CN110661091A - 一种小型多频带宽带化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型多频带宽带化天线，包括：介质基板、正面金属层和背面金属层；采用了曲流技术来实现天线的小型化结构设计，同时将在天线上加载交指结构和金属化过孔，实现了天线复合左右手结构功能，所设计的天线能够覆盖频率包括WiFi、WiMAX和WLAN三个频带，弥补了小型化、多频带和宽带化天线的空白。

Description

一种小型多频带宽带化天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种小型多频带宽带化天线。
背景技术
随着现代化信息技术的不断发展，微带天线的设计方向朝着小型化、多频带和宽带化发展。因此，设计一款能够在多个频带中实现辐射且体积较小的天线越来越受到广大应用者的青睐。目前，复合左右手结构的传输线通过左手材料结合传统右手传输线实现，成为微波天线领域的一个研究领域。同时，复合左右手传输线结构被应用在多个微波无源和有源的器件上面，例如滤波器、天线、功分器和双工器等等。本发明旨在利用复合左右手结构进行多频带、小型化天线的设计，通过在天线上加载具有复合左右手结构的曲折线和交指结构，能够在传统的右手传输线上面加载左手特性，实现天线的辐射频段覆盖Wifi/WLAN/WiMAX等多个通信领域的频段上。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种小型多频带宽带化天线实现一种多频带、小型化天线的设计。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种小型多频带宽带化天线，包括：介质基板、正面金属层和背面金属层；
所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合；
所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合；
所述正面金属层包括：第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线和过孔；
所述背面金属层包括：第十四微带线、第十五微带线和第十六微带线；
所述第十三微带线一端延伸至介质基板的边缘，其另一端与第十二微带线一端的一侧连接；
所述第十二微带线另一端的一侧与第十微带线的一端连接；
所述第十微带线的另一端与第七微带线一端的一侧连接；
所述第四微带线的一端、第五微带线的一端和第六微带线的一端依次与第七微带线另一端的一侧连接，且第四微带线、第五微带线和第六微带线平行设置；
所述第二微带线的一端和第三微带线的一端依次与第一微带线的一侧连接，且第二微带线和第三微带线且平行设置；
所述第二微带线的另一端伸入第四微带线和第五微带线之间的间隙；
所述第三微带线的另一端伸入第五微带线和第六微带线之间的间隙；
所述第十一微带线的一端与第十微带线的一侧连接，其另一端与第九微带线的一端连接；
所述第八微带线的一端与第七微带线的一侧连接，其另一端与第九微带线的一侧连接；
所述第十四微带线的一侧和两端均延伸至介质基板的边缘；
所述第十五微带线的一端与第十四微带线的另一侧连接，其另一端与第十六微带线连接；
所述过孔穿过介质基板，用于连接第十六微带线和第一微带线。
进一步地：介质基板采用FR4的介质基板，其长宽均为30mm，其厚度为1mm，其相对介电常数为4.4，其介质损耗角正切为0.025。
进一步地：第一微带线的长度LP＝8.0mm，其宽度WP＝6.0mm；
所述第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线的长度W11＝8.9mm，其宽度W2＝1.2mm。
所述第二微带线和第三微带线的间隔W3＝1.8mm。
上述进一步地有益效果为：第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线构成交叉指型的微带线，交叉指型的微带线的缝隙产生左手串联电容CL，通过过孔产生并联电感LL；交叉指型的微带线与背面金属层构成电容Cg，电容CL、电感LL和电容Cg共同构成复合左右手CRLH单元结构的左手部分；右手并联电容CR由正面金属层和背面金属层产成，右手并联电感LR由电流流过细小的金属微带线产生。本天线的复合左右手单元结构，包括：左手串联电容CL、左手接地电感LL、右手电容CG和右手并联电感LR，复合左右手单元结构建立在FR-4介质基板上，基板的厚度是1mm；通过Ansoft HFSS建立矩形结构的单元模型，分析得到，该复合左右手单元结构的色散特性；该结构的左手区域的范围是1GHz～2.3GHz、4.2GHz～6.5GHz，右手区域的范围是2.6GHz～3.9GHz。
进一步地：第七微带线的长度L3＝26mm，其宽度W4＝4mm。
进一步地：第八微带线的长度L6＝1.5mm，其宽度W5＝1mm。
进一步地：第九微带线的长度L7＝12mm，其宽度W6＝6mm。
进一步地：第十微带线的长度L2＝16mm，其宽度W8＝2mm。
进一步地：第十一微带线的长度L8＝1mm，其宽度W7＝1mm。
进一步地：第十二微带线的长度L9＝13.2mm，其宽度W9＝2.5mm；所述第十三微带线的长度L1＝11mm，其宽度W10＝1.2mm。
进一步地：第十四微带线的长度30mm，其宽度L4＝8mm；第十五微带线的长度L5＝2mm，其宽度W1＝1mm；所述第十六微带线的长度L1P＝6mm，其宽度W1P＝6mm；第十五微带线距离介质基板边缘的最近距离S＝5mm。
上述进一步地有益效果为：通过调节正面金属层和背面金属层的微带线的尺寸调节复合左右手单元结构中电容电感值，使得天线的-10dB测量的反射系数带宽是2.3GHz～2.6GHz，3.1GHz～4.5GHz，5.1GHz～5.9GHz，工作带宽超过83％；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：采用了曲流技术来实现天线的小型化结构设计，同时将在天线上加载交指结构和金属化过孔，实现了天线复合左右手结构功能，所设计的天线能够覆盖频率包括WiFi、WiMAX和WLAN三个频带，弥补了小型化、多频带和宽带化天线的空白。
附图说明
图1为正面金属层的结构示意图；
图2为背面金属层的结构示意图；
图3为正面金属层的第一部分结构尺寸图；
图4为正面金属层的第二部分结构尺寸图；
图5为背面金属层的结构尺寸图；
图6为复合左右手单元色散曲线图；
图7为天线的测试结果图对比图；
图8为天线2.4GHz表面电流分布图a和3D远场方图对比图b；
图9为天线3.6GHz表面电流分布图a和3D远场方图对比图b；
图10为天线5.2GHz表面电流分布图a和3D远场方图对比图b。
其中：101、第一微带线；102、第二微带线；103、第三微带线；104、第四微带线；105、第五微带线；106、第六微带线；107、第七微带线；108、第八微带线；109、第九微带线；110、第十微带线；111、第十一微带线；112、第十二微带线；113、第十三微带线；201、过孔；114、第十四微带线；115、第十五微带线；116、第十六微带线。
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。
一种小型多频带宽带化天线，包括：介质基板、正面金属层和背面金属层；
所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合；
所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合；
如图1所示，所述正面金属层包括：第一微带线101、第二微带线102、第三微带线103、第四微带线104、第五微带线105、第六微带线106、第七微带线107、第八微带线108、第九微带线109、第十微带线110、第十一微带线111、第十二微带线112、第十三微带线113和过孔201；
如图2所示，所述背面金属层包括：第十四微带线114、第十五微带线115和第十六微带线116；
所述第十三微带线113一端延伸至介质基板的边缘，其另一端与第十二微带线112一端的一侧连接；
所述第十二微带线112另一端的一侧与第十微带线110的一端连接；
所述第十微带线110的另一端与第七微带线107一端的一侧连接；
所述第四微带线104的一端、第五微带线105的一端和第六微带线106的一端依次与第七微带线107另一端的一侧连接，且第四微带线104、第五微带线105和第六微带线106平行设置；
所述第二微带线102的一端和第三微带线103的一端依次与第一微带线101的一侧连接，且第二微带线102和第三微带线103平行设置；
所述第二微带线102的另一端伸入第四微带线104和第五微带线105之间的间隙；
所述第三微带线103的另一端伸入第五微带线105和第六微带线106之间的间隙；
所述第十一微带线111的一端与第十微带线110的一侧连接，其另一端与第九微带线109的一端连接；
所述第八微带线108的一端与第七微带线107的一侧连接，其另一端与第九微带线109的一侧连接；
所述第十四微带线114的一侧和两端均延伸至介质基板的边缘；
所述第十五微带线115的一端与第十四微带线114的另一侧连接，其另一端与第十六微带线116连接；
所述过孔201穿过介质基板，用于连接第十六微带线116和第一微带线101。
如图3所示；介质基板采用FR4的介质基板，其长宽均为30mm，其厚度为1mm，其相对介电常数为4.4，其介质损耗角正切为0.025。
第一微带线101的长度LP＝8.0mm，其宽度WP＝6.0mm；
所述第二微带线102、第三微带线103、第四微带线104、第五微带线105和第六微带线106的长度W11＝8.9mm，其宽度W2＝1.2mm。
所述第二微带线102和第三微带线103的间隔W3＝1.8mm。
其中，第二微带线102、第三微带线103、第四微带线104、第五微带线105和第六微带线106构成交叉指型的微带线，交叉指型的微带线的缝隙产生左手串联电容CL，通过过孔201产生并联电感LL；交叉指型的微带线与背面金属层构成电容Cg，电容CL、电感LL和电容Cg共同构成复合左右手CRLH单元结构的左手部分；右手并联电容CR由正面金属层和背面金属层产成，右手并联电感LR由电流流过细小的金属微带线产生。本天线的复合左右手单元结构，包括：左手串联电容CL、左手接地电感LL、右手电容Cg和右手并联电感LR，复合左右手单元结构建立在FR-4介质基板上，基板的厚度是1mm；通过Ansoft HFSS建立矩形结构的单元模型，分析得到，该复合左右手单元结构的色散特性。
如图4所示，第七微带线107的长度L3＝26mm，其宽度W4＝4mm。
第八微带线108的长度L6＝1.5mm，其宽度W5＝1mm。
第九微带线109的长度L7＝12mm，其宽度W6＝6mm。
第十微带线110的长度L2＝16mm，其宽度W8＝2mm。
第十一微带线111的长度L8＝1mm，其宽度W7＝1mm。
第十二微带线112的长度L9＝13.2mm，其宽度W9＝2.5mm；所述第十三微带线113的长度L1＝11mm，其宽度110＝1.2mm。
如图5所示，第十四微带线114的长度30mm，其宽度L4＝8mm；第十五微带线115的长度L5＝2mm，其宽度W1＝1mm；所述第十六微带线116的长度L1P＝6mm，其宽度W1P＝6mm；第十五微带线115距离介质基板边缘的最近距离S＝5mm。
通过调节正面金属层和背面金属层的微带线的尺寸调节复合左右手单元结构中电容电感值，使得天线的-10dB测量的反射系数带宽是2.3GHz～2.6GHz，3.1GHz～4.5GHz，5.1GHz～5.9GHz，工作带宽超过83％；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。
如图6所示，该结构的左手区域的范围是1GHz～2.3GHz、4.2GHz～6.5GHz，右手区域的范围是2.6GHz～3.9GHz。可见复合左右手天线在左手区域频带的辐射的方向图是后向辐射，在右手区域频带的辐射的方向图是前向辐射，而在平衡区域辐射的方向图是垂直天线轴向辐射。
图7是天线在矢量网络分析仪器Agilent E8363C的测量反射系数S11的图像，天线的-10dB测量的反射系数带宽是2.3GHz～2.6GHz，3.1GHz～4.5GHz，5.1GHz～5.9GHz，工作带宽超过83％。从仿真和测量的结果图来看，加载复合左右手单元结构的天线带宽相对宽，两者的结果较为吻合，但是仍然有一些偏差，在第二个和第三个谐振测量的谐振频点都比仿真的谐振频点要高一些，产生这种现象的原因可能是加工的介质基板的高度发生变化或者是加工的精度存在问题。
图8～10表示了本发明所设计的天线分别在各个谐振点上的电流分布和天线辐射的远场方向图，可以看出，通过对天线的电流分析可以得到，在天线的第一个谐振频点上，电流分布主要是分布在单极子主体的水平方向上，根据经典天线设计理论，可知天线的辐射方向图是“苹果形状”。另外，天线在水平方向上的电流幅度较大、相位相同，所以水平方向上电流辐射出来的电场是主极化方向，而垂直方向上的电流幅度较小、相位相互抵消，所以垂直方向上的电流辐射出来的电场是交叉极化方向。同理，在天线的第二个和第三个谐振频点上，天线在垂直方向上的电流幅度较大、相位相同，所以垂直方向上的电流辐射出来电场的是主极化方向，而水平方向上的电流幅度较小、相位相互抵消，所以水平方向上的电流辐射出来电场的是交叉极化方向，这就说明了天线在第一个和第二、三个谐振点的极化方式不同的原因。
本发明的有益效果为：本发明通过曲流技术和复合左右手单元相结合，设计出的天线尺寸是30mm×30mm×1.6mm0.3λ×0.3λ×0.016λ，相比于传统的微带天线(0.5λ的长度)，本发明所设计的天线在尺寸上有明显的缩小；本天线为一个基于复合左右手材料单元的单极子曲折线构成的三频带的微带天线，复合左右手结构加载到曲折线的微带天线上面使得天线的谐振频点增加、频带带宽增加和交叉极化减小。

Claims (10)

1.一种小型多频带宽带化天线，其特征在于，包括：介质基板、正面金属层和背面金属层；
所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合；
所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合；
所述正面金属层包括：第一微带线(101)、第二微带线(102)、第三微带线(103)、第四微带线(104)、第五微带线(105)、第六微带线(106)、第七微带线(107)、第八微带线(108)、第九微带线(109)、第十微带线(110)、第十一微带线(111)、第十二微带线(112)、第十三微带线(113)和过孔(201)；
所述背面金属层包括：第十四微带线(114)、第十五微带线(115)和第十六微带线(116)；
所述第十三微带线(113)一端延伸至介质基板的边缘，其另一端与第十二微带线(112)一端的一侧连接；
所述第十二微带线(112)另一端的一侧与第十微带线(110)的一端连接；
所述第十微带线(110)的另一端与第七微带线(107)一端的一侧连接；
所述第四微带线(104)的一端、第五微带线(105)的一端和第六微带线(106)的一端依次与第七微带线(107)另一端的一侧连接，且第四微带线(104)、第五微带线(105)和第六微带线(106)平行设置；
所述第二微带线(102)的一端和第三微带线(103)的一端依次与第一微带线(101)的一侧连接，且第二微带线(102)和第三微带线(103)且平行设置；
所述第二微带线(102)的另一端伸入第四微带线(104)和第五微带线(105)之间的间隙；
所述第三微带线(103)的另一端伸入第五微带线(105)和第六微带线(106)之间的间隙；
所述第十一微带线(111)的一端与第十微带线(110)的一侧连接，其另一端与第九微带线(109)的一端连接；
所述第八微带线(108)的一端与第七微带线(107)的一侧连接，其另一端与第九微带线(109)的一侧连接；
所述第十四微带线(114)的一侧和两端均延伸至介质基板的边缘；
所述第十五微带线(115)的一端与第十四微带线(114)的另一侧连接，其另一端与第十六微带线(116)连接；
所述过孔(201)穿过介质基板，用于连接第十六微带线(116)和第一微带线(101)。
2.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述介质基板采用FR4的介质基板，其长宽均为30mm，其厚度为1mm，其相对介电常数为4.4，其介质损耗角正切为0.025。
3.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第一微带线(101)的长度LP＝8.0mm，其宽度WP＝6.0mm；
所述第二微带线(102)、第三微带线(103)、第四微带线(104)、第五微带线(105)和第六微带线(106)的长度W11＝8.9mm，其宽度W2＝1.2mm。
所述第二微带线(102)和第三微带线(103)的间隔W3＝1.8mm。
4.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第七微带线(107)的长度L3＝26mm，其宽度W4＝4mm。
5.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第八微带线(108)的长度L6＝1.5mm，其宽度W5＝1mm。
6.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第九微带线(109)的长度L7＝12mm，其宽度W6＝6mm。
7.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第十微带线(110)的长度L2＝16mm，其宽度W8＝2mm。
8.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第十一微带线(1i1)的长度L8＝1mm，其宽度W7＝1mm。
9.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第十二微带线(112)的长度L9＝13.2mm，其宽度W9＝2.5mm；所述第十三微带线(113)的长度L1＝11mm，其宽度W10＝1.2mm。
10.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线，其特征在于，所述第十四微带线(114)的长度30mm，其宽度L4＝8mm；第十五微带线(115)的长度L5＝2mm，其宽度W1＝1mm；所述第十六微带线(116)的长度L1P＝6mm，其宽度W1P＝6mm；第十五微带线(115)距离介质基板边缘的最近距离S＝5mm。
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