小型化吸波结构四频平面微带天线

摘要

小型化吸波结构四频平面微带天线，解决了现有技术中微带天线体积大，聚拢收集作用差，不适于多个频段的问题。该天线包括：介质基板；设定在介质基板上表面并用于接收电磁波的馈电线；与馈电线相连并用于辐射电磁波的四枝节辐射单元，设定在介质基板上表面并相对于馈电线左右两侧对称的接地板；馈电线和四枝节辐射单元在接地板的内边缘形成的轮廓内，四枝节辐射单元左右两侧的接地板的内边缘为对称梯形，四枝节辐射单元下侧的接地板的内边缘为两个相对于馈电线对称的梯形，四枝节辐射单元上侧的接地板的内边缘为多个连续三角形，馈电线左右两侧的接地板的内边缘为平行直线。本发明的微带天线体积小，能量集中，能够实现天线对四个频段的全向辐射。

权利要求

1.小型化吸波结构四频平面微带天线，其特征在于，包括：

介质基板(1)；

设定在所述介质基板(1)上表面并用于接收电磁波的馈电线(2)；

与所述馈电线(2)相连并用于辐射电磁波的四枝节辐射单元(4)；

设定在所述介质基板(1)上表面并相对于馈电线(2)左右两侧对称的接地板(3)；

所述馈电线(2)和四枝节辐射单元(4)在接地板(3)的内边缘形成的轮廓内，四枝节辐射单元(4)左右两侧的接地板(3)的内边缘为对称梯形，四枝节辐射单元(4)下侧的接地板(3)的内边缘为两个相对于馈电线(2)对称的梯形，四枝节辐射单元(4)上侧的接地板(3)的内边缘为多个连续三角形，馈电线(2)左右两侧的接地板(3)的内边缘为平行直线；

所述四枝节辐射单元(4)与接地板(3)的内边缘形成的所有梯形的上底边相邻，四枝节辐射单元(4)左右两侧的接地板(3)的内边缘与四枝节辐射单元(4)上下两侧的接地板(3)的内边缘的连接处为锐角；

所述平行直线的上端分别与四枝节辐射单元(4)下侧的接地板(3)的内边缘的两个对称梯形的相连。

2.根据权利要求1所述的小型化吸波结构四频平面微带天线，其特征在于，所述四枝节辐射单元(4)上端为四条与不同波长频段电磁波相匹配的谐振枝节，四枝节辐射单元(4)下端为倒梯形结构。

3.根据权利要求1所述的小型化吸波结构四频平面微带天线，其特征在于，所述多个连续三角形为多个连续倒置三角形。

4.根据权利要求3所述的小型化吸波结构四频平面微带天线，其特征在于，所述三角形为等腰三角形。

5.根据权利要求1所述的小型化吸波结构四频平面微带天线，其特征在于，所述馈电线(2)与接地板(3)的距离为0.5mm。

6.根据权利要求1所述的小型化吸波结构四频平面微带天线，其特征在于，所述介质基板(1)为相对介电常数为4.4的FR-4介质基板，损耗角正切为0.02。

说明书

小型化吸波结构四频平面微带天线

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种小型化吸波结构四频平面微带天线。

背景技术

[0002] 微带天线(microstrip antenna)是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，在无线通信技术上得到了广泛应用。

[0003] 无线通信系统常用通信频段为RFID系统(2.4GHz，5.8GHz)、IEEE802.11b/g(2.4GHz)，IEEE802.11a(5.2GHz)、WIMAX(3.3-3.7GHz)和WLAN(2.45GHz，5.15-5.85GHz)。

[0004] 最早的微带天线只适用于一种通信频段，如一种2.4GHz小型化微带天线(无线通信技术，2009.4，30-32)和一种新型2.4GHz频段加载贴片天线的设计(电波科学学报，2004年12月，第6期，第19卷，730-734)，但随着短距离无线技术及无线局域网技术的迅速发展，从频谱资源分配上来看，原有的802.11b(2.402-2.480GHz)协议中的带宽和传输速率是非常有限的，不能满足数据通信的要求，因此，出现了能够兼容频率更高、频谱资源更为充裕的802.11a(5.155.35GHz)协议。为了进一步满足应用需求，能够兼容IEEE802.11a和IEEE802.11b规范的多模式无线网络成为了研究趋势，但是具有802.11a和802.11b2个版本功能的FLAN(无线局域网)将需要1个双频带的无线电发射机或2个单频带的无线电发射机，分别应用于2.4GHz频带和5.2GHz频带，但当使用2个单频带的无线电发射机势必会占有通信设备更大的物理空间，这与移动终端小型化的趋势不符，这时就要求无线电发射机使用能够双频工作的天线，所以研发能够在无线局域网上实现双频工作的天线显得尤为重要。如工作于2.4GHz/5.2GHz双频段微带缝隙天线的设计(器件与应用，2011，第35卷，第11期，43-46)，该文献设计出能够工作在FLAN网络上的小型双频微带天线，谐振频率分别为2.4GHz和5.2GHz，工作带宽包括2.402-2.483GHz和5.15-5.35GHz两个频段。虽然该方法实现了天线的双频工作，但天线体积仍相对较大，对杂散电磁波的聚拢收集作用较差，对特定频段电磁波的辐射效能有限。

[0005] 另外，现有技术中，还没有集成度高，体积小，能够同时覆盖RFID，WLAN，WIMAX，C波段等系统多个频段的平面微带天线。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中微带天线体积大，聚拢收集作用较差，对特定频段电磁波的辐射效能有限，不适于多个频段的技术问题，本发明提供一种小型化吸波结构四频平面微带天线。

[0007] 本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线，包括：

[0008] 介质基板；

[0009] 设定在所述介质基板上表面并用于接收电磁波的馈电线；

[0010] 与所述馈电线相连并用于辐射电磁波的四枝节辐射单元；

[0011] 设定在所述介质基板上表面并相对于馈电线左右两侧对称的接地板；

[0012] 所述馈电线和四枝节辐射单元在接地板的内边缘形成的轮廓内，四枝节辐射单元左右两侧的接地板的内边缘为对称梯形，四枝节辐射单元下侧的接地板的内边缘为两个相对于馈电线对称的梯形，四枝节辐射单元上侧的接地板的内边缘为多个连续三角形，馈电线左右两侧的接地板的内边缘为两条平行直线；

[0013] 所述四枝节辐射单元与梯形的上底边相邻，四枝节辐射单元左右两侧的接地板的内边缘与四枝节辐射单元上下两侧的接地板的内边缘的连接处为锐角；

[0014] 所述两条平行直线的上端分别与四枝节辐射单元下侧的接地板的内边缘的两个对称梯形的相连。

[0015] 进一步的，所述四枝节辐射单元上端为四条与不同波长频段电磁波相匹配的谐振枝节，四枝节辐射单元下端为倒梯形结构。

[0016] 进一步的，所述多个连续三角形为多个连续倒置三角形。

[0017] 进一步的，所述三角形为等腰三角形。

[0018] 进一步的，所述接地板与馈电线的距离为0.5mm。

[0019] 进一步的，所述介质基板为相对介电常数(εr)为4.4的FR-4介质基板，损耗角正切为0.02。

[0020] 工作原理说明：电磁波在天线中分别沿馈电线与接地板之间前向传播，通过四枝节辐射单元时，天线分别对以上四条不同长度谐振枝节所对应频段的电磁波产生全向辐射作用，通过采用不同形状包裹型吸波结构接地板，有效地改变了电磁波前向辐射时的表面电流走向，对电磁波产生收集聚拢作用，对所需辐射频段的电磁波产生了信号加强的作用，通过有效地调节四条谐振枝节的长度，可以实现天线对不同频段电磁波的谐振作用，从而实现对RFID系统(2.4GHz，5.8GHz)、IEEE802.11b/g(2.4GHz)，IEEE802.11a(5.2GHz)、WIMAX(3.3-3.7GHz)和WLAN(2.45GHz，5.15-5.85GHz)等民用通信系统均产生有效辐射的天线。

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] (1)本发明的天线采用共面波导结构进行馈电，实现了天线的小型化和平面化的设计，将接地板设计成吸波结构形式，在保证天线小型化的基础上，改变了天线的表面电流，实现了对杂散电磁波的聚拢收集作用，从而加强了天线对特定频段电磁波的辐射效能；

[0023] (2)本发明的天线在保证天线全向辐射的前提下，通过有效地调节四条谐振枝节的长度，可以实现天线对不同频段电磁波的谐振作用，如能够对RFID系统(2.4GHz，5.8GHz)、IEEE802.11b/g(2.4GHz)，IEEE802.11a(5.2GHz)、WIMAX(3.3-3.7GHz) 和WLAN(2.45GHz，5.15-5.85GHz)等通信系统均产生有效辐射，在小型化、易集成的前提下，实现天线的高性能、多功能。

附图说明

[0024] 图1为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线的俯视图；

[0025] 图2为图1中的小型化吸波结构四频平面微带天线的主视图；

[0026] 图3为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线驻波比带宽的参数示意图；

[0027] 图4为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线峰值增益参数示意图；

[0028] 图5为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线在2.4GHz下的辐射方向图；

[0029] 图6为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线在4GHz下的辐射方向图；

[0030] 图7为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线在5GHz下的辐射方向图；

[0031] 图8为本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线在6GHz下的辐射方向图。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0033] 如图1和图2所示，本发明的小型化吸波结构四频平面微带天线采用共面波导结构进行馈电，实现了天线的小型化和平面化的设计理念，主要由介质基板1、馈电线2、接地板3和四枝节辐射单元4构成，其中，馈电线2、接地板3和辐射单元4均导电的设置在介质基板1上，并处于同一平面上且各部分的厚度相同；馈电线2为导电的金属馈电线，其下端与同轴电缆相连，用于接收电磁波；四枝节辐射单元4为导电的金属辐射单元，上端为四条与不同波长频段电磁波相匹配的谐振枝节：第一谐振枝节4-1，第二谐振枝节4-2，第三谐振枝节4-3和第四谐振枝节4-4，下端成倒梯形结构，倒梯形结构的上底边端连接至同轴电缆的中心导体，间接的与馈电线2相连，用于辐射电磁波；接地板3为导电的金属接地板，馈电线2和四枝节辐射单元4在接地板3的内边缘形成的轮廓内，馈电线2和四枝节辐射单元4均不与接地板3接触，馈电线2与接地板3之间的距离为0.5mm，接地板3采用吸波结构，即四枝节辐射单元4左右两侧的接地板3的内边缘为对称的梯形，四枝节辐射单元4下侧的接地板3的内边缘为两个相对于馈电线2对称的梯形，四枝节辐射单元4上侧的接地板3的内边缘为多个连续三角形，上述四个梯形与四枝节辐射单元4相邻一侧均为梯形的上底边，四枝节辐射单元4左右两侧的接地板3的内边缘与四枝节辐射单元4上下两侧的接地板3的内边缘的连接处为锐角，馈电线2左右两侧的接地板3的内边缘为平行直线，平行直线的上端分别与四枝节辐射单元4下侧的接地板3的内边缘的两个对称梯形的相连。

[0034] 上述结构中，四枝节辐射单元4下端的倒梯形结构有利于电磁波前向辐射；馈电线2与接地板3之间的缝隙主要起导行电磁波作用，接地板3内边缘的平行直线可有效地将表面电磁波导行到四枝节金属辐射单元4上。

[0035] 上述多个连续三角形为多个连续倒置三角形，尤其是等腰三角形时，本发明的微电天线能取得更好效果。

[0036] 本发明的天线中，介质基板1为相对介电常数为4.4的FR-4型介质基板(玻璃布基板)，损耗角正切为0.02，厚度为1mm，此类介质基板具有低成本，易于与普通印制电路板集成。

[0037] 本发明的天线长30mm，宽44mm，厚度为1mm，采用热转印法，将测试过介电常数的介质基板1表面的铜层进行打磨剖光处理，印制上天线的结构模型，游标卡尺确定天线尺寸，根据尺寸裁剪介质基板1，将印制好的天线放入腐蚀液中，经过5分钟左右振动腐蚀，将天线表面不必要的铜层除去，即完成小型化吸波结构四频平面微带天线。

[0038] 如图3所示，在2.3GHz-2.5GHz，3.6GHz-3.9GHz，4.6GHz-5.0GHz和5.3GHz-5.9GHz四个频段内，本发明天线的回波损耗参数均小于-10dB，满足天线有效辐射带宽的要求，因此这四个频段的电磁波均可以通过本发明天线有效地向外部空间辐射电磁波。

[0039] 如图4所示，在2.3GHz-2.5GHz，3.6GHz-3.9GHz，4.6GHz-5.0GHz和5.3GHz-5.9GHz四个有效带宽频段范围内，本发明的天线的增益稳定在0dB-3dB之间，进一步说明天线可以有效而稳定的将以上四个频段的电磁波向外辐射。

[0040] 如图5、图6、图7和图8所示，本发明的天线在2.3GHz-2.5GHz，3.6GHz-3.9GHz，4.6GHz-5.0GHz和5.3GHz-5.9GHz这四个工作频段内呈现全向辐射，如图5所示，
2.3GHz-2.5GHz频段内，在角度为0°和180°时辐射达到最强，如图6所示，3.6GHz-3.9GHz频段内，在角度为0°和180°时辐射达到最强，如图7所示，4.6GHz-5.0GHz频段内，在角度为0°和180°时辐射达到最强，如图8所示，5.3GHz-5.9GHz频段内，在角度为0°和180°时辐射达到最强，天线在以上四个典型频段内，增益方向图均为近似圆形，表明天线在这四个频段均有良好而稳定的全向辐射特性，可适用于多种民用无线通信技术领域，具有高集成、低成本等优势。