CN111541042A - 一种基于复合左右手传输线的电小天线 - Google Patents

一种基于复合左右手传输线的电小天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复合左右手传输线的电小天线，包括交指结构、辐射贴片、馈线、折弯结构和非对称共面地；其中，信号由SMA接头馈线输入，传输到辐射贴片中，通过弯折结构和交指结构从SMA接头非对称共面地输出。本发明采用非对称共面波导馈电结构，由于只有一边地，比传统的共面波导节省了一般的面积，大大减少了天线尺寸。

Description

一种基于复合左右手传输线的电小天线
技术领域
本发明涉及射频与微波通信技术领域，具体涉及一种基于复合左右手传输线的电小天线，主要应用于无线通信系统、射频识别系统等。
背景技术
天线作为发射和接收电磁波的前端设备，是无线系统的基本组成部分。随着无线通讯技术的飞速发展，所有的无线设备也正在朝着小型化、集成化、多工作频段、多功能的方向发展。各种各样的无线移动系统应用于通信、遥控、数据传输、身份鉴别、遥感等领域中，根据不同系统的性能、复杂度、传输媒介和传输数据类型，覆盖范围从超短距离甚至到了全国范围，如蓝牙、射频识别、无线局域网、全球定位系统等。由于频谱资源具有不可再生性，因此为了满足各种各样的无线通信系统急速发展需求，要求微波元件向高频段拓展。特别是近几年手持通信设备的普及和超宽带无线通信技术的发展，电子设备的功能越来越强大，信号带宽也在不断提高。人们对无线通信系统中必不可少的天线的性能提出了更高的要求，主要体现在频带的范围更广、体积更小、便于安装和携带，同时具有较高的辐射效率等等。因此，对现代天线设计理论展开深入的研究显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种基于复合左右手传输线的电小天线，本发明具有宽频带、全面辐射、小型化且易于实现的优点，解决了传统天线的单一频带的缺点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于复合左右手传输线的电小天线，包括交指结构、辐射贴片、馈线、折弯结构和非对称共面地；
其中，信号由SMA接头馈线输入，传输到辐射贴片中，通过弯折结构和交指结构从SMA接头非对称共面地输出。
本发明采用非对称共面波导馈电结构，由于只有一边地，比传统的共面波导节省了一般的面积，大大减少了天线尺寸。
复合左右手传输线不仅具有超材料的奇异特性，而且在带宽和损耗方面都远远优于左手材料。复合左右手传输线的特殊性质可以为要求具有多频宽带、高增益等天线带来新的可能，因此复合左右手传输线在电磁学中的意义也受到越来越多的重视。作为在未来可能会在无线通信设备中获得应用的超材料，复合左右手传输线有着良好的应用前景。因此，本发明的天线采用复合左右手传输线结构。
具体的，本发明的弯折结构提供左手电感，所述交指结构提供右手电容，加上辐射贴片自身产生的右手电感，形成了复合左右手传输线结构。
本发明采用弯折电感和交指电容实现零阶谐振，通过调节弯折和交指长度、宽度和个数，来调节电感和电容的大小，从而调节频段变化。
优选的，本发明的天线通过调整弯折结构中的弯折长度、宽度和个数来控制电感大小。
优选的，本发明的天线通过调整交指结构中的交指长度、宽度和个数来控制电容大小。
优选的，本发明的交指结构用于加强辐射贴片与非对称共面地之间的耦合。
本发明能实现在宽带内实现天线的全面辐射，具体的，本发明的天线覆盖了2.3～11.6GHZ频带。
本发明的基于复合左右手传输线的电小天线能够应用于无线通信系统、射频识别系统等。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的天线结构简单、频带宽、全面辐射、小型化且易于实现，解决了传统天线的单一频带的缺点；采用弯折电感和交指电容实现零阶谐振，通过调节弯折和交指个数和长度，调节频段变化。
2、本发明的微带线结构、介质基板、金属接地板等都可以采用普通的印刷电路板工艺制作,具有易于集成、便于加工和成本低廉的优点。
3、本发明采用非对称共面波导馈电，由于只有一边地，比传统的共面波导节省了一半的面积，大大减小了天线尺寸。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的天线结构示意图。
图2为本发明中天线对应的等效电路图。
图3为本发明中天线色散特性曲线。
图4为本发明中天线等效介电常数。
图5为本发明中天线等效磁导率。
图6为本发明中天线回波损耗曲线。
图7为本发明中天线四个谐振点方向图。
附图标记说明：
1-交指结构；2-辐射贴片；3-馈线；4-弯折结构；5-非对称共面地。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种基于复合左右手传输线的电小天线。
具体如图1所示，本实施例的天线结构包括：交指结构1、辐射贴片2、馈线3、弯折结构4和非对称共面地5。
本实施例的交指结构1加强了辐射贴片与地之间的耦合，并形成了右手电容。
本实施例的弯折结构4提供了左手电感。
本实施例采用弯折电感和交指电容实现零阶谐振，可通过调整交指结构1中的交指长度、宽度和个数来控制电容的大小，通过调整弯折结构4中的弯折长度、宽度和个数来控制电感的大小，从而实现频段调节。
本实施例采用非对称共面波导馈电，由于只有一边地，比传统的共面波导节省了一半的面积，大大减小了天线尺寸。
交指结构1形成的右手电容CR、弯折结构4形成的左手电感LL加上辐射贴片2自身产生的右手电感LR，由此形成了复合左右手传输线结构(负介电常数传输线结构)，同时，微带线也会产生寄生电阻，如辐射贴片产生2产生的寄生电阻R和弯折结构4产生的寄生导纳G等，其等效电路如图2所示。
右手传输线一般由串联电感和并联电容组成，左手传输线则由串联电容和并联电感组成，但自然界中并不存在纯左手材料，一般伴有右手特性，因此称为复合左右手传输线。复合左右手传输线一般具有负介电常数和负磁导率的特性，本实施例由串联电感、并联电容、并联电感组成，因此具有负介电常数特性。
本实施例的天线能够制作在FR4(ε＝4.4，tanσ＝0.02)介质板上，介质板厚度为1.6mm，辐射结构由厚度为0.017mm的铜组成。
本实施例的图3为周期性复合左右手传输线结构天线的色散特性曲线。从图中可以看出，在0.5GHz-3.5GHz频段内为左手传输线，3.5GHz-4GHz是左手传输线向右手传输线的过渡频段，该频段内β为纯虚数，4GHz-8.5GHz是右手传输线。图4为复合左右手传输线天线等效介电常数，可以看出，在0.5GHZ-4GHz频段内介电常数为负值，4GHz-8.5GHz对应的介电常数的实部为正值。图5为复合左右手传输线天线等效磁导率，由于负介电常数传输线结构是介电常数小于零，磁导率大于零，图5磁导率虽然有波动，但一直处于正值。根据图3、图4和图5可以证明了天线实现了负介电常数传输线功能。
本实施例的天线共有四个谐振模式，分别在3.95GHZ、6.68GHZ、8.19GHZ和10.9GHZ处，根据天线色散特性曲线图(图3)可以得到3.95GHZ为零阶谐振模式，且天线带宽为2.3～11.6GHZ。
本实施例的天线尺寸为20╳18╳1.6mm3，根据图6天线回波损耗曲线可以看出，天线覆盖了2.3～11.6GHz频带，相对带宽达到133.8％，且在工作频带内能实现较好的全面辐射。
本实施例为图7天线各谐振点的方向图，从中可以看出，在3.95GHZ、6.68GHZ、8.19GHZ和10.90GHZ处的增益分别为-2.13dBi、-0.78dBi、1.42dBi和3.44dBi，且在E面和H面都有较好的全面辐射。
本实施例中的微带线结构、介质基板、金属接地板等都可以采用普通的印刷电路板工艺制作，具有易于集成、便于加工和成本低廉的优点。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于复合左右手传输线的电小天线，其特征在于，包括交指结构(1)、辐射贴片(2)、馈线(3)、折弯结构(4)和非对称共面地(5)；
其中，信号由SMA接头馈线(3)输入，传输到辐射贴片(2)中，通过弯折结构(4)和交指结构(1)从SMA接头非对称共面地(5)输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线，其特征在于，所述弯折结构(4)提供左手电感，所述交指结构(1)提供右手电容，加上辐射贴片(2)自身产生的右手电感，形成了复合左右手传输线结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线，其特征在于，通过调整弯折结构(4)中的弯折长度、宽度和个数来控制电感大小。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线，其特征在于，通过调整交指结构(1)中的交指长度、宽度和个数来控制电容大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线，其特征在于，所述交指结构(1)用于加强辐射贴片(2)与非对称共面地(5)之间的耦合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线，其特征在于，该天线覆盖了2.3～11.6GHZ频带。
7.一种无线通信系统，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线实现无线通信。
8.一种射频识别系统，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的一种基于复合左右手传输线的电小天线实现无线通信。
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