CN104143689B

CN104143689B - 用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线

Info

Publication number: CN104143689B
Application number: CN201410354583.8A
Authority: CN
Inventors: 金杰; 侯梓叶; 王冰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: CN104143689A

Abstract

本发明属于微带天线技术领域，为增加天线带宽，实现天线的多频段设计，本发明采取的技术方案是，用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线，包括接地板、馈电点、辐射贴片和介质基板，辐射贴片由四个两两对称、依次相连的半圆环、一个圆环和两个矩形带组成，圆环位于四个半圆环所围区域中部靠下位置，四个半圆环和内部圆环连接的带线宽度比馈电点到四个半圆环的带线要窄；介质基板为环氧板FR4；在馈电点到四个半圆环的带线下方的接地板上设置有拱形结构，拱形结构中部设置有圆形缺陷。本发明主要应用于微带天线的设计制造。

Description

用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，尤其涉及一种用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线。

技术背景

缺陷接地结构(DGS：Defected Ground Structure)，是微波领域新近发展的热门之一，它是由光子带隙结构(PBG)发展而来。该结构通过在微带线等传输线接地平面上蚀刻周期性或非周期性图形，来改变接地电流的分布，从而改变传输线的频率特性，可实现抑制谐波，增加带宽等作用。缺陷接地结构在微波电路和天线设计中有着十分广泛的应用。关于缺陷接地结构可以实现多频段的研究，国内外也有了很多成果。

随着无线移动通信***向着小型化、多功能和智能化的方向迅速发展，天线也面临着新的要求，即小型化、多频段、宽频带等。近年来出现了一些适用于不同通信标准的单频天线，但是同时适用于蓝牙、RFID、WLAN和WiMAX的天线设计却相对较少。

发明内容

为了克服现有技术的不足，为增加天线带宽，实现天线的多频段设计，本发明采取的技术方案是，用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线，包括接地板、馈电点、辐射贴片和介质基板，辐射贴片由四个两两对称、依次相连的半圆环、一个圆环和两个矩形带组成，圆环位于四个半圆环所围区域中部靠下位置，四个半圆环和内部圆环连接的带线宽度比馈电点到四个半圆环的带线要窄；介质基板为环氧板FR4；在馈电点到四个半圆环的带线下方的接地板上设置有拱形结构，拱形结构中部设置有圆形缺陷。

四个半圆环和内部圆环连接的带线宽度为2mm，拱形结构半径10mm，圆形缺陷半径1.9mm。

四个半圆环和内部圆环内、外边半径分别为：R1＝8.5mm、R2＝7.5mm、R3＝4mm、R4＝3mm、R5＝4mm、R6＝3mm；四个半圆环和内部圆环连接的带线长度为L1＝5.5mm，宽度为W1＝2.0mm，馈电点到四个半圆环的带线长和宽分别是Lf＝13mm、Wf＝2.6mm，矩形接地板的大小是6mm×25.0mm。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

缺陷地结构增加了天线的带宽，实现了多频段设计，具有良好的匹配特性，天线的方向图特性在所有的工作频段内相对稳定，具有良好的方向性。

附图说明

图1.三频天线的结构图。

图2.天线的设计过程及每一个天线对应的回波损耗特性。

(a)天线的设计过程；(b)三个天线所对应的S11曲线。

图3.天线在2.45GHz、3.5GHz、5.5GHz时分别在E面、H面的方向图。

具体实施方式

本发明通过引入缺陷地结构，设计了一款可同时用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频单极子天线。

天线包括接地板、馈电点、辐射贴片和介质基板。辐射贴片由四个两两对称、依次相连的半圆环、一个圆环和两个矩形带组成；介质基板为环氧板FR4，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗为0.02；馈电方式为微带线馈电，特性阻抗为50Ω；。天线的结构图如图1所示。

天线最初的设计源于天线I，仅包括一个由两两相同的四个半圆环拼接而成的类似花形的辐射贴片和一个地板，如图2(a)所示，辐射单元通过SMA接头馈电后，电流从馈电点流经带线直至辐射贴片上部大半圆环顶端,该电流流经的路径长为52.25mm(约0.42λ)，此时天线仅工作在一个频段，只可基本覆盖蓝牙工作频段。

天线II通过在四个半圆环内部增加一个圆环贴片，可以激发出另一个谐振频率，且天线的表面积大小没有改变。为了获得更好的匹配特性，通过计算比较，四个半圆环和内部圆环连接的带线宽度为2mm，比馈电点到四个半圆环的带线要窄。此时电流从馈电点流经带线直至内圆环顶端,该电流流经的路径长为31.06mm(约0.34λ)，依然可覆盖蓝牙工作频段，同时产生了接近WiMAX工作频段的第二频段。在天线的尺寸没有改变的情况下，第一个谐振频率向左移动，等效于天线的尺寸被减小。

为了获取第三个工作频段，同时改善上面获得的第二个工作频段，在矩形地板上方采用了带圆形缺陷的拱形地结构，缺陷半径R8＝1.9mm，圆形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影响了天线的谐振频率和阻抗带宽。通过在拱形地结构的合适位置蚀刻圆形缺陷，仿真发现天线出现了第三个频段且带宽较宽，匹配较好，因为缺陷地结构可以滤去不希望出现的频率。此时电流从馈电点流经带线直至下半圆环底端,该电流流经的路径长为18.5mm(约0.33λ)，由于缺陷地结构，改变了此处的频率特性，从而获得了第三个频段。最终在没有增加整体体积的情况下得到覆盖蓝牙，WLAN和WiMAX工作频段的天线。

应用高频仿真软件HFSS对天线进行仿真计算和优化设计，以获得最佳尺寸和调谐的关系。

回波损耗如图2(b)所示，可以看出，天线I仅工作在一个频段2.31～2.61GHz，谐振频率为2.44GHz。天线II的阻抗带宽分别为2.27～2.48GHz，3.18～3.39GHz，中心频率分别为2.38GHz，3.26GHz。天线III提供了0.16GHz、0.35GHz和1.56GHz三个阻抗带宽，工作频段分别为2.38～2.54GHz、3.3～3.65GHZ和4.85～6.41GHz，中心频率分别为2.47GHz、3.42GHz和5.31GHz。天线在谐振点处的回波损耗分别为-19.1dB,-20.5dB和-21.1dB，显示出天线良好的匹配特性。图3是天线在2.45GHz、3.5GHz和5.5GHz时分别在E(xoz)平面、H(yoz)平面的方向图，天线的方向图特性在所有的工作频段内相对稳定，具有良好的方向性。综上所述，缺陷地结构增加了天线的带宽，实现了多频段设计。

下面结合一个具体实施例进一步详细说明本发明。

馈电方式为微带线馈电，特性阻抗为50Ω

介质基板大小为38mm×25mm，高0.8mm。图1为三频天线的结构尺寸图(正反两面)。经过HFSS优化得出，矩形连接带长度为L1＝5.5mm，宽度为W1＝2.0mm，微带线的长和宽分别是Lf＝13mm、Wf＝2.6mm，矩形地板的大小是6mm×25.0mm，其中拱形地半径R7＝10mm，缺陷半径R8＝1.9mm，辐射单元R1＝8.5mm、R2＝7.5mm、R3＝4mm、R4＝3mm、R5＝4mm、R6＝3mm。

Claims

1.一种用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线，其特征是，包括接地板、馈电点、辐射贴片和介质基板，辐射贴片由四个两两对称、依次相连的半圆环、一个圆环和两个矩形带组成，圆环位于四个半圆环所围区域中部靠下位置，四个半圆环和内部圆环连接的带线即第一个矩形带宽度比馈电点到四个半圆环的带线即第二个矩形带要窄；介质基板为环氧板FR4；在馈电点到四个半圆环的带线下方的接地板上设置有拱形结构，拱形结构中部设置有圆形缺陷；其中，四个半圆环和内部圆环连接的带线宽度为2mm，拱形结构半径10mm，圆形缺陷半径1.9mm。

2.如权利要求1所述的用于蓝牙/RFID/WLAN/WiMAX的三频天线，其特征是，四个半圆环位于上、下部两个半圆环内、外边半径分别为：R1＝8.5mm、R2＝7.5mm，四个半圆环位于左、右部两个半圆环内、外边半径分别为：R3＝4mm、R4＝3mm；内部圆环内、外边半径分别为R5＝4mm、R6＝3mm；四个半圆环和内部圆环连接的带线长度为L1＝5.5mm，宽度为W1＝2.0mm，馈电点到四个半圆环的带线长和宽分别是Lf＝13mm、Wf＝2.6mm，矩形接地板的大小是6mm×25.0mm。