CN104183912A - 一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，属于天线技术领域。该天线的结构包括辐射部分、介质基板、接地板和馈线；所述辐射部分包括一金属条和一金属环，金属环在金属条的顶端，它由从中间断裂的矩形环再往里凹陷形成；所述介质基板厚度均匀，在基板的上方是辐射部分，下方是接地板和一个同样大小的金属环，且该金属环位于辐射部分金属环的正下方位置；所述接地板的宽度与介质基板的宽度一样，高度比介质基板的长度要小；所述馈线包括内芯线和屏蔽层，内芯与辐射部分的底端相连接，屏蔽层与接地板相连接。该天线具有良好的阻抗匹配和辐射增益，且通过尺寸变化，可以任意调节至其它工作频段，能广泛用于WLAN，WiMAX等无线通信***中。

Description

一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线
技术领域
本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线。
背景技术
目前，随着无线通信技术的发展以及各种通信标准的日益兴起，无线通信产品的功能越来越复杂和多样，一般都能够支持多个频段的不同通信标准。与此同时，无线通信产品内部的电路也更为复杂。在无线终端设计时预留给天线的空间也越来越少，而对天线的功能要求却越来越多样和苛刻。
在市场上,无线产品种类繁多,用户在选择产品时有着更多的选择空间。用户对无线产品的要求不仅仅满足于其性能，同时还对产品的外形有着较高的要求，大多数用户趋向于购买体积小、便于携带的无线产品。因此无论是技术还是市场，都要求无线设备往小型化的方向发展。电路的高度集成化可以跟上无线设备小型化的需求，天线的体积往往成为无线产品体积缩减的瓶颈。近年来，超材料天线成为射频工程领域的一个研究热点。随着超材料应用研究的发展，越来越多的科研人员利用超材料来设计天线，以达到实现天线的小型化、全向性、高效率等目的，并且在这一领域的研究工作取得了较多的科研成果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，该天线采用基于超材料的电谐振环单元实现天线的小型化、双频带工作，在普通单极子天线上加两个对称电谐振环，这两个环分别刻蚀在介质板的正反面。加载环后的天线可以保证天线在低剖面的前提下，获得更低的谐振频率和更高的增益。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其结构包括辐射部分、介质基板、接地板和馈线；
所述辐射部分包括一金属条和一金属环，金属环在金属条的顶端，它由从中间断裂的矩形环再往里凹陷形成，并凹陷的金属条间有一定的间隙；
所述介质基板厚度均匀，在基板的上方是辐射部分，下方是接地板和一个同样大小的金属环，且该金属环位于辐射部分金属环的正下方位置；
所述接地板的宽度与介质基板的宽度一样，高度比介质基板的长度要小；
所述馈线包括内芯线和屏蔽层，内芯与辐射部分的底端相连接，屏蔽层与接地板相连接。
进一步，所述两个金属环的长度L4为8.9-9.5mm，宽度W4为8.9-9.5mm，环的内长度L5为3-3.2mm，内宽度W6为3-4mm，环的金属宽度W5为0.3-0.8mm，L6为0.6-1mm。
进一步，所述介质基板的厚度为0.6-1.2mm。
进一步，所述辐射部分的金属条的中段部分的长度为：L2为7.5-8.5mm，宽度为：W2为1.6-2mm；下端部分长度为：L3为9.9-10.9mm，宽度为：W3为0.8-1.2mm。
进一步，介质基板的长度L1为28-32mm，宽度W1为12-16mm，介质板的厚度为0.6-1mm，材料的相对介电常数在4-5之间。
进一步，所述金属接地板的高度比介质基板的长度要小，其长度L7为9-13mm。
本发明的有益效果在于：本发明所述的天线具有以下优点：超材料电谐振环的加入，使天线的谐振频点降低，并且出现了一个更低谐振频率点，使天线出现了两个谐振峰，并且保证了天线的原有带宽没有变化；该天线具有良好的阻抗匹配和辐射增益；通过尺寸变化，该天线的工作频段可以任意调节，可以广泛用于WLAN，WiMAX等无线通信***中。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述的超材料单极子天线的整体结构图；
图2为该天线的俯视图；
图3为该天线的底视图；
图4为仿真得到的反射系数随频率变化曲线图；
图5为仿真得到的该天线在xy平面和xz平面的辐射方向图，虚线表示交叉极化方向图，实线表示共面极化方向图；子图(a)、(b)、(c)、(d)分别代表在频点2.3GHz时的xy平面、频点2.3GHz时的xz平面、频点3.3GHz时的xy平面、以及3.3GHz时的xz平面辐射方向图；
其中，1-微带馈线、2-金属地板、3-单极子天线、4-上超材料环、5-下超材料环、6-介质基板、7-SMA接口。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明所述的超材料单极子天线的整体结构图，图2为该天线的俯视图，图3为该天线的底视图，参考图1、2和3，本发明所述的一种超材料小型化双频带单极子天线，包括微带线1、金属地板2、单极子天线3、上超材料环4、下超材料环5、介质基板6和SMA接口7。所述介质基板6的上表面为辐射部分，由微带线1，单极子天线3和超材料环4构成，超材料环4在单极子天线的顶端，环4由中间断裂的矩形环再往里凹陷形成。单极子天线3的上下端分别连接超材料电谐振环4和微带线1；所述微带线1与SMA接口7的内导体相连；所述金属地板2与SMA接口7的外导体相连；所述的介质基板6的下表面包括金属地板2和超材料环5；所述金属地板2的高度没有覆盖整个下表面，且超材料环5在超材料环4的正下方。
介质基板6为薄的长方体，其长以L1表示，宽以W1表示，所用的材料是FR4环氧树脂板，相对介电常数为4.4，相对磁导率1.0，损耗角正切为0.02。介质基板上下两表面设置的铜的接地板、金属辐射条带、金属馈线的厚度相同。
所述的超材料电谐振环4和5分别在中间有裂口，并且向内部弯折延伸了一段，这样的设计能够有效地调节天线与微带线1的匹配程度，下表面的超材料电谐振环5能够进一步地降低天线的谐振频率，从而进一步地实现天线的小型化。所述的超材料电谐振环4和5的向内弯折延伸的金属线宽度与环的其他线宽度不一致，内弯的那一段要宽于环的四周部分。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS14.0进行仿真实验，仿真研究表明超材料环的尺寸对天线的谐振频率有很大的影响，通过HFSS优化功能得到的各项参数最佳尺寸如表1所示。
表1本发明各参数最佳尺寸表
另外：介质基板表面金属覆铜的厚度为0.017mm，介质基板的厚度为0.8mm。
根据以上参数，运用HFSS对所发明的天线进行仿真计算，得到天线的反射系数曲线和天线的辐射方向图。
图4是本发明反射系数的仿真曲线图。从图可以看到有两个谐振频点，分别为2.3GHz和3.3GHz。在|S11|<-10dB条件下，该天线的阻抗带宽频率范围分别为2.22-2.38GHz，3.15-3.48GHz，总的阻抗带宽和为490MHz。
图5是xy平面和xz平面的辐射辐射方向图，虚线表示交叉极化方向图，实线表示共面极化方向图。根据图(a)(c)和(b)(d)可以看到天线在2.3GHz和3.3GHz处的辐射图很稳定，并且交叉极化很小。同时，天线在xz平面的方向图近似为圆形，具有良好的全向性，在2.2GHz和3.3GHz频点处的增益分别为-0.45dBi和1.85dBi，相比国际已报道的小型化单极子天线来说，这样的增益值已属于目前较高范畴。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其特征在于：包括辐射部分、介质基板、接地板和馈线；
所述辐射部分包括一金属条和一金属环，金属环在金属条的顶端，它由从中间断裂的矩形环再往里凹陷形成；
所述介质基板厚度均匀，在基板的上方是辐射部分，下方是接地板和一个同样大小的金属环，且该金属环位于辐射部分金属环的正下方位置；
所述接地板的宽度与介质基板的宽度一样，高度比介质基板的长度要小；
所述馈线包括内芯线和屏蔽层，内芯与辐射部分的底端相连接，屏蔽层与接地板相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其特征在于：所述两个金属环的长度L4为8.9-9.5mm，宽度W4为8.9-9.5mm，环的内长度L5为3-3.2mm，内宽度W6为3-4mm，环的金属宽度W5为0.3-0.8mm，L6为0.6-1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其特征在于：所述介质基板的厚度为0.6-1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其特征在于：所述辐射部分的金属条的中段部分的长度为：L2为7.5-8.5mm，宽度为：W2为1.6-2mm；下端部分长度为：L3为9.9-10.9mm，宽度为：W3为0.8-1.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其特征在于：介质基板的长度L1为28-32mm，宽度W1为12-16mm，介质板的厚度为0.6-1mm，材料的相对介电常数在4-5之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于超材料单元的小型化双频带单极子天线，其特征在于：所述金属接地板的高度比介质基板的长度要小，其长度L7为9-13mm。
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