CN102956968A

CN102956968A - 基于部分弧形地的宽带双频段微带天线

Info

Publication number: CN102956968A
Application number: CN2012104423769A
Authority: CN
Inventors: 韩丽萍; 马润波; 尹王保; 陈新伟; 张文梅
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明涉及无线通信***中天线的双频段、宽频带设计，具体为基于部分弧形地的宽带双频段微带天线。解决现有利用缝隙加载技术实现双频段工作的微带天线其低频段阻抗带宽小的问题。包括依次层叠的辐射单元、介质基板以及接地板，辐射单元为开有缝隙和馈电孔的辐射贴片，接地板为完整的矩形接地板上刻蚀一个圆弧后形成的部分弧形地；本发明能够同时改善微带天线两个工作频段的带宽，达到覆盖无线局域网的工作频段，包括2.4GHz、5.2GHz以及5.8GHz频段，适用于双频无线通信***。

Description

基于部分弧形地的宽带双频段微带天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及无线通信***中天线的宽频带、双频段设计，具体为一种基于部分弧形地的宽带双频段微带天线。

背景技术

随着无线通信市场的激烈竞争，通信信道日益拥挤，通信要求不断提高，WLAN等新通信标准、新体系日益受到人们的重视，无线通信***的双频段或多频段工作成为新一代无线通信***的主要发展趋势。近年来，GPS、GSM、PCS和3G等无线通信***对双频段天线的需求日益增加。微带天线由于具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低、易于与微带线路集成等优点，得到越来越广泛的应用，包括雷达技术、空间科学、生物医学领域及各种无线通信***。因此，双频段微带天线的研究引起了国内外学者的广泛关注。

微带天线的双频段工作分为两类：多片法和单片法。多片法是将多个辐射贴片分布在同一平面或者利用多层结构层叠起来，达到多频段工作的效果，其中的层叠结构与多贴片共面方法相比，可以减小天线的尺寸；单片法通过激励辐射贴片的不同谐振模式来实现多频段工作，较灵活多变的方法是曲流技术和加载技术。曲流技术是在辐射贴片或者接地板刻蚀缝隙，加载技术包括短路探针加载和集总元件加载。从加工角度出发，单片法更为方便。

微带天线的缺点之一是带宽比较窄，普通微带贴片天线的带宽通常只有0.6%～3%，远远不能满足无线通信的需求。微带天线的带宽展宽方法主要有以下几种：附加寄生贴片、附加阻抗匹配网络、加载集总元件、加载缝隙、采用EBG（或PBG）结构以及增加反射板等方法。由于接地板上加载缝隙的方法比多片法、集总元件加载法和多层法在结构上简单，制作工艺上容易，因而可以采用这种方法有效展宽频带，同时使天线更为小巧。

部分地技术可以看作接地板加载缝隙方法的特例，2011年9月，马来西亚学者Zulkefli,M.S.在拉夫堡天线传播会议（Loughborough Antennas and Propagation Conference）发表了“Novel small peanut-shape printed antenna design for WLAN-band application”,该文提出应用缝隙地和部分地来改善单频段微带天线带宽的构想。

发明内容

本发明为了解决现有的利用缝隙加载技术实现双频段工作的微带天线，其低频段阻抗带宽小的问题，提供一种基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，同时改善微带天线两个频段的带宽，进而达到覆盖WLAN的工作频段，包括2.4GHz、5.2GHz及5.8GHz频段。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，包括从上到下依次层叠的辐射单元、介质基板和接地板，辐射单元为开有缝隙和馈电孔的辐射贴片，接地板为完整的矩形接地板上刻蚀一个圆弧后形成的部分弧形地；双频段天线的低频段由缝隙的尺寸和辐射贴片的尺寸决定，高频段由辐射贴片的尺寸决定。所述的双频段微带天线采用同轴馈电方式，馈电孔处于馈电点。上述基于部分弧形地的宽带双频段微带天线仅用一层介质基板，通过在辐射贴片加载缝隙的方法实现双频段工作，采用部分弧形地改善双频段微带天线的带宽。

通常，微带贴片天线的尺寸约为1/2导波波长，本发明中辐射贴片尺寸的选择使其工作在高频段。辐射贴片上开有缝隙，改变了贴片上的电流路径，激励起贴片天线的另外一个谐振模式，通过商用的电磁仿真软件Ansoft HFSS优化缝隙的尺寸，使得贴片天线工作在低频段。因此，双频段微带天线的低频段由缝隙的尺寸以及辐射贴片的尺寸决定，高频段由辐射贴片的尺寸决定。理论上讲，只要在辐射贴片上开有缝隙即可使天线成为双频段天线，辐射贴片的尺寸由高频段决定，通过电磁仿真软件Ansoft HFSS，仿真试验确定出所需低频段下的缝隙尺寸。

理论上讲，采用部分地技术能够激励起微带天线的一个接近于工作频率的新谐振频率，进而达到改善天线带宽的效果。完整的矩形地上刻蚀一个较大的部分后即为部分地，部分地的形状和大小对微带天线的带宽性能有很大的影响。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS，通过有限次的仿真试验可以容易地获知部分矩形地（刻蚀矩形）以及部分弧形地（刻蚀圆弧）情形下微带天线的带宽性能。

采用部分矩形地时，天线两个频段的阻抗匹配对刻蚀矩形的尺寸非常敏感，随着刻蚀部分的增大，低频段阻抗匹配变好，高频段阻抗匹配变差，在低频段带宽满足无线通信要求的条件下，通过优化刻蚀矩形的尺寸，高频段带宽能够得到一定改善，但只能覆盖WLAN的5.2GHz频段；采用部分弧形地时，天线两个频段的阻抗匹配对刻蚀圆弧的尺寸不敏感，只是随着刻蚀部分的增大，低频段阻抗匹配变差，高频段阻抗匹配变好。在保证低频段带宽满足无线通信要求的条件下，通过优化刻蚀圆弧的尺寸，高频段的带宽能够得到进一步的改善，达到同时覆盖WLAN的5.2GHz频段和5.8GHz频段。

与采用部分矩形地技术相比，本发明所述的基于部分弧形地的双频段微带天线，改善了微带天线两个频段的带宽，能够覆盖WLAN的工作频段，包括2.4GHz、5.2GHz及5.8GHz频段；本发明所述的基于部分弧形地的双频段微带天线，通过调节天线辐射单元（包含加载缝隙）的尺寸实现所需工作频段；通过调节接地板（部分弧形地）的尺寸改善天线的带宽。本发明适用于双频无线通信***。

附图说明

图1为本发明所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线结构示意图；

图2为本发明所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线辐射单元的平面图；

图3为本发明所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线接地板的平面图；

图4为完整地的双频带微带天线|S₁₁|的频率特性;

图5为本发明所述的基于部分弧形地的双频段微带天线|S₁₁|的频率特性；

图6为现有的基于部分矩形地技术的双频段微带天线|S₁₁|的频率特性。

图中：1-辐射单元，2-缝隙，3-馈电孔，4-介质基板，5-接地板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式。

如附图1－3所示，本发明所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，包括从上到下依次层叠的辐射单元1、介质基板4以及接地板5，辐射单元1为其上开有一个开口椭圆形缝隙2和馈电孔3的椭圆形辐射贴片，接地板5为完整的矩形接地板上刻蚀一个圆弧后形成的部分地。所述的基于部分弧形地的双频段微带天线采用同轴馈电方式，馈电孔处于馈电点。

具体实施时，所述的辐射单元1以及接地板5均采用厚度为35μm的铜箔；介质基板4采用环氧玻璃纤维板（也可以采用其他材料），相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm。

所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线的工作频段为2.4GHz和5GHz时，作为辐射单元1的椭圆形贴片（位于介质基板的中心部位）的长半轴为9.1mm，短半轴为7mm，其上的开口椭圆形缝隙2的长度为37.6mm，宽度为0.3mm，位于距离椭圆贴片边缘1.2mm处，其上的馈电孔3的直径为0.5mm,位于椭圆贴片中心左侧2.5mm处；作为接地板5的部分弧形地是在完整的矩形接地板上刻蚀一个圆弧，圆弧的中心点位于椭圆中心左侧11.9mm处，半径为11mm。通过上述方式准确地确定开口椭圆形缝隙、馈电孔的位置和大小实现微带天线的双频段工作，通过上述方式准确地确定接地板上圆弧的位置和大小改善双频段微带天线的带宽。

附图4示出了完整地的双频段微带天线|S₁₁|的频率特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。在|S₁₁|不高于-10dB的情况下，天线低频段（2.4GHz）的相对带宽为0.9％，高频段（5.2GHz）的相对带宽为4.3％。显然，低频段的带宽不能满足无线通信的要求。

附图5示出了本发明所述的基于部分弧形地的双频段微带天线|S₁₁|的频率特性。在|S₁₁|不高于-10dB的情形下，低频段（2.4GHz）的相对带宽为10％，高频段（5GHz）的相对带宽为13.8％。高频段能够同时覆盖WLAN的5.2GHz及5.8GHz频段。

为了进一步说明本发明所述的采用部分弧形地的优势，研究了部分矩形地（长度为l_g，宽度为20mm）的双频段微带天线的带宽性能。附图6示出了现有的基于部分矩形地技术的双频段微带天线|S₁₁|的频率特性。微带天线两个频段的阻抗匹配对所刻蚀矩形的尺寸非常敏感，低频段带宽满足无线通信要求的条件下，高频段的带宽能够得到一定改善。最佳情形是部分矩形地的长×宽为14.3mm×20mm,在|S₁₁|不高于-10dB的情形下，低频段（2.4GHz）的相对带宽为10.8％，高频段（5.2GHz）的相对带宽为11.2％。高频段只能覆盖WLAN的5.2GHz频段。

与现有的采用部分矩形地技术的双频段微带天线相比，本发明所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，在保证低频段带宽满足无线通信要求的前提下，高频段能够获得更大的阻抗带宽，达到同时覆盖WLAN的工作频段，包括2.4GHz、5.2GHz及5.8GHz频段。

Claims

1.一种基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，包括从上到下依次层叠的辐射单元（1)、介质基板（4）以及接地板（5），其特征为：辐射单元（1）为开有缝隙（2）和馈电孔（3）的辐射贴片，接地板（5）为完整的矩形接地板上刻蚀一个圆弧后形成的部分弧形地。

2.如权利要求1所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，其特征为：所述的双频段微带天线采用同轴馈电方式。

3.如权利要求1或2所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，其特征为：所述的辐射贴片为椭圆形辐射贴片。

4.如权利要求3所述的基于部分弧形地的宽带双频段微带天线，其特征为：介质基板（4）采用环氧玻璃纤维板，相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm，作为辐射单元（1）的椭圆形贴片的长半轴为9.1mm，短半轴为7mm，其上的开口椭圆形缝隙（2）的长度为37.6mm，宽度为0.3mm，位于距离椭圆贴片边缘1.2mm处，其上的馈电孔（3）的直径为0.5mm,位于椭圆形贴片中心左侧2.5mm处，作为接地板（5）的部分弧形地，其上刻蚀的圆弧的中心点位于椭圆形贴片中心左侧11.9mm处，半径为11mm。