CN110649379A - 一种基于铁氧体基板的小型化多频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，包括：介质基板、馈线、辐射贴片、馈线H缝隙、背面地板、SRR结构、背部缝隙组、第一背面直角缝隙和第二背面直角缝隙，本发明实现在保障无源天线的辐射效率、定向性及天线增益的指标情况下，还具有多个工作频带以及小型化的特点。

Description

一种基于铁氧体基板的小型化多频天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种基于铁氧体基板的小型化多频天线。
背景技术
微带天线因其剖面低、体积小、易加工等优点，被广泛应用在无线通信的小型化场景中，然而，传统的介质基板制作的小型化微带天线已经难以满足日益高度集成化的设备所给的空间。磁性和介电性是众多电子元器件工作所利用的两个主要的物理性能，在如今微波器件对于小型化的研究主要集中在器件结构的创新和先进的制造、封装技术。对于高频器件的介质的研究非常少，而对于铁氧体这样既有介电性和磁性的材料则研究的更少。如今在其他方面研究已经达到瓶颈，通过介质实现小型化的研究显得空前重要起来。
人工电磁材料的使用可以使材料的电磁参数人为的改变，使用周期性的人工电磁材料单元可以制作出所需要的介电常数和磁导率的介质，甚至实现自然界所没有的负介电常数和负磁导率的材料。复合左右手传输线概念的提出可以让加入左手结构的天线抽象为等效电路来分析其传输特性。复合左右手材料的使用可以改变天线的辐射相位、辐射效率、定向性等远场特性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于铁氧体基板的小型化多频天线，在保障无源天线的辐射效率、定向性及天线增益的指标情况下，还具有多个工作频带以及小型化的特点。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于铁氧体基板的小型化多频天线，包括：介质基板、馈线、辐射贴片、馈线H缝隙、背面地板、SRR结构、背部缝隙组、第一背面直角缝隙和第二背面直角缝隙；
所述介质基板的正面上设有馈线、辐射贴片和SRR结构；
所述馈线的一端延伸至介质基板边缘，其另一端与辐射贴片连接，所述馈线上设置有两个馈线H缝隙；
所述背面地板紧贴介质基板的背面；
所述第一背面直角缝隙和第二背面直角缝隙分别位于背面地板的两个相对的直角处；
所述背部缝隙组位于背面地板另外两个直角的对角线上。
进一步地：SRR结构包括：第一开口金属环和第二开口金属环；
所述第二开口金属环位于第一开口金属环内；
所述第一开口金属环的半径为r2，所述第二开口金属环的半径为r1；其中，r1＝4.5mm，r2＝7mm。
进一步地：介质基板为未极化、不加磁偏的CoZnCuW型铁氧体基板，其介电常数为15.3，其磁导率为10.1，其介电损耗为0.007，其磁损耗为0.02，其长宽均为w1，厚度为1.6mm，其中，w1＝50mm。
上述进一步方案的有益效果为：由于辐射贴片长度的平方与其材质的磁导率成反比，采用磁导率相比于其他电学材料较大的铁氧体基板，使得辐射贴片长度尽可能地缩短，进而使得天线尺寸小型化。
进一步地：馈线的宽度为w2，其长度为l6，其中，w2＝3.04mm，l6＝22mm。
进一步地：馈线H缝隙包括：第一馈线H缝隙和第二馈线H缝隙；
所述第一馈线H缝隙和第二馈线H缝隙的结构相同，均包括：第一竖向缝隙、第二竖向缝隙和横向缝隙；
所述横向缝隙的一端与第一竖向缝隙连接，其另一端与第二竖向缝隙连接；
所述第一馈线H缝隙位于馈线的一端，所述第一馈线H缝隙中，第一竖向缝隙及第二竖向缝隙一端的边缘与馈线一端的边缘重合；
所述第二馈线H缝隙位于馈线的另一端；
所述第一竖向缝隙和第二竖向缝隙的宽度为w4，其长度均为l5，所述第一竖向缝隙远离第二竖向缝隙的侧边与第二竖向缝隙远离第一竖向缝隙(201311)的侧边的垂直距离为w3；
所述横向缝隙的宽度w4；
所述第二馈线H缝隙与馈线一端边缘的最近距离为l7，其与馈线另一端边缘的最近距离为l8，
其中，w4＝0.3mm，l5＝4mm，w3＝2.4mm，l7＝12mm，l8＝6mm。
上述进一步方案的有益效果为：通过馈线H缝隙延长电流长度，进一步缩小本天线的结构。
进一步地：辐射贴片包括：第一矩形辐射贴片和第二矩形辐射贴片；
所述第一矩形辐射贴片和第二矩形辐射贴片构成凸字型贴片；
所述第一矩形辐射贴片的宽度为w2，其长度为l4；
所述第二矩形辐射贴片的宽度为w5，其长度为l3；
其中，w2＝3.04mm，w5＝16mm，l3＝6mm，l4＝2mm。
进一步地：背部缝隙组包括5个缝隙单元，所述5个缝隙单元的宽度均为e2，缝隙单元间的间隔为e3，5个缝隙单元的长度均为e1；其中，e1＝45mm，e2＝0.6mm，e3＝0.5mm。
上述进一步方案的有益效果为：背部缝隙组与馈线H缝隙共同激励出多个频段，通过调节背部缝隙组的尺寸，可以使本发明适应不同的工作频段。
进一步地：第一背面直角缝隙和第二背面直角缝隙关于介质基板几何中心位置中心对称；第一背面直角缝隙和第二背面直角缝隙的横向长度均为w6，其纵向长度均为l2，其缝隙宽度均为1mm，其中，w6＝18mm，l2＝28mm。
上述进一步方案的有益效果为：通过直角缝隙对背面地板的谐振电流进行调节，改善相应频段的辐射远场特性。
进一步地：第二开口金属环的几何中心与第二矩形辐射贴片的几何中心的距离为
Figure BDA0002219458680000041
以第二矩形辐射贴片的长度所在方向的线为水平线，第二开口金属环的几何中心与第二矩形辐射贴片的几何中心的连线与水平线的夹角为45°。
上述进一步方案的有益效果为：通过引入具有负等效介电常数及负等效磁导率的“左手”电磁特性的SRR金属开口谐振环改变天线的远场辐射特性，从而增加天线定向性；由SRR结构的两开口金属环的尺寸及开口特征确立了其谐振峰的所在频点、品质因数及幅度特性，并通过SRR结构与辐射贴片距离的调节，适配了SRR结构对天线谐振电流的影响强度，同时配合调节背面地板的第一背面直角缝隙和第二背面直角缝隙的位置及尺寸可以对背部缝隙组的电流环的水平分量差生影响，实现左右旋圆极化特性；上述尺寸参数及距离参数均由有限元分析工具调节得到，使天线性能最优。
本发明的有益效果为：本发明通过选用铁氧体基板并设计馈线H缝隙来延长电流长度达到缩小本天线的结构的目的；通过背部缝隙组与馈线H缝隙共同激励出多个频段，并通过背部缝隙组的缝隙单元与介质基板的几何中心点的位置差异，调节缝隙单元的尺寸，可以使本发明适应不同的工作频段。
附图说明
图1为一种基于铁氧体基板的小型化多频天线结构示意图；
图2为介质基板一面的结构示意图；
图3为介质基板另一面的结构示意图；
图4为馈线的结构示意图；
图5为馈线H缝隙的结构示意图；
图6为辐射贴片的结构示意图；
图7为一种基于铁氧体基板的小型化多频天线的尺寸图；
图8为天线的S参数曲线图；
图9为天线的远场增益和辐射效率曲线图；
其中：101、介质基板；2011、馈线；2012、辐射贴片；20121、第一矩形辐射贴片；20122、第一矩形辐射贴片；2013、馈线H缝隙；20131、第一馈线H缝隙；20132、第二馈线H缝隙；201311、第一竖向缝隙；201312、第二竖向缝隙；201313、横向缝隙；301、背面地板；401、SRR结构；4011、第一开口金属环；4012、第二开口金属环；501、背部缝隙组；6011、第一背面直角缝隙；6012、第二背面直角缝隙。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于铁氧体基板的小型化多频天线，包括：介质基板101、馈线2011、辐射贴片2012、馈线H缝隙2013、背面地板301、SRR结构401、背部缝隙组501、第一背面直角缝隙6011和第二背面直角缝隙6012；
如图2所示，所述介质基板101的正面上设有馈线2011、辐射贴片2012和SRR结构401；
所述馈线2011的一端延伸至介质基板101边缘，其另一端与辐射贴片2012连接，所述馈线2011上设置有两个馈线H缝隙2013；
如图3所示，所述背面地板301紧贴介质基板101的背面；
所述第一背面直角缝隙6011和第二背面直角缝隙6012分别位于背面地板301的两个相对的直角处；
所述背部缝隙组501位于背面地板301另外两个直角的对角线上。
SRR结构401包括：第一开口金属环4011和第二开口金属环4012；
所述第二开口金属环4012位于第一开口金属环4011内；
所述第一开口金属环4011的半径为r2，所述第二开口金属环4012的半径为r1；其中，r1＝4.5mm，r2＝7mm。
介质基板101为未极化、不加磁偏的CoZnCuW型铁氧体基板，其介电常数为15.3，其磁导率为10.1，其介电损耗为0.007，其磁损耗为0.02，其长宽均为w1，厚度为1.6mm，其中，w1＝50mm。
由于辐射贴片2012长度的平方与其材质的磁导率成反比，采用磁导率相比于其他电学材料较大的铁氧体基板，使得辐射贴片2012长度尽可能地缩短，进而使得天线尺寸小型化。
如图4所示，馈线2011的宽度为w2，其长度为l6，其中，w2＝3.04mm，l6＝22mm。
馈线H缝隙2013包括：第一馈线H缝隙20131和第二馈线H缝隙20132；
所述第一馈线H缝隙20131和第二馈线H缝隙20132的结构相同，均包括：第一竖向缝隙201311、第二竖向缝隙201312和横向缝隙201313；
如图5所示，所述横向缝隙201313的一端与第一竖向缝隙201311连接，其另一端与第二竖向缝隙201312连接；
所述第一馈线H缝隙20131位于馈线2011的一端，所述第一馈线H缝隙20131中，第一竖向缝隙201311及第二竖向缝隙201312一端的边缘与馈线2011一端的边缘重合；
所述第二馈线H缝隙20132位于馈线2011的另一端；
所述第一竖向缝隙201311和第二竖向缝隙201312的宽度为w4，其长度均为l5，所述第一竖向缝隙201311远离第二竖向缝隙201312的侧边与第二竖向缝隙201312远离第一竖向缝隙201311的侧边的垂直距离为w3；
所述横向缝隙201313的宽度w4；
所述第二馈线H缝隙20132与馈线2011一端边缘的最近距离为l7，其与馈线2011另一端边缘的最近距离为l8，
其中，w4＝0.3mm，l5＝4mm，w3＝2.4mm，l7＝12mm，l8＝6mm。
通过馈线H缝隙2013延长电流长度，进一步缩小本天线的结构。
如图6所示，辐射贴片2012包括：第一矩形辐射贴片20121和第二矩形辐射贴片20122；
所述第一矩形辐射贴片20121和第二矩形辐射贴片20122构成凸字型贴片；
所述第一矩形辐射贴片20121的宽度为w2，其长度为l4；
所述第二矩形辐射贴片20122的宽度为w5，其长度为l3；
其中，w2＝3.04mm，w5＝16mm，l3＝6mm，l4＝2mm。
背部缝隙组501包括5个缝隙单元，所述5个缝隙单元的宽度均为e2，缝隙单元间的间隔为e3，5个缝隙单元的长度均为e1；其中，e1＝45mm，e2＝0.6mm，e3＝0.5mm。
背部缝隙组501与馈线H缝隙2013共同激励出多个频段，通过调节背部缝隙组501的尺寸，可以使本发明适应不同的工作频段。
第一背面直角缝隙6011和第二背面直角缝隙6012关于介质基板101几何中心位置中心对称；第一背面直角缝隙6011和第二背面直角缝隙6012的横向长度均为w6，其纵向长度均为l2，其缝隙宽度均为1mm，其中，w6＝18mm，l2＝28mm。
通过直角缝隙对背面地板301的谐振电流进行调节，改善相应频段的辐射远场特性。
第二开口金属环(4012)的几何中心与第二矩形辐射贴片(20122)的几何中心的距离为
Figure BDA0002219458680000081
以第二矩形辐射贴片(20122)的长度所在方向的线为水平线，第二开口金属环(4012)的几何中心与第二矩形辐射贴片(20122)的几何中心的连线与水平线的夹角为45°。
图7为一种基于铁氧体基板的小型化多频天线的尺寸图。
通过引入具有负等效介电常数及负等效磁导率的“左手”电磁特性的SRR金属开口谐振环改变天线的远场辐射特性，从而增加天线定向性；由SRR结构401的两开口金属环的尺寸及开口特征确立了其谐振峰的所在频点、品质因数及幅度特性，并通过SRR结构401与辐射贴片2012距离的调节，适配了SRR结构401对天线谐振电流的影响强度，同时配合调节背面地板301的第一背面直角缝隙6011和第二背面直角缝隙6012的位置及尺寸可以对背部缝隙组501的电流环的水平分量差生影响，实现左右旋圆极化特性；上述尺寸参数及距离参数均由有限元分析工具调节得到，使天线性能最优。
本发明的有益效果为：本发明通过选用铁氧体基板并设计馈线H缝隙2013来延长电流长度达到缩小本天线的结构的目的；通过背部缝隙组501与馈线H缝隙2013共同激励出多个频段，并通过背部缝隙组501的缝隙单元与介质基板101的几何中心点的位置差异，调节缝隙单元的尺寸，可以使本发明适应不同的工作频段。
图8为本发明所提供的基于铁氧体基板加载复合左右手单元的小型化多频天线的S参数曲线，图中横坐标为频率单位：(GHz)，纵坐标表示S11(单位：dB)。图中显示出本发明天线的工作频段(|S11|≤-10dB)为0.56GHz-0.65GHz(中心频率为0.6GHz)，1.44GHz-1.56GHz(中心频率为1.5GHz)。从结果可以看出本发明所工作频段包含了两个黄金频段，600MHz处的频段应用于广电以及可能应用于5G通信，而1.5GHz频段应用于海事、卫星等等。对比两个频段所对应的波长，本发明天线的尺寸有绝对的小型化优势。图9可以看出，本发明的远场增益以及辐射效率，本发明天线的增益最高可达-2dB，效率最高有25％左右。

Claims (9)

1.一种基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，包括：介质基板(101)、馈线(2011)、辐射贴片(2012)、馈线H缝隙(2013)、背面地板(301)、SRR结构(401)、背部缝隙组(501)、第一背面直角缝隙(6011)和第二背面直角缝隙(6012)；
所述介质基板(101)的正面上设有馈线(2011)、辐射贴片(2012)和SRR结构(401)；
所述馈线(2011)的一端延伸至介质基板(101)边缘，其另一端与辐射贴片(2012)连接，所述馈线(2011)上设置有两个馈线H缝隙(2013)；
所述背面地板(301)紧贴介质基板(101)的背面；
所述第一背面直角缝隙(6011)和第二背面直角缝隙(6012)分别位于背面地板(301)的两个相对的直角处；
所述背部缝隙组(501)位于背面地板(301)另外两个直角的对角线上。
2.根据权利要求1所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述SRR结构(401)包括：第一开口金属环(4011)和第二开口金属环(4012)；
所述第二开口金属环(4012)位于第一开口金属环(4011)内；
所述第一开口金属环(4011)的半径为r2，所述第二开口金属环(4012)的半径为r1；其中，r1＝4.5mm，r2＝7mm。
3.根据权利要求1所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述介质基板(101)为未极化、不加磁偏的CoZnCuW型铁氧体基板，其介电常数为15.3，其磁导率为10.1，其介电损耗为0.007，其磁损耗为0.02，其长宽均为w1，厚度为1.6mm，其中，w1＝50mm。
4.根据权利要求1所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述馈线(2011)的宽度为w2，其长度为l6，其中，w2＝3.04mm，l6＝22mm。
5.根据权利要求1所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述馈线H缝隙(2013)包括：第一馈线H缝隙(20131)和第二馈线H缝隙(20132)；
所述第一馈线H缝隙(20131)和第二馈线H缝隙(20132)的结构相同，均包括：第一竖向缝隙(201311)、第二竖向缝隙(201312)和横向缝隙(201313)；
所述横向缝隙(201313)的一端与第一竖向缝隙(201311)连接，其另一端与第二竖向缝隙(201312)连接；
所述第一馈线H缝隙(20131)位于馈线(2011)的一端，所述第一馈线H缝隙(20131)中，第一竖向缝隙(201311)及第二竖向缝隙(201312)一端的边缘与馈线(2011)一端的边缘重合；
所述第二馈线H缝隙(20132)位于馈线(2011)的另一端；
所述第一竖向缝隙(201311)和第二竖向缝隙(201312)的宽度为w4，其长度均为l5，所述第一竖向缝隙(201311)远离第二竖向缝隙(201312)的侧边与第二竖向缝隙(201312)远离第一竖向缝隙(201311)的侧边的垂直距离为w3；
所述横向缝隙(201313)的宽度w4；
所述第二馈线H缝隙(20132)与馈线(2011)一端边缘的最近距离为l7，其与馈线(2011)另一端边缘的最近距离为l8，
其中，w4＝0.3mm，l5＝4mm，w3＝2.4mm，l7＝12mm，l8＝6mm。
6.根据权利要求2所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述辐射贴片(2012)包括：第一矩形辐射贴片(20121)和第二矩形辐射贴片(20122)；
所述第一矩形辐射贴片(20121)和第二矩形辐射贴片(20122)构成凸字型贴片；
所述第一矩形辐射贴片(20121)的宽度为w2，其长度为l4；
所述第二矩形辐射贴片(20122)的宽度为w5，其长度为l3；
其中，w2＝3.04mm，w5＝16mm，l3＝6mm，l4＝2mm。
7.根据权利要求1所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述背部缝隙组(501)包括5个缝隙单元，所述5个缝隙单元的宽度均为e2，缝隙单元间的间隔为e3，5个缝隙单元的长度均为e1；其中，e1＝45mm，e2＝0.6mm，e3＝0.5mm。
8.根据权利要求1所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述第一背面直角缝隙(6011)和第二背面直角缝隙(6012)关于介质基板(101)几何中心位置中心对称；第一背面直角缝隙(6011)和第二背面直角缝隙(6012)的横向长度均为w6，其纵向长度均为l2，其缝隙宽度均为1mm，其中，w6＝18mm，l2＝28mm。
9.根据权利要求6所述的基于铁氧体基板的小型化多频天线，其特征在于，所述第二开口金属环(4012)的几何中心与第二矩形辐射贴片(20122)的几何中心的距离为
Figure FDA0002219458670000031
以第二矩形辐射贴片(20122)的长度所在方向的线为水平线，第二开口金属环(4012)的几何中心与第二矩形辐射贴片(20122)的几何中心的连线与水平线的夹角为45°。
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