CN1283024C - 多波段微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

一种多波段微带贴片天线，包括有：一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板和位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质；其特征在于：该天线在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有：若干个用于加载的短路销钉和一个馈电探针，该若干个用于加载的短路销钉安装在金属贴片一端，以激发多个离散的谐振频率，实现多波段发射或接收；馈电探针的安装位置偏离金属贴片的水平中轴线，并远离金属贴片上安设短路销钉的一端，以减少因短路销钉对输入阻抗的影响。金属贴片、金属接地板和短路销钉都是用金属铜制成，馈电探针是用同轴电缆或微波接头制成。该天线在实现多波段工作的同时，还具有尺寸小，造价低，结构简单，易于与其他设备集成等优点。

Description

多波段微带贴片天线

技术领域

本发明涉及一种应用于无线通信的多波段微带贴片天线，属于谐振式微带天线技术领域。

背景技术

近年来，人们对信息和多媒体通信***需求不断增加，通信网也不断膨胀。当今，学术界和工程界在双波段和三波段微带天线领域进行了很多探索和努力，主要方向是提高探针馈电单片单层微带天线的通常不大的工作带宽。

现在，已经有许多方法用于实现小型双频微带天线。其中包括用短路销钉或者缝隙为贴片加载，以及使用矩形环。各种形式的加载都是通过扰动其场分布和改变其贴片上各种模式构成的谐振频率而实现的。所需要的不同模式间的频率比可以通过选取适当的加载位置或者加载量来确定，而频率调谐可以通过改变矩形贴片的尺寸来实现，其实现与频率比无关。

以电短路进行加载的形式已经被作为一种传统的技术手段频繁地应用于减小天线尺寸、实现双频工作和改变极化特性等方面。

由短路销钉产生的场扰动在实质上是非常复杂的，无法用简单的微扰作用进行描述。事实上，某些具体情况下短路销钉对输入阻抗的影响可以作为并联电感来描述。依据应用目的的不同，短路销钉可以加载在贴片的边沿或者中线上。位于一块矩形贴片一角的单独一根短路销钉可以使天线尺寸得到最大限度的削减。在贴片天线中实现短路的最简单的方法是利用导孔(如印制电路板上的孔壁周围覆盖铜箔的导孔)或者金属销钉将贴片金属与接地板连接在一起。如果需要增强加载效果，通常可以在贴片的边沿使用若干个靠近在一起的销钉或者金属条。

现在天线的多波段技术存在着许多缺点，其中主要是结构和馈电***都比较复杂：大多数现有的多波段天线设有包括两层不同介质的平板结构，或者具有诸如螺旋状贴片、金属空腔、匹配加载等非常复杂的结构。因此制造加工的工艺复杂、精度要求高、成本高、成品率低，也不易与其它设备集成为一体。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于无线通信的多波段微带贴片天线。该装置在实现天线的多波段工作的同时，还具有以下特点：尺寸小，造价低，结构简单，易于与其他设备集成等。

本发明的目的是这样实现的：一种多波段微带贴片天线，包括有：一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板和位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质；其特征在于：该天线在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有：若干个用于加载的短路销钉和一个馈电探针，所述的若干个用于加载的短路销钉安装在金属贴片一端，以激发多个离散的谐振频率，实现多波段发射或接收；所述的馈电探针的安装位置偏离金属贴片的水平中轴线，并远离金属贴片上安设短路销钉的一端，以减少因短路销钉对输入阻抗的影响。

所述的金属贴片、金属接地板和短路销钉是用高导电率金属(如铜、铜合金)或者表面镀有高导电率金属的材料制成，所述的馈电探针是用具有内导体、内绝缘层、外导体和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成。

所述的若干个用于加载的短路销钉呈纵向排列形成一直线状地安装在金属贴片一端，其连线与金属贴片的边沿平行，各个销钉以金属贴片的水平中轴线为轴对称分布；所述的短路销钉的直径不大于1mm，其直径越小，性能越好。

所述的若干个用于加载的短路销钉的最佳安装位置是位于金属贴片的边沿，即该短路销钉的外径与金属贴片的边沿相切。

所述的若干个短路销钉的数量决定该天线的谐振频率的数量，即使用自然数K个短路销钉最多可能造成K个离散的谐振频率；每个短路销钉的不同安装位置，可以实现不同的谐振频率。

所述的馈电探针的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为探针，从金属接地板上的圆孔穿出，该圆孔的孔径应略大于该内导体直径，在内导体与圆孔孔壁之间填充有绝缘材料，以保持两者绝缘；该内导体探针垂直于金属接地板平面，向上延伸至所述的金属贴片下方与该金属贴片相连接，该内导体探针与该金属贴片相连接处即为馈电点；同轴电缆或微波接头的外导体在该金属接地板下方与该金属接地板相连接。

所述的馈电点应远离所述的短路销钉，该馈电点的位置至少要处于所述的金属贴片上由与该多个短路销钉连线相平行的中线所划分的远离短路销钉的1/2区域内。

所述的金属贴片呈矩形，其厚度不大于0.1mm，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为：

$L=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

$W=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≥1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≤1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}+0.04{(1-W/h)}^2$

$\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(L/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(L/h+0.8)}$

式中：f₀是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε₀是真空电容率或介电常数；μ₀是真空磁导率；ε_r是介质的相对电容率；ΔL是等效辐射缝隙宽度；ε_e是有效电容率；h是金属接地板与金属贴片之间的高度，其数值取决于实际应用的需要。

所述的金属接地板的厚度不大于1mm，其长度和宽度都应比所述的金属贴片至少大20mm。

所述的位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质使用空气，此时在所述的金属贴片的四角分别设有一个半径不大于1mm、长度为h的普通绝缘塑料棒支撑在金属贴片与金属接地板之间；h是金属贴片和金属接地板之间的高度，其数值取决于实际应用的需要。

本发明是一种结构新颖、简单、实用的多波段微带贴片天线，可同时提供优良的带宽和辐射效率，该天线可以用于各种需要多波段天线的无线通信设备中。其主要特点是：采用单层金属贴片作为天线，结构简单；而且，几何尺寸小、重量轻，易于集成在各种器件中；馈电***也非常简单，只有单个探针馈电。因此本发明与其他结构复杂的天线相比较，制造成本低廉，具有较好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明多波段微带贴片天线结构组成的俯视图。

图2是本发明的一实施例—三波段微带贴片天线的俯视图。

图3是图1所示的一实施例的主视剖视图。

图4是图1所示的一实施例的侧视图。

图5是图1所示的一实施例的天线回波损耗图。

图6是图1所示的一实施例的天线增益图。

图7(A)、(B)～图9(A)、(B)分别是图2所示的一实施例的天线在三个谐振频率(f₀分别为1.83GHz，2.16GHz和2.74GHz)的磁场辐射方向图和电场辐射方向图。

具体实施方式

参见图1，本发明是一种多波段微带贴片天线，包括有：一块长度为L宽度为W的矩形金属贴片1、一块与金属贴片1平行的金属接地板2和位于金属贴片1和金属接地板2之间的绝缘填充介质；该天线在金属贴片1与金属接地板2之间垂直安装有：一个馈电探针3和多个(图示为4个)用于加载的短路销钉4，这些短路销钉4用于激发多个离散的谐振频率，实现天线的多波段发射或接收。图中四个短路销钉4呈纵向排列形成一直线状地安装在金属贴片1的一端，其连线与金属贴片1的边沿平行；其最佳安装位置是位于金属贴片1的边沿，即这些短路销钉4的外径与金属贴片1的边沿相切。每个销钉4之间的距离以金属贴片1的水平中轴线为轴对称分布；图1所示的四个短路销钉4在金属贴片1的x-y二维平面(该坐标系是以金属贴片1的一边的中点为原点，该边为y轴，垂直该边的中线为x轴)中的坐标位置分别为：(x₁，y₁)、(x₁，y₂)、(x₁，-y₂)和(x₁，-y₁)。各个短路销钉4的直径应不大于1mm，其直径越小，性能越好。在本发明中，若干个短路销钉4的数量决定该天线的谐振频率的数量，如图1所示，使用4个短路销钉最多可能造成4个离散的谐振频率，且每个短路销钉的不同安装位置，可以实现不同的谐振频率。馈电探针3的坐标(x₀，y₀)则是根据设计要求决定的，其安装位置决定天线的工作频率范围；若移动馈电点的位置，天线工作频率范围也将随之改变。

参见图2～图4，下面结合图示的本发明的一实施例—三波段微带贴片天线—进一步说明其组成结构。本发明是一种多波段微带贴片天线，包括有：一块金属贴片1、一块与金属贴片1平行的金属接地板2和位于金属贴片1和金属接地板2之间的绝缘填充介质5；该天线在金属贴片1与金属接地板2之间垂直安装有：一个馈电探针3和若干个(图示为3个)用于加载的短路销钉4，这些短路销钉4用于激发多个离散的谐振频率，实现天线的多波段发射或接收。

这些短路销钉4的一端连接金属贴片1的贴片边沿，另一端连接金属接地板2并垂直于金属接地板2。本发明中各种金属元件之间的电连接都是采用锡焊实现。三个短路销钉4呈纵向排列形成一直线状地安装在金属贴片1的一端，其连线与金属贴片1的边沿平行；它们都位于金属贴片1的边沿-处于最佳安装位置。每个销钉4之间的距离以金属贴片1的水平中轴线为轴对称分布；图示的三个短路销钉4半径为0.1mm，在金属贴片1的x-y二维平面(该坐标系是以金属贴片1的一边的中点为原点，该边为y轴，垂直该边的中线为x轴)中的坐标位置分别为：(0.1，38)、(0.1，0)、(0.1，-38)。各个短路销钉4的直径应不大于1mm，其直径越小，性能越好。在本发明中，短路销钉4的数量决定该天线的谐振频率的数量，如图2所示，3个短路销钉最多可能造成3个离散的谐振频率，且每个短路销钉的不同安装位置，可以实现不同的谐振频率。

本发明的金属贴片1、金属接地板2和短路销钉4的材料是高导电率金属或者表面镀有高导电率金属的材料，该实施例中是使用金属铜，馈电探针3是用具有内导体31、内绝缘层、外导体32和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成，实施例中是用特性阻抗50Ω的同轴电缆将其末端一部分外导体和绝缘层剥除之后制成的。

参见图3和图4，馈电探针3的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体31作为探针，从金属接地板2上的圆孔穿出，该圆孔的孔径应略大于该内导体31直径，在内导体31与圆孔孔壁之间填充有绝缘材料7，以保持两者绝缘。该内导体探针31垂直于金属接地板2平面，向上延伸至金属贴片1的下方与该金属贴片1相连接，该探针31与该金属贴片1相连接处即为馈电点。同轴电缆或微波接头的外导体32在该金属接地板2的下方与该金属接地板2相连接。馈电点的安装位置是根据设计要求决定的，其位置决定天线的工作频率范围；若移动馈电点的位置，天线工作频率范围也将随之改变。通常，馈电探针3应偏离金属贴片1的水平中轴线，并远离金属贴片1上安设短路销钉4的一端，即至少要处于金属贴片1上由与该多个短路销钉4连线相平行的中线所划分的远离短路销钉4的1/2区域内，以减少因短路销钉4对输入阻抗的影响；图2展示了馈电点3在金属贴片1的x-y二维平面中的坐标位置为：(72，17.68)。

本发明的金属贴片1呈矩形，图2所示的实施例为正方形，其边长为80mm；与金属接地板2平行；其厚度可以调节，但不能大于0.1mm，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为：

$L=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

$W=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

式中：f₀是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε₀是真空电容率或介电常数；μ₀是真空磁导率；ε_r是介质的相对电容率；ΔL是等效辐射缝隙宽度；ε_e是有效电容率；h是金属接地板与金属贴片之间的高度，其数值取决于实际应用的需要。

本发明金属接地板2的厚度也可以调节，但是不能大于1mm，其长度和宽度都应分别比金属贴片1的长度L和宽度W至少大20mm；即图1和图2中的M和N的尺寸都应在10mm以上。其它有关参数的计算公式是：

W/h≥1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≤1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}+0.04{(1-W/h)}^2$

$\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(L/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(L/h+0.8)}$

式中：ε_e是有效电容率；ε_r是介质的相对电容率；ΔL是等效辐射缝隙宽度；L是金属贴片的长度；W是金属贴片的宽度。图示的实施例的高度h＝8mm。

本发明在金属贴片1和金属接地板2之间的填充介质5可以是各种绝缘材料，推荐使用空气，其相对介电常数(相对电容率)ε_r＝1。此时在金属贴片1的四角分别设有一个半径不大于1mm、长度为h的普通绝缘塑料棒6支撑在金属贴片1与金属接地板2之间。

参见图5～图9，本发明通过对金属贴片的尺寸、金属贴片与金属接地板的距离、各个短路销钉和馈电点的安装位置进行计算和和合理安排，使得在上述图2～图4中展示的实施例天线具有三个离散的谐振频率：f₀₁＝1.83GHz，f₀₂＝2.16GHz和f₀₃＝2.74GHz。图5说明了在上述三个谐振频率处的回波损耗均小于10dB，满足实际应用的要求。图6则说明了在这三个谐振频率上的峰值增益分别为9.4dB，9.6dB和0.24dB，可以实现三波段工作。图7(a)、(b)～图9(a)、(b)中的各个附图则分别展示了上述三个谐振频率处的磁场辐射方向图(a)和电场辐射方向图(b)，由图可见，在这三个谐振频率上的辐射方向性图也是比较理想的。

Claims (10)

1、一种多波段微带贴片天线，包括有：一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板和位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质；其特征在于：该天线在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有：若干个用于加载的短路销钉和一个馈电探针，所述的若干个用于加载的短路销钉安装在金属贴片一端，以激发多个离散的谐振频率，实现多波段发射或接收；所述的馈电探针的安装位置偏离金属贴片的水平中轴线，并远离金属贴片上安设短路销钉的一端，以减少因短路销钉对输入阻抗的影响。

2、根据权利要求1所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的金属贴片、金属接地板和短路销钉是用高导电率金属或者表面镀有高导电率金属的材料制成，所述的馈电探针是用具有内导体、内绝缘层、外导体和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成。

3、根据权利要求1所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的若干个用于加载的短路销钉呈纵向排列形成一直线状地安装在金属贴片一端，其连线与金属贴片的边沿平行，各个销钉以金属贴片的水平中轴线为轴对称分布；所述的短路销钉的直径不大于1mm。

4、根据权利要求3所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的若干个用于加载的短路销钉的最佳安装位置是位于金属贴片的边沿，即该短路销钉的外径与金属贴片的边沿相切。

5、根据权利要求1或3所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的若干个短路销钉的数量决定该天线的谐振频率的数量，即使用自然数K个短路销钉最多可能造成K个离散的谐振频率；每个短路销钉的不同安装位置，可以实现不同的谐振频率。

6、根据权利要求2所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的馈电探针的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为探针，从金属接地板上的圆孔穿出，该圆孔的孔径应略大于该内导体直径，在内导体与圆孔孔壁之间填充有绝缘材料，以保持两者绝缘；该内导体探针垂直于金属接地板平面，向上延伸至所述的金属贴片下方与该金属贴片相连接，该内导体探针与该金属贴片相连接处即为馈电点；同轴电缆或微波接头的外导体在该金属接地板下方与该金属接地板相连接。

7、根据权利要求6所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的馈电点应远离所述的短路销钉，该馈电点的位置至少要处于所述的金属贴片上由与该多个短路销钉连线相平行的中线所划分的远离短路销钉的1/2区域内。

8、根据权利要求1所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的金属贴片呈矩形，其厚度不大于0.1mm，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为：

$L=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}-2\mathrm{\ΔL}$

$W=\frac{1}{2f_0\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≥1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}$

W/h≤1时： ${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{L})}^{-\frac{1}{2}}+0.04{(1-W/h)}^2$

$\mathrm{\ΔL}=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(L/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(L/h+0.8)}$

式中：f₀是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε₀是真空电容率或介电常数；μ₀是真空磁导率；ε_r是介质的相对电容率；ΔL是等效辐射缝隙宽度；ε_e是有效电容率；h是金属接地板与金属贴片之间的高度，其数值取决于实际应用的需要。

9、根据权利要求1所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的金属接地板的厚度不大于1mm，其长度和宽度都应比所述的金属贴片至少大20mm。

10、根据权利要求1或9所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在于：所述的位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质使用空气，此时在所述的金属贴片的四角分别设有一个半径不大于1mm、长度为h的普通绝缘塑料棒支撑在金属贴片与金属接地板之间；h是金属贴片和金属接地板之间的高度，其数值取决于实际应用的需要。

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