纸基天线衬底和一层天线层，天线层由一个微带线连接椭圆形铜膜构成，所述立体凹形纸基天线衬底为四个基面两两相连构成的开放式腔体，梯形铜膜覆在腔体内表面，梯形为等腰梯形，梯形的下底与腔体边缘平齐，且梯形两个下底角部分折弯后位于腔体相对的两个基面上，所述天线层覆于纸基外表面，微带线的位置对应于梯形的中轴线，微带线对应于梯形下底处的一端为天线馈电处，另一端连接椭圆形铜膜，椭圆形铜膜与梯形铜膜垂直。
进一步的，凹形纸基天线衬底厚度在1.2mm至2mm之间，让天线宽频段工作。
作为优选方式，椭圆形铜膜的横向直径≥凹形纸基材料横向宽度的二分之一。
作为优选方式，椭圆形铜膜的竖向直径＜不超过凹形纸基材料竖向宽度。
作为优选方式，梯形铜膜的高度小于微带线长度。
本发明技术方案中，椭圆形铜膜起到对外辐射电磁波作用；椭圆形铜膜加上具有一定厚度的天线纸基衬底有利于让天线宽频段工作，通过调整天线的各个尺寸来达成不同的频段；天线衬底的下表面微带线和椭圆形铜膜集成，起到阻抗匹配和馈电作用；最里面的一层梯形铜膜既起到接地板的作用，又对外产生辐射。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种纸基凹形宽频带天线，天线的造型为凹形外壳体，不像常见的平面天线结构必须平面放置，若弯折，则平面天线性能会受影响，本发明天线的凹形衬底可以就是通讯产品或包装箱的纸质外壳，可以通过电镀、印刷等工艺将天线的梯形铜膜和天线层集成到通讯产品或包装箱的纸质外壳上，或者将成形的凹形天线设置到所需位置，由于凹形的外形，有利于适应折角等安装位置，可有效利用通讯产品或包装箱的空间。
2、本发明的纸基凹形宽频带天线，区别于现有采用常见基板材料的天线，该天线的基片材料采用便宜的纸，将单极子天线技术进一步改进，通过将其弯折化、纸基化，实现了能同时接收或发射RFID\2G\3G\4G\WIFI等信号的宽频段天线，重量轻、成本低，降低了系统成本。
附图说明
图1是本发明天线结构的示意图。
图2是本发明凹形纸基天线外表面展开后的示意图。
图3是本发明凹形纸基天线内表面展开后的示意图。
图4是本发明的天线反射系数S11随频率变化图。
图5是本发明的天线增益随频率变化图。
图6是本发明的天线在1GHz时Phi＝0的平面辐射方向图。
图7是本发明的天线在1GHz时Phi＝90的平面辐射方向图。
图8是本发明的天线在1.8GHz时Phi＝0的平面辐射方向图。
图9是本发明的天线在1.8GHz时Phi＝90的平面辐射方向图。
图10是本发明的天线在2.45GHz时Phi＝0的平面辐射方向图。
图11是本发明的天线在2.45GHz时Phi＝90的平面辐射方向图。
具体实施方式
本发明的目的是，提供一种成本低、易弯折、易共形、工作频带宽、能同时用在发射或接收移动通信、射频识别、无线局域网等多个领域信号的宽频带天线。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的纸基凹形宽频带天线包括三层，包括三层，一层梯形铜膜，一层立体凹形纸基天线衬底和一层天线层，天线层由一个微带线连接椭圆形铜膜构成，所述立体凹形纸基天线衬底为四个基面两两相连构成的开放式腔体，梯形铜膜覆在腔体内表面，梯形为等腰梯形，梯形的下底与腔体边缘平齐，且梯形两个下底角部分折弯后位于腔体相对的两个基面上，所述天线层覆于纸基外表面，微带线的位置对应于梯形的中轴线，微带线对应于梯形下底处的一端为天线馈电处，另一端连接椭圆形铜膜，即梯形的上底(即短边)较下底边更靠近椭圆型铜膜，椭圆形铜膜与梯形铜膜垂直。
将该凹形纸基天线外表面，即天线层展开后的铜膜形状如图2中灰色图案区域所示，由一椭圆和与之相连的直线型微带线组成；该凹形纸基天线内表面，即梯形铜膜展开后的铜膜形状如图3灰色图案区域所示，是一梯形。
本发明的所述开放式腔体没有尺寸约束，可以是长方体也可以是正方体，主要取决于天线设计指标，梯形底边对应的一定是腔体外边沿。梯形的下底边要与所在面的边平齐，梯形的上底边不需要一定与所在面的边平齐；梯形铜膜的高度小于微带线长度，也就是微带线延伸到梯形的上底边后，弯折垂直延伸出一段距离，再连接椭圆形铜膜，这里的距离也取决于天线设计指标。对于椭圆形铜膜，其横向直径大于等于凹形纸基材料横向宽度的二分之一，也就是大于等于椭圆形铜膜所在基面宽度的二分之一，椭圆形铜膜的竖向直径不超过凹形纸基材料竖向宽度，也就是椭圆形铜膜在竖向直径上不延伸出所在基面。
本发明的各个尺寸参数相互影响制约，对天线设计指标的影响如下：凹形天线衬底厚度在1.2mm至2mm之间，利于让天线宽频段工作；增大椭圆形铜膜的横向直径利于拓宽天线的工作频带；增大微带线宽度有利于降低天线最低工作频率，拓宽天线工作频带；增大梯形铜膜的高度可以让天线整体的工作频率增高，对工作频带影响不大，此外梯形铜膜的高度保证小于微带线长度。天线的各个尺寸参数在实际应用中根据性能要求和安装条件的限制，结合所需天线的性能参数，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。
当天线基板采用厚度为1.6mm的白纸板基板材料制作，利于天线宽频段工作，这基板的相对介电常数εr都为2.0，损耗角正切tanδ为0.03。椭圆形铜膜的横向直径为77.95mm，大于凹形纸基材料横向宽度82mm的二分之一。椭圆形铜膜的竖向直径为30.6mm，不超过凹形纸基材料竖向宽度45mm。梯形铜膜的高度为73mm，小于微带线长度。
图4给出了该纸基凹形宽频带天线的反射系数S11随频率变化的仿真曲线和测量曲线，测量结果和仿真结果基本接近，测试结果说明当S11小于-8dB时其工作频率范围从903MHz到2630MHz。可以用来接收工作频率处于该频段的常见移动通信信号和无线局域网信号，如中国电信的FDD-LTE信号、GSM900信号、GSM1800信号、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，或者用来当射频识别领域中的读写器天线。
图5给出了该天线的增益随频率变化图，如图所示可见该天线的在903MHz到2630MHz工作频率范围内的天线增益在1.8～4.3dBi之间。
图6至图11给出了该天线的方向图在不同频率(1GHz/1.8GHz/2.45GHz)时Phi＝0和Phi＝90的平面辐射方向图，如图所示可见该天线在工作频带内基本上都是双向辐射。
凡本发明说明书中未作特别说明的均为现有技术或者通过现有的技术能够实现，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种纸基凹形宽频带天线，其特征是包括三层，一层梯形铜膜，一层立体凹形纸基天线衬底和一层天线层，天线层由一个微带线连接椭圆形铜膜构成，所述立体凹形纸基天线衬底由四个基面组成开放式腔体，所述四个基面为一个底面和左、中、右三个侧面，三个侧面垂直连接于底面的三个边，且位于底面的同一侧，左右侧面相对，中侧面位于左右侧面之间；梯形铜膜位于开放式腔体内表面，覆在底面和左右两个侧面上，梯形铜膜的形状为等腰梯形，所述梯形铜膜的下底与底面未连接侧面的一边平齐，梯形铜膜沿底面覆盖，至底面与左右侧面的连接处时折弯，折弯后的部分，即梯形铜膜的两个下底角覆于左右两个侧面上，所述天线层覆于开放式腔体外表面，微带线对应梯形铜膜的中轴线位置覆在底面的另一面，微带线延伸至梯形铜膜下底处的一端为天线馈电处，微带线另一端连接椭圆形铜膜，椭圆形铜膜覆于中侧面外表面，椭圆形铜膜的长轴大于等于凹形纸基中侧面的长的二分之一，椭圆形铜膜的短轴不超过凹形纸基中侧面的宽。
2.根据权利要求1所述的一种纸基凹形宽频带天线，其特征是立体凹形纸基天线衬底为通讯产品或包装箱的纸质外壳。
3.根据权利要求1所述的一种纸基凹形宽频带天线，其特征是所述天线衬底厚度在1.2mm至2mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种纸基凹形宽频带天线，其特征是梯形铜膜的高度小于微带线长度。
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