CN107834191B - 一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，包括一个单面覆铜介质板以及刻蚀在其上的缝隙天线；所述缝隙天线包括一个共面波导馈线及两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器；所述共面波导馈线由两条信号传输缝隙、中间导带和金属地组成；两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器相对称的设置在共面波导馈线两侧，并分别通过槽线段与信号传输缝隙相连。天线尺寸紧凑，结构简单，剖面低，加工方便，价格低廉且易于与其他微波电路集成。该天线可很好地覆盖WLAN和WMAIX的5.2/5.5/5.8GHz,通过调节不同的设计模型的尺寸可有效调节天线的工作频率和性能。

Description

一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线。

背景技术

1887年,德国科学家赫兹用实验验证了电磁波的存在后,人类就进入了开发使用电磁波的时代。无线通信在社会工作生活中迅速发展,无线应用设备也与日俱增,而天线,作为无线通信系统中不可或缺的部分,也受到了研宄者越来越多的关注。到了21世纪,随着无线技术的不断向前推进，室内无线网络和全球微波互联接入逐渐普及，同时工作在WLAN（无线局域网络）和WIMAX(全球微波互联接入)的天线越来越受到重视，而且共面波导馈电的缝隙天线因具有易集成、低剖面及尺寸紧凑等优点受到了广泛的研究及应用。然而目前应用于室内WLAN和WIMAX的天线要么具有较大的尺寸且反射系数10dB的带宽也较窄，要么不属于平面结构，从而使集成与加工的难度增加，不便于推广使用。鉴于此，设计一种能同时覆盖WLAN和WIMAX的天线，同时具备易集成、价格低廉、低剖面的平面缝隙天线具有十分重要的研究意义和使用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低剖面、易集成、价格低廉及易于加工的基于共面波导馈电的能同时覆盖WLAN（5.2/5.8GHz）和WIMAX(5.5 GHz)频段的缝隙天线。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，包括一个单面覆铜介质板以及刻蚀在其上的缝隙天线；所述缝隙天线包括一个共面波导馈线及两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器；所述共面波导馈线由两条信号传输缝隙、中间导带和金属地组成；两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器相对称的设置在共面波导馈线两侧，并分别通过槽线段与信号传输缝隙相连。

优选的是，所述加载单螺旋线结构的开口环谐振器由U型线、第五槽线和螺旋线组成。

优选的是，所述U型线包括一根第一槽线、一根第二槽线、一根第三槽线和一根第四槽线；所述第一槽线的两端分别与第二槽线的一端和槽线段相连，所述第三槽线的两端分别与第二槽线的另一端和第四槽线的一端连接形成第一U型结构；所述第五槽线与第一槽线之间开口；

优选的是，所述螺旋线包括一根第六槽线，一根第七槽线，一根第八槽线，一根第九槽线，一根第十槽线，一根第十一槽线和一根第十二槽线；所述第六槽线的一端与开口环的第四槽线的末端连接，另一端与第七槽线的一端连接形成第一直角L型结构；所述第九槽线的两端分别与第八槽线和第十槽线的一端相连形成第二U型结构；所述第八槽线的另一端与第七槽线的另一端相连；所述第十一槽线的两端分别与第十槽线和第十二槽线的一端相连形成第三U型结构；所述第十二槽线的末端短路。

优选的是，第一U型结构、第二U型结构、第三U型结构中的每一个转角均为直角，且构成每个U型结构的每段槽线段均不相等。

优选的是，加载单螺旋线结构的开口距离为d，所述第一槽线的长度为L01，第二槽线的长度为L02，第三槽线与第一槽线平行，其长度为L01+d，第四槽线与第二槽线平行且等长。

优选的是，所述第六槽线，第八槽线，第十槽线和第十二槽线相互平行，其中第六槽线长度为L01+d -d1，其中，d1为每相邻且平行的槽线段之间的垂直距离；所述第八槽线的长度为L01+d -2d1，第十槽线的长度为L01+d -3d1，第十二槽线的长度为L01+d-4d1；所述第七槽线，第九槽线和第十一槽线相互平行且不等长，第七槽线的长度为L02-2d1，第九槽线的长度为L02-3d1，第十一槽线的长度为L02-4d1。

优选的是，所述信号传输缝隙的长度L1为12.45mm，宽度g1为0.15mm；中间导带的宽度W1为2.13mm。

优选的是，所述单面附铜介质板的板材为单层罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，厚度为0.8mm，铜厚为0.18mm。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

天线尺寸紧凑，结构简单，剖面低，加工方便，价格低廉且易于与其他微波电路集成。该天线可很好地覆盖WLAN和WMAIX的5.2/5.5/5.8GHz,通过调节不同的设计模型的尺寸可有效调节天线的工作频率和性能。

附图说明：

图1是本发明的缝隙天线的平面结构及尺寸示意图；

图2是本发明单个加载螺旋线结构的开口环谐振器的结构示意图；

图3是本发明缝隙天线的反射系数示意图；

图4a是本发明5.5GHz下H面方向图；

图4b是本发明5.5GHz下E面方向图；

图5是本发明缝隙天线的缝隙谐振器的第一槽线的长度L01和第二槽线的长度L02对反射系数的影响的示意图。

具体实施方式：

为进一步阐述本发明为达到上述目的所采取的技术手段和功效，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，包括一个单面覆铜介质板以及刻蚀在其上的缝隙天线；所述缝隙天线包括一个共面波导馈线2及两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器1；所述共面波导馈线2由两条信号传输缝隙21、中间导带22和金属地23组成；两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器1相对称的设置在共面波导馈线2两侧，并分别通过槽线段3与信号传输缝隙21相连。信号传输缝隙21的长度L1为12.45mm，宽度g1为0.15mm；中间导带22的宽度W1为2.13mm。

缝隙天线刻蚀在由金属铜1002和介质板1001组成的单面附铜介质板上，金属铜1002位于介质板1001的上面，图中点状填充部分为金属铜1002。单面附铜介质板的板材为单层罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，厚度为0.8mm，铜厚为0.18mm。

如图2所示，单个加载螺旋线结构的开口环谐振器1的一根第一槽线11的两端分别与第二槽线12和槽线段3相连，第三槽线13的两端分别与第二槽线12的另一端和第四槽线14的一端连接形成第一U型结构，第五槽线15与第一槽线11之间开口，螺旋线加载在第四槽线14末端，其螺旋线由一根第六槽线16，一根第七槽线17，一根第八槽线18，一根第九槽线19，一根第十槽线10，一根第十一槽线101和一根第十二槽线102组成，第六槽线16的一端与开口环的第四槽线14的末端连接，另一端与第七槽线17的一端连接形成第一直角L型结构；螺旋线的第九槽线19的两端分别与第八槽线18和第十槽线10的一端相连形成第二U型结构，第八槽线18的另一端与第七槽线17的剩余一端相连；第十一槽线101的两端分别与第十槽线10和第十二槽线102的一端相连形成第三U型结构，第十二槽线102的末端短路。

加载螺旋线结构的开口环谐振器的开口距离为d，第一槽线11的长度为L01，第二槽线12的长度为L02，第三槽线13与第一槽线11的平行,其长度为L01+d，第四槽线14与第二槽线12平行且等长，螺旋线中的第六槽线16，第八槽线18，第十槽线10和第十二槽线102平行，其中第六槽线16长度为L01+d-d1，如图1所示，d1为每相邻且平行的槽线段之间的垂直距离，第八槽线18的长度为L01+d -2d1,第十槽线10的长度为L01+d -3d1，第十二槽线102的长度为L01+d -4d1；螺旋线第七槽线17，第九槽线19和第十一槽线101相互平行且不等长，第七槽线17的长度为L02-2d1，第九槽线19的长度为L02-3d1，第十一槽线101的长度为L02-4d1。且组成每个U型槽线的各段槽线段均不等长；两个终端短路的双频缝隙谐振器关于第一馈线对称，并分别连接在第二馈线的末端。 通过改变第一槽线11的长度L01，第二槽线12的长度L02及d的参数可调整缝隙谐振器的谐振频率，当L01和L02的尺寸增加时天线的谐振频率降低，研究表明这两个尺寸对天线的谐振频率及反射系数的10dB带宽影响比较大。

在本实施例中，三个U型结构的每个转角均为直角，且构成每个U型结构的每段槽线段均不相等，第一U型结构中，如图1、2所示，第二槽线12的长度L02等于第四槽线14与第五槽线15的长度L04与L05之和，第二U型结构中，第十槽线10的长度小于第八槽线18的长度，第三U型结构中第十二槽线102的长度小于第十槽线10和第十一槽线101的长度；槽线均为在单面附铜介质板上开设的镂空缝隙。

结合图所示，本发明所述缝隙天线优选的尺寸如表1所示：

W	19.43	L02	3.5	g2	0.15
						L	19.85	L03	5.1	g3	0.15
L1	14.25	L04	3.05	W1	2.13
						d	0.9	L05	0.45	g1	0.15
L01	4.2	d1	0.28	L2	0.36

表1本发明所述的缝隙天线优选实施例的尺寸,在本实施例中，单面附铜介质板的长度L优选为19.85 mm，宽度W优选为19.43 mm。单面附铜介质板的长度和宽度可以随着天线各部分尺寸的变化而变化。

如图3所示，图3是本发明缝隙天线的反射系数的示意图。可以看出，缝隙天线的中心频率5.5GHz,相对带宽约为13%。其5.5GHz下E面和H面的方向图如图4所示，其中（a）是H面主极化和交叉极化方向图，（b）是E面主极化和交叉极化的方向图，可以看出E面主极化方向图呈 “8”型，具有一定的方向性，H面在0-180度时呈全向辐射状态。

本发明所述的缝隙天线的工作频段可受各槽线段长度的影响，研究表明第一槽线11和第二槽线12的长度对天线的性能影响比较大，图5给出了加载螺旋线结构的开口环谐振器的第一槽线的长度L01和第二槽线的长度L02对反射系数的影响的示意图，可以看出，当L01和L02增大时谐振频率和幅度都有所减小，特别地本发明所述的缝隙谐振器各槽线段的缝隙的宽度均为0.15mm。

本发明所述的缝隙天线不仅设计结构紧凑、加工方便、价格低廉、剖面低、易于其他微波电路集成，且采用双频缝隙谐振器实现天线的双频特性，能很好覆盖WLAN和WIMAX的5.2/5.5/5.8GHz的频段，具有良好的辐射效果，可望得到推广使用。

以上所述，仅仅是对本发明的较佳实施例，并非是对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改变形式为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，其特征在于：包括一个单面覆铜介质板以及刻蚀在其上的缝隙天线；

所述缝隙天线包括一个共面波导馈线（2）及两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器（1）；

所述共面波导馈线（2）由两条信号传输缝隙（21）、中间导带（22）和金属地（23）组成；

两个加载单螺旋线结构的开口环谐振器（1）相对称的设置在共面波导馈线（2）两侧，并分别通过槽线段（3）与信号传输缝隙（21）相连；

所述加载单螺旋线结构的开口环谐振器（1）由U型线、第五槽线（15）和螺旋线组成；

所述U型线包括一根第一槽线（11）、一根第二槽线（12）、一根第三槽线（13）和一根第四槽线（14）；

所述第一槽线（11）的两端分别与第二槽线（12）的一端和槽线段（3）相连，所述第三槽线（13）的两端分别与第二槽线（12）的另一端和第四槽线（14）的一端连接形成第一U型结构；

所述第五槽线（15）与第一槽线（11）之间开口；

所述螺旋线包括一根第六槽线（16），一根第七槽线（17），一根第八槽线（18），一根第九槽线（19），一根第十槽线（10），一根第十一槽线（101）和一根第十二槽线（102）；

所述第六槽线（16）的一端与开口环的第四槽线（14）的末端连接，另一端与第七槽线（17）的一端连接形成第一直角L型结构；

所述第九槽线（19）的两端分别与第八槽线（18）和第十槽线（10）的一端相连形成第二U型结构；

所述第八槽线（18）的另一端与第七槽线（17）的另一端相连；

所述第十一槽线（101）的两端分别与第十槽线（10）和第十二槽线（102）的一端相连形成第三U型结构；所述第十二槽线（102）的末端短路。

2.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，其特征在于：第一U型结构、第二U型结构、第三U型结构中的每一个转角均为直角，且构成每个U型结构的每段槽线段均不相等。

3.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，其特征在于：加载单螺旋线结构的开口距离为d，所述第一槽线（11）的长度为L01，第二槽线（12）的长度为L02，第三槽线（13）与第一槽线（11）平行，其长度为L01+d，第四槽线（14）与第二槽线（12）平行且等长。

4.根据权利要求2所述的一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，其特征在于：所述第六槽线（16），第八槽线（18），第十槽线（10）和第十二槽线（102）相互平行，其中第六槽线（16）长度为L01+d -d1，其中，d1为每相邻且平行的槽线段之间的垂直距离；

所述第八槽线（18）的长度为L01+d -2d1，第十槽线（10）的长度为L01+d -3d1，第十二槽线（102）的长度为L01+d - 4d1；

所述第七槽线（17），第九槽线（19）和第十一槽线（101）相互平行且不等长，第七槽线（17）的长度为L02-2d1，第九槽线（19）的长度为L02-3d1，第十一槽线（101）的长度为L02-4d1。

5.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，其特征在于：所述信号传输缝隙（21）的长度L1为12.45mm，宽度g1为0.15mm；中间导带（22）的宽度W1为2.13mm。

6.根据权利要求1所述的一种共面波导馈电的单螺旋缝隙天线，其特征在于：所述单面附铜介质板的板材为单层罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，厚度为0.8mm，铜厚为0.18mm。

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