CN107994331A - 一种宽频带微带印刷天线 - Google Patents

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李振武
谢元晶
武美
何永红
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殷永臣
史宝杰
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Abstract

本发明公开了一种宽频带微带印刷天线，主要包括介质基板、辐射单元、连接线、微带线阻抗变换器、天线地，以及嵌入天线地中的谐振器阵列；所述辐射单元、连接线、微带线阻抗变换器设置在介质基板的同一侧，天线地及谐振器阵列位于介质基板的另一侧。与多层PCB寄生谐振单元组成的宽频带微带天线相比，本发明结构紧凑、剖面低、易于加工制作、成本低廉，可以较好地满足无线宽带通信场合对小型化宽频带微带天线的需要。

Description

一种宽频带微带印刷天线
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域，具体涉及一种宽频带微带印刷天线。
背景技术
微带印刷天线剖面低、重量轻，定向辐射性能良好，易于与载体表面共形，因而在无线通信系统中得到广泛应用。但是，常规微带天线的Q值较高，工作频带较窄，限制了其在宽带无线通信场合中的应用。
通过采用口径耦合技术对多个谐振单元进行激励，构造出多个与主辐射单元相邻近的谐振频点，以此对天线带宽进行拓展，是微带天线设计中经常采用的宽频带技术。为获得与主辐射单元相临近的谐振频点，则通常要求寄生单元的尺寸必须与主辐射单元相接近，若采取各寄生单元与主辐射单元平行铺设的结构，则天线整体尺寸较大，为此此种方式通常采用层叠结构以达到在扩展频带的同时不增加天线横向尺寸的目的。
例如，申请公布号为CN 106229640 A的专利公布了一种宽带双层微带天线，主要由位于下层介质板的辐射贴片和位于上层介质板的两个开口环组成，两个开口环可在辐射贴片谐振频率附近分别产生两个谐振频点，从而通过多谐振模式合并对天线带宽进行展宽，实施例的工作频率范围为2.32-2.42GHz，相对带宽为4.2％。
申请公布号为CN 106887690 A的专利公布了一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带微带天线，具有四层PCB结构，利用哑铃形缝隙在主辐射单元附近产生多个谐振点，成功设计了一副工作频段为12-18GHz的带宽天线，相对带宽达到40％(驻波比小于2.3)。
上述具有多谐振模式的微带天线结构通常主要存在如下不足：
一是寄生单元与主辐射单元尺寸相近，为获得更宽的带宽需要构造更多的谐振，导致寄生单元数量较多、天线体积增大；
二是需要在PCB上大量过孔，并采用大量螺钉(螺柱)对多层PCB进行固定，加工与安装均不是很方便；
三是多层PCB板结构势必大幅增加微带天线介质基底厚度，导致天线交叉极化性能进一步恶化。
发明内容
本发明的目的正是为了提供一种频带宽并结构紧凑的微带天线，将多个该谐振结构嵌入到微带天线的底板中，构造出多个与主辐射单元相邻近的谐振，进而采用多谐振模式合成对天线带宽进行展宽。
本发明提供了一种宽频带微带印刷天线，主要包括介质基板、辐射单元、连接线、微带线阻抗变换器、天线地，以及嵌入天线地中的谐振器阵列；所述辐射单元、连接线、微带线阻抗变换器设置在介质基板的同一侧，天线地及谐振器阵列位于介质基板的另一侧。
进一步地，连接线为一段微带线，其一端与辐射单元连接；连接线的中心线与辐射单元的中心线不重合。
进一步地，微带线阻抗变换器的一端与连接线连接，另一端与馈电线或馈电接头连接。
进一步地，微带线阻抗变换器由多节微带线级联组成，各节微带线中心导带宽度的宽度呈渐变结构。
作为一种优选，自与连接线的连接处起，各节微带线的中心导带宽度依次阶梯递增。
进一步地，各节微带线的长度均不大于四分之一介质波长。
进一步地，谐振器阵列是嵌入在天线地中的谐振器阵列，每两行谐振器的中心间距不同，每两列谐振器之间的中心间距相同且与每两行谐振器的中心间距不同。
进一步地，谐振器阵列中各谐振器的各尺寸参数各不相同。
作为进一步地优选手段，每个谐振器由内外两条矩形槽线嵌套组成；将内层槽线的一条臂在中心位置阻断；外层槽线与内层槽线在其中一条相对臂的中心位置；采用短槽线贯通连接。
本发明具有如下优点：
本发明所提出的双层槽线谐振器可内嵌在微带天线的天线地中，在扩展天线带宽的同时不增加天线体积。与多层PCB寄生谐振单元组成的宽频带微带天线相比，本发明结构紧凑、剖面低、易于加工制作、成本低廉，可以较好地满足无线宽带通信场合对小型化宽频带微带天线的需要。
附图说明
图1是本发明的天线正面结构示意图；
图2是本发明的天线背面结构示意图；
图3是本发明中的谐振器结构示意图。
附图标记说明：
100、介质基板；200、辐射单元；300、连接线；400、微带线阻抗变换器；500、天线地；600谐振器阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如附图1所示，本发明的一种宽频带微带印刷天线，主要包括一块介质基板100、辐射单元200、连接线300、微带线阻抗变换器400、天线地500，以及嵌入天线地中的谐振器阵列600；所述辐射单元200、连接线300、微带线阻抗变换器400设置在介质基板100的同一侧，天线地500及谐振器阵列600位于介质基板的另一侧。
介质基板100具有低介电常数特征，介电常数在1-7之间，最优选的材料为FR4(玻璃纤维环氧树脂覆铜板)，其长度、宽度和厚度范围分别优选为20-26mm、36-42mm和0.5-2.0mm。
辐射单元200为设置在介质基板100正面一端的一矩形金属贴片(可采用印刷方式形成)，长度和宽度范围分别优选为15-17mm、10-14mm。辐射单元采用矩形(包括正方形)、椭圆形(包括圆形)或其他在天线工作频段内具有高效电磁波辐射性能的金属平面结构。
连接线300为一段微带线，其一端与辐射单元200连接，其长度和宽度范围分别优选为7-11mm、2-3mm。参见附图1所示，连接线300的中心线与辐射单元200的中心线不重合，两者之间相互偏离的距离⊿l优选为2-6mm。
微带线阻抗变换器400的一端与连接线300连接，另一端与馈电线或馈电接头连接，通过此结构，连接线300将辐射单元200与微带线阻抗变换器400连接，起到为辐射单元200馈入能量的作用。如附图1所示，微带线阻抗变换器400由多节微带线级联组成，各节微带线中心导带宽度的宽度呈渐变结构(如阶梯状变化，自与连接线300的连接处起，各节微带线的中心导带宽度依次阶梯递增，阶梯数不少于2级)，且各节微带线的长度均不大于四分之一介质波长。在一个较佳的实施例中，微带线的阶梯数优选为3级，各节微带线中心导带的递增宽度范围分别优选为0.5-1.5mm、1-2mm、1.5-2.5mm，对应的长度范围分别优选为2-3mm、4-6mm、2-3mm。
天线地500采用金属材质印刷在介质基板100的背面，其平面结构铺满介质基板表面，长度和宽度与介质基板100相同。
谐振器阵列600是嵌入在天线地500中的3×3谐振器阵列，每两行谐振器的中心间距不同，每两列谐振器之间的中心间距相同且与每两行谐振器的中心间距不同。如附图2所示，第1行与第2行谐振器之间的中心间距优选为4.6-5mm，第2行与第3行谐振器之间的中心间距优选为
7.5-8.5mm，i列与j列、j列与k列谐振器之间的中心间距均优选为
4.5-5.5mm。
每个谐振器由内外两条矩形(包括正方形)或椭圆形(包括圆形)的槽线嵌套组成，优选为矩形槽线。如图3所示，外矩形槽线横向长度为a1xymm，纵向宽度为a2xymm，内矩形槽线宽度为wsxymm，内矩形槽线与外矩形槽线之间的距离为dxymm。将内层槽线的一条臂在中心位置阻断(如纵向一侧的臂，采用金属导带将槽线阻断)，阻断宽度为gxymm。外层槽线与内层槽线在其中一条相对臂的中心位置(如横向一侧)采用短槽线贯通连接，短槽线宽度为wdxymm。图1所示谐振器阵列中各谐振器的各尺寸参数各不相同或基本不相同。
一具体测试中，本发明的宽频带未带印刷天线采用50欧姆同轴接头进行馈电，在4.5-5.9GHz频段内的反射系数优于-10dB，相对带宽约为27％，可用于无线局域网(WLAN)和全球微波互联接入(Wi-MAX)系统。
本发明中的谐振器600在辐射单元200谐振频率的附近产生多个临近交叠的谐振，所述阻抗变换器400将各谐振频率处的阻抗值变换到馈电线的特征阻抗值附近，进而达到通过谐振交叠展宽天线阻抗带宽的目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：主要包括介质基板、辐射单元、连接线、微带线阻抗变换器、天线地，以及嵌入天线地中的谐振器阵列；
所述辐射单元、连接线、微带线阻抗变换器设置在所述介质基板的同一侧，所述天线地及谐振器阵列位于所述介质基板的另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
所述连接线为一段微带线，其一端与所述辐射单元连接；
所述连接线的中心线与所述辐射单元的中心线不重合。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
所述微带线阻抗变换器的一端与所述连接线连接，另一端与馈电线或馈电接头连接。
4.根据权利要求3所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
所述微带线阻抗变换器由至少2节微带线级联组成，各节微带线中心导带宽度的宽度呈渐变结构。
5.根据权利要求3或4所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
自与所述连接线的连接处起，各节微带线的中心导带宽度依次阶梯递增。
6.根据权利要求4所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
各节微带线的长度均不大于四分之一介质波长。
7.根据权利要求1所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
所述谐振器阵列是嵌入在所述天线地中的谐振器阵列，每两行谐振器的中心间距不同，每两列谐振器之间的中心间距相同且与每两行谐振器的中心间距不同。
8.根据权利要求7所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
所述谐振器阵列中各谐振器的各尺寸参数各不相同。
9.根据权利要求7或8所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
每个谐振器由内外两条矩形槽线嵌套组成；将内层槽线的一条臂在中心位置阻断；外层槽线与内层槽线在其中一条相对臂的中心位置；采用短槽线贯通连接。
10.根据权利要求5所述的一种宽频带微带印刷天线，其特征在于：
每个谐振器由内外两条矩形槽线嵌套组成；将内层槽线的一条臂在中心位置阻断；外层槽线与内层槽线在其中一条相对臂的中心位置；采用短槽线贯通连接。
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