CN110829000A - 一种cpw馈电双频宽带srr结构加载的单平面天线 - Google Patents

一种cpw馈电双频宽带srr结构加载的单平面天线 Download PDF

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Abstract

一种CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，包括矩形介质基板，矩形介质基板的上表面绕其边部一周设置有矩形开口环形金属接地板，在矩形开口环形金属接地板的开口位置设置矩形金属辐射贴片，矩形金属辐射贴片的短边与矩形介质基板的上表面边沿重合，矩形金属辐射贴片的长边延伸至矩形介质基板的上表面中心，矩形介质基板的上表面设置有四个开口谐振环金属结构，四个开口谐振环金属结构对称分布在矩形金属辐射贴片的两侧，每个开口谐振环金属结构均由两个镶嵌的矩形开口环组成，两个镶嵌的矩形开口环的开口方向相反，每个开口谐振环金属结构的外环开口方向都朝向矩形金属辐射贴片。本发明能够应用于多种无线通信的工作频段当中。

Description

一种CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线。
背景技术
信息技术的快速发展已经给人类生活带来了极大的便利，尤其是4G无线移动通信系统普及之后，人们的生产生活已经产生了巨大的变化。而5G无线移动通信系统也即将在全社会广泛应用，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将给人们带来更大的便利，甚至会颠覆当前现状。伴随出现的还有VR技术、AR技术、智慧医疗、人工智能、远程生产等等，全社会的物品、设备都会被连接起来，形成物联网。在工业生产领域会形成统一的工业互联网。这些网络中，大多数连接必须通过无线而不是有线方式。
伴随着无线通信技术发展的还有智能和智慧技术的发展，物联网将会发展到智联网，具有一定的智能将是未来社会大多数产品的基本属性。射频识别技术(RadioFrequency Identification,RFID)是物联网系统中重要的物品识别和信息感知技术，而且是一种非接触式的无线自动识别技术。在无线识别和移动通信系统中，天线是必须的设备之一，其功能是实现导线中的高频电流和空间传播的电磁波间的相互转化。在发射系统中，天线将导线中的高频电流转换为空间的电磁波；在接收系统中，天线将空间的电磁波转换为导线中的高频电流。天线的性能往往会对整个系统的性能产生重要的影响。未来不断出现的智能化程度越来越高的设备，能够工作在多个不同频率处，完成不同数据传输的天线的需求也越来越强烈。
除此之外，平面天线是近年来无线移动通信设备中被广泛使用的一类天线结构形式，相比偶极子天线、喇叭天线等类型，平面天线具有低剖面、易于与电路板上其他器件集成、容易实现圆极化、非全向辐射、易共形、可采用电路板印刷技术加工、成本低等各种优点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中单极子天线谐振频点单一、天线频带较窄的问题，提供一种CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，将一个普通共面波导馈电的单平面天线拓展为一个具有两个极宽频带的双频平面单极子天线，该天线的两个宽频段包含了很多无线通信系统的工作频段，能够应用在多种不同用途的无线通信系统中。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，包括矩形介质基板，矩形介质基板的上表面绕其边部一周设置有矩形开口环形金属接地板，矩形开口环形金属接地板的开口位置位于矩形介质基板的长边中心，并且在矩形开口环形金属接地板的开口位置设置矩形金属辐射贴片，所述的矩形金属辐射贴片的短边与矩形介质基板的上表面边沿重合，矩形金属辐射贴片的长边延伸至矩形介质基板的上表面中心，矩形介质基板的上表面设置有四个开口谐振环金属结构，所述的四个开口谐振环金属结构对称分布在矩形金属辐射贴片的两侧，每个开口谐振环金属结构均由两个镶嵌的矩形开口环组成，两个镶嵌的矩形开口环的开口方向相反，每个开口谐振环金属结构的外环开口方向都朝向矩形金属辐射贴片。
矩形介质基板采用环氧树脂FR4制成，介电常数为4.4～4.5，损耗角正切为0.02～0.025。
矩形开口环形金属接地板的材质为铜或银，宽度为矩形介质基板边长的1/8～1/6。
矩形开口环形金属接地板的开口宽度大于矩形金属辐射贴片的宽度。
矩形金属辐射贴片距离矩形开口环形金属接地板的开口两侧缝隙宽度相等。
优选的，在本发明的单平面天线中，所述的四个开口谐振环金属结构包括设置在矩形金属辐射贴片末端右侧上方的第一开口谐振环金属结构、设置在矩形金属辐射贴片末端右侧下方的第二开口谐振环金属结构、设置在矩形金属辐射贴片末端左侧下方的第三开口谐振环金属结构以及设置在矩形金属辐射贴片末端左侧上方的第四开口谐振环金属结构。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：
将四个开口谐振环金属结构对称分布在矩形金属辐射贴片的两侧，由于四个开口谐振环金属结构的加载，在增加了天线工作频点的同时极大的拓展了两个频点的带宽。在2.07GHz～4.18GHz以及5.16GHz～7.23GHz两个频段上实现了谐振，其中第一个频段的相对带宽能够达到(67.2±0.5)％，是一个极宽的工作频带。该天线的两个宽频段包含很多无线通信系统的工作频段，如2.4GHz和5.8GHz RFID系统频段，Wi-Fi系统频段，目前已经授权的四个5G无线移动通信频带。所以，本发明的单平面单极子天线能够应用在多种不同用途的无线通信系统中。再者，本发明设计的天线加工制作成本低，再加上是单平面天线，致使本天线非常易于与其他平面电路结合，可以批量生产，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1本发明CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线俯视图；
图2本发明单平面单极子天线端口反射系数随频率变化曲线；
图3本发明天线f01＝2.26±0.20GHz，垂直于辐射贴片平面上的远程辐射方向图；
图4本发明天线f02＝3.60±0.30GHz，垂直于辐射贴片平面上的远程辐射方向图；
图5本发明天线f03＝6.83±0.30GHz，垂直于辐射贴片平面上的远程辐射方向图；
附图中：10-矩形介质基板；11-矩形开口环形金属接地板；12-第一开口谐振环金属结构；13-第二开口谐振环金属结构；14-第三开口谐振环金属结构；15-第四开口谐振环金属结构；16-矩形金属辐射贴片；17-矩形金属辐射贴片右侧缝隙；18-矩形金属辐射贴片左侧缝隙。
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。
本发明为了解决单极子天线谐振频点单一、天线频带较窄等应用不利因素，增加天线工作频点数目，拓宽天线工作频带，在单极子天线矩形辐射贴片末端加载四个开口谐振环金属结构，同时将共面波导的接地板沿着介质基板的上表面延伸，形成一个闭合的环形接地板结构，从而将共面波导馈电的单极子天线工作频点扩展为两个，并且将两个带宽拓展为(67.2±0.5)％和(25.2±0.5)％。本发明所设计的共面波导馈电加载开口谐振环结构的单平面单极子天线由一块矩形介质基板10，分布于矩形介质基板10上表面边缘的矩形开口环形金属接地板11，一个矩形金属辐射贴片16，和四个开口谐振环金属结构组成。
在一块厚度为h、长度为L、宽度为W的矩形介质基板10的上表面边沿处，通过电路板印刷技术，延边沿印刷宽度为Wd闭合环形金属结构。同时在矩形介质基板10上表面长边边沿中心处，刻蚀一个宽度为Ws的缝隙，使上述闭合环形金属接地板结构成为矩形开口环形金属接地板11，该矩形开口环形金属接地板11的材质为铜或银，厚度可以忽略不计。
矩形介质基板10的上表面印刷一个长度为Wr，宽度为Lr的矩形金属辐射贴片16，该矩形金属辐射贴片16的长边与矩形介质基板10的短边平行，一个短边与矩形介质基板10上表面一个长边重合，短边中心与长边中心重合，同时该矩形金属辐射贴片16在矩形开口环形金属接地板11的开口处，短边的宽度小于矩形开口环形金属接地板11开口的宽度。矩形金属辐射贴片16的两侧与矩形开口环形金属接地板11形成两个宽度为Wslot的缝隙。
在矩形金属辐射贴片16末端两侧印刷四个开口谐振环金属结构，第一开口谐振环金属结构12与第二开口谐振环金属结构13位于矩形金属辐射贴片16的右侧，第三开口谐振环金属结构14与第四开口谐振环金属结构15位于矩形金属辐射贴片16的左侧。四个开口谐振环金属结构的外环开口方向都指向矩形金属辐射贴片16，矩形金属辐射贴片右侧缝隙17与矩形金属辐射贴片左侧缝隙18的宽度相等。当需要对本发明设计的天线进行测试时，可以将测试用(50±2)Ω的SMA接头的内芯焊接到上述矩形金属辐射贴片16，SMA接头的外侧接地端与矩形金属辐射贴片16两侧的矩形介质基板10连接，便可进行测试。
如下图1所示，选厚度h＝1.6mm～2.0mm，宽度W＝40mm～45mm，长度L＝32mm～35mm的FR4介质基板，FR4材料介电常数为4.4～4.5，损耗角正切为0.02～0.025。矩形介质基板10的上表面边沿处，印刷宽度Wd＝5mm～6mm的矩形开口环形金属接地板11，金属材质为铜或银，厚度可忽略不计。介质基板上表面下边沿中心处，刻蚀一个宽带为Ws＝2mm～2.5mm的缝隙，使闭合矩形环状接地板成为开口的矩形环状接地板。介质基板上表面再印刷一个宽度Wr＝1mm～1.2mm，长度Lr＝18mm～20mm的矩形金属辐射贴片16，矩形金属辐射贴片16的两个短边中心连线过介质基板的上表面中心，一个短边与介质基板的上表面下边沿重合，同时也位于矩形开口环形金属接地板11的开口处，并且与矩形开口环形金属接地板11的开口端形成两个对称的缝隙，两个缝隙的宽度相同，Wslot＝0.5mm～0.7mm。矩形金属辐射贴片16的末端附近印刷四个结构相同，对称放置的金属SRR结构，每个SRR结构的外环开口方向都指向矩形金属辐射贴片16。两个SRR结构位于矩形金属辐射贴片16的右边，另两个SRR结构位于矩形金属辐射贴片16的左边。四个开口谐振环金属结构中内外环宽度为0.5mm～0.6mm，开口外环外侧边长4.5mm～4.8mm，内外环间距也是0.5mm～0.6mm，内外环开口宽度为0.5mm～0.6mm。四个SRR结构与矩形金属辐射贴片16的间距为0.25mm～0.3mm，上边两个SRR结构上边沿与矩形金属辐射贴片16上边沿距离为2mm～2.5mm。右边两个SRR结构间距和左侧两个SRR结构间距都为0.5mm～0.6mm。
用专业电磁仿真软件HFSS对本发明设计的共面波导馈电双频宽带单平面单极子天线进行仿真分析。图2给出了该天线在几何结构参数取某一组特定值时，端口反射系数随频率变化曲线。图3、图4和图5分别给出了在垂直于主辐射贴片所在平面上f01＝2.26±0.2GHz、f02＝3.60±0.3GHZ和f03＝6.83±0.3GHz三个频点处天线的远场辐射方向图。由图2可知，本发明设计的单平面单极子天线能在两个频段上工作，尤其是第一个工作频段宽度达到(67.2±0.5)％，第二个频段宽度也达到了(25.2±0.5)％。由图3、图4和图5可知，本发明设计的单平面单极子天线能够在天线所在平面的两个法线方向上产生最大辐射，即具有双向辐射能力，而且最高频处天线的远场辐射增益最大值达(6.0±1)dB以上。总之本发明天线由于SRR结构的加载，能够在两个极宽频带内工作，而且在垂直于天线平面的两个方向产生最大辐射，是一个能够应用于各种复杂系统中的性能优良的多功能多用途天线。
本发明设计的天线基本结构是一个CPW馈电的单极子天线，将接地板变为闭合的矩形环形结构，并且加载四个SRR结构，使得天线的特性得到了极大的改善。本发明工作在两个频点的极宽单平面单极子天线能够完成不同的数据传输任务。比如能够应用于5G无线移动通信系统智能终端或信号放大器端、RFID系统中、Wi-Fi等多种不同系统中。

Claims (6)

1.一种CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，其特征在于：包括矩形介质基板(10)，矩形介质基板(10)的上表面绕其边部一周设置有矩形开口环形金属接地板(11)，矩形开口环形金属接地板(11)的开口位置位于矩形介质基板(10)的长边中心，并且在矩形开口环形金属接地板(11)的开口位置设置矩形金属辐射贴片(16)，所述的矩形金属辐射贴片(16)的短边与矩形介质基板(10)的上表面边沿重合，矩形金属辐射贴片(16)的长边延伸至矩形介质基板(10)的上表面中心，矩形介质基板(10)的上表面设置有四个开口谐振环金属结构，所述的四个开口谐振环金属结构对称分布在矩形金属辐射贴片(16)的两侧，每个开口谐振环金属结构均由两个镶嵌的矩形开口环组成，两个镶嵌的矩形开口环的开口方向相反，每个开口谐振环金属结构的外环开口方向都朝向矩形金属辐射贴片(16)。
2.根据权利要求1所述CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，其特征在于：矩形介质基板(10)采用环氧树脂FR4制成，介电常数为4.4～4.5，损耗角正切为0.02～0.025。
3.根据权利要求1所述CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，其特征在于：矩形开口环形金属接地板(11)的材质为铜或银，宽度为矩形介质基板(10)边长的1/8～1/6。
4.根据权利要求1所述CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，其特征在于：矩形开口环形金属接地板(11)的开口宽度大于矩形金属辐射贴片(16)的宽度。
5.根据权利要求4所述CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，其特征在于：矩形金属辐射贴片(16)距离矩形开口环形金属接地板(11)的开口两侧缝隙宽度相等。
6.根据权利要求1所述CPW馈电双频宽带SRR结构加载的单平面天线，其特征在于：所述的四个开口谐振环金属结构包括设置在矩形金属辐射贴片(16)末端右侧上方的第一开口谐振环金属结构(12)、设置在矩形金属辐射贴片(16)末端右侧下方的第二开口谐振环金属结构(13)、设置在矩形金属辐射贴片(16)末端左侧下方的第三开口谐振环金属结构(14)以及设置在矩形金属辐射贴片(16)末端左侧上方的第四开口谐振环金属结构(15)。
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