CN205194853U - 一种433MHz小型化全向微带天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种433MHz小型化全向微带天线。在倒F天线的基础上，将天线谐振部分设计成螺旋状缩小了天线占据的空间，运用曲流技术对微带贴片表面和接地面电流强度分布状况进行改变，增加了电流的有效长度，使天线谐振到433MHz并使特性阻抗约为50Ω。利用HFSS软件对天线结构进行仿真和优化，微带天线在433MHz谐振点的回波损耗小于-30dB、增益为-22~-38dB且全向性良好。本实用新型微带天线制作工艺简单、体积小、剖面低，可广泛应用于便携式短距离通信系统。

Description

一种433MHz小型化全向微带天线

技术领域

本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于便携式移动通信系统的全向微带天线。

背景技术

随着无线电子产品变得越来越小、越来越薄，天线的小型化变得越来越重要。微带天线的小型化方法主要有表面曲流技术、短路加载技术、采用高介电常数的基片、分形技术、采用特殊形状、附加有源网络等，但是微带天线的小型化通常会降低天线的性能，如天线表面波的增加、增益的降低、带宽的减少。曲流技术就是通过在微带传输线上合理的开槽，从而增加了电流的有效长度，达到天线小型化的目的。短路加载技术就是在长度为二分之一工作波长的矩形微带天线的中间零电位线上接地，从而将天线的长度缩减为四分之一工作波长，实现天线的小型化^[1]。目前在433MHz频段使用较多的是直线天线或螺旋天线，但是这种天线所占的空间较大不利于设备的小型化，而且需要单独焊接到PCB板上增加了生产流程。微带天线具有剖面低、重量轻、方便嵌入等优点，然而433MHz频段的微带天线却没有得到广泛使用，主要由于体积仍然较大不方便嵌入设备，回波损耗较高、天线辐射效率低、带宽较窄等缺点。

对比文件

[1]杨泓霖.433M小型微带天线的研究[D].江苏南京：南京邮电大学，2012.2

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种433MHz小型化全向微带天线，以小型化天线体积，利于嵌入移动便携式设备，且使带宽变宽。

为了解决以上技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

步骤一，采用螺旋状主辐射部分，结合短路加载技术和曲流技术，构造微带天线。

步骤二，利用FSS仿真软件进行天线结构优化，得出最优化天线结构。

一种433MHz小型化全向微带天线，包括介质基板(1)、接地面(2)、螺旋状主辐射部分(3)、矩形馈线(4)、短路片(5)、阻抗变换器(6)、第一矩形开槽线(2a)和第二矩形开槽线(2b)；其特征在于：所述螺旋状主辐射部分(3)、矩形馈线(4)和阻抗变换器(6)印刷在介质基板(1)的正面，接地面(2)印刷在介质基板(1)的背面，短路片(5)用于连接阻抗变换器(6)和接地面(2)，螺旋状主辐射部分(3)有效地减少了倒F型微带天线所占据的介质基板的空间，第一矩形开槽线(2a)和第二矩形开槽线(2b)增加了电流的有效长度降低了谐振频率，短路片(5)将天线的长度从1/2波长降为1/4波长；介质基板(1)的长度为l₁、宽度为w₁、高度为h₁；接地面(2)的长度为l₁、宽度为w₂；第一矩形开槽线(2a)的长度为l₂、宽度为w₃、与上边缘的距离为w₉；第二矩形开槽线(2b)的长度为l₃、宽度为w₃、与下边缘的距离为w₈；短路片(5)的长度为l₄、高度为h₁；阻抗变换器(6)由两部分组成：一部分长度为l₅、宽度为w₅，另一部分长度为l₄、宽度为w₄；矩形馈线(4)的长度为l₆、宽度为w₆；螺旋状主辐射部分(3)由六部分组成：按顺时针第一部分至第五部分的长度分别为l₇、l₈、l₉、l₁₀、l₁₁、宽度均为w₅，第六部分的长度为l₁₂、宽度w₇；

所述介质基板(1)为玻璃纤维环氧树脂FR4材料，接地面(2)、螺旋状主辐射部分(3)、矩形馈线(4)、短路片(5)、阻抗变换器(6)的材料均为铜；

各参数的取值为l₁＝20mm；l₂＝12mm；l₃＝13mm；l₄＝1mm；l₅＝2mm；l₆＝3mm；l₇＝15mm；l₈＝17mm；l₉＝14mm；l₁₀＝12mm；l₁₁＝10mm；l₁₂＝4mm；w₁＝23mm；w₂＝18mm；w₃＝1mm；w₄＝2mm；w₅＝3mm；w₆＝20mm；w₇＝10mm；w₈＝5mm；w₉＝7mm；h₁＝1.6mm。

所述螺旋状主辐射部分(3)为螺旋状。

经过对接地面进行设计与优化，所述第一矩形开槽线(2a)和第二矩形开槽线(2b)为在接地面(2)上的矩形开槽。

通过以上设计，本实用新型保证天线谐振频率为433MHz的前提下，缩小了天线所占空间、使天线回波损耗小于-30dB、50Ω阻抗匹配良好、增加了天线的圆极化特性和带宽。

本实用新型433MHz微带天线的体积仅为23mm×20mm×1.6mm、结构简单、方便嵌入，介质基板(1)采用玻璃纤维环氧树脂(FR4)材料，天线各部分可以直接在印刷电路板上腐蚀来制作实物。

本实用新型具有有益效果

本实用新型通过采用短路加载技术和曲流技术有效的缩减了倒F型微带天的体积，主辐射部分采用螺旋状结构进一步缩减了天线所占空间，同时增加了天线的圆极化特性扩展了带宽，天线仅有一个谐振频率可以避免其他频率的干扰。具体效果如下：

(1)体积小、结构简单，方便嵌入，天线的长、宽、高分别为23mm、20mm、1.6mm；

(2)回波损耗(S₁₁)小，频率谐振点回波损耗小于-30dB；

(3)带宽大，天线在430.1919～436MHz频段内，有S₁₁<-10dB,阻抗带宽约为6MHz；

(4)50Ω的馈电阻抗匹配好，天线的归一化阻抗为(1.0965+0.0317j)Ω，便于与系统其他部件匹配和集成。

附图说明

图1a为本实用新型的结构正视图；

图1b为本实用新型的结构后视图；

图1c为本实用新型的结构右视图；

图2为本实用新型HFSS仿真软件对螺旋状主辐射部分优化后的回波损耗(S₁₁)参数图；

图3为本实用新型HFSS软件仿真优化后的最终回波损耗(S₁₁)参数图；

图4为本实用新型HFSS软件仿真优化后的SmithChart图；

图5为本实用新型HFSS软件仿真优化后的方向图；

图中：1介质基板、2接地面、3螺旋状主辐射部分、4矩形馈线、5短路片、6阻抗变换器、2a第一矩形开槽线、2b第二矩形开槽线。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方案作进一步的详细说明。

天线结构如图1所示，该结构包括介质基板1、接地面2、螺旋状主辐射部分3、矩形馈线4、短路片5、阻抗变换器6、第一矩形开槽线2a和第二矩形开槽线2b。介质基板1是玻璃纤维环氧树脂(FR4)材料，相对介电常数为4.4，损耗正切tanδ＝0.02，体积为23mm×20mm×1.6mm。螺旋状主辐射部分3、矩形馈线4、阻抗变换器6位于介质基板的正面。其中螺旋状主辐射部分3由六部分构成，前五部分的宽度都为w₅：3mm，按顺时针第一至第五部分的长度依次为l₇：15mm、l₈：17mm、l₉：14mm、l₁₀：12mm、l₁₁：10mm，第六部分的长度l₁₂：4mm、宽度w₇：10mm；矩形馈线4一直延伸至介质基板的边缘方便同轴馈电和微带线馈电的实施；阻抗变换器6由两部分构成，第一部分长度3mm、宽度3mm，第二部分长度长度1mm、宽度2mm，第二部分与长度1mm、高度1.6mm的短路片相连通实现短路功能。接地面2、第一矩形开槽线2a和第二矩形开槽线2b位于介质基板的背面，其中第一矩形开槽线2a和第二矩形开槽线2b为接地面2的矩形开槽结构。接地面2的长度20mm、宽度18mm；第一矩形开槽线2a的长度12mm、宽度1mm、与接地面2的上边缘距离为w₉：7mm，第二矩形开槽线2b的长度13mm、宽度1mm、与接地面2的下边缘距离为w₈：5mm。

采用图1所示的装置实现天线的小型化，通过HFSS软件对螺旋状形主辐射部分3的结构进行优化，仿真结果如图2所示，在l₇：15mm；l₈：17mm；l₉：14mm；l₁₀：12mm；l₁₁：10mm；l₁₂：4mm；w₅：3mm；w₇：10mm；的条件下，天线谐振到450MHz左右，回波损耗约为-24dB。

采用图1所示的装置实现天线的小型化，通过HFSS软件对接地面2上的第一矩形开槽线2a和第二矩形开槽线2b进行优化，仿真结果如图3所示，在第二矩形开槽线2b的长度12mm、宽度1mm、距离接地面2的上边缘w9：7mm，第二矩形开槽线2b的长度13mm、宽度1mm、距离接地面2的下边缘w8：5mm的情况下，天线谐振到433MHz，同时回波损耗也下降到-33dB。

利用HFSS仿真软件优化得到天线最佳尺寸，图3是本实用新型天线调试后得到最优天线回波损耗参数仿真图，由图可见，在433MHz谐振频率处回波损耗最小(S₁₁≈-33dB)，在430.1919～436Mhz频段内，有S₁₁<-10dB,阻抗带宽约为6MHz。图4是本实用新型天线调试后得到的最佳SmithChart，从图中得出天线的归一化阻抗(1.0965+0.0317j)Ω，50Ω馈电阻抗匹配良好。图5为本实用新型天线三维直角坐标系的xz面和yz面的辐射方向图，天线的全向辐射特性变化较小，说明在整个频域范围内天线有良好的全向辐射特性。

Claims (3)

1.一种433MHz小型化全向微带天线，包括介质基板(1)、接地面(2)、螺旋状主辐射部分(3)、矩形馈线(4)、短路片(5)、阻抗变换器(6)、第一矩形开槽线(2a)和第二矩形开槽线(2b)；其特征在于：所述螺旋状主辐射部分(3)、矩形馈线(4)和阻抗变换器(6)印刷在介质基板(1)的正面，接地面(2)印刷在介质基板(1)的背面，短路片(5)用于连接阻抗变换器(6)和接地面(2)，螺旋状主辐射部分(3)有效地减少了倒F型微带天线所占据的介质基板的空间，第一矩形开槽线(2a)和第二矩形开槽线(2b)增加了电流的有效长度降低了谐振频率，短路片(5)将天线的长度从1/2波长降为1/4波长；介质基板(1)的长度为l₁、宽度为w₁、高度为h₁；接地面(2)的长度为l₁、宽度为w₂；第一矩形开槽线(2a)的长度为l₂、宽度为w₃、与上边缘的距离为w₉；第二矩形开槽线(2b)的长度为l₃、宽度为w₃、与下边缘的距离为w₈；短路片(5)的长度为l₄、高度为h₁；阻抗变换器(6)由两部分组成：一部分长度为l₅、宽度为w₅，另一部分长度为l₄、宽度为w₄；矩形馈线(4)的长度为l₆、宽度为w₆；螺旋状主辐射部分(3)由六部分组成：按顺时针第一部分至第五部分的长度分别为l₇、l₈、l₉、l₁₀、l₁₁、宽度均为w₅，第六部分的长度为l₁₂、宽度w₇；

所述介质基板(1)为玻璃纤维环氧树脂FR4材料，接地面(2)、螺旋状主辐射部分(3)、矩形馈线(4)、短路片(5)、阻抗变换器(6)的材料均为铜；

各参数的取值为l₁＝20mm；l₂＝12mm；l₃＝13mm；l₄＝1mm；l₅＝2mm；l₆＝3mm；l₇＝15mm；l₈＝17mm；l₉＝14mm；l₁₀＝12mm；l₁₁＝10mm；l₁₂＝4mm；w₁＝23mm；w₂＝18mm；w₃＝1mm；w₄＝2mm；w₅＝3mm；w₆＝20mm；w₇＝10mm；w₈＝5mm；w₉＝7mm；h₁＝1.6mm。

2.根据权利要求1所述的一种433MHz小型化全向微带天线，其特征在于：经过对倒F型微带天线的主辐射部分进行改进和优化，所述螺旋状主辐射部分(3)为螺旋状。

3.根据权利要求1或2所述的一种433MHz小型化全向微带天线，其特征在于：经过对接地面进行设计与优化，所述第一矩形开槽线(2a)和第二矩形开槽线(2b)为在接地面(2)上的矩形开槽。