CN113300125B - 一种三模谐振的宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，具体涉及一种三模谐振的宽带天线。为解决目前天线工作带宽窄、结构复杂、辐射性能差等问题，本发明宽带天线包括矩形辐射贴片、上层介质基板、下层介质基板、接地板和微带馈线，矩形辐射贴片位于上层介质板的上表面，上层介质基板与下层介质基板通过空气层隔开，接地板和微带馈线分别位于下层介质基板的上表面和下表面，矩形辐射贴片蚀刻有两条线性槽，两条线性槽以矩形辐射贴片的纵向中心线为轴对称分布，将矩形辐射贴片分为三个贴片，在矩形辐射贴片的左右两侧外侧顶角处分别蚀刻有四个方形缝隙，接地板纵向中心线处刻蚀有矩形缝隙，与矩形辐射贴片的中心线所对应，微带馈线为T型馈线结构。

Description

一种三模谐振的宽带天线
技术领域
本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，具体涉及一种三模谐振的宽带天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，宽带无线接入技术因其高传输速率、大容量、低功耗等众多优点，成为未来无线通信发展的热点。而微带天线作为无线通信系统中一种发射或接收电磁波的关键器件，受到了广泛的关注和研究。
由于微带天线具有低轮廓、轻质量、低成本和易于与微波电路集成等优点，其被广泛地应用在雷达、卫星等无线通信领域。然而，随着无线通信技术的不断进步，通信设备朝着小型化、集成化、宽带化和智能化的方向不断发展，微带天线的窄带特性限制了它的广泛应用。常规的宽带微带天线使用天线中的一个谐振模式进行辐射，同时激发天线多个谐振模式进行辐射，则可望以简单的天线结构，获得宽带工作特性。
国内外现有的多模谐振天线技术大多是在一个多个谐振单元或者层叠多个贴片。它们的共同缺点是天线性能较差，具体表现在天线体积较大，结构复杂，甚至有些形式的天线因为结构复杂而无法实现。
与现有技术相比，采用在贴片上开缝隙结构的三模谐振的宽带天线，结构简单，成本低廉，需要调整的参数少，工艺易实现，覆盖Wi-Fi，WLAN，WIMAX以及RFID频段，应用范围广。
发明内容
本发明的目的主要解决目前天线工作带宽窄、结构复杂、辐射性能差等问题，提供一种三模谐振的宽带天线。通过有效激励天线的三个谐振频率改善频带内性能，在保持良好辐射性能的同时实现了宽带要求。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种三模谐振的宽带天线包括矩形辐射贴片、上层介质基板、下层介质基板、接地板和微带馈线，所述矩形辐射贴片位于上层介质板的上表面，所述上层介质基板与下层介质基板通过空气层隔开，所述接地板和微带馈线分别位于下层介质基板的上表面和下表面，所述矩形辐射贴片蚀刻有两条线性槽，所述两条线性槽以矩形辐射贴片的纵向中心线为轴对称分布，将矩形辐射贴片分为三个贴片，在所述矩形辐射贴片的左右两侧外侧顶角处分别蚀刻有四个方形缝隙，所述接地板纵向中心线处刻蚀有矩形缝隙，与矩形辐射贴片的中心线所对应，所述微带馈线为T型馈线结构。
进一步，所述四个方形缝隙以矩形辐射贴片的中心点中心对称。
进一步，所述微带馈线位于下层介质基板下表面的横向中心线上。
进一步，所述T型馈线结构分为头部和尾部，头部为一个方形贴片，尾部为一条微带馈线。
进一步，所述头部为边长5mm的方形贴片，所述尾部为长103mm，宽1.9mm的微带馈线。
进一步，所述矩形辐射贴片的尺寸为136mm×48mm；所述上层介质基板为矩形介质基板，尺寸为200mm×50mm，采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.002，厚度为2mm的F4B材料；所述下层介质基板的尺寸为200mm×50mm，采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm的FR4环氧树脂材料；所述接地板的尺寸为200mm×50mm，厚度为35μm；所述空气层的高度为2.8mm。
进一步，所述两个线性槽的长为48mm，宽为4.2mm；所述四个方形缝隙边长为7mm，同一侧的两个方形缝隙的垂直缝隙相距31mm，每个方形缝隙距离矩形辐射贴片边缘的垂直间距1.5mm；所述矩形缝隙的尺寸为33mm×0.6mm。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
通过引入所述两条线性槽，产生了反相TM30模式工作模式，与TM10模式共同谐振实现宽带；通过引入方形缝隙，减小了天线的尺寸，产生新的谐振模式，进一步拓宽天线带宽；接地板蚀刻一条矩形缝隙，与顶层辐射贴片的中心线所对应，与下层基板的下表面印刷的微带馈线组成耦合缝隙T型馈电结构，改善天线的阻抗带宽；通过T型馈线结构馈电在线性槽与方形缝隙中激励出三种模态，形成三模谐振，拓宽天线带宽。
采用在贴片上开缝隙结构的三模谐振的宽带天线，结构简单，成本低廉，需要调整的参数少，工艺易实现，覆盖Wi-Fi，WLAN，WIMAX以及RFID频段，应用范围广。
附图说明
图1是本发明的三模谐振的宽带天线整体结构的示意图，其中图1a为本发明天线的正视图，图1b为本发明天线的俯视图，图1c为本发明天线的仰视图；
图2是本发明三模谐振的宽带天线的反射系数；
图3是本发明三模谐振的宽带天线的增益；
图4是本发明三模谐振的宽带天线频率为2.20GHz时分别在XOZ面和YOZ面的方向图；
图5是本发明三模谐振的宽带天线频率为2.46GHz时分别在XOZ面和YOZ面的方向图；
图6是本发明三模谐振的宽带天线频率为2.70GHz时分别在XOZ面和YOZ面的方向图；
图中标号：1-矩形辐射贴片，2-上层介质基板，3-下层介质基板，4-接地板，5-微带馈线，6-空气层，7-线性槽，8-方形缝隙，9-矩形缝隙。
具体实施方式
实施例1
如图1a～c所示，本发明的三模谐振的宽带天线，包括矩形辐射贴片1、上层介质基板2、下层介质基板3、接地板4和微带馈线5，所述矩形辐射贴片1位于上层介质板2的上表面，上层介质基板2的上层采用电路板刻蚀技术，蚀刻带有线性槽7的矩形辐射贴片1，所述上层介质基板2与下层介质基板3通过空气层6隔开，所述接地板4和微带馈线5分别位于下层介质基板3的上表面和下表面，所述矩形辐射贴片1蚀刻有两条线性槽7，所述两条线性槽7以矩形辐射贴片1的纵向中心线为轴对称分布，将矩形辐射贴片1分为三个贴片，在所述矩形辐射贴片1的左右两侧外侧顶角处分别蚀刻有四个方形缝隙8，所述接地板4纵向中心线处刻蚀有矩形缝隙9，与矩形辐射贴片1的中心线所对应，所述微带馈线5为T型馈线结构。
所述四个方形缝隙8以矩形辐射贴片1的中心点中心对称，所述四个方形缝隙8边长为7mm，同一侧的两个方形缝隙8的垂直缝隙相距31mm，每个方形缝隙8距离矩形辐射贴片1边缘的垂直间距1.5mm。
所述微带馈线位于下层介质基板3下表面的横向中心线上。所述T型馈线结构分为头部和尾部，头部为一个方形贴片，尾部为一条微带馈线。所述头部为边长5mm的方形贴片，所述尾部为长103mm，宽1.9mm的微带馈线。
所述矩形辐射贴片1的尺寸为136mm×48mm；所述上层介质基板2为矩形介质基板，尺寸为200mm×50mm，采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.002，厚度为2mm的F4B材料；所述下层介质基板3的尺寸为200mm×50mm，采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm的FR4环氧树脂材料；所述接地板4的尺寸为200mm×50mm，厚度为35μm；所述空气层6的高度为2.8mm。
所述两个线性槽7的长为48mm，宽为4.2mm；所述矩形缝隙9的尺寸为33mm×0.6mm。
图2列出了本实施例的三模谐振的宽带天线反射系数，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。天线的工作频段为2.09-2.79GHz，三个谐振频率分别在2.20GHz、2.46GHz和2.70GHz。在2.09-2.79GHz频段范围内，反射系数S11>-10dB,阻抗带宽达到28.7％，表明天线具有宽频带的效果。
图3列出了本实施例的三模谐振的宽带天线增益。从图中可以看出，在2.09-2.79GHz的工作频段中，天线的峰值增益为8.3dBi，表明天线在一定程度上实现了较高的增益。
图4-图6分别给出了三模谐振的宽带天线在2.20GHz、2.46GHz和2.70GHz三个频点时，XOZ面和YOZ面的归一化辐射方向图。天线在三个频率处YOZ面方向图近似于全向的辐射，在三个频点处，天线在XOZ面以及YOZ面上得到的交叉极化均小于-30dB。XOZ面辐射方向图均得到大于12.4dB的前后比，实现较好的前向辐射。
本发明的上述实施例是为清楚地说明本发明所作的举例，对领域的技术人员来说，可以对其形式和细节做出改变。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，包括矩形辐射贴片（1）、上层介质基板（2）、下层介质基板（3）、接地板（4）和微带馈线（5），所述矩形辐射贴片（1）位于上层介质基板（2）的上表面，所述上层介质基板（2）与下层介质基板（3）通过空气层（6）隔开，所述接地板（4）和微带馈线（5）分别位于下层介质基板（3）的上表面和下表面，所述矩形辐射贴片（1）蚀刻有两条线性槽（7），所述两条线性槽（7）以矩形辐射贴片（1）的纵向中心线为轴对称分布，将矩形辐射贴片（1）分为三个贴片，在所述矩形辐射贴片（1）的左右两侧外侧顶角处分别蚀刻有四个方形缝隙（8），所述接地板（4）纵向中心线处刻蚀有矩形缝隙（9），与矩形辐射贴片（1）的中心线所对应，所述微带馈线（5）为T型馈线结构。
2.根据权利要求1所述的一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，所述四个方形缝隙（8）以矩形辐射贴片（1）的中心点中心对称。
3.根据权利要求1所述的一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，所述微带馈线位于下层介质基板（3）下表面的横向中心线上。
4.根据权利要求1所述的一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，所述T型馈线结构分为头部和尾部，头部为一个方形贴片，尾部为一条微带馈线。
5.根据权利要求4所述的一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，所述头部为边长5mm的方形贴片，所述尾部为长103mm，宽1.9mm的微带馈线。
6.根据权利要求1所述的一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片（1）的尺寸为136mm×48mm；所述上层介质基板（2）为矩形介质基板，尺寸为200mm×50mm，采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.002，厚度为2mm的F4B材料；所述下层介质基板（3）的尺寸为200mm×50mm，采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm的FR4环氧树脂材料；所述接地板（4）的尺寸为200mm×50mm，厚度为35μm；所述空气层（6）的高度为2.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种三模谐振的宽带天线，其特征在于，所述两条线性槽（7）的长为48mm，宽为4.2mm；所述四个方形缝隙（8）边长为7mm，同一侧的两个方形缝隙（8）的垂直缝隙相距31mm，每个方形缝隙（8）距离矩形辐射贴片（1）边缘的垂直间距1.5mm；所述矩形缝隙（9）的尺寸为33mm×0.6mm。
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