CN108110415B - 一种紧凑型双频圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型双频圆极化微带天线，包括顶层的辐射金属贴片层、中间的介质基板和底层的接地板金属贴片层，所述辐射金属贴片层、介质基板和接地板金属贴片层紧密相连为一个整体，所述辐射金属贴片层与一段馈线相连；所述接地板辐射金属贴片层引入了一个方形宽槽，并在宽槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形贴片，其中一个矩形贴片上进行添加处理，信号由馈线馈入，从而使辐射金属贴片层、介质基板和接地板金属贴片层共同形成天线结构。本发明可以覆盖蓝牙和WiFi两个工作频段。

Description

一种紧凑型双频圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域中的微带天线，特别是涉及一种紧凑型双频圆极化微带天线。
背景技术
现代无线系统中，单纯的线极化天线已很难满足需求，相比较于线极化天线，圆极化天线更加受欢迎，它具有更好的移动性和穿透性，不仅可以接收任意极化电磁波，而且由圆极化天线发出的电磁波可以由任意极化天线接收。
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。在最近几年，由于微带贴片天线有小体积，低剖面和容易集成，容易实现多频段等特点，使得圆极化微带贴片天线受到广大工程师的关注。在无线通信技术中，天线带宽是极其重要的因素，因为它决定了天线的应用范围。
一些设计较好的天线在圆极化方面实现的是单一频段，多采用微带线馈电来激励出圆极化波。在圆极化天线中，双频天线用途更广，因此在天线设计中，能够使天线实现双频双圆极化更佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑型双频圆极化微带天线，可以覆盖蓝牙和WiFi两个工作频段。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种紧凑型双频圆极化微带天线，包括顶层的辐射金属贴片层、中间的介质基板和底层的接地板金属贴片层，所述辐射金属贴片层、介质基板和接地板金属贴片层紧密相连为一个整体，所述辐射金属贴片层与一段馈线相连；所述接地板辐射金属贴片层引入了一个方形宽槽，并在宽槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形贴片，其中一个矩形贴片上进行添加处理，信号由馈线馈入，从而使辐射金属贴片层、介质基板和接地板金属贴片层共同形成天线结构。
所述辐射金属贴片层整体呈L状。
所述辐射金属贴片层上还设有一个用于增加工作带宽的细长矩形贴片。
所述细长矩形贴片的尺寸为6mm×1mm。
所述宽槽的对角处的两个矩形贴片中尺寸较小的一个矩形贴片的长边侧添加一个T形结构，并在所述T形结构的对面的宽槽上添加一个凸出的矩形。
所述T形结构的两段尺寸分别为11mm×3mm和4.5mm×1.5mm，凸出的矩形尺寸为4mm×6mm。
所述添加T形结构的矩形贴片上挖去一个方形，另一个矩形贴片上挖去一个T形。
所述方形的尺寸为6mm×6mm，所述T形的两段尺寸为8mm×2mm和3mm×2mm。
所述馈线的尺寸为11mm×1mm。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在基础的方形宽槽结构上引入合适尺寸的矩形并加以L状、T状等处理，使得天线的S参数和AR参数等符合实际工作要求，并且天线的工作带宽完全覆盖蓝牙和WiFi工作频段，同时天线具有小型化的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2A-2D是天线设计推进过程中的不同结构的天线图；
图3A-图3B是图2A-2C中天线对应的性能参数仿真图；
图4A-图4B是图2D中天线结构的性能参数分析图；
图5是天线优化后的增益性能仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种紧凑型双频圆极化微带天线，如图1所示，此天线包含三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层，中间介质基板，底层接地板金属贴片层，三部分紧密相连为一个天线整体，所用介质基板材料为FR4环氧树脂，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。介质基板的长为L，宽为W，厚度H仅为1mm。顶层辐射金属贴片层整体呈现L状，与细条矩形状的馈线相连，共同作为微带天线的馈电部分，底层辐射金属贴片层分别引入了矩形状、T状截线，采用整体挖掉部分的方法使其天线激励出圆极化波。
天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间，因此，天线要与馈线阻抗进行匹配，匹配的程度直接影响功率传输的效率。此天线的微带馈线位于整个结构顶层的中心，与顶层L状金属贴片紧密相连，形成50Ω的标准阻抗，共同辐射得到的功率。天线工作时，信号由顶层的微带馈线馈入，顶层和底层的金属辐射贴片与介质基板共同形成符合应用要求的双频圆极化天线。天线的具体尺寸参数如表1，表2所示。
表1
天线尺寸参数 L W L1 W1 L2 W2 L3 W3 a b
参数值(mm) 60 60 20 10 25 5 11 1 8 6
表2
天线尺寸参数 c d e f g h i j k s
参数值(mm) 9 3 11 4.5 1.5 7.5 4 8 2 6
由于天线是在自由空间中工作的，为了使设计天线工作参数更接近实际，在天线结构模型创建完成后，使用HFSS分析天线性能参数时，需要将天线的边界条件设置为理想导体边界，辐射边界表面(即空气腔面)距离辐射体需要不小于λ/4，天线模型介质基板的底面需要设置为理想边界，天线的输入端口设置为共面波端口激励，且使微带馈线位于波端口的中心，将天线设置为快速扫频类型，对其在1GHZ-7GHZ频段的性能进行分析计算。
为了详细分析天线的设计推进过程及不同结构对天线工作带宽的影响，本实施方式优选了如图2A-2D所示的4个不同的天线结构，其中1为辐射金属贴片层、2为接地板辐射金属贴片层，3为接地板辐射金属贴片层上的方形宽槽。图2A的天线在常见的方形宽槽天线的对角处引入尺寸不等的矩形11和12，图2B的天线在图2A的天线的基础上作了T形21和矩形22的添加处理，图2C的天线在图2B的天线的基础上作了T形31和矩形32的部分挖去处理，图2D的天线在微带馈线4上添加了细条矩形5使整个天线得到了优化。
本发明采用基于有限元算法的HFSS全波仿真软件对所述的4个天线结构进行仿真，其中ANT1、ANT2、ANT3、ANT4分别代表图2A-2D的天线。图2A-2C的天线的S11参数和AR参数仿真如图3A和图3B所示，从图中可以看出图2A的天线的阻抗带宽只有在高频处有一小部分在-10dB以下，而AR带宽全在3dB以上，性能很不理想。当引入图2B的天线时，处于-10dB以下的阻抗带宽只在低频段处存在，宽度为2-3.9GHZ，而AR带宽有所改善，处于3dB以下的带宽出现了两个频段，分别为2.1-3.55GHZ和5.36-6.66GHZ，但是由于阻抗带宽的限制，天线依然不能同时工作在两个频段。对于图2C的天线，S11带宽和图2B的天线保持了一致，AR带宽在低频处有所改善，为2.1-3.9GHZ，高频处有所下降，为4.96-5.96GHZ，然而对天线的性能没有明显贡献。
图2D的天线的S11参数和AR参数仿真如图4A和图4B所示，从图中可以看出当s＝2mm时，天线的阻抗带宽分别为2-3.29GHZ和5.85-6.1GHZ，当s＝4mm时，天线低频阻抗带宽没有改变，高频处的带宽则得到一些改善，为4.73-5.28GHZ，然而当s＝6mm时，天线阻抗带宽最佳，分别为2-3.3GHZ和4.6-7GHZ，低频处带宽达到了1.3GHZ，高频处达到了2.4GHZ。对于AR带宽，从图4B可以看出，随着长度增加，3dB以下的带宽一直保持两个频段，当s＝2mm时，为2.1-3.93GHZ和5.35-6.88GHZ，但此时的阻抗带宽范围并没有完全包含AR带宽，天线整体性能依然不佳。当s＝4mm时，为2.16-3.6GHZ和5.05-6.6GHZ，天线带宽范围矛盾问题没有得到解决。当s＝6mm时，基于此时的阻抗带宽范围，AR带宽达到最佳，分别为2.1-3.3GHZ和4.85-6.45GHZ，，低频处达到了1.2GHZ，高频处达到了1.6GHZ，并且阻抗带宽范围完全包含AR带宽范围，天线实现了双频双圆极化。
从图2D的天线对微带馈线相连的细长矩形优化结果可以看出，天线的最终结构选定s为6mm，与此同时，对天线的增益性能也进行了仿真测试，从图5可以看出天线的增益在AR带宽范围内，低频处最高实现了3.6dB，高频处最高实现了5.8dB。
由此可见，由于天线的结构对各参数影响情况不一样，本发明将天线置于符合理论要求的空气腔中，采用13版本的基于有限元算法的全波仿真软件HFSS对天线的各性能参数进行了仿真，并确定了最终尺寸。结果表明，天线的S11参数实现了两个频段，分别为2-3.3GHZ和4.6-7GHZ，AR参数实现了两个频段，分别为2.1-3.3GHZ和4.85-6.45GHZ，在这两个频段范围内，天线增益分别达到了3.6dB和5.8dB，同时，S11参数的频段完全包含AR的频段，且覆盖了蓝牙和WiFi工作的频段，从而保证了设计的天线结构可以应用于工作在这两个频段的无线通信系统中。本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积，低剖面和容易集成，容易实现多频段等特点，突破了频段窄的缺点，拓宽了微带天线在这两个频段内的应用范围。
天线的三大重要参数为S11，AR，和增益Gain，其中S11<-10dB且AR<3dB才能说明天线符合实际工作要求，为了进一步验证此天线，加工了天线实物，采用罗德与施瓦茨公司的R&S ZVL6网络分析仪对天线进行测试，可初步验证在蓝牙和WiFi工作频段范围内天线符合工作要求，所以它适用于工作在这两个频段内的现代短距离无线通信系统。
不难发现，本发明通过在基础的方形宽槽结构上引入合适尺寸的矩形并加以L状、T状等处理，使得天线的S参数和AR参数等符合实际工作要求，并且天线的工作带宽完全覆盖蓝牙和WiFi工作频段，同时天线具有小型化的特点。

Claims (6)

1.一种紧凑型双频圆极化微带天线，包括顶层的辐射金属贴片层、中间的介质基板和底层的接地板金属贴片层，所述辐射金属贴片层、介质基板和接地板金属贴片层紧密相连为一个整体，其特征在于，所述辐射金属贴片层与一段馈线相连；所述接地板辐射金属贴片层引入了一个方形宽槽，并在宽槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形贴片，信号由馈线馈入，从而使辐射金属贴片层、介质基板和接地板金属贴片层共同形成天线结构；所述宽槽的对角处的两个矩形贴片中尺寸较小的一个矩形贴片的长边侧添加一个T形结构，并在所述T形结构的对面的宽槽上添加一个凸出的矩形；所述辐射金属贴片层上还设有一个用于增加工作带宽的细长矩形贴片；所述添加T形结构的矩形贴片上挖去一个方形，另一个矩形贴片上挖去一个T形。
2.根据权利要求1所述的紧凑型双频圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射金属贴片层整体呈L状。
3.根据权利要求1所述的紧凑型双频圆极化微带天线，其特征在于，所述细长矩形贴片的尺寸为6mm×1mm。
4.根据权利要求1所述的紧凑型双频圆极化微带天线，其特征在于，所述T形结构的两段尺寸分别为11mm×3mm和4.5mm×1.5mm，凸出的矩形尺寸为4mm×6mm。
5.根据权利要求1所述的紧凑型双频圆极化微带天线，其特征在于，所述方形的尺寸为6mm×6mm，所述T形的两段尺寸为8mm×2mm和3mm×2mm。
6.根据权利要求1所述的紧凑型双频圆极化微带天线，其特征在于，所述馈线的尺寸为11mm×1mm。
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