CN102882006A - 一种多频天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频天线，包括下层金属接地板、介质基板、辐射贴片和馈电接头，所述介质基板设置在下层金属接地板上，辐射贴片设置在介质基板上，馈电接头中心的馈电针与辐射贴片相连接，馈电接头的接地端与下层金属接地板相连接；所述辐射贴片上开有四个弧形缝隙，这四个弧形缝隙在同一圆周上均匀分布，沿着四个弧形缝隙的两条对称线，在每个弧形缝隙的端部还开有矩形缝隙。本发明易加工，易生产，且易于安装，能够实现较好的阻抗匹配，可应用于GSM/3G／WLAN等多种***，可利用平面缝隙天线的贴片外侧、两对弧形缝隙和四对凸起缝隙，改变贴片表面的电流分布，激励三个谐振点，实现三频工作特性。

Description

一种多频天线

技术领域

本发明涉及多频通信技术领域，特别涉及一种多频天线。

背景技术

随着各种无线通信标准的提出，例如从GSM到3G、WLAN等，能同时工作在多个频带的多频收发***应运而生，极大地提高了通信***的集成化发展。多频天线作为多频收发机中不可缺少的关键器件得到了广泛的研究和应用，采用多频天线可以应用于发送/接收多个频带的无线电信号的通信***，相较于使用多个单频天线具有紧凑、实现简单和低成本的优点。

现有的多频通信天线多数采用多层结构、立体结构，这类天线要求复杂的制造工艺并占用相对较大的空间，不利于小规模生产与安装。公开号为CN102598411A的中国发明专利公开了一种多频天线，包括：基底、天线元件、并联电感器导体、串联电容器导体、串联电感器导体、连接点和输入/输出端。其中天线元件配置在基底上，并经由并联电感器导体电连接至连接点。天线元件与面对串联电容器导体的部分一起形成电容器，并经由这些电容器和串联电感器导体电连接至输入/输出端。该天线具有如下的缺点：制作工艺相对复杂，不利于小规模生产与安装。

因此，提供一种易加工、易生产、且易于安装的多频天线成为一个极具研究意义和实际应用价值的课题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多频天线，该天线易加工，易生产，且易于安装，能够实现较好的阻抗匹配，可应用于GSM/3G／WLAN等多种***。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种多频天线，包括下层金属接地板、介质基板、辐射贴片和馈电接头，所述介质基板设置在下层金属接地板上，辐射贴片设置在介质基板上，馈电接头中心的馈电针与辐射贴片相连接，馈电接头的接地端与下层金属接地板相连接；所述辐射贴片上开有四个弧形缝隙，这四个弧形缝隙在同一圆周上均匀分布，沿着四个弧形缝隙的两条对称线，在每个弧形缝隙的端部还开有矩形缝隙。辐射贴片外侧等效为一个微带天线，主要决定第一点谐振频率，对第二、第三谐振频率有着微调作用。两对弧形缝隙和四对矩形缝隙影响辐射贴片表面的电流分布，主要决定着第二、第三谐振频率，同时对第一点谐振频率有着微调作用。通过上述结构实现了多频这一功能。

优选的，所述辐射贴片为正方形，其边长基准值L通过下式计算得出：

$L=\frac{1}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}---\left(1\right)$

其中，f_r为期望天线达到的第一谐振频率，ε_reff为有效介电常数，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，

ε_reff通过下式求取：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}};$

其中，ε_r为介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度，W、ΔL均为计算中的中间变量，其计算公式如下：

$W=\frac{1}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}};$

ΔL通过下式求取：

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{h}=0.412\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}+0.3)(\frac{W}{h}+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}-0.258)(\frac{W}{h}+0.8)}.$

公式（1）中，当介质基板不均匀线度远小于入射光波长时，可视其为均匀的各向同性介质，其介电常数可用某一有效值ε_reff来表征，称为有效介电常数。W为矩形微带天线的宽，对谐振频率无影响。在求得边长基准值L后，后续可根据设计需要达到的天线频率在此基础上进行微调整。

优选的，所述辐射贴片表面所开的弧形缝隙的半径基准长R通过下式计算得出：

$\frac{1.841}{k_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}=R{\{1+\frac{2h}{\mathrm{\πR}{\mathrm{\ϵ}}_r}(\ln \frac{\mathrm{\πR}}{2h}+1.7726)\}}^{\frac{1}{2}};$

$k_0=2\mathrm{\π}{f}_{r2}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\μ}}_0};$

其中，f_r2为期望天线达到的第二谐振频率，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，ε_r为介质基板的介电常数，k₀为真空中的波数，h为介质基板的厚度。在求得半径基准长R后，后续可根据设计需要达到的天线频率在此基础上进行微调整。

在实际使用时，在求取的半径基准长的基础上对弧形缝隙的半径进行进一步的调整，调整时基于以下的规律：随着半径的增大，第二、第三个谐振频率会降低。

优选的，所述介质基板的介电常数为2.55。因为介电常数会影响天线的带宽，一般介电常数越高，对场的束缚越强，带宽相应会窄，所以天线下方的介质越低越好.基于现有材料，这里采用介电常数为2.55的介质基板。

天线的性能、长或者短对天线的谐振频率、带宽等都有影响，根据希望达到的天线性能，需选取最合适的弧长，在调解过程中，顶端矩形缝隙对第二、第三个谐振点影响较大，它的长短影响表面电流的分布，其长度和宽度是与天线其他参数一起调谐，考虑到综合的因素最终确定的。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明易加工，易生产，且易于安装，能够实现较好的阻抗匹配，可应用于GSM/3G／WLAN等多种***。

2、本发明可利用平面缝隙天线的贴片外侧、两对弧形缝隙和四对凸起缝隙，改变贴片表面的电流分布，激励三个谐振点，实现三频工作特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1所示天线的侧面图；

图3是本发明的天线回波损耗即S11曲线；

图4是本发明的天线工作在0.83GHz、1.8GHz和2.46GHz上的X-Z平面辐射方向图；

图5是本发明的天线工作在0.83GHz、1.8GHZ和2.46GHZ上的Y-Z平面辐射方向图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种多频天线，包括下层金属接地板、介质基板、辐射贴片和馈电接头，所述介质基板设置在下层金属接地板上，辐射贴片设置在介质基板上，馈电接头中心的馈电针与辐射贴片相连接，馈电接头的接地端与下层金属接地板相连接；所述辐射贴片上开有四个弧形缝隙，这四个弧形缝隙在同一圆周上均匀分布，沿着四个弧形缝隙的两条对称线，在每个弧形缝隙的端部还开有矩形缝隙。

所述辐射贴片为正方形，其边长基准值L通过下式计算得出：

$L=\frac{1}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}---\left(1\right)$

其中，f_r为期望天线达到的第一谐振频率，ε_reff为有效介电常数，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，

ε_reff通过下式求取：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}};$

其中，ε_r为介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度，W、ΔL均为计算中的中间变量，其计算公式如下：

$W=\frac{1}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}};$

ΔL通过下式求取：

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{h}=0.412\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}+0.3)(\frac{W}{h}+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}-0.258)(\frac{W}{h}+0.8)}.$

所述辐射贴片表面所开的弧形缝隙的半径基准长R通过下式计算得出：

$\frac{1.841}{k_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}=R{\{1+\frac{2h}{\mathrm{\πR}{\mathrm{\ϵ}}_r}(\ln \frac{\mathrm{\πR}}{2h}+1.7726)\}}^{\frac{1}{2}};$

$k_0=2\mathrm{\π}{f}_{r2}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\μ}}_0};$

其中，f_r2为期望天线达到的第二谐振频率，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，ε_r为介质基板的介电常数，k₀为真空中的波数，h为介质基板的厚度。在求得半径基准长R后，后续可根据设计需要达到的天线频率在此基础上进行微调整。

本实施例中所选的介质基板的介电常数为2.55。

在实际应用中，天线的性能、尺寸和天线的谐振频率、带宽等都有关系，根据希望达到的天线性能，需对天线的尺寸进行调整。在调整前需要明确天线对各个频点的影响规律。如图1所示，L的值变大，相应第一、第三个谐振频率降低。r2的值变大，第二、第三个谐振频率降低。d1的值变大，第三个谐振频率增加明显，第一和第二个谐振频率有微小的增加。d2的值变大，第三个谐振频率明显降低，第一个谐振频率有微小的降低。d3的值变大，第二个谐振频率降低。

利用上面的规律，在根据天线性能具体对天线进行调节，使它的三个谐振点分别达到所期望的值时，采用以下的步骤首先调节L的值，确定第一个谐振点的频率。其次调节r2、d1和d2的值，确定第三个谐振点的频率，同时尽量使的第二个谐振频率接近所设计的频率，因为调节d1、d2和d3的值，受天线尺寸的限制，对天线三个频率的调节作用是有限的。最后调节d3确定第二个谐振点的频率。

天线尺寸得到以后，将天线进行加工，制作出实物天线，用一些测量仪器对天线性能进行测量。本实施例中的天线已经过验证，实测结果与设计相吻合。

图3所示是天线的回波损耗即S11曲线，可见本实施例所述天线在三个频点实现较好的阻抗匹配，三个频点分别是0.83GHz、1.8GHz和2.46GHz分别适用于GSM、3G以及WLAN网络。

图4和图5分别是本实施例所述的天线工作在0.83GHz、1.8GHz和2.46GHz上的X-Z平面和Y-Z平面辐射方向图，可见本实施例天线在三个频点处有较宽的辐射方向图并且辐射方向图有较好的对称性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多频天线，其特征在于，包括下层金属接地板、介质基板、辐射贴片和馈电接头，所述介质基板设置在下层金属接地板上，辐射贴片设置在介质基板上，馈电接头中心的馈电针与辐射贴片相连接，馈电接头的接地端与下层金属接地板相连接；所述辐射贴片上开有四个弧形缝隙，这四个弧形缝隙在同一圆周上均匀分布，沿着四个弧形缝隙的两条对称线，在每个弧形缝隙的端部还开有矩形缝隙。

2.根据权利要求1所述的多频天线，其特征在于，所述辐射贴片为正方形，其边长基准值L通过下式计算得出：

$L=\frac{1}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

其中，f_r为期望天线达到的第一谐振频率，ε_reff为有效介电常数，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，

ε_reff通过下式求取：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}};$

其中，ε_r为介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度，W、ΔL均为计算中的中间变量，其计算公式如下：

$W=\frac{1}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}};$

ΔL通过下式求取：

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{h}=0.412\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}+0.3)(\frac{W}{h}+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{reff}}-0.258)(\frac{W}{h}+0.8)}.$

3.根据权利要求1所述的多频天线，其特征在于，所述辐射贴片表面所开的弧形缝隙的半径基准长R通过下式计算得出：

$\frac{1.841}{k_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}=R{\{1+\frac{2h}{\mathrm{\πR}{\mathrm{\ϵ}}_r}(\ln \frac{\mathrm{\πR}}{2h}+1.7726)\}}^{\frac{1}{2}};$

$k_0=2\mathrm{\π}{f}_{r2}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\μ}}_0};$

其中，f_r2为期望天线达到的第二谐振频率，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，ε_r为介质基板的介电常数，k₀为真空中的波数，h为介质基板的厚度。

4.根据权利要求3所述的多频天线，其特征在于，在求取的半径基准长的基础上对弧形缝隙的半径进行进一步的调整，调整时基于以下的规律：随着半径的增大，第二、第三个谐振频率会降低。

5.根据权利要求1所述的多频天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为2.55。

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