CN108258409B - 一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线，由介质基板、印制在介质基板上的翼形馈源终端、共面波导馈线、八边形缝隙地板和外接的同轴接头构成。翼形馈源终端通过倒L形和方形巧妙的叠加组合，激发出多个谐振点，产生三频带特性，改变倒L形贴片和方形贴片的尺寸可以调节天线三个频段的中心频率和带宽，八边形缝隙地板与连接导带之间通过三角形过渡连接可以调节天线的阻抗匹配特性。本发明设计结构简单，加工方便，具有三频带、尺寸小、易集成等特点，工作频段为3.2GHz～3.9GHz、5.1GHz～6GHz和7.1GHz～9.5GHz，覆盖WiMAX、WLAN和X频段，适用于小型多频带无线通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线，适用于WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统。
背景技术
随着无线通信系统的迅猛发展，对支撑它的硬件平台提出了更高的要求，天线作为无线通信系统中的接收和发射单元，主要实现电磁波能量与电能的相互转换，是无线通信系统的重要组成部分。移动电话、收音机、探测仪、无绳电话、对讲机、无线网卡、雷达、遥控装置等等，这些设备都离不开天线。缝隙天线是在地板上开一个较宽的缝隙，缝隙结构一般采用近似矩形或近似圆形的缝隙，辐射与馈电部分与单极子天线的设计类似，共面波导馈电与宽缝隙相结合，采用特殊的几何组合结构调节阻抗匹配能够获得较宽的阻抗带宽，引入特殊结构设计还能够实现多频与陷波特性。缝隙天线辐射单元与地板共面，易于同载体共形，对加工精度要求也较低，在组成阵列时天线的隔离度较好，适用于高速运动的物体上。多频天线的实现途径主要有加入谐振结构、使用高次谐振、可重构、采用自相似结构等方式。加入谐振结构就是改变天线结构的谐振长度，增加谐振枝节的方法较为直接，相当于多个天线结合共用一个馈电端口。如专利号为CN203288744U，专利名称为《小型三频段单极子天线》的实用新型专利，辐射单元由圆环形、U形和T形嵌套而成，不同的谐振单元能够激发不同的谐振频率，可用于蓝牙、WLAN、WiMAX无线通信系统，但该天线采用微带馈电，地板与辐射单元在介质基板的两侧，不利于与其它天线的集成。使用高次谐振是在天线结构中开槽处理或引入短路探针，从而增加天线的谐振频段，实现多频特性。一种三叉形双频印刷单极子天线，采用三叉形辐射单元，对地板进行对称开槽处理，产生多频特性，天线覆盖PCS(1.85～1.99GHz)和WLAN(2.4～2.484GHz和5.15～5.825GHz)三个工作频段，但该天线的尺寸相对较大。采用可重构方式主要通过引入电子开关或机械结构改变天线的辐射结构，使天线在不同频率上产生谐振特性，保持等效电长度不变，从而使天线在多个频段内具有良好的阻抗特性和方向性，但采用这种方式设计较为复杂，需要在天线结构中引入电子开关或机械结构，同时也增加了天线的体积。采用自相似结构是天线的整体结构到局部结构都采用相似结构，将天线的一部分按一定比例放大或缩小，从而实现多频特性。利用单一贴片的多种自然模式实现多频特性，调整天线的馈电结构可以更好的实现多频特性，如使用缝隙耦合馈电、偏置同轴馈电或双端口微带馈电等方式可以获得多个谐振模式。综上所述，缝隙天线具有剖面低、体积小、成本低、易与载体共形安装、容易实现宽带和多频带等工作特性，通信系统小型化、轻量化的发展需求使缝隙天线具有良好的市场应用前景，因此，研究结构简单并且辐射性能良好的多频带缝隙天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线，具有三频带特性，各频带带宽较宽、增益稳定、全向辐射、尺寸小，容易集成于射频电路之中，能满足3.5GHzWiMAX、5GHzWLAN和8GHz X频段对工作频带的要求。
本发明的技术方案是：一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的翼形馈源终端(3)、共面波导馈线(4)、八边形缝隙地板(7)和外接的同轴接头(8)构成，其特征在于：
a.所述的翼形馈源终端(3)为翼形金属贴片，由两个倒L形贴片和一个方形贴片组合而成，倒L形贴片(4)、倒L形贴片(5)和方形贴片(6)的顶点在天线的中轴线上，倒L形贴片(4)、倒L形贴片(5)和方形贴片(6)水平对称于天线的中轴线两侧，倒L形贴片(5)位于倒L形贴片(4)的下方内侧，方形贴片(6)位于倒L形贴片(5)的下方内侧，方形贴片(6)的下端与共面波导馈线(4)相连接；
b.所述的共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，共面波导馈线(4)的上端与翼形馈源终端(3)下端相连接，共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(8)；
c.所述的八边形缝隙地板(7)由矩形地板、连接导带和过渡三角形组成，矩形地板位于介质基板(1)下端，矩形地板与介质基板两侧和顶端的连接导带相连接，矩形地板与连接导带之间通过三角形过渡连接，八边形缝隙地板(7)对称于共面波导馈线(4)两侧，矩形地板与连接导带、过渡三角形连接后形成闭合的八边形宽缝隙(2)；
d.所述的同轴接头(6)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(6)分别与共面波导馈线(4)和八边形缝隙地板(5)的两个下边缘相连接。
所述的翼形馈源终端(3)为翼形金属贴片，其中的倒L形贴片(4)的顶点O1到介质基板下端的距离L7为10.5mm～11.5mm，倒L形贴片(4)的长度L6为9.5mm～10mm，宽度W6为1.3mm～1.7mm，倒L形贴片(5)的长度L5为7.1mm～7.7mm，宽度W5为1.8mm～2.2mm，方形贴片(6)的宽度W4为4mm～4.5mm。
所述的共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L1为5.5mm～6mm，宽度W2为2.2mm～2.6mm。
所述的八边形缝隙地板(7)由矩形地板、连接导带和过渡三角形组成，矩形地板宽度W1为10.5mm～11mm，长度L2为5mm～5.5mm，八边形宽缝隙(2)下端过渡三角形的两个直角边长度L3为2mm～4mm、W3为2mm～4mm，八边形宽缝隙(2)上端过渡三角形的两个直角边长度L8为5mm～6mm、W8为5mm～6mm，介质基板两侧的连接导带宽度W7为1mm～2mm，长度L4为9mm～10mm，介质基板顶端的连接导带的长度L9为2mm～3mm。
本发明的效果在于：本发明设计了结构新颖的翼形馈源终端和八边形缝隙地板。翼形馈源终端通过倒L形和方形巧妙的叠加组合使馈源终端的横线电尺寸不断增加，激发出多个谐振点，产生三频带特性，改变倒L形贴片和方形贴片的尺寸可以调节天线三个频段的中心频率和带宽，八边形缝隙地板与连接导带之间通过三角形过渡连接可以调节天线的阻抗匹配特性。八边形缝隙地板通过介质基板顶端的连接导带连接后形成闭合八边形宽缝隙可以减小天线的设计尺寸，使天线结构更为紧凑。本发明通过多个谐振单元叠加产生三频带特性，设计结构简单，加工方便，具有三频带、尺寸小、易集成等特点，工作频段为3.2GHz～3.9GHz、5.1GHz～6GHz和7.1GHz～9.5GHz，覆盖WiMAX、WLAN和X频段，设计尺寸为25mm×25mm，三个频段的增益特性和辐射特性良好。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例实测反射系数S11曲线与仿真值比较。
图3是本发明实施例在频率为3.5GHz时的E面和H面辐射方向图。
图4是本发明实施例在频率为5.5GHz时的E面和H面辐射方向图。
图5是本发明实施例在频率为8.2GHz时的E面和H面辐射方向图。
图6是本发明实施例在不同频率点的峰值增益图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是：如图1所示，一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的翼形馈源终端(3)、共面波导馈线(4)、八边形缝隙地板(7)和外接的同轴接头(8)构成，其特征在于：所述的翼形馈源终端(3)为翼形金属贴片，由两个倒L形贴片和一个方形贴片组合而成，倒L形贴片(4)、倒L形贴片(5)和方形贴片(6)的顶点在天线的中轴线上，倒L形贴片(4)、倒L形贴片(5)和方形贴片(6)水平对称于天线的中轴线两侧，倒L形贴片(5)位于倒L形贴片(4)的下方内侧，方形贴片(6)位于倒L形贴片(5)的下方内侧，方形贴片(6)的下端与共面波导馈线(4)相连接；所述的共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，共面波导馈线(4)的上端与翼形馈源终端(3)下端相连接，共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(8)；所述的八边形缝隙地板(7)由矩形地板、连接导带和过渡三角形组成，矩形地板位于介质基板(1)下端，矩形地板与介质基板两侧和顶端的连接导带相连接，矩形地板与连接导带之间通过三角形过渡连接，八边形缝隙地板(7)对称于共面波导馈线(4)两侧，矩形地板与连接导带、过渡三角形连接后形成闭合的八边形宽缝隙(2)；所述的同轴接头(8)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(8)分别与共面波导馈线(4)和八边形缝隙地板(7)的两个下边缘相连接。
所述的翼形馈源终端(3)为翼形金属贴片，其中的倒L形贴片(4)的顶点O1到介质基板下端的距离L7为10.5mm～11.5mm，倒L形贴片(4)的长度L6为9.5mm～10mm，宽度W6为1.3mm～1.7mm，倒L形贴片(5)的长度L5为7.1mm～7.7mm，宽度W5为1.8mm～2.2mm，方形贴片(6)的宽度W4为4mm～4.5mm。
所述的共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L1为5.5mm～6mm，宽度W2为2.2mm～2.6mm。
所述的八边形缝隙地板(7)由矩形地板、连接导带和过渡三角形组成，矩形地板宽度W1为10.5mm～11mm，长度L2为5mm～5.5mm，八边形宽缝隙(2)下端过渡三角形的两个直角边长度L3为2mm～4mm、W3为2mm～4mm，八边形宽缝隙(2)上端过渡三角形的两个直角边长度L8为5mm～6mm、W8为5mm～6mm，介质基板两侧的连接导带宽度W7为1mm～2mm，长度L4为9mm～10mm，介质基板顶端的连接导带的长度L9为2mm～3mm。
实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择FR4环氧树脂介质基板，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm，金属层厚度为0.04mm，同轴接头采用标准SMA接头。介质基板长L＝25mm、宽W＝25mm。翼形馈源终端(3)为翼形金属贴片，由两个倒L形贴片和一个方形贴片组合而成，通过倒L形和方形巧妙的叠加组合使馈源终端的横线电尺寸不断增加，激发出多个谐振点，产生三频带特性，改变倒L形贴片和方形贴片的尺寸可以调节天线三个频段的中心频率和带宽，倒L形贴片(4)的顶点O1到介质基板下端的距离L7为11mm，倒L形贴片(4)的长度L6为9.8mm，宽度W6为1.5mm，倒L形贴片(5)的长度L5为7.4mm，宽度W5为2mm，方形贴片(6)的宽度W4为4.2mm。共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L1为5.9mm，宽度W2为2.4mm。八边形缝隙地板(7)由矩形地板、连接导带和过渡三角形组成，矩形地板宽度W1为10.7mm，长度L2为5.3mm，八边形宽缝隙(2)下端过渡三角形的两个直角边长度L3为3mm、W3为3mm，八边形宽缝隙(2)上端过渡三角形的两个直角边长度L8为5.3mm、W8为5.3mm，介质基板两侧的连接导带宽度W7为1.5mm，长度L4为9.4mm，介质基板顶端的连接导带的长度L9为2mm。八边形缝隙地板(7)与连接导带之间通过三角形过渡连接可以调节天线的阻抗匹配特性。八边形缝隙地板(7)通过介质基板顶端的连接导带连接后形成闭合八边形宽缝隙(2)可以减小天线的设计尺寸，使天线结构更为紧凑。
使用矢量网络分析仪测试天线的反射系数，反射系数S11随频率的变化曲线与仿真结果对比如图2所示，反射系数S11小于-10dB的阻抗带宽在低频段为3.2GHz～3.9GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的WiMAX(3.3GHz～3.7GHz)频段，在中频段为5.1GHz～6GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的WLAN(5.15GHz～5.825GHz)频段，在高频段为7.1GHz～9.5GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的X(7.25GHz～8.4GHz)频段，频带内形成了多个谐振点，产生了三频带特性，谐振点分别位于3.5GHz、5.5GHz、8.2GHz处，对应的谐振峰强度分别为-27.4dB、-40.1dB、-46.2dB，满足天线的工作需求。实测结果与仿真结果对比，仿真与实测曲线基本保持一致，谐振点向高频方向发生一定偏移，发生偏移的原因主要为手工焊接馈电部分引入了损耗，介质基板相对介电常数存在一定误差，同时测试环境对测量结果产生一定影响。
对天线在3.5GHz、5.5GHz、8.2GHz三个频率点处的E面和H面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测方向图如图3、图4、图5所示。从图中可以看出，天线辐射方向图在E面近似“8”字形，在H面方向图近似全向，随着频率的升高方向图发生了一定的畸变，造成畸变的原因是介质基板损耗和手工焊接同轴接头造成的。因此，该天线在三个频段内是全向的，辐射特性较为稳定，天线的波瓣比较宽，具有三频带特性，能够同时满足WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统的需求。
天线在工作频带内不同频率点的峰值增益曲线如图6所示，在频带范围内选取几个采样点，可以看出，随频率的升高，峰值增益曲线整体平稳上升，在3.2GHz～3.9GHz频带范围内，天线峰值增益的变化范围是3.1dBi～3.3dBi，在5.1GHz～6GHz频带范围内，天线峰值增益的变化范围是3dBi～3.4dBi，在7.1GHz～9.5GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是3.6dBi～4.3dBi，变化范围比较合理，因此天线电性能优良，在三个工作频段范围内具有较好的增益性能。
Claims (1)
1.一种翼形终端八边形缝隙三频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的翼形馈源终端(3)、共面波导馈线(4)、八边形缝隙地板(7)和外接的同轴接头(8)构成，其特征在于：
a.所述的翼形馈源终端(3)为翼形金属贴片，由两个倒L形贴片和一个方形贴片组合而成，倒L形贴片a(4)、倒L形贴片b(5)和方形贴片(6)的顶点在天线的中轴线上，倒L形贴片a(4)、倒L形贴片b(5)和方形贴片(6)水平对称于天线的中轴线两侧，倒L形贴片b(5)位于倒L形贴片a(4)的下方内侧，方形贴片(6)位于倒L形贴片b(5)的下方内侧，方形贴片(6)的下端与共面波导馈线(4)相连接；
b.所述的共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，共面波导馈线(4)的上端与翼形馈源终端(3)下端相连接，共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(8)；
c.所述的八边形缝隙地板(7)由矩形地板、连接导带和过渡三角形组成，矩形地板位于介质基板(1)下端，矩形地板与介质基板两侧和顶端的连接导带相连接，矩形地板与连接导带之间通过过渡三角形连接，八边形缝隙地板(7)对称于共面波导馈线(4)两侧，矩形地板与连接导带、过渡三角形连接后形成闭合的八边形宽缝隙(2)；
d.所述的同轴接头(8)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(8)分别与共面波导馈线(4)和八边形缝隙地板(7)的两个下边缘相连接。
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