CN101826650A - 双频双极化印刷天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双频双极化印刷天线，包括介质板、辐射单元、馈电结构和接地板，所述介质板为圆盘形，分为上层介质板和下层介质板；所述辐射单元印制于所述上层介质板的上表面；所述馈电结构印制于所述下层介质板的上表面；所述馈电结构由位于所述介质板中心的圆盘加载探针耦合馈电结构和沿半径方向的微带线耦合馈电结构集成；所述接地板印制于所述下层介质板的下表面。本发明产品易于佩戴使用，可以与其他便携式设备集成，不存在弯折、缩水、起皱等问题。

Description

双频双极化印刷天线

技术领域

本发明涉及一种印刷天线，特别涉及一种工作在工业、科学和医疗频段的人体通信用佩戴式天线。

背景技术

目前，人体通信的穿/佩带式天线在国外已见诸报道，其结构大致有两类：一类是采用常规印刷天线形式制作的导电织物天线，这一类天线存在易弯折、易缩水、易起皱等问题，对于制作材料和工艺的要求也较高；另一类是变形的常规硬质天线，使天线与衣物上的配件如纽扣、腰带等共形，制成衣物的一部分，这种天线无法平面集成而需要机械加工。另一方面，已见诸报道的穿/佩戴式天线或用于离体通信、或用于体表通信，这种天线只能单频段、单极化工作。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种不弯折、不缩水、不起皱，可以平面集成的双频段双极化佩戴式印刷天线。

技术方案：本发明所述的双频双极化印刷天线，包括介质板、辐射单元、馈电结构和接地板，所述介质板为圆盘形，分为上层介质板和下层介质板；所述辐射单元印制于所述上层介质板的上表面；所述馈电结构印制于所述下层介质板的上表面；所述馈电结构由位于所述介质板中心的圆盘加载探针耦合馈电结构和沿半径方向的微带线耦合馈电结构集成；所述接地板印制于所述下层介质板的下表面。

所述圆盘加载探针耦合馈电结构由金属圆盘和金属探针构成，所述金属圆盘与所述下层介质板同心，所述金属探针的一端与所述金属圆盘相连，另一端贯穿所述下层介质板和所述接地板，外接同轴馈线。此馈线结构为馈电结构的端口2；

所述沿半径方向的微带线耦合馈电结构为沿所述下层介质板的半径方向延伸的金属条带，所述金属条带上蚀刻有带阻滤波结构，外接微带馈线。此馈线结构为馈电结构的端口1。

所述辐射单元为圆形金属贴片，沿所述金属贴片的半径方向开有缝隙，所述缝隙数量可根据实际需要使用两条或多条。所述的圆形金属贴片的半径可由公式R₂＝3.832c/(2πf_r2ε_r ^1/2)近似算得，其中c为光速，ε_r为介质板的相对介电常数，f_r2代表较高的第二个谐振频率，对应了馈电端口2。在确定圆形金属贴片的半径后，频率较低的第一个谐振频率可由公式f_r1＝1.841c/(2πR₂ε_r ^1/2)近似算得，可优化沿贴片径向的缝隙数量、长度和夹角，进而调节谐振频率f_r1和展宽端口1的阻抗频带宽度以满足所应用频段的要求。所述微带馈线上的带阻滤波结构由1/4波长高阻抗线构成，阻止f_r2频段的信号进入端口1。所述探针顶端连接的同心圆盘半径的选择应使端口2的输入阻抗之虚部接近于0。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果为：(1)本发明产品易于佩戴使用，可以与其他便携式设备集成，不存在弯折、缩水、起皱等问题；(2)本发明产品将两种单频段、单极化的通信天线互不干扰地集成为一体，具有双频、双极化功能；采用微带印刷技术，利于批量生产，降低成本；(3)本发明产品可同时适用于人体通信中的体表和离体通信链路，端口1馈电时，天线谐振于频率较低的f_r1，在圆形贴片上激起TM₁₁模，电磁波极化平行于天线表面且最大辐射方向背离天线表面，适合较低频段的离体通信、且通信距离较远；端口2馈电时，天线谐振于频率较高的f_r2，圆形贴片上激起TM₀₁模，电磁波极化垂直于天线表面而最大辐射方向平行于天线表面，适用于较高频段的体表通信、且通信距离较近；(4)本发明通过在微带馈线上刻蚀高阻抗结构有效地提高了两馈电端口的隔离度，有助于提高通信***的性能；(5)本发明对探针馈电实施圆盘加载，通过调节加载圆盘的半径为天线端口阻抗匹配引入了新的设计自由度；(6)本发明产品具有较好的功能扩展性，通过适当选择径向缝隙的长度、数量及相对位置还可实现多频带、宽频带、圆极化，多极化等功能；(7)本发明产品具有较好的通用性，可应用于无线局域网，无线家庭网络，卫星导航定位***、汽车通信***等领域。

附图说明

图1是本发明实施例产品的结构示意图；

图2是天线在2.40GHz和5.80GHz频段的回波损失和隔离度频响仿真曲线；

图3是在频率为2.40GHz时，天线在自由空间和人体附近的实测辐射方向性图；

图4是在频率为5.80GHz时，天线在自由空间和人体附近的实测辐射方向性图；

图5是在2.40GHz频段，天线在自由空间和人体附近的实测增益频响曲线；

图6是在5.80GHz频段，天线在自由空间和人体附近的实测增益频响曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：同时工作于2.40GHz和5.80GHz频段的人体通信用双频双极化印刷天线。如图1所示，其辐射单元2和馈电结构3分别印刷在两层等厚度的聚四氟乙烯圆形介质板1上，该介质片的半径为R₁，厚度为h＝1.6mm，相对介电常数ε_r＝4.4，损耗正切值tanσ＝0.02；辐射单元2为圆形贴片；该天线的馈电结构3采用两端口馈电，其中端口1为沿半径方向的微带线耦合馈电结构32，用于激励圆形贴片的TM₁₁模，使其工作于2.40GHz频段，端口2为圆盘加载的探针耦合馈电结构31，用于激励圆形贴片的TM₀₁模，使其工作于5.80GHz频段；圆形金属接地板4印制于下层介质板12的下表面；所述圆盘加载探针耦合馈电结构31由金属圆盘和金属探针构成，所述金属圆盘与下层介质板12同心，所述金属探针的一端与所述金属圆盘相连，另一端贯穿下层介质板12和接地板4，外接同轴馈线；所述沿半径方向的微带线耦合馈电结构32为沿下层介质板12的半径方向延伸的金属条带，所述金属条带上蚀刻有带阻滤波结构，外接微带馈线；所述带阻滤波结构由对应于5.80GHz频段的1/4波长高阻抗线构成；

圆形贴片的半径可由高频段TM₀₁模的谐振频率f_r2＝5.80GHz确定，利用公式R₂＝3.832c/(2πf_r2ε_r ^1/2)近似算得R₂＝15.1mm，但其对应的低频段TM₁₁模的谐振频率f_r1＝1.841c/(2πR₂ε_r ^1/2)＝2.79GHz，需要在圆形贴片上适当割缝以延长电流路径使谐振频率降低至2.40GHz，为此沿半径方向割有与x轴对称的两条窄缝，分别与x轴呈±β夹角、长度为l₁，l₂。不等长度两条径向窄缝不影响TM₀₁模沿径向分布的电流线，对TM₁₁模还有参差调谐的效果，可有效展宽2.40GHz的阻抗匹配频带，以补偿将天线佩戴于人体时引起的阻抗带宽褪化。

如图1所示，金属条带的长度为l₃，宽度为w₁、构成带阻滤波结构的高阻抗线宽为w₂，加载圆盘的半径为R₃。利用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS-11.0进行了仿真分析，优选出符合要求的天线几何尺寸：R₁＝28mm，R₂＝13.2mm，R₃＝3mm；l₁＝12.8mm，l₂＝11mm，β＝28°；l₃＝20.6mm，l₄＝5.8mm；w₁＝1.5mm，w₂＝0.2mm，w₃＝0.15mm。端口1和端口2外接馈线的特性阻抗都为50Ω。图2、图3、图4、图5、图6分别给出了该实例天线的仿真或测试结果。

熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下做出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。

Claims (6)

1.一种双频双极化印刷天线，包括介质板(1)、辐射单元(2)、馈电结构(3)和接地板(4)，其特征在于：所述介质板(1)为圆盘形，分为上层介质板(11)和下层介质板(12)；所述辐射单元(2)印制于所述上层介质板(11)的上表面；所述馈电结构(3)印制于所述下层介质板(12)的上表面；所述馈电结构(3)由位于所述介质板(1)中心的圆盘加载探针耦合馈电结构(31)和沿半径方向的微带线耦合馈电结构(32)集成；所述接地板(4)印制于所述下层介质板(12)的下表面。

2.根据权利要求1所述的双频双极化印刷天线，其特征在于：所述圆盘加载探针耦合馈电结构(31)由金属圆盘和金属探针构成，所述金属圆盘与所述下层介质板(12)同心，所述金属探针的一端与所述金属圆盘相连，另一端贯穿所述下层介质板(12)和所述接地板(4)，外接同轴馈线。

3.根据权利要求1所述的双频双极化印刷天线，其特征在于：所述沿半径方向的微带线耦合馈电结构(32)为沿所述下层介质板(12)的半径方向延伸的金属条带，所述金属条带上蚀刻有带阻滤波结构，外接微带馈线。

4.根据权利要求3所述的双频双极化印刷天线，其特征在于：所述带阻滤波结构由1/4波长高阻抗线构成。

5.根据权利要求1所述的双频双极化印刷天线，其特征在于：所述辐射单元(2)为圆形金属贴片，沿所述金属贴片的半径方向开有缝隙(21)。

6.根据权利要求5所述的双频双极化印刷天线，其特征在于：所述缝隙(21)为两条。

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