專利名稱：高q值多波段微帶貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于無線通信的多波段微帶貼片天線，屬于諧振式微帶天線技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，人們對信息和多媒體通信系統(tǒng)需求不斷增加，通信網(wǎng)也不斷膨脹。當(dāng)今，學(xué)術(shù)界和工程界在雙波段和三波段微帶天線領(lǐng)域進(jìn)行了很多探索和努力，主要方向是提高探針饋電單片單層微帶天線的通常不大的工作帶寬。
現(xiàn)在，已經(jīng)有許多方法用于實(shí)現(xiàn)小型雙頻微帶天線。其中包括用短路銷釘或者縫隙為貼片加載，以及使用矩形環(huán)。各種形式的加載都是通過擾動其場分布和改變其貼片上各種模式構(gòu)成的諧振頻率而實(shí)現(xiàn)的。所需要的不同模式間的頻率比可以通過選取適當(dāng)?shù)募虞d位置或者加載量來確定，而頻率調(diào)諧可以通過改變矩形貼片的尺寸來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)與頻率比無關(guān)。
以縫隙進(jìn)行加載的形式已經(jīng)被作為一種傳統(tǒng)的技術(shù)手段頻繁地應(yīng)用于減小天線尺寸、實(shí)現(xiàn)雙頻工作和改變極化特性等方面。
由縫隙產(chǎn)生的場擾動在實(shí)質(zhì)上是非常復(fù)雜的，無法用簡單的微擾作用進(jìn)行描述。事實(shí)上，某些具體情況下縫隙對輸入阻抗的影響可以作為引入電感來描述。依據(jù)應(yīng)用目的不同，縫隙可以位于在貼片的邊沿或者中間。在貼片天線中實(shí)現(xiàn)縫隙的最簡單的方法是利用印制電路板工藝中的蝕刻技術(shù)在貼片上實(shí)現(xiàn)縫隙。如果需要增強(qiáng)加載效果，通?？梢圆捎枚鄺l平行縫隙。
現(xiàn)在天線的多波段技術(shù)存在著許多缺點(diǎn)，其中主要是結(jié)構(gòu)和饋電系統(tǒng)都比較復(fù)雜大多數(shù)現(xiàn)有的多波段天線設(shè)有包括兩層不同介質(zhì)的平板結(jié)構(gòu)，或者具有諸如螺旋狀貼片、金屬空腔、匹配加載等非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因此制造加工的工藝復(fù)雜、精度要求高、成本高、成品率低，也不易與其它設(shè)備集成為一體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于無線通信的多波段微帶貼片天線。該裝置在實(shí)現(xiàn)天線的多波段工作的同時，還具有以下特點(diǎn)尺寸小，造價低，結(jié)構(gòu)簡單，易于與其他設(shè)備集成等。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片、一塊與金屬貼片平行的金屬接地板和位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質(zhì)，采用印制電路板工藝；其特征在于該天線的金屬貼片呈矩形，在矩形的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行。以激發(fā)多個離散的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多波段發(fā)射或接收；天線在金屬貼片與金屬接地板之間垂直安裝有一個饋電探針，所述的饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。所述的金屬貼片、金屬接地板以及位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質(zhì)采用雙面印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)，所述的饋電探針是用具有內(nèi)導(dǎo)體、內(nèi)絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層的同軸結(jié)構(gòu)的同軸電纜或微波接頭制成。
所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的若干條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行且任意兩條縫隙均不相交，處于同一條邊上的兩條縫隙以貼片的水平中軸線為軸對稱分布。
所述的若干條矩形縫隙的位置分布為在矩形貼片的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，實(shí)現(xiàn)多個諧振頻率。
所述的饋電探針的安裝是將同軸電纜或微波接頭的內(nèi)導(dǎo)體作為探針，從印制電路板上的通孔穿出，該通孔的孔徑應(yīng)略大于該內(nèi)導(dǎo)體直徑，且表面無覆銅，在內(nèi)導(dǎo)體與接地板孔壁之間填充有絕緣材料，以保持兩者絕緣；該內(nèi)導(dǎo)體探針垂直于印制電路板平面，向上延伸至與貼片平面平齊，該探針伸出位置即為饋電點(diǎn)，在饋電點(diǎn)探針與貼片相連接；同軸電纜或微波接頭的外導(dǎo)體在該金屬接地板下方與該金屬接地板相連接。
所述的金屬貼片呈矩形，其厚度為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的銅箔厚度，其長度L和寬度W的尺寸與天線諧振頻率的設(shè)計參數(shù)為L=12f0ϵeμ0ϵ0-2ΔL]]>W=12f0μ0ϵ0(ϵr+12)-12]]>
W/h≥1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12]]>W/h≤1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12+0.04(1-W/h)2]]>ΔL=0.412h(ϵe+0.3)(L/h+0.264)(ϵe-0.258)(L/h+0.8)]]>式中f0是天線的諧振頻率或其工作頻帶的中心頻率；ε0是真空電容率或介電常數(shù)；μ0是真空磁導(dǎo)率；εr是介質(zhì)的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；εe是有效電容率；h是金屬接地板與金屬貼片之間絕緣介質(zhì)的厚度，其數(shù)值為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中絕緣介質(zhì)的厚度。
所述的金屬接地板的厚度為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)銅箔厚度，其長度和寬度都應(yīng)比所述的金屬貼片至少大20mm。
所述的位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質(zhì)，即印制電路板的介質(zhì)基片推薦使用相對電容率小于3的絕緣介質(zhì)。
本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)新穎、簡單、實(shí)用的多波段微帶貼片天線，可同時提供優(yōu)良的帶寬和輻射效率，該天線可以用于各種需要多波段天線的無線通信設(shè)備中。其主要特點(diǎn)是采用單層金屬貼片作為天線，結(jié)構(gòu)簡單；而且，幾何尺寸小、重量輕，易于集成在各種器件中；饋電系統(tǒng)也非常簡單，只有單個探針饋電。因此本發(fā)明與其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天線相比較，制造成本低廉，具有較好的推廣應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明多波段微帶貼片天線結(jié)構(gòu)組成的俯視圖。
圖2是本發(fā)明的一實(shí)施例-四波段微帶貼片天線的俯視圖。
圖3是圖1所示的一實(shí)施例的主視剖視圖。
圖4是圖1所示的一實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖5是圖1所示的一實(shí)施例的天線回波損耗圖。
圖6是圖1所示的一實(shí)施例的天線增益圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明是一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊長度為L寬度為W的矩形金屬貼片1、一塊與金屬貼片1平行的金屬接地板2和位于金屬貼片1和金屬接地板2之間的絕緣填充介質(zhì)6；該天線在金屬貼片1與金屬接地板2之間垂直安裝有一個饋電探針3。在矩形金屬貼片1的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙4，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙5，所有矩形縫隙方向均保持平行，以激發(fā)多個離散的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多波段發(fā)射或接收。所述的三條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行且任意兩條縫隙均不相交，處于同一條邊上的兩條縫隙4以金屬貼片1的水平中軸線為軸對稱分布。圖1所示的三條縫隙在金屬貼片1的x-y二維平面(該坐標(biāo)系是以金屬貼片1的一邊的中點(diǎn)為原點(diǎn)，該邊為y軸，垂直該邊的中線為x軸)上，處于同一條邊上的兩條縫隙4中距離y軸較近的一條，其邊緣到y(tǒng)軸的垂直距離為W1，其長和寬分別為Ls1和Ws1；處于與該邊平行的邊上的縫隙5，其邊緣到y(tǒng)軸的垂直距離為W2，其長和寬的尺寸分別為Ls2和Ws2。
饋電探針3的坐標(biāo)(x0，y0)則是根據(jù)設(shè)計要求決定的，其安裝位置決定天線的工作頻率范圍；若移動饋電點(diǎn)的位置，天線工作頻率范圍也將隨之改變。
參見圖2～圖4，下面結(jié)合圖示的本發(fā)明的一實(shí)施例-四波段微帶貼片天線-進(jìn)一步說明其組成結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片1、一塊與金屬貼片1平行的金屬接地板2和位于金屬貼片1和金屬接地板2之間的絕緣填充介質(zhì)6；該天線在金屬貼片1與金屬接地板2之間垂直安裝有一個饋電探針3；金屬貼片上有三條用于加載的縫隙，以激發(fā)多個離散的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多波段發(fā)射或接收。
在矩形金屬貼片1的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙4，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙5，所有矩形縫隙方向均保持平行，以激發(fā)多個離散的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多波段發(fā)射或接收。三條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行且任意兩條縫隙均不相交，處于同一條邊上的兩條縫隙4以金屬貼片1的水平中軸線為軸對稱分布。如圖2所示的三條縫隙在金屬貼片1的x-y二維平面(該坐標(biāo)系是以金屬貼片1的一邊的中點(diǎn)為原點(diǎn)，該邊為y軸，垂直該邊的中線為x軸)上，處于同一條邊上的兩條縫隙4中距離y軸較近的一條，其邊緣到y(tǒng)軸的垂直距離為W1＝15.1mm，其長和寬分別為Ls1＝24mm，Ws1＝10.8mm；處于與該邊平行的邊上的縫隙5，其邊緣到y(tǒng)軸的垂直距離為W2＝9.3mm，其長和寬的尺寸分別為Ls2＝21.5mm，Ws2＝5.8mm。
本發(fā)明的金屬貼片1和金屬接地板2的材料是高導(dǎo)電率金屬或者表面鍍有高導(dǎo)電率金屬的材料，該實(shí)施例中是使用金屬銅，饋電探針3是用具有內(nèi)導(dǎo)體31、內(nèi)絕緣層、外導(dǎo)體32和外絕緣層的同軸結(jié)構(gòu)的同軸電纜或微波接頭制成，實(shí)施例中是用特性阻抗50Ω的同軸電纜將其末端一部分外導(dǎo)體和絕緣層剝除之后制成的。本發(fā)明中各種金屬元件之間的電連接都是采用錫焊實(shí)現(xiàn)。
參見圖3和圖4，饋電探針3的安裝是將同軸電纜或微波接頭的內(nèi)導(dǎo)體31作為探針，從金屬接地板2上的圓孔穿出，該圓孔的孔徑應(yīng)略大于該內(nèi)導(dǎo)體31直徑，在內(nèi)導(dǎo)體31與圓孔孔壁之間填充有絕緣材料7，以保持兩者絕緣。該內(nèi)導(dǎo)體探針31垂直于金屬接地板2平面，向上延伸至金屬貼片1的下方與該金屬貼片1相連接，該探針31與該金屬貼片1相連接處即為饋電點(diǎn)。同軸電纜或微波接頭的外導(dǎo)體32在該金屬接地板2的下方與該金屬接地板2相連接。饋電點(diǎn)的安裝位置是根據(jù)設(shè)計要求決定的，其位置決定天線的工作頻率范圍；若移動饋電點(diǎn)的位置，天線工作頻率范圍也將隨之改變。圖2展示了饋電點(diǎn)3在金屬貼片1的x-y二維平面中的坐標(biāo)位置為(28.3，19.45)mm。
本發(fā)明的金屬貼片1呈矩形，圖2所示的實(shí)施例中其長L＝50.6mm，寬W＝56.6mm；與金屬接地板2平行；其厚度為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的銅箔厚度，其長度L和寬度W的尺寸與天線諧振頻率的設(shè)計參數(shù)為L=12f0ϵeμ0ϵ0-2ΔL]]>W=12f0μ0ϵ0(ϵr+12)-12]]>式中f0是天線的諧振頻率或其工作頻帶的中心頻率；ε0是真空電容率或介電常數(shù)；μ0是真空磁導(dǎo)率；εr是介質(zhì)的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；εe是有效電容率；h是金屬接地板與金屬貼片之間絕緣介質(zhì)的厚度，其數(shù)值為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中絕緣介質(zhì)的厚度。
所述的金屬接地板2的厚度為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)銅箔厚度，其長度和寬度都應(yīng)分別比金屬貼片1的長度L和寬度W至少大20mm；即圖1和圖2中的M和N的尺寸都應(yīng)在10mm以上。其它有關(guān)參數(shù)的計算公式是W/h≥1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12]]>W/h≤1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12+0.04(1-W/h)2]]>ΔL=0.412h(ϵe+0.3)(L/h+0.264)(ϵe-0.258)(L/h+0.8)]]>式中εe是有效電容率；εr是介質(zhì)的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；L是金屬貼片的長度；W是金屬貼片的寬度。圖示的實(shí)施例的高度h＝8mm。
本發(fā)明在金屬貼片1和金屬接地板2之間的填充介質(zhì)6即印制電路板的介質(zhì)基片使用εr＝2.59的印制板基材。
參見圖5～圖6，本發(fā)明通過對金屬貼片的尺寸、金屬貼片與金屬接地板的距離、三條縫隙和饋電點(diǎn)的安裝位置進(jìn)行計算和合理安排，使得在上述圖2～圖4中展示的實(shí)施例天線具有四個離散的諧振頻率f01＝1.6GHz，f02＝1.8GHz，f03＝2.65GHz和f04＝4.83GHz。圖5說明了在上述四個諧振頻率處的回波損耗均接近或小于10dB，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。圖6則說明了在這四個諧振頻率上的峰值增益分別為5.13dB，6.38dB，4.88dB和3.34dB，可以實(shí)現(xiàn)四波段工作。
權(quán)利要求
1.一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片、一塊與金屬貼片平行的金屬接地板和位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質(zhì)，采用雙面印制電路板工藝；其特征在于該天線的金屬貼片呈矩形，在矩形的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，以激發(fā)多個離散的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多波段發(fā)射或接收。天線在金屬貼片與金屬接地板之間垂直安裝有一個饋電探針，所述的饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的金屬貼片、金屬接地板以及位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質(zhì)采用雙面印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)，所述的饋電探針是用具有內(nèi)導(dǎo)體、內(nèi)絕緣層、外導(dǎo)體和外絕緣層的同軸結(jié)構(gòu)的同軸電纜或微波接頭制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的若干條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行，處于同一條邊上的兩條縫隙以貼片的水平中軸線為軸對稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的若干矩形條縫隙均是從矩形貼片的邊沿開始向中央延伸，且任意兩條縫隙均不相交。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于在矩形貼片的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，實(shí)現(xiàn)多個諧振頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的饋電探針的安裝是將同軸電纜或微波接頭的內(nèi)導(dǎo)體作為探針，從印制電路板上的通孔穿出，該通孔的孔徑應(yīng)略大于該內(nèi)導(dǎo)體直徑，且表面無覆銅，在內(nèi)導(dǎo)體與接地板孔壁之間填充有絕緣材料，以保持兩者絕緣；該內(nèi)導(dǎo)體探針垂直于印制電路板平面，向上延伸至與貼片平面平齊，該探針伸出位置即為饋電點(diǎn)，在饋電點(diǎn)探針與貼片相連接；同軸電纜或微波接頭的外導(dǎo)體在該金屬接地板下方與該金屬接地板相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的金屬貼片呈矩形，其厚度為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的銅箔厚度，其長度L和寬度W的尺寸與天線諧振頻率的設(shè)計參數(shù)為L=12f0ϵeμ0ϵ0-2ΔL]]>W=12f0μ0ϵ0(ϵr+12)12]]>W/h≥1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12]]>W/h≤1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12+0.04(1-W/h)2]]>ΔL=0.412h(ϵe+0.3)(L/h+0.264)(ϵe-0.258)(L/h+0.8)]]>式中f0是天線的諧振頻率或其工作頻帶的中心頻率；ε0是真空電容率或介電常數(shù)；μ0是真空磁導(dǎo)率；εr是介質(zhì)的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；εe是有效電容率；h是金屬接地板與金屬貼片之間絕緣介質(zhì)的厚度，其數(shù)值為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中絕緣介質(zhì)的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的金屬接地板的厚度為印制電路板工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)銅箔厚度，其長度和寬度都應(yīng)比所述的金屬貼片至少大20mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質(zhì)，即印制電路板的介質(zhì)基片推薦使用相對電容率小于3的絕緣介質(zhì)。
全文摘要
一種高Q值多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片、一塊與金屬貼片平行的金屬接地板和位于二者之間的絕緣填充介質(zhì)；其特征在于金屬貼片呈矩形，在矩形的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，以實(shí)現(xiàn)多波段工作；該天線在金屬貼片與金屬接地板之間垂直安裝有一個饋電探針，饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。金屬貼片、金屬接地板和二者之間的絕緣填充介質(zhì)采用雙面印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)，饋電探針是用同軸電纜或微波接頭制成。該天線在實(shí)現(xiàn)多波段工作的同時，還具有尺寸小，造價低，結(jié)構(gòu)簡單，易于與其他設(shè)備集成等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01Q1/36GK1635664SQ200410029820
公開日2005年7月6日 申請日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者劉元安, 阿卜杜克里穆, 何玨 申請人:北京郵電大學(xué)