CN212848809U

CN212848809U - 一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线

Info

Publication number: CN212848809U
Application number: CN202022041627.5U
Authority: CN
Inventors: 俞子逸; 陈嘉; 王志勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2030-09-17

Abstract

本实用新型公开了一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，包括介质基板，介质基板的正面印刷有包括内层谐振环和外层谐振环的开口谐振环和渐变微带线馈源，介质基板的反面印刷有包括四个大小相同的矩形环缝隙的电磁带隙结构和设置有特定形状凸起的缺陷地结构,开口谐振环和寄生枝节中设置有U型槽，通过设置内层谐振环和外层谐振环，延长电流路径，使得微带天线能够在低频展现良好的特性，并在开口谐振环中设置U形凹槽，使低频辐射转换为高频辐射，通过加载缺陷地结构以减小微带天线尺寸，改善微带天线在谐振处的匹配性能，提高微带天线在中频辐射的带宽，实现多频段通信。

Description

一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线

技术领域

本实用新型涉及微带天线技术领域，具体涉及一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线。

背景技术

近年来随着射频识别设备、移动通信设备、卫星通信设备和智能通信设备的迅猛发展，设备的便携化小型化已成为发展趋势，其中，作为上述设备发射和接收信号的微带天线也需要作出相应调整。微带天线以其体积小、重量轻、易于同射频前端集成且成本低等优点备受微带天线研究者的关注。但微带天线也存在固有的缺点，例如：介质损耗较大、辐射效率较低、增益较低、功率容量较小，为改善上述缺点，传统方法有加载短路钉或者短路墙，刻蚀接地板，改变辐射贴片的形状例如开槽，改变馈电点位置，或者采用渐变微带线馈电、共面波导馈电；在辐射贴片上加载寄生贴片、寄生枝节可以形成多频辐射，或者在辐射贴片上开槽，改变电流路径形成新的谐振点；通过调整寄生贴片与被激励单元的距离和寄生贴片的尺寸，改变微带天线表面的电流路径，使辐射单元上辐射模的场分布发生变化，从而对各激励辐射模的谐振频率产生影响，增加微带天线的谐振点和带宽，因此，当前对微带天线的研究主要集中在提高微带天线带宽、减小其体积和使之多频化等方面，并没有涉及如何提高微带天线在谐振点处的匹配性能，致使现有的微带天线无法在不同频段的信道中正常工作。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的微带天线在谐振处的匹配性能低，无法在复杂多变、恶劣条件的信道中正常工作，因此，提供一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，以提高微带天线在谐振处的匹配特性，实现多频段通信。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，包括介质基板，所述介质基板的正面印刷有开口谐振环和渐变微带线馈源，所述介质基板的反面印刷有电磁带隙结构和缺陷地结构；

以介质基板较长的一边为Y轴，较短的一边为X轴建立直角坐标系；所述开口谐振环包括内层谐振环和外层谐振环，所述内层谐振环的开口沿Y轴正方向，所述外层谐振环的开口方向与所述内层谐振环的开口方向相反，所述外层谐振环通过寄生枝节与渐变微带线馈源连接，所述内层谐振环通过导带与所述渐变微带线馈源连接；

所述内层谐振环中设置有开口为Y轴正方向的第一U型槽，所述外层谐振环中设置有开口为Y轴负方向的第二U型槽，所述寄生枝节包括第一寄生枝节和第二寄生枝节，所述第一寄生枝节中设置有开口方向为X轴正方向的第三U 型槽，所述第二寄生枝节中设置有开口方向为X轴负方向的第四U型槽；

所述电磁带隙结构包括四个大小相同的矩形环缝隙，每一所述矩形环缝隙包括外矩形和内矩形，所述外矩形和所述内矩形为同心矩形，四个所述矩形环缝隙按照预设距离成两行两列排列；

所述缺陷地结构中设置有中心点和六个拐点，六个所述拐点基于所述中心点按照预设距离对称排列；基于所述拐点和所述中心点，从左至右依次设置有不同形状的凸起；以所述中心点为圆心设置一半径为R1的圆形槽，所述圆形槽的下方设置一沿Y轴方向的矩形槽，所述矩形槽内设置一沿Y轴方向的矩形凸起，所述矩形凸起沿Y轴负方向的一端连接有贴片结构，沿Y轴正方向的一端设置有圆形凸起，所述圆形凸起的半径为R2,R1<R2。

进一步地，所述内层谐振环和所述外层谐振环的形状为矩形。

进一步地，所述第三U型槽和所述第四U型槽互为镜像。

进一步地，所述不同形状的凸起包括一个等腰梯形凸起和两个等边三角形凸起；所述等腰梯形凸起以所述中心点作为等腰梯形底边的中心点，由内而外基于所述拐点依次设置等腰梯形凸起和等边三角形凸起，两个所述三角形凸起基于所述等腰梯形的对称轴线左右对称设置。

进一步地，沿X轴正方向，左边列的两个所述矩形环缝隙在Y轴方向的对称轴与左边的等边三角形的对称轴重合，右边列的两个所述矩形环缝隙在Y轴方向的对称轴与右边的等边三角形的对称轴重合。

进一步地，所述介质基板采用FR4环氧树脂介质基板。

进一步地，所述介质基板的形状为矩形，其中，所述矩形的长W0为28.5mm、宽L0为14.5mm。

进一步地，所述外层开口谐振环的X方向的长度W1为12mm，Y方向的长度 L1为5.5mm；所述内层开口谐振环的X方向的长度W2为6mm，Y方向的长度L2 为5.5mm；所述寄生枝节W3为5mm；所述导带X方向的长度W4为1.5mm，Y方向的长度L4为8mm；所述第一U型槽、所述第二U型槽、所述第三U型槽和所述第四U型槽的直径为5mm。

进一步地，所述矩形环缝隙的外矩形长L8为2.5mm，宽W7为2mm；所述矩形环缝隙的内矩形长L7为5mm，宽W6为4mm；上下相邻的两个所述矩形环缝隙的间距为L5为5.5mm，左右相邻的两个所述矩形环缝隙的间距L10为10mm，所述外矩形距离的上端与所述介质基板的上端Y方向的距离L6为2mm，所述外矩形与所述介质基板的侧边X方向W5为2mm。

进一步地，靠近所述等边三角形凸起的矩形环缝隙的底边分别与各自对应的所述等边三角形凸起的顶点Y方向的距离为3mm；所述等边三角形凸起的边长为2mm；所述等腰梯形凸起的上底边长为2mm、下底边长为4mm；所述圆形槽的半径R1为1mm，所述圆形凸起R2为0.5mm，所述矩形槽的长为2.5mm，宽为1mm。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过加载缺陷地结构减小微带天线尺寸，改善微带天线在谐振处的匹配性能，提高微带天线在中频(3.8GHz)辐射的带宽。

2、通过在开口谐振环中设置U形凹槽，以使低频(2.48GHz)辐射转换为高频(5.8GHz)的辐射。

3、通过渐变微带线馈源馈电，以适应开口谐振环的结构，使得微带天线在谐振处可以实现灵活高效的匹配。

4、通过设置两个嵌套的谐振环(即内层谐振环和外层谐振环)延长电流路径，使得微带天线能够在低频展现良好的特性。通过在微带天线背面加载电磁带隙结构，能够增加三个谐振点处的谐振深度，以提高微带天线在不同工作频段(2.24GHz～2.54GHz和2.70GHz～6.02GHz)的辐射与增益特性，确保微带天线在复杂多变、恶劣条件的信道中也可以正常工作。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线的一原理框图。

图2为本实用新型一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线的另一原理框图。

图3为本实用新型一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线的效果示意图。

图4为本实用新型一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线H面辐射的仿真图。

图5为本实用新型一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线E面辐射的仿真图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1至图2所示，本实用新型公开了一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，包括介质基板，介质基板的正面印刷有开口谐振环和渐变微带线馈源，介质基板的反面印刷有电磁带隙结构和缺陷地结构。

具体地，本实施例中的介质基板材料选用FR4环氧树脂，其介电常数为4.4，以提高介质基板的通信效果。

以介质基板较长的一边为Y轴，较短的一边为X轴建立直角坐标系；开口谐振环包括内层谐振环和外层谐振环，内层谐振环的开口沿Y轴正方向，外层谐振环的开口方向与内层谐振环的开口方向相反，外层谐振环通过寄生枝节与渐变微带线馈源连接，内层谐振环通过导带与渐变微带线馈源连接。

内层谐振环中设置有开口为Y轴正方向的第一U型槽，外层谐振环中设置有开口为Y轴负方向的第二U型槽，寄生枝节包括第一寄生枝节和第二寄生枝节，第一寄生枝节中设置有开口方向为X轴正方向的第三U型槽，第二寄生枝节中设置有开口方向为X轴负方向的第四U型槽。

电磁带隙结构包括四个大小相同的矩形环缝隙，每一矩形环缝隙包括外矩形和内矩形，外矩形和内矩形为同心矩形，四个矩形环缝隙按照预设距离成两行两列排列。

具体地，矩形环缝隙通过在介质基板上的金属贴片进行刻蚀得到。

缺陷地结构中设置有中心点和六个拐点，六个拐点基于中心点按照预设距离对称排列；基于拐点和中心点，从左至右依次设置有不同形状的凸起；以中心点为圆心设置一半径为R1的圆形槽，圆形槽的下方设置一沿Y轴方向的矩形槽，矩形槽内设置一沿Y轴方向的矩形凸起，矩形凸起沿Y轴负方向的一端连接有贴片结构，沿Y轴正方向的一端设置有圆形凸起，圆形凸起的半径为 R2,R1<R2。

进一步地，内层谐振环和外层谐振环的形状为矩形，将内层谐振环和外层谐振环的形状设置为矩形，以提高天线在三个频点处的匹配特性。

进一步地，第三U型槽和第四U型槽互为镜像。

进一步地，不同形状的凸起包括一个等腰梯形凸起和两个等边三角形凸起；等腰梯形凸起以中心点作为等腰梯形底边的中心点，由内而外基于拐点依次设置等腰梯形凸起和等边三角形凸起，两个三角形凸起基于等腰梯形的对称轴线左右对称设置。

进一步地，沿X轴正方向，左边列的两个矩形环缝隙在Y轴方向的对称轴与左边的等边三角形的对称轴重合，右边列的两个矩形环缝隙在Y轴方向的对称轴与右边的等边三角形的对称轴重合。

进一步地，介质基板采用FR4环氧树脂介质基板。

进一步地，介质基板的形状为矩形，其中，矩形的长W0为28.5mm、宽L0 为14.5mm。

进一步地，外层开口谐振环的X方向的长度W1为12mm，Y方向的长度L1 为5.5mm；内层开口谐振环的X方向的长度W2为6mm，Y方向的长度L2为5.5mm；寄生枝节W3为6mm；导带X方向的长度W4为1.5mm，Y方向的长度L4为8mm；第一U型槽、第二U型槽、第三U型槽和第四U型槽的直径为5mm。

进一步地，矩形环缝隙的外矩形长L8为2.5mm，宽W7为2mm；矩形环缝隙的内矩形长L7为5mm，宽W6为4mm；上下相邻的两个矩形环缝隙的间距为L5 为5.5mm，左右相邻的两个矩形环缝隙的间距L10为10mm，所述外矩形距离的上端与所述介质基板的上端Y方向的距离L6为2mm，所述外矩形与所述介质基板的侧边X方向W5为2mm。

进一步地，靠近所述等边三角形凸起的矩形环缝隙的底边分别与各自对应的所述等边三角形凸起的顶点Y方向的距离为3mm；等边三角形凸起的边长为 2mm；等腰梯形凸起的上底边长为2mm、下底边长为4mm；圆形槽的半径R1为1mm，圆形凸起R2为0.5mm，矩形槽的长为2.5mm，宽为1mm。

其中，介质基板上的矩形环缝隙为两列，左边列的矩形环缝隙对应左边的等边三角形凸起，右边列的矩形环缝隙对应右边的等边三角形凸起。

具体地，四个U型槽形成高频辐射同时调节低频(2.48GHz)和高频(5.8GHz) 辐射的阻抗匹配。由矩形环构成的开口谐振环可以等效为一个电感，开口谐振环上开口可使得开缺口两端等效为电容，因此，上述开口谐振环可以等效为RLC 谐振电路，通过引入折叠寄生枝节降低开口谐振环的谐振频率，使得微带天线在低频(2.48GHz)处产生谐振；谐振环和寄生枝节上进行开槽处理，使得高频 (5.8GHz)电流沿着槽流动，形成高频辐射；同时调整槽的长度和宽度，可以调整微带天线在高频和低频处的阻抗匹配特性。电磁带隙结构具有陷波特性，能够吸收或者反射特定频段的电磁波，用来调节三个谐振频率处(2.48GHz、3.8GHz、5.8GHz)的谐振深度。缺陷地结构在介质基板上刻蚀等边三角形和等腰梯形的凸起以改变了其上的电流路径，进而影响电磁波的相位可以用来做宽带匹配，同时也能形成中频(3.8GHz)辐射。

通过在介质基板上设置开口谐振环以实现低频段通信，在开口谐振环上开设凹槽以实现高频段通信，缺陷地结构形成宽带中频段通信，以实现多频段的信号通信。

为了检验电磁带隙结构对多频宽带微带天线的通信性能，通过HFSS软件对上述微带天线进行分析，得到如图3的效果图，通过图3可知：当不加载电磁带隙结构时，微带天线在三个谐振频率处的反射系数分别为 -20dB,-25dB,-27.2dB；由于电磁带隙结构具有陷波特性能够吸收或者反射特定频段的电磁波，可以调节阻抗匹配特性在三个频点处的谐振深度，加载电磁带隙之后，微带天线在三个谐振频率处的反射系数分别为-24.5dB、-27.3dB、-34dB，可以看出当加载电磁带隙之后，谐振深度有了明显提高。

为了检验上述基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线的通信性能，如图4和图5所示，以2.48GHZ谐振频率处的E面和H面辐为例的进行仿真验证，从E面辐射方向图可以看出，E面辐射方向图呈“8”字形，与半波偶极子天线的水平哑铃形状类似。从H面辐射方向图，主瓣宽度为40度，后瓣小，具有定向辐射效果。

具体地，以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的正面印刷有开口谐振环和渐变微带线馈源，所述介质基板的反面印刷有电磁带隙结构和缺陷地结构；

所述内层谐振环中设置有开口为Y轴正方向的第一U型槽，所述外层谐振环中设置有开口为Y轴负方向的第二U型槽，所述寄生枝节包括第一寄生枝节和第二寄生枝节，所述第一寄生枝节中设置有开口方向为X轴正方向的第三U型槽，所述第二寄生枝节中设置有开口方向为X轴负方向的第四U型槽；

2.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述内层谐振环和所述外层谐振环的形状为矩形。

3.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述第三U型槽和所述第四U型槽互为镜像。

4.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述不同形状的凸起包括一个等腰梯形凸起和两个等边三角形凸起；所述等腰梯形凸起以所述中心点作为等腰梯形底边的中心点，由内而外基于所述拐点依次设置等腰梯形凸起和等边三角形凸起，两个所述三角形凸起基于所述等腰梯形的对称轴线左右对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，沿X轴正方向，左边列的两个所述矩形环缝隙在Y轴方向的对称轴与左边的等边三角形的对称轴重合，右边列的两个所述矩形环缝隙在Y轴方向的对称轴与右边的等边三角形的对称轴重合。

6.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述介质基板采用FR4环氧树脂介质基板。

7.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述介质基板的形状为矩形，其中，所述矩形的长W0为28.5mm、宽L0为14.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述外层开口谐振环的X方向的长度W1为12mm，Y方向的长度L1为5.5mm；所述内层开口谐振环的X方向的长度W2为6mm，Y方向的长度L2为5.5mm；所述外层开口谐振环的上端与所述介质基板的上端Y方向的距离L3为2mm，所述寄生枝节的宽度W3为4mm；所述导带X方向的长度W4为2mm，Y方向的长度L4为4mm；所述第一U型槽、所述第二U型槽、所述第三U型槽和所述第四U型槽的直径为8mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，所述矩形环缝隙的外矩形长L8为2.5mm，宽W7为2mm；所述矩形环缝隙的内矩形长L7为2mm，宽W6为1.5mm；上下相邻的两个所述矩形环缝隙的间距为L5为5.5mm，左右相邻的两个所述矩形环缝隙的间距L10为10mm，所述外矩形距离的上端与所述介质基板的上端Y方向的距离L6为2mm，所述外矩形与所述介质基板的侧边X方向W5为2mm。

10.根据权利要求4所述的一种基于缺陷地和电磁带隙结构的多频宽带天线，其特征在于，靠近所述等边三角形凸起的矩形环缝隙的底边分别与各自对应的所述等边三角形凸起的顶点Y方向的距离为3mm；所述等边三角形凸起的边长为2mm；所述等腰梯形凸起的上底边长为2mm、下底边长为4mm；所述圆形槽的半径R1为1mm，所述圆形凸起R2为0.5mm，所述矩形槽的长为2.5mm，宽为1mm。