CN112490655B - 一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线 - Google Patents

一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线 Download PDF

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Abstract

一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，包括上层介质基板和下层介质基板；上层介质基板的上表面印刷有第一矩形金属贴片，第一矩形金属贴片上加工有一个十字型缝隙，下层介质基板的上表面印刷有一个十字型金属贴片，十字型金属贴片与十字型缝隙的几何尺寸相同且上下位置对应；下层介质基板的下表面印刷有第二矩形金属贴片作为接地板，第二矩形金属贴片上加工有一个圆形非金属区域，非金属化过孔的中心与圆形非金属区域的中心重合，且非金属化过孔的半径小于圆形非金属区域的半径。本发明采用激励贴片与辐射缝隙互补的结构，增加天线的谐振频点，简化了天线的结构，并且降低了天线的剖面。

Description

一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线
技术领域
本发明属于无线通讯领域，具体涉及一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线。
背景技术
随着科技发展与社会进步，无线电通信系统也随之不停地向前发展。作为无线通信系统中举足轻重的成员，天线需要实现无线电磁波的辐射与接收工作，即将传输线内电流传导形式的能量转换成空间电磁辐射形式的能量。
设备的小型化是多年来无线移动通信设备的发展方向。设备的体积减小需要设备中每个器件的体积都要减小，而在多数无线通信设备中，都有两个或者两个以上的天线同时完成不同信息的传输任务，多频天线则可以同时完成多个频点的通信任务，即同时发射多个不同频点的电磁波，一个多频天线可以代替多个天线完成信息传输任务，多频天线能够减少无线移动通信设备中天线的数目，减少天线数目是减小无线通信设备体积的根本办法。
微带天线是一种具有单方向辐射的低剖面平面天线，因为加工成本低、适合大规模生产、易于和电路板中的其他器件集成、易于与通信设备共形，易于实现多频辐射等优点而在现代无线移动通信和军用无线通信设备中得到了广泛的应用。
微带天线的基本结构是在一块介质基板的两个侧面分别印刷金属接地板和辐射贴片，金属接地板一般都是覆盖整个介质基板的下表面，而介质基板上表面的辐射贴片则可以采用不同的形状，有圆形、矩形、正方形、椭圆形、不规则形状等等。基本的微带天线一般都是单频，可以通过改变馈电位置来实现双频谐振。多频微带天线则需要在基本微带天线结构基础上增加更加复杂的结构。传统实现多频微带天线的方法有：多层贴片结构法、单层多片结构法、共面多谐振结构法、加载缝隙法、多辐射枝节法、阵列天线法，加载集总元件法、分形法、1/4波长后向空腔贴片法等等。上述方法都可以将单频天线变为多频天线。
在多层多频微带天线结构中，往往有多个金属辐射贴片，天线的结构复杂会影响天线的加工精度和制作成本。尤其是当谐振频点个数较多时，天线的结构会变得非常复杂。在利用多模技术实现的多频谐振天线中，虽然天线结构相对简单，但是高阶模频点处天线辐射方向往往会发生畸变，这会严重影响天线辐射电磁波对空间的覆盖。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有多频天线技术中天线结构复杂，天线谐振工作频点较少等问题，提供一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，采用激励贴片与辐射缝隙互补的结构，增加天线的谐振频点，简化了天线的结构，并且降低了天线的剖面。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，包括上层介质基板和下层介质基板；上层介质基板的上表面印刷有第一矩形金属贴片，第一矩形金属贴片上加工有一个十字型缝隙，十字型缝隙由两个矩形缝隙交叉组成，十字型缝隙的几何中心与第一矩形金属贴片的几何中心重合；下层介质基板的上表面印刷有一个十字型金属贴片，十字型金属贴片与十字型缝隙的几何尺寸相同且上下位置对应；下层介质基板的下表面印刷有第二矩形金属贴片作为整个天线的接地板，第二矩形金属贴片上加工有一个圆形非金属区域，圆形非金属区域位于第二矩形金属贴片的中轴线上；所述的下层介质基板上加工一个非金属化过孔，非金属化过孔的中心与圆形非金属区域的中心重合，且非金属化过孔的半径小于圆形非金属区域的半径。
优选的，所述的上层介质基板和下层介质基板的大小以及组成材料均相同。
优选的，所述的材料均采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的聚四氟乙烯FR4。
优选的，所述的上层介质基板和下层介质基板之间真空贴合在一起。
优选的，所述的十字型缝隙由两个长度和宽度均相同的矩形缝隙组成。
优选的，所述十字型缝隙的两个矩形缝隙交叉点位于两个矩形缝隙的各自中点，交叉后的四个分支缝隙长度相等，所述的十字型金属贴片设置四个臂长相等的金属贴片相对应。
优选的，所述第一矩形金属贴片的大小与上层介质基板的上表面相同；所述第二矩形金属贴片的大小与下层介质基板的下表面大小相同。
优选的，利用SMA接头进行测试时，将所述的非金属化过孔与SMA接头的内芯连接，SMA接头的接地金属结构与第二矩形金属贴片连接。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：采用激励贴片与辐射缝隙互补的结构、同时增加一层介质基板，采用双层介质基板结构，在不增加天线结构的前提下，增加了天线四个谐振频点，使天线谐振频点增加到5个，也降低了基模的谐振频率，即同时实现了天线的小型化。利用十字型的激励贴片和互补辐射缝隙，不但延迟了激励表面的电流路径，同时增加了辐射缝隙边缘的电流路径，实现了天线的小型化。背面的金属接地板结构使能量只能向缝隙方向辐射，实现了能量的单向辐射。最终的不增加微带天线结构复杂性的前提线增加了四个谐振频点并且获得了较好的端口匹配，同时也实现了天线的小型化问题。
附图说明
图1本发明天线的三维透视结构示意图；
图2本发明天线的俯视结构示意图；
图3本发明天线的侧视结构示意图；
图4本发明天线的仰视结构示意图；
图5三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得端口反射参数(S11)随频率变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为解决天线谐振频点较少导致功能单一，结构复杂成本增加而且加工误差太大，天线体积较大而严重影响整个无线通信设备的小型化等问题。本发明提出一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，在同轴线馈电微带天线结构基础上增加了一个矩形介质基板和覆盖在介质基板上表面具有缝隙的金属贴片。将一个普通的单频微带天线变为具有五个谐振频点、结构简单便于加工、市场化成本较低、并且实现了小型化的双层介质基板微带天线。
参见图1-4，本发明设计的这种微带天线有两块大小和组成材料都相同的介质基板，分别是上层介质基板11和下层介质基板12，上层介质基板11和下层介质基板12紧密压在一起，中间没有空气间隙或者其他填充物，所有金属结构都刻蚀在上层介质基板11和下层介质基板12的两个表面上。上层介质基板11的上表面印刷有矩形金属贴片10，矩形金属贴片10的大小与上层介质基板11表面相同，矩形金属贴片10中加工一个十字型缝隙16，十字型缝隙16是由两个长度和宽度相同的矩形缝隙交叉组成，十字型缝隙16与第一矩形金属贴片10的几何中心重合。上层介质基板11下表面没有任何金属结构。下层介质基板12的上表面印刷有一个十字型金属贴片13，十字型金属贴片13的几何尺寸与十字型缝隙16完全相同，在垂直天线平面方向上，二者的位置也完全相同。下层介质基板12的下表面印刷第二矩形金属贴片17作为整个天线的接地板，第二矩形金属贴片17的大小与下层介质基板12表面大小相同。第二矩形金属贴片17中加工一个圆形非金属区域14，圆形非金属区域14位于第二矩形金属贴片17的中轴线上，并且在中心附近。下层介质基板12中加工一个非金属化过孔15，所述非金属化过孔15的中心与圆形非金属区域14的中心重合，而且非金属化过孔15的半径小于圆形非金属区域14的半径。上述即为本发明设计天线结构的一次完整的实施。
本发明设计的天线具体制作过程如下：
首先，制作两块长度50mm，宽度50mm，厚度1.6mm的FR4介质板作为天线的介质基板，介质基板的材料采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的常用微波介质FR4。利用电路板印刷技术在上层介质基板11上表面全部覆盖金属铜或金属银，长度为50mm，宽度也为50mm、厚度可忽略不计的金属贴片10。利用电路板雕刻技术在第一矩形金属贴片10中刻蚀一个十字型缝隙16，十字型缝隙16由两个正交的矩形缝隙交叉而成，两个矩形臂宽度都是4mm，长度都为22mm。利用电路板印刷技术在下层介质基板12的两个表面都印刷金属铜或银贴片结构。下表面印刷一个长度50mm，宽度50mm的第二矩形金属贴片17，上表面印刷一个十字型金属贴片13，所有金属贴片结构厚度都可忽略不计，十字型金属贴片13的几何尺寸与十字型缝隙16完全相同，而且中心位置和放置方向也完全相同。在下层介质基板12覆盖第二矩形金属贴片17的下表面，利用电路板雕刻技术加工一个半径为2.5mm的圆形非金属区域14，圆形非金属区域14的中心处在下层介质基板12的两对边中点连线上且与中心距离为4.5mm。以圆形非金属区域14中心为圆形，在介质基板12中加工一个半径为0.55mm的圆形非金属化过孔15，圆形非金属化过孔15的高度与介质基板12的厚度相同，都是1.6mm。
将上述两块介质基板压在一起，并且上层介质基板11无金属结构的一侧面紧贴介质基板有十字型缝隙16的一侧面，中间没有任何间隙，即完成了本发明天线结构的一次完整的实施。
若要进行实验室测试，则将SMA接头的金属内芯穿过下层介质基板12中的非金属化过孔15，与下层介质基板12上表面的十字型金属贴片13连接。SMA接头的外侧接地端与下层介质基板12下表面的矩形接地板连接，即可对本发明设计天线的各个参数进行测试。
利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明的天线进行仿真分析，如图5所示，多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线能够在五个不同频点处发生谐振，五个频点分别为2.92GHz、3.33GHz、3.37GHz、4.07GHz和4.30GHz，即本发明是一个多频天线。由图可知，在上述五个不同频点处，其中第一个、第二个和第三个频点处，天线具有良好的端口匹配特性。
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)

1.一种多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，其特征在于：包括上层介质基板(11)和下层介质基板(12)；所述上层介质基板(11)的上表面印刷有第一矩形金属贴片(10)，第一矩形金属贴片(10)上加工有一个十字型缝隙(16)，所述的十字型缝隙(16)由两个长度和宽度均相同的矩形缝隙组成，十字型缝隙(16)的几何中心与第一矩形金属贴片(10)的几何中心重合；下层介质基板(12)的上表面印刷有一个十字型金属贴片(13)，十字型金属贴片(13)与十字型缝隙(16)的几何尺寸相同且上下位置对应；所述十字型缝隙(16)的两个矩形缝隙交叉点位于两个矩形缝隙的各自中点，交叉后的四个分支缝隙长度相等，所述的十字型金属贴片(13)设置四个臂长相等的金属贴片相对应；所述下层介质基板(12)的下表面印刷有第二矩形金属贴片(17)作为整个天线的接地板，第二矩形金属贴片(17)上加工有一个圆形非金属区域(14)，圆形非金属区域(14)位于第二矩形金属贴片(17)的中轴线上；所述的下层介质基板(12)上加工一个非金属化过孔(15)，非金属化过孔(15)的中心与圆形非金属区域(14)的中心重合，且非金属化过孔(15)的半径小于圆形非金属区域(14)的半径。
2.根据权利要求1所述的多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，其特征在于：所述的上层介质基板(11)和下层介质基板(12)的大小以及组成材料均相同。
3.根据权利要求2所述的多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，其特征在于：所述的材料均采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的聚四氟乙烯FR4。
4.根据权利要求1所述的多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，其特征在于：所述的上层介质基板(11)和下层介质基板(12)之间真空贴合在一起。
5.根据权利要求1所述的多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，其特征在于：所述第一矩形金属贴片(10)的大小与上层介质基板(11)的上表面相同；
所述第二矩形金属贴片(17)的大小与下层介质基板(12)的下表面大小相同。
6.根据权利要求1所述的多频双层介质板馈源贴片与辐射缝隙互补微带天线，其特征在于：利用SMA接头进行测试时，将所述的非金属化过孔(15)与SMA接头的内芯连接，SMA接头的接地金属结构与第二矩形金属贴片(17)连接。
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