專利名稱：基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電小尺寸天線，尤其涉及一種基于諧振結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線，可集成印刷在微波電路板上，實(shí)現(xiàn)高效率輻射，并可應(yīng)用在小型集成化系統(tǒng)的射頻前端。
背景技術(shù)：
天線集成化和小型化是當(dāng)代無線通信射頻前端發(fā)展的一大瓶頸。對(duì)于傳統(tǒng)天線，當(dāng)尺寸越小時(shí)，其輻射電抗越大，輻射電阻越小。這就會(huì)導(dǎo)致天線與饋線之間的嚴(yán)重阻抗失配，從而導(dǎo)致天線性能惡化。傳統(tǒng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不僅會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，還會(huì)極大的提高成本。新型人工電磁結(jié)構(gòu)的研究為小型化天線的阻抗匹配問題提供了新的解決方案，國際上有學(xué)者提出用單負(fù)介電常數(shù)和單負(fù)磁導(dǎo)率媒質(zhì)分層布置在電偶極子及磁環(huán)周圍，很好地完成了各向同性的小尺寸輻
射特性。根據(jù)此方案，有人直接利用開口諧振環(huán)的諧振特性，設(shè)計(jì)了三維結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線。開口諧振環(huán)作為人工電磁材料常用的一種單元結(jié)構(gòu)，具有很好的電小特性，其諧振時(shí)的波長遠(yuǎn)大于單元長度，因此可以被利用作為電小諧振天線的輻射單元。現(xiàn)在通常采用的方案是通過同軸探針環(huán)形成磁耦合饋電，讓同軸探針產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過開口諧振環(huán)所在的環(huán)面，進(jìn)而激發(fā)起強(qiáng)諧振。該方案可實(shí)現(xiàn)天線小型化但失去了集成化的要求。因此要真正將新型人工電磁材料的諧振電小特性運(yùn)用在天線小型化中，實(shí)用性和集成度是需要首要考慮的。基于此項(xiàng)考慮，我
們首次提出了基于介質(zhì)基板的開口諧振環(huán)電小尺寸天線。該項(xiàng)發(fā)明與當(dāng)前PCB工藝結(jié)合，可以在天線尺寸大大減小的同時(shí)保持良好的輻射性能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種基于開口諧振環(huán)的電小尺寸天線，該天線具有小尺寸結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，成本低并且易于集成，具有良好的定向性和
線極化特性，同時(shí)具有較高的輻射效率。技術(shù)方案要將開口諧振環(huán)設(shè)計(jì)成平面電路結(jié)構(gòu)且具有良好的輻射特性，有三個(gè)難點(diǎn):一是饋電方式的選擇，對(duì)于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的電磁響應(yīng)必須使得磁場(chǎng)穿過諧振環(huán)；二是電小尺寸開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，三維空間開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中可將開口末端進(jìn)行彎折來增加等效電容值，在平面結(jié)構(gòu)中如何在保證足夠輻射面積的條件下實(shí)現(xiàn)等效的大電容或者電感值是一大關(guān)鍵;三是反射面的集成問題，開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在其諧振時(shí)等效為一磁偶極子，而要增加磁偶極子的輻射方向性，就必須加載反射面?；谌矫婵紤]，我們提出了該項(xiàng)基于介質(zhì)基板的開口諧振環(huán)電小尺寸天線。介質(zhì)上表面為兩長方形金屬貼片，中間留有縫隙形成等效電容，靠近縫隙處有對(duì)稱的兩排金屬化通孔連接金屬貼片和下地面孤立金屬片上。由基片集成波導(dǎo)的相關(guān)研究可知當(dāng)金屬孔間足夠小時(shí)，周期孔陣可等效為一電壁，對(duì)于該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在末端加載了等效的折彎金屬壁，由于增加了末端等效電容值，天線尺寸會(huì)顯著降低。在上表面貼片周圍還有金屬化通孔連接貼片和共面波導(dǎo)地面構(gòu)成一個(gè)諧振回路。該發(fā)明采用開路饋電方式，調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)末段距離下底面邊緣的距離d，可以控制饋線耦合的強(qiáng)度進(jìn)而可以在較大范圍內(nèi)滿足天線輻射阻抗的匹配要求，得到較小的能量反射。上表面金屬貼片的大小也在很大程度上決定了天線工作頻率，當(dāng)貼片長度或者寬度增加時(shí)，天線的工作頻率都會(huì)下降。
該天線的天線輻射單元、底面刻蝕共面波導(dǎo)、金屬化通孔集成在微波電路板上，底面刻蝕共面波導(dǎo)通過金屬化通孔與天線單元連接；所述的天線輻射單元由兩塊并排的金屬貼片組成，兩塊金屬貼片之間存在縫隙，實(shí)現(xiàn)電路中導(dǎo)行波到自由空間中電磁波的能量轉(zhuǎn)換;所述的底面刻蝕共面波導(dǎo)包括共面波導(dǎo)饋線和孤立金屬片；其中，共面波導(dǎo)饋線與四個(gè)孤立金屬片相互垂直設(shè)置集成在同一地平面上，通過縫隙分開而相互獨(dú)立。所述的金屬化通孔包括與天線輻射單元外邊緣相連的兩排外通孔和與天線輻射單元靠近縫隙的部分相連的兩排內(nèi)通孔;其中與天線輻射單元外邊緣相連的內(nèi)通孔與共面波導(dǎo)地面相連，與靠近縫隙部分相連的外通孔與孤立金屬片相連。
有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的優(yōu)點(diǎn)。普通電小尺寸天線若采用基于介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)，則必須要求基板介電常數(shù)足夠大才能實(shí)現(xiàn)較短波長的導(dǎo)行波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小尺寸天線。這樣做最大的問題就是高介電常數(shù)材料成本高，而我
4們的發(fā)明采用目前常用的低介電常數(shù)材料F4B，成本大大降低。另外相比之現(xiàn)有的三維空間結(jié)構(gòu)電小尺寸天線，該項(xiàng)發(fā)明又具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)。
2、 本發(fā)明具有較高的輻射效率和增益的優(yōu)勢(shì)。常用的高介電常數(shù)基板的電小尺寸天線還存在一個(gè)致命的問題就是輻射效率太低，介電常數(shù)的增加導(dǎo)致空間電磁場(chǎng)絕大多數(shù)被限制在介質(zhì)中，同時(shí)表面波的效應(yīng)也會(huì)增加，這些直接導(dǎo)致天線的輻射效率急劇下降。本項(xiàng)發(fā)明采用低介電常數(shù)的板材，在減小表面波效應(yīng)的
同時(shí)也會(huì)增加天線效率。另外當(dāng)天線尺寸下降時(shí)，不可避免的會(huì)伴隨之天線增益的下降，因此電小尺寸天線本身也存在著一個(gè)增益的理論極限值，目前存在的電小天線雖然在尺寸上達(dá)到了要求，但是增益卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。本項(xiàng)基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小天線設(shè)計(jì)在保證尺寸要求的同時(shí)，還具有較高的增益?？梢宰⒁獾缴媳砻娴膬蓧K金屬貼片作為直接輻射單元會(huì)提供較為平整的表面電流分布，這些都直接有助于增益的提高。
3、 本發(fā)明中采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此可方便地集成到微帶或者共面波導(dǎo)系
統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)射頻前端的無縫連接。


圖1是本發(fā)明天線正面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明天線背面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明天線側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的一種具體結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果比較。
圖5是本發(fā)明的上述具體結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)得到的E面和H面歸一化功率方向圖。
以上的圖中有天線輻射單元1、底面刻蝕共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2金屬化通孔3、
微波電路板4;共面波導(dǎo)地面5、金屬貼片11、縫隙12、共面波導(dǎo)饋線21、孤
立金屬片22、內(nèi)通孔31、外通孔32。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明中，該新型電小尺寸天線包括天線輻射單元1、底面刻蝕共面&導(dǎo)結(jié)構(gòu)2金屬化通孔3;底面刻蝕共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2通過金屬化通孔3連接到天線輻射單元1上，整個(gè)結(jié)構(gòu)集成印刷在微波電路板4上。
本發(fā)明基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線的天線輻射單元、底面刻蝕共面
5波導(dǎo)、金屬化通孔集成在微波電路板上，底面刻蝕共面波導(dǎo)通過金屬化通孔與天 線單元連接；所述的天線輻射單元由兩塊并排的金屬貼片組成，兩塊金屬貼片之 間存在縫隙，實(shí)現(xiàn)電路中導(dǎo)行波到自由空間中電磁波的能量轉(zhuǎn)換。所述的底面刻 蝕共面波導(dǎo)包括共面波導(dǎo)饋線和孤立金屬片；其中，共面波導(dǎo)饋線與四個(gè)孤立金 屬片相互垂直設(shè)置集成在同一地平面上，通過縫隙分開而相互獨(dú)立。所述的金屬 化通孔包括與天線輻射單元外邊緣相連的兩排外通孔和與天線輻射單元靠近縫 隙的部分相連的兩排內(nèi)通孔;其中與天線輻射單元外邊緣相連的外通孔與共面波 導(dǎo)地面。
在此，提供一種具體結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)3.06GHz頻率上電小諧振天線的設(shè)計(jì)。其 中天線輻射單元1由兩塊長方形金屬貼片11構(gòu)成，兩塊金屬貼片之間由縫隙隔 開12，輸入信號(hào)通過同軸探針饋入共面波導(dǎo)饋線21，共面波導(dǎo)地面通過金屬內(nèi) 通孔31與兩塊金屬貼片11相連從而構(gòu)成諧振回路。孤立金屬片22與共兩波導(dǎo) 饋線21處于同一地平面，但相互獨(dú)立隔開。孤立金屬片22通過金屬化內(nèi)通孔 31與兩塊金屬貼片11相連，借此增加系統(tǒng)等效電容。在該設(shè)計(jì)中，金屬內(nèi)通孔 31設(shè)計(jì)在靠近兩塊金屬貼片11外邊緣的位置，每塊金屬貼片有18個(gè)金屬內(nèi)通 孔31，對(duì)稱分布在共面波導(dǎo)饋線21兩側(cè)。類似的，金屬外外通孔32設(shè)計(jì)在靠 近上表面縫隙12處，每塊金屬貼片的18個(gè)金屬外通孔32分布在共面波導(dǎo)饋線 21兩側(cè)。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)類似于帶有"臂長"開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，金屬外通孔32 等效于開口諧振環(huán)的臂長，而在諧振頻率時(shí)，天線中的環(huán)形電流也非常類似于開 口諧振環(huán)中的電流分布。該天線的尺寸為0.204入X0.224入X0.0081入，其中入 為自由空間波長，根據(jù)電小尺寸天線定義，能夠包圍該天線的最小球體的半徑為 0.151入，完全滿足小天線的標(biāo)準(zhǔn)。
圖4給出了上述具體結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，而圖5給出了上 述具體結(jié)構(gòu)的E面和H面歸一功率化方向圖。從圖4的S參數(shù)仿真結(jié)果可以看 出，本發(fā)明的基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小諧振天線仿真頻點(diǎn)(2.953GHZ)接近 于實(shí)測(cè)工作頻點(diǎn)(3.05GHZ),并且實(shí)際測(cè)量的反射曲線具有良好的駐波比特性， 在諧振頻率處駐波比為1.143，較好的完成了天線輸入阻抗的匹配。從圖5可以 看出該電小天線具有良好的線極化特性，主瓣方向上E面和H面的交叉極化水 平均小于-20dB。天線的實(shí)測(cè)增益值(2.254dB)與仿真增益值(2.325dB)非 常接近，并且均小于電小天線增益的理論極限值。
權(quán)利要求
1、一種基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線，其特征在于該天線的天線輻射單元(1)、底面刻蝕共面波導(dǎo)(2)、金屬化通孔(3)集成在微波電路板(4)上，底面刻蝕共面波導(dǎo)(2)通過金屬化通孔(3)與天線單元(1)連接；所述的天線輻射單元(1)由兩塊并排的金屬貼片(11)組成，兩塊金屬貼片之間存在縫隙(12)，實(shí)現(xiàn)電路中導(dǎo)行波到自由空間中電磁波的能量轉(zhuǎn)換；所述的底面刻蝕共面波導(dǎo)(2)包括共面波導(dǎo)饋線(21)和孤立金屬片(22)；其中，共面波導(dǎo)饋線(21)與四個(gè)孤立金屬片(22)相互垂直設(shè)置集成在同一地平面上，通過縫隙分開而相互獨(dú)立。所述的金屬化通孔(3)包括與天線輻射單元(1)外邊緣相連的兩排外通孔(32)和與天線輻射單元(1)靠近縫隙(12)的部分相連的兩排內(nèi)通孔(31)；其中與天線輻射單元(1)外邊緣相連的內(nèi)通孔(31)與共面波導(dǎo)地面(5)相連，與靠近縫隙部分相連的外通孔(32)與孤立金屬片(22)相連。
全文摘要
基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線由天線輻射單元1，底面刻蝕共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2和金屬化通孔3構(gòu)成，其中共面波導(dǎo)饋線21通過磁耦合方式對(duì)天線系統(tǒng)饋電，金屬化通孔31用來連接金屬貼片11和共面波導(dǎo)地面以形成諧振回路，金屬化通孔32用來在PCB基板中形成金屬臂以增加系統(tǒng)等效電容，孤立金屬片22與共面波導(dǎo)饋線21在同一地平面上，但相互獨(dú)立分開以防止諧振短路情況發(fā)生。本發(fā)明具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，效率高等特點(diǎn)，可方便集成到微帶或者共面波導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)射頻前端無縫連接。
文檔編號(hào)H01Q13/00GK101459283SQ200910028700
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者崔鐵軍, 孟 李, 林先其, 瑤 秦 申請(qǐng)人:東南大學(xué)