CN116093593A - 一种基于表面开槽的小型化分形微带天线 - Google Patents

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余磊
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刘思雨
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Abstract

本发明提供一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，包括从上到下依次设置的辐射贴片2、天线介质基板1、金属接地面3、同轴馈电探针4。本发明利用对贴片的每一条边进行一次分形，同时在辐射贴片2上蚀刻四条矩形槽，以达到减小微带天线尺寸，降低天线工作频率的目的。本发明在克服现有微带天线的增益低、带宽窄的同时，进一步实现天线小型化。提出一种在915MHz情况下，基于表面开槽的小型化分形微带天线，通过对矩形辐射贴片进行开槽和一次Giuseppe Peano分形来提高和改善天线的性能。

Description

一种基于表面开槽的小型化分形微带天线
技术领域
本发明涉及无线信号与能量传输领域，更具体地，涉及一种基于表面开槽的小型化分形微带天线。
背景技术
地磁场当代无线通信系统的快速发展，特别是通信速率的大幅提高，对天线工作性能的要求也越来越高，微带天线因其剖面低、小型化、成本低、易于与载体共形、方便集成等优点在现代通信的各个场合得到普遍应，并不断地发展壮大。微带天线可以在各种工作频率下使用，工作频率范围为100MHz～100GHz。根据设计者不同的需要，辐射金属片结构可被设计成多种形状，且不仅局限于单层设计，也可设计成多层微带天线结构。由于传统微带贴片天线因为增益低、带宽窄限制了它们的广泛使用，因此提高天线的增益和扩展天线带宽已经成为研究的热点，微带贴片天线的研究也在不断地创新和发展，目前已经提出了几种技术来提高增益、扩展天线带宽、进一步缩小微带天线尺寸，从而改善天线性能。
为达到微带天线小型化可使用左手材质。Roman Kubacki等使用分型结构来刻蚀人工电磁材料单元，该结构可以产生左手材料的特性，将其加载于微带贴片天线的上表面和底面，最终使得其工作频带达到4.1GHz～19.4GHz，并且工作频带内的增益范围从最小6dB到最高10dB。(Muhammad Bilal,Faisal Ahmad Khan,Faizullah Khan,TayyabShabbir,A NovelSemi-Elliptical UWB Antenna with Parasitic Sinusoids[C]//Computing Electronicand Electrical Enginering(ICE Cube)2018InternationalConference on,pp.1-4,2018.)但这种方法提高了天线的设计成本和材料成本。
通过设计特殊的馈电结构也可以提高微带天线的带宽。W.Sun提出了一种孔径耦合馈电结构的微带天线，相对带宽达41％。该天线通过在下层介质底面印刷微带馈线，接地面开矩形槽，微带馈线通过矩形槽对上层贴片进行耦合馈电，可有效展宽带宽。(W.Sun,Y.Li,Z.Zhang,Z.Feng.Broadband and Low-Profile Microstrip Antenna UsingStrip-Slot Hybrid Structure[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2017,16:3118-3121.)P.Prakash提出一个共面波导馈电的高增益单极子天线，天线下方的AMC结构采用蚀刻了圆环形缝隙的方形贴片阵列，其增益可以达到10dB。(P.Prakash,M.P.Abegaonkar,A.Basu,S.K.Koul.Gain Enhancement of a CPW-FedMonopole AntennaUsing PolarizationInsensitive AMC Structure[J].IEEEAntennas WirelessPropag.Lett.,2013,12,1315-1318.)但这种方法增加了天线设计制造的复杂性。
D.Kim设计了一种小型化的射频识别标签天线，通过在平面偶极子天线下方放置一个加载金属过孔的改进型矩形贴片式AMC，降低了天线的剖面并将其尺寸减小至0.1λ0×0.2λ0×0.01λ0，其中λ0为工作波长。(D.Kim,J.Yeo.Low-Profile RFID TagAntenna UsingCompact AMC Substratefor Metallic Objects[J].IEEE AntennasWirelessPropag.Lett.,2008,7,718-720.)但这种方法导致天线厚度显著增加。
虽然已经提出了一些技术来提高微带天线增益和带宽，实现天线小型化，但是天线设计难度较大、结构复杂，对制作加工要求要高等问题依然存在。
发明内容
针对上述内容，本发明针对传统微带贴片天线因为增益低、带宽窄限制使用环境的不足，提出一种在915MHz情况下，基于表面开槽的小型化分形微带天线，以满足小型化微带天线使用需求。
本发明所要解决的技术问题是：在克服现有微带天线的增益低、带宽窄的同时，进一步实现天线小型化。提出一种在915MHz情况下，基于表面开槽的小型化分形微带天线，通过对矩形辐射贴片进行开槽和一次Giuseppe Peano分形来提高和改善天线的性能。
本发明所采用的技术方案是：一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，包括制备的平板状的介电常数为4.4的介质基板1、处于介质基板1上表面的一次分形并开矩形槽的金属辐射贴片2、处于介质基板1下表面的金属接底板3、同轴馈电探针4。
所述介质基板1上表面中心敷铜得到所述辐射贴片2。所述辐射贴片2为矩形结构，先在矩形贴片的每一条边上进行一次Giuseppe Peano分形，使分形后，曲线总体长度与初始状态的直线长度相等，并且一次分形后的四条长的水平直线长度相等，所有与水平直线垂直的竖直线长度相等。再在每条矩形长边上平行于短边的方向上开两条矩形槽，四条矩形槽关于x轴和y轴对称，各个开槽之间无接触。
所述天线介质基板1下表面中心敷铜得到所述金属接地板3，金属接地板的长宽和介质基板的长宽相同。
所述同轴馈电探针4的外芯连接介质基板1和金属接底板3，同轴馈电探针4的内芯连接辐射贴片2。
具体的：所述矩形辐射贴片尺寸为56×40mm，在其长边上开有上述矩形槽，矩形槽位于距离两条短边各10mm处，尺寸为17.94×2mm。在各边上进行一次Giuseppe Peano分形，就是在两条长边上各挖掉一个长为15mm、宽为3mm的小矩形，在两条短边上各挖掉一个长为11mm、宽为3mm的小矩形并各自移动至相对应的贴片边缘。
具体的：所述天线介质基板1的尺寸为70×60mm，所述金属接地板3的尺寸为70×60mm。
具体的：所述同轴馈电探针4的位置处于从辐射单元2的中心顺着矩形微带贴片的长边方向偏移4.6mm处，尺寸为内芯半径0.6mm，外芯半径为1.5mm。
介质基板1为玻璃纤维环氧树脂材料，厚度为3mm，辐射单元2为铜，金属接底板3材料为铜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明通过在传统微带贴片天线上进行分形和开槽处理，实现了对增益的提高和带宽的增加并且大大简化了小型化天线的复杂结构，具有制备简单等优点；2.本发明天线工作中心频率为0.915GHz,增益为-2.13dB，具有较大增益，带宽为3.65Mhz，VSWR＜2；3.本发明结构合理，有效解决了传统微带天线增益低、尺寸过大、结构复杂等技术问题，适用于无线通信场合。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图；
图2是本发明的侧视结构示意图；
图3是本发明的频率-反射系数示意图；
图4是本发明的增益方向示意图；
图中各标号表示为:1.介质基板，2.辐射贴片，3.金属接地面，4.同轴馈电探针。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明包括从上到下依次设置的辐射贴片2、天线介质基板1、金属接地面3、同轴馈电探针4。本方案利用对贴片的每一条边进行一次分形，同时在辐射贴片2上蚀刻四条矩形槽，以达到减小微带天线尺寸，降低天线工作频率的目的。
本发明的核心部分是基于表面开槽的小型化分形微带天线，在微带天线设计时需要对辐射单元的矩形贴片的尺寸，介质基板的尺寸、厚度进行理论上的估算，才能在模拟实验的时候更加快速精确的找到适合特定频率的分形结构开槽微带天线。所以下面以矩形微带天线为例，讲解微带天线各个数据参数的理论计算方法。
设计时首先需要根据工况选择合适的介质基板选材，根据天线工作频率和带宽等指标确定微带天线的基板厚度H，矩形贴片宽度W，矩形贴片长度L。
1)微带天线介质基板的厚度H
当介质基板的厚度H＜λ/16时，VSWR＜2的频带宽度经验公式为：
Δf(MHz)＝5.04f2H          (1)
式中，H单位为mm，f单位为GHz。
2)矩形贴片宽度W
矩形贴片的宽度W由式(2)确定。
Figure BDA0003959658380000041
式中，c＝3×108m/s，εr是相对介电常数，fr是天线中心频率，单位是GHz。
3)矩形贴片长度L
矩形微带天线长度理论上近似为0.5λg，但由于边缘场的影响，L一般按式(3)取为：
Figure BDA0003959658380000042
式中，λg为谐振频率在介质基板中传播的等效波长、ΔL为等效辐射缝隙长度、εe为有效介电常数，它们分别由式(4)、(5)、(6)确定。
Figure BDA0003959658380000043
Figure BDA0003959658380000044
Figure BDA0003959658380000045
式中，λ0为自由空间波长。
具体说来本发明先使用厚度为3mm的介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂材料(FR4)制备尺寸为70×60mm的矩形介质基板。
其次在介质基板上表面镀一层厚度小于1mm的铜模，该铜模是尺寸为56×40mm的矩形(为了便于调整频率在0.915Ghz附近，设置尺寸为56×40mm)，注意介质基板中心与辐射单元中心对齐，然后采用腐蚀或者切割的方法在矩形铜模的四边进行一次分形。具体来说就是现在两条长边上各挖掉一个长为15mm、宽为3mm的小矩形，依次将小矩形向垂直于长边的方向平移3mm，向左边平移11mm；在两条短边上各挖掉一个长为11mm、宽为3mm的小矩形，依次将小矩形向垂直于长边的方向平移3mm，向左边平移7mm，将小矩形与原有的矩形连接初步形成辐射贴片单元。在矩形贴片四周应用Giuseppe Peano分形，可在不改变贴片面积的情况下，延长电流流动路径，有效实现小型化。一般来说，分形次数越大，贴片周长越长，越能有效实现小型化，但是随着分形次数增加，设计天线难度增大。综合考虑，利用GiuseppePeano一次分形进行设计。
接着采用腐蚀或者切割的方法在辐射贴片的长边上开四道矩形槽，方向平行于短边，尺寸为17.94×2mm，具体位置在距离两条短边各10mm处，各个槽之间并无接触，如图1所示。
本发明利用了辐射贴片单元的分形结构、开槽的大小、对称性，影响了贴片表面电流的路径，电流主要集中在开槽缝隙周围，加载的缝隙改变了电流的路径，实现了结构尺寸以及辐射单元的缩减。
在介质基板下表面镀一层铜形成与介质基板尺寸相同的金属接地板。
最后安装同轴馈电探针，同轴馈电探针的外芯连接介质基板和金属接底板，同轴馈电探针的内芯连接辐射单元，同轴馈电探针垂直于基板中心和辐射单元，为了保证最佳的馈电效果和最佳的增益效果，同轴馈电探针的位置处于从辐射单元的中心顺着中心到辐射单元一边中点的连线偏移4.6mm处，如图1所示。同轴线的匹配阻抗与内，外芯半径有关，与长度无关。为了实现天线50欧姆的传输匹配，实现良好传输特性，4为同轴线，其内芯半径为0.6mm，外芯半径为1.5mm。
通过图3无线传感器频率-反射系数示意图可知，其中心频率为915MHz(S11参数衰减最大的频率为中心频率)，中心频率处S11为-21.43dB，通过观察图3无线传感器频率-反射系数示意图中小于-10dB数值可知带宽为3.57MHz(在纵轴取值-10dB时，曲线两交点横坐标间隔即为带宽)。观察图4模型增益方向示意图，可知无线传感器模型增益为-2.13dB。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：介质基板、设置在介质基板上表面的一次分形并开矩形槽的金属辐射贴片、设置在介质基板下表面的金属接底板、同轴馈电探针，所述辐射贴片为矩形结构，在矩形贴片的每一条边上进行一次GiuseppePeano分形，分形后曲线总体长度与初始状态的直线长度相等，并且一次分形后的四条长的水平直线长度相等，所有与水平直线垂直的竖直线长度相等；每条矩形长边上平行于短边的方向上设置两条矩形槽，四条矩形槽关于x轴和y轴对称，各个开槽之间无接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：金属接地板的长宽和介质基板的长宽相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：所述同轴馈电探针的外芯连接介质基板和金属接底板，同轴馈电探针的内芯连接辐射贴片。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：介质基板为玻璃纤维环氧树脂材料，辐射单元为铜，金属接底板材料为铜。
5.根据权利要求3所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：介质基板为玻璃纤维环氧树脂材料，辐射单元为铜，金属接底板材料为铜。
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