CN108281784B - 一种双频段圆形贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频段圆形贴片天线，其特征在于，该天线由辐射贴片、介质基板、同轴馈线、一号C形槽、二号C形槽、一号组合槽、二号组合槽、三号组合槽、四号组合槽、接地平面组成。与相应技术相比，该天线结构上采用新颖的圆形贴片结构，与传统的矩形贴片相比较，有效减小了天线的体积。而且增加了天线的实用范围。并且通过使用同轴馈线，改变馈电点位置使得频率可调；加入C形、U形、矩形等单个槽及组合槽的结构，这样不仅可以增大带宽，还能在很大程度上降低回波损耗以及提高阻抗匹配特性。该天线整个结构易于调节，可以通过改变同轴馈线和C形槽的相对位置，使得谐振频率和带宽发生变化，满足特定的要求。

Description

一种双频段圆形贴片天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种双频段圆形贴片天线。
背景技术
无线通信技术的快速发展，使得单一频段及原有的低频段通信方式已经无法满足人们的需求，例如无线电委员会和信息产业部公布的允许使用的公用频段2400MHz～2483MHz等频段。因此设计多频段、高频段天线成为了当前无线通信发展的新趋势。由于5.8GHz频段是一个开放的，较少使用的频段，在原有工作频段基础上，5.8GHz频段的出现较好的解决了频段不足的问题。在通信协议中，给5.8GHz无线产品提供了3个100MHz U-NII(无须许可证的国家信息基础设施)频段用于高速无线数据通信。这三个100MHz频段分别是5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz、5.725～5.825GHz。其中5.725～5.825GHz频段作为点对点或点对多点扩频通信系统、高速无线局域网、宽带无线接入系统、蓝牙技术设备及车辆无线自动识别系统等无线电台站的共用频段。
天线作为通信系统中的核心部件，如果能够使它同时工作在上述两个频段，那么不仅可以减轻2.4GHz频段的压力，而且也能给5.8GHz频段的进一步开发利用提供新的思路。在当前国内外研究中，能够实现在上述双频段工作的天线有很多，例如贴片天线，微带天线等。每种天线结构都有其优缺点。比如高向军，朱莉等提出的一种应用于2.4/5.2/5.8GHz的共面波导馈电的缝隙天线，可以应用于WLAN频段的无线通信，但是这种天线使用的介质基板和贴片均为矩形，实际应用中存在很多局限性。因此设计一种应用范围广泛的多频段天线势在必行。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明双频段天线采用在辐射贴片上开C形槽的方法，通过改变C形槽的位置，来改变电流的分布；改变C形槽的宽度，来优化其阻抗匹配特性，以此得到符合要求的圆形贴片天线。
本发明采用如下技术方案：一种双频段圆形贴片天线，其特征在于，该天线由辐射贴片、介质基板、同轴馈线、一号C形槽、二号C形槽、一号组合槽、二号组合槽、三号组合槽、四号组合槽、接地平面组成；
辐射贴片设置于介质基板的正面，一号C形槽、二号C形槽、一号组合槽、二号组合槽、三号组合槽、四号组合槽为通过腐蚀去掉辐射贴片上对应处的导电部分而得；所述一号C形槽、二号C形槽开口相对的设置在介质基板的正中心处，两者连接成一个环状；其中，一号C形槽的厚度与二号C形槽相比较厚；同轴馈线的内芯上表面与一号C形槽的外周相切，同轴馈线的上表面与一号C形槽处于同一水平面；
所述一号组合槽、二号组合槽分别镜面对称地设置在一号C形槽左右两侧的介质基板的边缘处，三号组合槽、四号组合槽设置在于二号C形槽的下方，且以介质基板中轴线呈镜面对称；
一号组合槽、二号组合槽均为C型槽与矩形槽组合的结构，两者的C型槽呈开口相背设置，矩形槽设置在对应C型槽的内部、水平贯穿其闭口的一侧并延伸至对应C型槽的外侧，且位于辐射贴片圆心所在水平方向上；
三号组合槽、四号组合槽均为U型槽与矩形槽组合的结构，两者的矩形槽竖直设置在二号C形槽的下方，两者的U型槽横向呈开口相背的分别设置在对应矩形槽的顶端；
所述的接地平面整体为圆形，与辐射贴片的形状相同且相平行，所述介质基板填充于辐射贴片与接地平面之间。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、结构上采用新颖的圆形贴片结构，与传统的矩形贴片相比较，有效减小了天线的体积。而且增加了天线的实用范围。
2、通过使用同轴馈线，改变馈电点位置使得频率可调。
3、加入C形、U形、矩形等单个槽及组合槽的结构，这样不仅可以增大带宽，还能在很大程度上降低回波损耗以及提高阻抗匹配特性。
4、设计的整个结构易于调节，可以通过改变同轴馈线和C形槽的相对位置，使得谐振频率和带宽发生变化，满足我们特定的要求。
附图说明
图1是本发明一种实施例的正面结构示意图。
图2是本发明一种实施例的背面结构示意图。
图3是本发明一种实施例线的回波损耗曲线图。
图4是本发明一种实施例的电压驻波比曲线图。
图5是本发明一种实施例的输入阻抗曲线图。
图6是本发明一种实施例在2.4GHz的辐射方向图。
图7是本发明一种实施例在5.8GHz的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明中的双频段圆形贴片天线，设计覆盖了2.4GHz和5.8GHz的频带范围，该天线是由辐射贴片1、介质基板2、同轴馈线3、一号C形槽4、二号C形槽5、一号组合槽6、二号组合槽7、三号组合槽8、四号组合槽9、接地平面10组成。
辐射贴片1设置于介质基板2的正面，一号C形槽4、二号C形槽5、一号组合槽6、二号组合槽7、三号组合槽8、四号组合槽9为通过腐蚀去掉辐射贴片1上对应处的导电部分而得。所述一号C形槽4、二号C形槽5开口相对的设置在介质基板2的正中心处，两者连接成一个环状。其中，一号C形槽4的厚度与二号C形槽5相比较厚。同轴馈线3的内芯上表面与一号C形槽4的外周相切，同轴馈线3的上表面与一号C形槽4处于同一水平面。
所述一号组合槽6、二号组合槽7分别镜面对称地设置在一号C形槽4左右两侧的介质基板2的边缘处，三号组合槽8、四号组合槽9设置在于二号C形槽5的下方，且以介质基板2中轴线呈镜面对称。
一号组合槽6、二号组合槽7均为C型槽与矩形槽组合的结构，两者的C型槽呈开口相背设置，矩形槽设置在对应C型槽的内部、水平贯穿其闭口的一侧并延伸至对应C型槽的外侧，且位于辐射贴片1圆心所在水平方向上。
三号组合槽8、四号组合槽9均为U型槽与矩形槽组合的结构，两者的矩形槽竖直设置在二号C形槽5的下方，两者的U型槽横向呈开口相背的分别设置在对应矩形槽的顶端。
所述的接地平面10整体为圆形，与辐射贴片1的形状相同且相平行，所述介质基板2填充于辐射贴片1与接地平面10之间。
所述的介质基板2采用的材料是聚四氟乙烯(FR-4)，其介电常数为4.4。
本发明中，单独存在一号C形槽4或二号C形槽5，只会影响5.8GHz频段的回波损耗值，一号C形槽4或二号C形槽5与辐射贴片圆心之间水平方向或竖直方向上的距离越大，5.8GHz频段的回波损耗值会越小。一号C形槽4与同轴馈线的相对位置会影响不同频段上回波损耗值的大小：一号C形槽4若沿辐射贴片圆心所在水平方向向右移动，则在大于5GHz的频段，回波损耗会变小；若一号C形槽4沿辐射贴片圆心所在水平方向向左移动，则在3～5GHz的频段，回波损耗会变小；而一号C形槽4越靠近辐射贴片圆心，则在小于3GHz的频段，回波损耗会变小。
本发明采用组合槽的形式，减小了在辐射贴片上槽的相对面积，有利于增加传输效率。组合槽的位置会影响产生频点的，越靠近辐射贴片边缘，产生的频点会越多。
实施例：辐射贴片1位于介质基板2的正面，同轴馈线3位于介质基板2中辐射贴片1圆心所在竖直方向的位置上。所述的一号C形槽4和二号C形槽5位于辐射贴片1的圆心部位，开口相对的设置在介质基板2的正中心处，两者连接成一个环状；所述一号组合槽6、二号组合槽7分别镜面对称地设置在一号C形槽4左右两侧的介质基板2的边缘处；所述的三号组合槽8和四号组合槽9位于辐射贴片1圆心下方，是两个由矩形槽和U形槽组合而成，设置在于二号C形槽5的下方的组合槽，且以介质基板2中轴线呈镜面对称。辐射贴片采用轴对称结构。接地平面10位于介质基板2的反面。
参见图1和图2，标号2为介质基板。它是一个半径为15.5mm，厚度为1.5mm的圆柱体。天线结构中的辐射贴片1和接地平面10的半径均为15.5mm；同轴馈线3的内芯的半径为0.6mm，并且与一号C形槽4的外周相切，它的上表面与一号C形槽4处于同一水平面。同轴馈线3的圆心距离辐射贴片圆心4.5mm。图中的一号C形槽4、二号C形槽5、一号组合槽6、二号组合槽7、三号组合槽8、四号组合槽9为通过腐蚀去掉辐射贴片1上对应处的导电部分而得。其中一号C形槽4的内径为2.8mm，外径为4.1mm；二号C形槽5的内径为3.4mm，外径为4mm。所述的一号C形槽4、二号C形槽5开口相对的设置在介质基板2的正中心处，两者连接成一个环状。
一号组合槽6、二号组合槽7中的C形槽的内径为2.5mm，外径为3mm，一号组合槽6的圆心位于辐射贴片圆心所在水平方向上，距离辐射贴片1圆心10mm的左侧位置上，二号组合槽7位于辐射贴片1圆心所在水平方向上，距离辐射贴片圆心10mm的右侧位置上；一号组合槽6和二号组合槽7中的矩形槽长宽为3mm×0.5mm，位于辐射贴片1圆心所在水平方向上。
图1中，一号C形槽4和二号C形槽5与一号组合槽6中矩形槽的右端距离L1为6mm，距离一号组合槽6中C形槽的距离L2为7mm；一号C形槽4和二号C形槽5与二号组合槽7之间的距离，与左侧的一号组合槽6之间的距离相同。
三号组合槽8的U形槽开口向外，内径、外径和宽度分别为0.5mm、3mm、2.5mm。三号组合槽8中的U形槽距离辐射贴片1圆心所在水平方向6.5mm，距离辐射贴片1圆心所在竖直方向的距离为2.5mm；三号组合槽8的矩形槽的长×宽为2mm×3.5mm，距离辐射贴片1圆心所在水平方向9mm，距离辐射贴片圆心所在竖直方向2mm。U形槽和矩形槽相接但不重合。
四号组合槽9除位置外，与三号组合槽8完全相同。四号组合槽9与三号组合槽8以介质基板2中轴线呈镜面对称。三号组合槽8与四号组合槽9之中的U形槽之间距离为L3为5mm，矩形槽之间的距离L4为4mm。
图2为接地平面10、介质基板2和同轴馈线3的示意图。同轴馈线3的传输端口面半径为1.5mm，圆心位于接地平面10的圆心所在竖直方向上，与同轴馈线3的内芯重合；同轴馈线3的下表面与接地平面处于同一水平面，距离接地平面10的圆心距为4.5mm。
图3为本实施例的回波损耗曲线图，从图3中可以看出天线可以很好地工作于2.4GHz和5.8GHz频带内，在这两个频带内的回波损耗均小于-30dB，2.4GHz处回波损耗为-30.19227dB；5.8GHz处回波损耗为-42.17474dB。具备良好的向外传输特性，符合无线电应用频段的频段要求
图4为本实施例的电压驻波比曲线图，天线的电压驻波比在2.4GHz和5.8GHz频点均小于1.1。2.4GHz处VSWR的值为1.0606；5.8GHz处VSWR的值为1.0860。这表面该天线具有良好的阻抗匹配，天线能量的损耗很小。
图5为天线的阻抗参数，在2.4GHz和5.8GHz频点阻抗变化不大，表现出良好的阻抗稳定特性。
图6为本实施例在2.4GHz时的天线方向图，可以看出天线具有较高的前后比，表明天线对后瓣的抑制较好，满足设计要求。
图7为本实施例在5.8GHz时的天线方向图，可以看出5.8GHz的天线方向图的形状、在竖直方向上的峰值以及增益值的区间与2.4GHz时的天线方向图明显不同；同时天线的天线有较好的水平全向性，符合我们的设计要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变辐射贴片和同轴馈线的大小和位置，以及改变C形槽、组合槽的大小和宽度，都应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种双频段圆形贴片天线，其特征在于，该天线由辐射贴片、介质基板、同轴馈线、一号C形槽、二号C形槽、一号组合槽、二号组合槽、三号组合槽、四号组合槽、接地平面组成；
辐射贴片设置于介质基板的正面，一号C形槽、二号C形槽、一号组合槽、二号组合槽、三号组合槽、四号组合槽为通过腐蚀去掉辐射贴片上对应处的导电部分而得；所述一号C形槽、二号C形槽开口相对的设置在介质基板的正中心处，两者连接成一个环状；其中，一号C形槽的厚度与二号C形槽相比较厚；同轴馈线的内芯上表面与一号C形槽的外周相切，同轴馈线的上表面与一号C形槽处于同一水平面；
所述一号组合槽、二号组合槽分别镜面对称地设置在一号C形槽左右两侧的介质基板的边缘处，三号组合槽、四号组合槽设置在于二号C形槽的下方，且以介质基板中轴线呈镜面对称；
一号组合槽、二号组合槽均为C型槽与矩形槽组合的结构，两者的C型槽呈开口相背设置，矩形槽设置在对应C型槽的内部、水平贯穿其闭口的一侧并延伸至对应C型槽的外侧，且位于辐射贴片圆心所在水平方向上；
三号组合槽、四号组合槽均为U型槽与矩形槽组合的结构，两者的矩形槽竖直设置在二号C形槽的下方，两者的U型槽横向呈开口相背的分别设置在对应矩形槽的顶端；
所述的接地平面整体为圆形，与辐射贴片的形状相同且相平行，所述介质基板填充于辐射贴片与接地平面之间。
2.根据权利要求1所述的一种双频段圆形贴片天线，其特征在于，所述介质基板采用的材料是聚四氟乙烯，其介电常数为4.4。
3.根据权利要求1所述的一种双频段圆形贴片天线，其特征在于，所述介质基板是一个半径为15.5mm，厚度为1.5mm的圆柱体；辐射贴片和接地平面的半径均为15.5mm；同轴馈线的内芯的半径为0.6mm，并且与一号C形槽的外周相切，它的上表面与一号C形槽处于同一水平面；同轴馈线的圆心距离辐射贴片圆心4.5mm；一号C形槽、二号C形槽、一号组合槽、二号组合槽、三号组合槽、四号组合槽为通过腐蚀去掉辐射贴片上对应处的导电部分而得；其中一号C形槽的内径为2.8mm，外径为4.1mm；二号C形槽的内径为3.4mm，外径为4mm；所述的一号C形槽、二号C形槽开口相对的设置在介质基板的正中心处，两者连接成一个环状；
一号组合槽、二号组合槽中的C形槽的内径为2.5mm，外径为3mm，一号组合槽的圆心位于辐射贴片圆心所在水平方向上，距离辐射贴片圆心10mm的左侧位置上，二号组合槽位于辐射贴片圆心所在水平方向上，距离辐射贴片圆心10mm的右侧位置上；一号组合槽和二号组合槽中的矩形槽长宽为3mm×0.5mm，位于辐射贴片圆心所在水平方向上；
一号C形槽和二号C形槽与一号组合槽中矩形槽的右端距离L1为6mm，距离一号组合槽中C形槽的距离L2为7mm；一号C形槽和二号C形槽与二号组合槽之间的距离，与左侧的一号组合槽之间的距离相同；
三号组合槽的U形槽开口向外，内径、外径和宽度分别为0.5mm、3mm、2.5mm；三号组合槽中的U形槽距离辐射贴片圆心所在水平方向6.5mm，距离辐射贴片圆心所在竖直方向的距离为2.5mm；三号组合槽的矩形槽的长×宽为2mm×3.5mm，距离辐射贴片圆心所在水平方向9mm，距离辐射贴片圆心所在竖直方向2mm；U形槽和矩形槽相接但不重合；
四号组合槽除位置外，与三号组合槽完全相同；四号组合槽与三号组合槽以介质基板中轴线呈镜面对称；三号组合槽与四号组合槽之中的U形槽之间距离L3为5mm，矩形槽之间的距离L4为4mm；
同轴馈线的传输端口面半径为1.5mm，圆心位于接地平面的圆心所在竖直方向上，与同轴馈线的内芯重合；同轴馈线的下表面与接地平面处于同一水平面，距离接地平面的圆心距为4.5mm。
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