CN108711677A - 基于复合左右手传输线理论的双频天线 - Google Patents

基于复合左右手传输线理论的双频天线 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于复合左右手传输线理论的双频天线，包括介质基板、与介质基板的上表面相触接的上金属层、及与介质基板的下表面相触接的下金属层；介质基板上设置有一个开口区域，沿开口区域边缘开设有多个通孔，通孔、上金属层、下金属层及介质基板之间形成矩形基片集成波导谐振腔；下金属层上设置有一个用于馈电的共面波导，共面波导与矩形基片集成波导谐振腔相连接，上金属层上开设有领结形交指槽。本发明在保留了传统背腔缝隙天线高辐射性能优点的基础上，进一步缩小了天线尺寸，降低了天线的加工成本，更易于和平面电路集成。另外，本发明复合左右手传输线的零阶或负数阶谐振特性，可以有效的突破传统天线在设计上受谐振波长的限制。

Description

基于复合左右手传输线理论的双频天线
技术领域
本发明涉及一种双频天线，尤其涉及一种基于复合左右手传输线理论的双频天线，属于微波技术领域。
背景技术
天线是一种空间电磁波和导行波相互转换的结构，自从由赫兹和马可尼创造出以来，在人类生产劳动及生活中扮演越来越重要的角色，现在已成为无线电通讯系统或空间通讯系统的重要部件，发挥着举足轻重的作用。天线无处不在：家庭和工作场所的路由器、公共场所的无线热点、汽车和轮船里、航空航天器里和随身携带的通信设备里（手机、笔记本、平板电脑）等等。天线主要作用是发射和接受信号，由于它处于整个无线系统的最前端，所以其性能的好坏直接影响接受或者发射信号的质量。
随着现代通信技术的迅速发展和应用，对通信系统的小型化、集成化和多频带化提出了更高的要求，使得留给天线的空间越来越小。而射频前端的天线尺寸取决于其工作频率，以致在低频时天线尺寸相对较大，这样不利于当前天线的小型化，所以小型化、高性能的天线研究变得尤为重要。工作在单一频段的天线无法满足目前无线通信系统对多频段的要求，若将工作在单频段的天线集合在一起来实现多频段，就无法做到小型化，且不利于良好通信，这就要求天线也能够实现多频段。
然而，传统的天线，可以在一定程度上减小天线尺寸，但是小型化效果有限，甚至不能实现多频工作，加工成本较高，且不易于和平面电路集成。
综上所述，如何在保证天线特性的前提下，减小天线的尺寸，促进通信设备不断朝小型化、集成化发展，就本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的上述缺陷，提出了一种基于复合左右手传输线理论的双频天线，即引入复合左右手传输线理论进行分析，使天线在原工作频点不变的情况下，得到一个更低的工作频率，进一步缩小天线尺寸并实现双频工作。
本发明的技术解决方案是：
基于复合左右手传输线理论的双频天线，包括介质基板、与介质基板的上表面相触接的上金属层、及与介质基板的下表面相触接的下金属层；介质基板上设置有一个开口区域，沿开口区域边缘开设有多个通孔，所述通孔、上金属层、下金属层及介质基板之间形成矩形基片集成波导谐振腔；所述下金属层上设置有一个用于馈电的共面波导，所述共面波导与矩形基片集成波导谐振腔相连接，所述上金属层上开设有领结形交指槽。
优选地，所述领结形交指槽包括领结形缝隙槽，以及分别与领结形缝隙槽的两侧相连接的多个第一矩形缝隙槽与多个第二矩形缝隙槽，多个第一矩形缝隙槽设置在领结形缝隙槽的一侧，多个第二矩形缝隙槽设置在领结形缝隙槽的另一侧。
优选地，多个第一矩形缝隙槽之间首尾相连接并相互平行，且每相邻两个第一矩形缝隙槽之间的间距相等，并大于第一矩形缝隙槽的宽度；多个第二矩形缝隙槽之间首尾相连接并相互平行，且每相邻两个第二矩形缝隙槽之间的间距相等，并大于第二矩形缝隙槽的宽度。
优选地，所述领结形缝隙槽包括两个相同的凹口，两个凹口沿所述领结形交指槽的中心轴对称分布。
优选地，每个所述凹口上均设置有一垂直边，两个垂直边平行设置在领结形缝隙槽的两侧，一个垂直边与第一矩形缝隙槽相连接，另一个垂直边与第二矩形缝隙槽相连接。
优选地，所述垂直边与所述矩形基片集成波导谐振腔的一端相垂直，所述垂直边与所述共面波导相平行。
优选地，所述共面波导包括中心导带、以及分别位于中心导带两侧的第一导体及第二导体，第一导体到中心导带的距离与第二导体到中心导带的距离相等，且第一导体与第二导体关于中心导带呈轴对称，第一导体与第二导体均与中心导带共面。
优选地，所述中心导带与所述垂直边相平行，且所述中心导带上设置有微带线，微带线与中心导带相连接。
优选地，所述开口区域与所述共面波导的形状相对应。
优选地，所述介质基板的厚度小于介质的波长，所述介质基片为矩形，且为Rogers5880介质板。
本发明提供了一种基于复合左右手传输理论的双频天线，其优点主要体现在以下几个方面：
（1）本发明在保留了传统背腔缝隙天线高辐射性能优点的基础上，进一步缩小了天线尺寸，降低了天线的加工成本，更易于和平面电路集成。
（2）本发明复合左右手传输线的零阶或负数阶谐振特性可以有效的突破传统天线在设计上受谐振波长的限制，在天线小型化和多频化设计中有极大的应用价值。
（3）本发明中设置有领结形交指槽，即在领结形缝隙槽的基础上引入矩形缝隙槽，在不改变原有的谐振频率的基础上，引入新的低频谐振频率，有效地降低了天线的尺寸，并有效地实现了天线的双频化。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明的仰视结构示意图；
图4是本实施例的仿真和测量的S参数图；
图5是本实施例在6.38GHz频段下的仿真E面和H面增益方向图；
图6是本实施例在10.07GHz频段下仿真的E面和H面增益方向图。
其中，1－上金属层，11－第一矩形缝隙槽，12－第二矩形缝隙槽，13－凹口，131－垂直边，2－下金属层，21－中心导带，22－第一导体，23－第二导体，24－连接部，3－介质基板，31－开口区域，311－侧边，312－第一直角边，3121－开口，313－第二直角边，32－通孔。
具体实施方式
基于复合左右手传输线理论的双频天线，如图1至图3所示，包括介质基板3、与介质基板3的上表面相触接的上金属层1、及与介质基板3的下表面相触接的下金属层2，下金属层2上设置有一个用于馈电的共面波导，上金属层1上开设有领结形交指槽。
在本实施例中，介质基板3的厚度远远小于介质的波长，介质基板3厚度为0.787mm，相对介电常数为2.1；介质基片为矩形，且为Rogers 5880介质板，介质基板3上设置有一个开口区域31，沿开口区域31边缘开设有多个通孔32，为了使能量泄露被抑制到几乎可以忽略的程度，通孔32的尺寸至少为通孔32之间距离的二分之一，即通孔32的直径为1mm，通孔32之间的间距为1.6mm。通孔32、上金属层1、下金属层2及介质基板3之间形成矩形基片集成波导谐振腔，共面波导与矩形基片集成波导谐振腔相连接。
进一步地，领结形交指槽包括领结形缝隙槽，以及分别与领结形缝隙槽的两侧相连接的多个第一矩形缝隙槽11与多个第二矩形缝隙槽12，多个第一矩形缝隙槽11设置在领结形缝隙槽的一侧，多个第二矩形缝隙槽12设置在领结形缝隙槽的另一侧。
更进一步地，多个第一矩形缝隙槽11之间首尾相连接并相互平行，且每相邻两个第一矩形缝隙槽11之间的间距相等，并大于第一矩形缝隙槽11的宽度；多个第二矩形缝隙槽12之间首尾相连接并相互平行，且每相邻两个第二矩形缝隙槽12之间的间距相等，并大于第二矩形缝隙槽12的宽度，在本实施例中，领结形交指槽包括一个领结形缝隙槽、三个第一矩形缝隙槽11及三个第二矩形缝隙槽12，第一矩形缝隙槽11与第二矩形缝隙槽12的宽度相同且均为0.2mm，相邻两个第一矩形缝隙槽11与相邻两个第二矩形缝隙槽12的距离相同且均为0.6mm。
其中，领结形缝隙槽包括两个相同的凹口13，两个凹口13沿领结形交指槽的中心轴对称分布。每个所述凹口13上均设置有一垂直边131，两个垂直边131平行设置在领结形缝隙槽的两侧，一个垂直边131与第一矩形缝隙槽11相连接，另一个垂直边131与第二矩形缝隙槽12相连接。垂直边131与矩形基片集成波导谐振腔的一端相垂直，垂直边131与共面波导相平行。
另外，共面波导包括中心导带21、以及分别位于中心导带21两侧的第一导体22及第二导体23，第一导体22到中心导带21的距离与第二导体23到中心导带21的距离相等，且第一导体22与第二导体23关于中心导带21呈轴对称，第一导体22与第二导体23均与中心导带21共面。中心导带21与垂直边131相平行，且中心导带21上设置有微带线，微带线与中心导带21相连接。在本实施例中，共面波导的中心导带21的宽度为2.5mm，第一导体22与第二导体23的宽度均为1.4mm，第一导体22与第二导体23的长度均为9.7mm；微带线宽度为2.5mm，长度为3mm；中心导带21与微带线的宽带相同均为50欧姆，在共面波导中，第一导体22与第二导体23通过连接部24相连接，即第一导体22与第二导体23分别位于连接部24的两端，中心导带21与连接部24的一侧相连接，即微带线与共面波导相连接，更方便测量。
在本发明的技术方案中，开口区域31与共面波导的形状相对应，开口区域31如图3所示，包括两个侧边311、第一直角边312与第二直角边313，第一直角边312通过两个侧边311与第二直角边313相连接，第一直角边312与第二直角边313相平行，且第一直角边312上设置有开口3121，两个侧边311相平行且均垂直于第二直角边313，一个侧边311与第一导体22的长度相同，另一个侧边311与第二导体23的长度相同，第二直角边313与连接部24的长度相同，开口3121两侧的第一直角边312均与第一导体22的宽度相同。多个通孔32沿开口区域31的第一直角边312、第二直角边313及两个侧边311等距均匀分布。
本实施例中还利用三维电磁仿真软件对所提出的天线结构进行仿真，如图4至图6所示，图4是本发明实施例的仿真和测量的S参数图，从图4可以看出，在工作带宽内，天线回波损耗最低达到-25dB，所以满足阻抗匹配要求。图5是本实施例在6.38GHz频段下的仿真E面和H面增益方向图，图6是本实施例在10.07GHz频段下仿真的E面和H面增益方向图，从图5和图6中可以看出，天线的辐射性能较好，辐射效率高。在基片集成波导结合新结构的天线设计和应用中具有巨大的参考价值。
本发明公开的一种基于复合左右手传输的双频天线，在保留了传统背腔缝隙天线高辐射性能优点的基础上，进一步缩小了天线尺寸，降低了天线的加工成本，更易于和平面电路集成。另外，本发明复合左右手传输线的零阶或负数阶谐振特性可以有效的突破传统天线在设计上受谐振波长的限制，在天线小型化和多频化设计中有极大的应用价值。同时，本发明中设置有领结形交指槽，即在领结形缝隙槽的基础上引入矩形缝隙槽，在不改变原有的谐振频率的基础上，引入新的低频谐振频率，有效地降低了天线的尺寸，并有效地实现了天线的双频化。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (10)

1.基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：包括介质基板、与介质基板的上表面相触接的上金属层、及与介质基板的下表面相触接的下金属层；介质基板上设置有一个开口区域，沿开口区域边缘开设有多个通孔，所述通孔、上金属层、下金属层及介质基板之间形成矩形基片集成波导谐振腔；所述下金属层上设置有一个用于馈电的共面波导，所述共面波导与矩形基片集成波导谐振腔相连接，所述上金属层上开设有领结形交指槽。
2.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述领结形交指槽包括领结形缝隙槽，以及分别与领结形缝隙槽的两侧相连接的多个第一矩形缝隙槽与多个第二矩形缝隙槽，多个第一矩形缝隙槽设置在领结形缝隙槽的一侧，多个第二矩形缝隙槽设置在领结形缝隙槽的另一侧。
3.根据权利要求2所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：多个第一矩形缝隙槽之间首尾相连接并相互平行，且每相邻两个第一矩形缝隙槽之间的间距相等，并大于第一矩形缝隙槽的宽度；多个第二矩形缝隙槽之间首尾相连接并相互平行，且每相邻两个第二矩形缝隙槽之间的间距相等，并大于第二矩形缝隙槽的宽度。
4.根据权利要求2所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述领结形缝隙槽包括两个相同的凹口，两个凹口沿所述领结形交指槽的中心轴对称分布。
5.根据权利要求4所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：每个所述凹口上均设置有一垂直边，两个垂直边平行设置在领结形缝隙槽的两侧，一个垂直边与第一矩形缝隙槽相连接，另一个垂直边与第二矩形缝隙槽相连接。
6.根据权利要求5所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述垂直边与所述矩形基片集成波导谐振腔的一端相垂直，所述垂直边与所述共面波导相平行。
7.根据权利要求6所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述共面波导包括中心导带、以及分别位于中心导带两侧的第一导体及第二导体，第一导体到中心导带的距离与第二导体到中心导带的距离相等，且第一导体与第二导体关于中心导带呈轴对称，第一导体与第二导体均与中心导带共面。
8.根据权利要求7所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述中心导带与所述垂直边相平行，且所述中心导带上设置有微带线，微带线与中心导带相连接。
9.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述开口区域与所述共面波导的形状相对应。
10.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线理论的双频天线，其特征在于：所述介质基板的厚度小于介质的波长，所述介质基片为矩形，且为Rogers 5880介质板。
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