CN110828997B - 一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线 - Google Patents

Abstract

一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，包括层叠设置在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板的上表面设置四个直角三角形金属贴片，四个直角三角形金属贴片的大小相等且直角相对拼合成菱形结构，按逆时针方向依次为第一三角形贴片、第二三角形贴片、第三三角形贴片和第四三角形贴片，第一三角形贴片和第三三角形贴片的直角处分别削去大小相等的等腰直角三角形成两个梯形结构；竖直间隙的上层介质基板的上表面设置矩形金属贴片，下层介质基板的下表面覆盖设置金属接地板，金属接地板设置矩形缝隙，对应矩形金属贴片的尾部，贯穿下层介质基板开设圆形过孔，金属接地板上设有与圆形过孔相对应的圆形馈电端口。本发明能实现多频谐振高增益辐射。

Description

一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线。

背景技术

信息技术的快速发展在给人类生活带来极大便利的同时，也在改变着人们的传统生产生活方式。尤其是以高速率、低延时和大容量为代表特征的第五代无线通信技术到来之后，能够将社会上的很多东西接入互联网，形成物联网系统。人类社会也因此进入了智能和智慧时代。物联网就是通过射频识别(Radio Frequency identification,RFID)、红外感应器、无线传感技术、激光扫描器、全球定位系统等信息传感设备，把物品与Internet连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。在该网络中，无线射频识别技术是最重要的一种物品识别和信息感知技术。由于无线射频识别技术是一种非接触式的无线自动识别技术，因此能够实现未来美好生活的很多技术都是要通过无线方式实现的。在无线通信系统中，天线是必须而且是最重要的设备之一，天线性能的高低对于整个无线通信系统性能的优劣有重要影响。天线是无线通信系统的基本元件，实现将导线中的高频电流转换成空间传播的电磁波，或相反的将空间传播的电磁波转换为导线中高频电流。

随着无线通信技术的发展，智能通信设备中的无线Wi-Fi、蓝牙、智能语音、数据传输等新的功能不断被集成，于是无线移动通信设备的组成越来越复杂，而且无线通信设备在便携式的要求下不断向小型化方向发展，这就要求组成无线移动通信设备的元器件也应该尽可能地完成多个功能。比如，天线不仅仅能够完成一个工作频点的覆盖，实现一种数据的传输，而且能够工作在多个不同频点上，完成多种不同信号的接收或者发射任务。采用多频天线不但能够简化无线通信设备的复杂性，同时还能够提高无线通信设备的可靠性。

天线的辐射增益和辐射效率是天线结构的一种重要参数。高增益天线能够将能量尽可能地集中在某一个或者多个不同方向上最大效率地完成信息或者能量的传输任务。传统的高增益天线多数是剖面高的喇叭天线，或者抛物面天线，平面天线很难实现高增益辐射。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中天线谐振频点单一以及天线远场辐射增益不够的问题，提供一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，能够将单频谐振的缝隙天线扩展为谐振于四个频点的多频天线，同时极大地提高天线远场辐射增益，实现多频谐振高增益辐射。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，包括层叠设置紧密结合在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板的上表面设置四个直角三角形金属贴片，四个直角三角形金属贴片的大小相等，且直角相对拼合成菱形结构，按逆时针方向依次为第一三角形贴片、第二三角形贴片、第三三角形贴片和第四三角形贴片，第一三角形贴片和第二三角形贴片之间以及第三三角形贴片和第四三角形贴片之间形成水平间隙，第一三角形贴片和第四三角形贴片之间以及第二三角形贴片与第三三角形贴片之间形成竖直间隙；第一三角形贴片和第三三角形贴片的直角处分别削去大小相等的等腰直角三角形成两个梯形结构；竖直间隙的上层介质基板的上表面设置有矩形金属贴片，矩形金属贴片的首部延伸通过菱形结构的中心，矩形金属贴片的尾部靠近由第一三角形贴片和第四三角形贴片所形成的菱形结构顶角；下层介质基板的下表面覆盖设置金属接地板，金属接地板设置矩形缝隙，矩形缝隙与矩形金属贴片正交且设置在相邻两个三角形贴片之间水平间隙的下方；对应矩形金属贴片的尾部，贯穿下层介质基板开设有圆形过孔，金属接地板上设有与圆形过孔相对应的圆形馈电端口。

两块矩形介质基板的组成材料和几何尺寸相同，上层介质基板和下层介质基板均采用罗杰斯R04350材料制成，该材料的介电常数为3.48±0.04，损耗角正切为0.004±0.0005。

矩形缝隙的宽度大于水平间隙的宽度，且矩形缝隙与水平间隙的中心线重合。

所述的矩形缝隙在矩形金属贴片两侧的长度相等。

水平间隙与上层介质基板短边中心线重合，竖直间隙与上层介质基板长边中心线重合。

两块矩形介质基板长为80±3％mm，宽为80±3％mm，厚为1.6mm，金属接地板的长度为80±3％mm，宽度为80±3％mm，矩形缝隙的长为18.4±3％mm，宽为3±5％mm，矩形缝隙的中心与下层介质基板的下表面中心重合，圆形过孔距离下层介质基板的下表面中心19±3％mm，圆形过孔的半径为0.5±5％mm，高度为1.6±5％mm，圆形馈电端口的半径为1±5％mm，矩形金属贴片的长为24.5±3％mm，宽为1±5％mm，矩形金属贴片首部的窄边与上层介质基板的上表面中心距离3.5±5％mm，矩形金属贴片尾部的窄边与上层介质基板的上表面中心距离21±3％mm；四个直角三角形金属贴片的直角边长度为29±3％mm，斜边长度为41±3％mm，削去的等腰直角三角形的直角边长为8.6±5％mm，相邻三角形贴片的间隙宽度为2±5％mm。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：采用层叠设置在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板表面有三角形金属贴片寄生结构的微带缝隙天线，能够将单频谐振的缝隙天线扩展为谐振于四个频点的多频天线，同时极大地提高了天线远场辐射增益，实现了多频谐振高增益辐射。该天线不但具有多频和高增益辐射特性，而且具有低剖面特性，能够非常方便地应用在无线移动通信领域，是一种性能优良的天线结构。本发明的天线结构简单，加工成本低，能够非常容易的与其他电路进行集成，具有被大规模商业化应用的市场前景。

附图说明

图1本发明微带缝隙天线的整体结构剖视示意图；

图2本发明微带缝隙天线的俯视结构示意图；

图3本发明微带缝隙天线的仰视结构示意图；

图4本发明微带缝隙天线的剖面结构侧视图；

图5利用三维电磁仿真软件对天线分析所得端口反射系数随频率变化曲线；

图6利用三维电磁仿真软件对天线分析所得频点f＝3.56±4％GHz处远程辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为了解决微带缝隙天线谐振频点单一、增益太低的问题，本发明在微带缝隙天线结构中，增加一块介质基板和四个三角形金属贴片，并进一步将两个对角位置的三角形切割掉两个小三角形臂而成为梯形结构，从而将单频增益微带缝隙天线变成一个多频高增益天线结构。

参见图1-4，本发明将两块几何结构相同表面印刷有金属贴片结构的介质基板紧密贴合在一起而形式一个完整的天线结构。在下层介质基板20整个下表面全部覆盖金属接地板18，金属接地板18的中心位置处，刻蚀一个矩形缝隙17，矩形缝隙17的四个边分别与下层介质基板20下表面四个边平行，且矩形缝隙17中心点与下层介质基板20的下表面中心点重合。矩形缝隙17两长边中点连线延长线某点处，加工一个圆形过孔16，圆形过孔16中心位于上述延长线上，圆形过孔16贯通第一介质基板10。以圆形过孔16的圆心为中心，刻蚀一个半径大约为圆形过孔16半径两倍的圆心非金属区域，即圆形馈电端口19。上层介质基板10上表面印刷一个矩形金属贴片15，该矩形金属贴片15的两短边中点连线经过上层介质基板10的上表面中心点和圆形过孔16的中心，长度大于矩形缝隙17中心与圆形过孔16中心之间的距离。上层介质基板10的上表面印刷四个直角三角形贴片结构，即第一三角形贴片11、第二三角形贴片12、第三三角形贴贴片13、第四三角形贴片14，四个直角三角形贴片结构的直角都位于介质基板中心，每两个三角形直角边之间的距离都相等。第一三角形贴片11和第三三角形贴片13的直角端都减掉一个小三角形，将两个三角形贴片变成两个梯形贴片。

上述矩形金属贴片15长边平行于由第一三角形贴片11、第二三角形贴片12、第三三角形贴贴片13、第四三角形贴片14形成的竖直缝隙。矩形缝隙17长边平行于由第一三角形贴片11、第四三角形贴片14和第二三角形贴片12、第三三角形贴贴片13形成的水平缝隙。圆形过孔16、圆形馈电端口19位于第一三角形贴片11和第四三角形贴片14之间的缝隙中。

本发明天线的具体制作过程如下：

如图1-4所示，首先，选择两块长度为80±3％mm，宽度为80±3％mm，厚度为1.6mm的罗杰斯R04350介质基板作为本发明设计天线的介质基板。在下层介质基板的下表面全部覆盖金属结构，即金属接地板，金属接地板长度80±3％mm。宽度80±3％mm，厚度可忽略不计。金属接地板中心处刻蚀一个长18.4±3％mm，宽3±5％mm的矩形缝隙，矩形缝隙中心与下层介质基板的下表面中心重合。矩形缝隙两长边中点连线延长线上，距离下层介质基板的下表面中心点19±3％mm处，加工一个半径为0.5±5％mm的圆形过孔，圆形过孔高度为1.6±5％mm，圆形过孔可以金属化，也可以非金属化。下层介质基板的下表面以圆形过孔圆心为中心，刻蚀一个半径为1±5％mm的圆心非金属区域，即圆形激励端口。上层介质基板的上表面印刷一个长24.5±3％mm，宽1±5％mm的矩形金属贴片。矩形金属贴片两短边中点连线过上层介质基板的上表面中心点和圆形过孔中心。该矩形金属贴片的上侧短边与上层介质基板的中心点距离3.5±5％mm，下侧短边与上层介质基板的中心点距离为21±3％mm。

上层介质基板的上表面印刷四个直角三角形金属贴片。每个三角形的两个直角边都与介质基板两个边平行，而且每两个三角形贴片相邻边之间距离相等，都等于2±5％mm。三角形直角边长度为29±3％mm，斜边长度41±3％mm。右下角和左上交的直角三角形中心直角处减掉一个直角边长8.6±5％mm的等腰三角形贴片，使两个直角三角形贴片变成梯形贴片。

将上述两个介质基板紧密合在一起，下层介质基板有矩形缝隙接地板的一侧朝下，上层介质基板有三角形金属贴片的一侧朝上，即完成了本发明设计天线的加工制作。

利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明设计的天线进行仿真分析得知，如图5-6所示，该天线能够在四个不同频点处发生谐振，四个频点分别为3.65±4％GHz、4.03±4％GHz、5.58±4％GHz和6.80±4％GHz，即本发明的天线是四频的微带缝隙天线。在上述四个谐振频点处，天线的远场辐射增益较高，即上述四个频点处，远场辐射增益分别为7.75±4％dBi、5.75±4％dBi、4.65±4％dBi、8.27±4％dBi，即本发明设计的天线是一个高增益天线结构。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入由权利要求所划定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，其特征在于：包括层叠设置紧密结合在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板(10)的上表面设置四个直角三角形金属贴片，四个直角三角形金属贴片的大小相等，且直角相对拼合成菱形结构，按逆时针方向依次为第一三角形贴片(11)、第二三角形贴片(12)、第三三角形贴片(13)和第四三角形贴片(14)，第一三角形贴片(11)和第二三角形贴片(12)之间以及第三三角形贴片(13)和第四三角形贴片(14)之间形成水平间隙，第一三角形贴片(11)和第四三角形贴片(14)之间以及第二三角形贴片(12)与第三三角形贴片(13)之间形成竖直间隙；第一三角形贴片(11)和第三三角形贴片(13)的直角处分别削去大小相等的等腰直角三角形成两个梯形结构；位于竖直间隙处的上层介质基板(10)的上表面设置有矩形金属贴片(15)，矩形金属贴片(15)的首部延伸通过菱形结构的中心，矩形金属贴片(15)的尾部靠近由第一三角形贴片(11)和第四三角形贴片(14)所形成的菱形结构顶角；下层介质基板(20)的下表面覆盖设置金属接地板(18)，金属接地板(18)上设置矩形缝隙(17)，矩形缝隙(17)与矩形金属贴片(15)在空间位置中正交且设置在相邻两个三角形贴片之间水平间隙的下方；对应矩形金属贴片(15)的尾部，贯穿下层介质基板(20)开设有圆形过孔，金属接地板(18)上设有与圆形过孔相对应的圆形馈电端口。

2.根据权利要求1所述的双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，其特征在于：两块矩形介质基板的组成材料和几何尺寸相同，上层介质基板(1)和下层介质基板(2)均采用罗杰斯R04350材料制成，该材料的介电常数为3.48±0.04，损耗角正切为0.004±0.0005。

3.根据权利要求1所述的双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，其特征在于：矩形缝隙(17)的宽度大于水平间隙的宽度，且矩形缝隙(17)与水平间隙的中心线重合。

4.根据权利要求1所述的双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，其特征在于：所述的矩形缝隙(17)在矩形金属贴片(15)两侧的长度相等。

5.根据权利要求1所述的双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，其特征在于：水平间隙与上层介质基板(10)短边中心线重合，竖直间隙与上层介质基板(10)长边中心线重合。

6.根据权利要求1所述的双层介质基板多频高增益微带缝隙天线，其特征在于：两块矩形介质基板的长度为80±3％mm，宽度为80±3％mm，厚度为1.6mm，金属接地板(18)的长度为80±3％mm，宽度为80±3％mm，矩形缝隙(17)的长为18.4±3％mm，宽为3±5％mm，矩形缝隙(17)的中心与下层介质基板(20)的下表面中心重合，圆形过孔距离下层介质基板(20)的下表面中心19±3％mm，圆形过孔的半径为0.5±5％mm，高度为1.6±5％mm，圆形馈电端口的半径为1±5％mm，矩形金属贴片(15)的长为24.5±3％mm，宽为1±5％mm，矩形金属贴片(15)首部的窄边与上层介质基板(10)的上表面中心距离3.5±5％mm，矩形金属贴片(15)尾部的窄边与上层介质基板(10)的上表面中心距离21±3％mm；

四个直角三角形金属贴片的直角边长度为29±3％mm，斜边长度为41±3％mm，削去的等腰直角三角形的直角边长为8.6±5％mm，相邻三角形贴片之间的间隙宽度为2±5％mm。

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