CN104810608B - 一种宽频带小尺寸天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽频带小尺寸天线，包括介质板，还包括均设置在该介质板上的两个矩形金属环、十字形馈电线及其金属面；两个矩形金属环采用左右对称排列形式，两个矩形金属环为封闭环，或者两个矩形金属环对应设有两个开口，两个开口对应位于两个矩形金属环的外侧边上，且两个开口左右对称；十字形馈电线的竖线位于两个矩形金属环的中部，十字形馈电线的横线位于两个矩形金属环的下边部位，十字形馈电线的下部分馈电线向下延伸到介质板下端，作为馈电端口；十字形馈电线的下部分馈电线所在介质板的另一面为该金属面，金属面是该十字形馈电线的接地面。本发明设计的天线具备宽频带、小尺寸、轻质量、易加工、易于集成、成本低的特点。

Description

一种宽频带小尺寸天线

技术领域

本发明属于天线领域，尤其为一种宽频带小尺寸天线。

背景技术

随着对天线要求的不断提高，宽频带、小尺寸、低剖面、轻质量、易加工、易集成、低成本天线是天线发展需求的重要方向。微带线天线具备轻质量、易加工、易集成、低成本等显著优点，但同时兼顾宽频带和小尺寸具有极大挑战。Vivaldi天线具备超宽带特性，但其尺寸取决于低频工作波长，难以做到小尺寸。微带线贴片天线具有低剖面的优点，还可通过开槽、折叠、分形等技术实现小型化，但是难以做到宽频带。

发明内容

针对上述的方案的不足，本发明提出一种宽频带小尺寸天线。

该发明的技术方案是：一种宽频带小尺寸天线，包括介质板，还包括均设置在该介质板上的两个矩形金属环、十字形馈电线及其金属面；两个矩形金属环采用左右对称排列形式，两个矩形金属环为封闭环，或者两个矩形金属环对应设有两个开口，两个开口的形状呈电容符号状，两个开口对应位于两个矩形金属环的外侧边上，且两个开口左右对称；

该十字形馈电线的竖线位于两个矩形金属环的中部，该十字形馈电线的横线位于两个矩形金属环的下边部位，该十字形馈电线的下部分馈电线向下延伸到该介质板下端，作为馈电端口；

该十字形馈电线的下部分馈电线所在该介质板的另一面为该金属面，该金属面为具有一定面积的金属涂覆层，该金属面是该十字形馈电线的接地面。

作为进一步的优选方案，两个矩形金属环与该十字形馈电线位于该介质板的一面；该金属面位于该介质板的另一面。

作为进一步的优选方案，两个矩形金属环与该金属面位于该介质板的一面；该十字形馈电线位于该介质板的另一面。

作为进一步的优选方案，该宽频带小尺寸天线单独使用或者多个天线单元组成天线阵使用。

作为进一步的优选方案，该十字形馈电线的下部分馈电线采用多段不同长度、不同宽度、不同排布形式的十字形馈电线连接组成。

作为进一步的优选方案，该介质板的介电常数为2～5。

作为进一步的优选方案，该金属面的加工工艺采用腐蚀法或激光刻蚀法。

作为进一步的优选方案，该宽频带小尺寸天线采用尺寸缩小或增大来实现工作频带的调节。

作为进一步的优选方案，该十字形馈电线的下部分馈电线折叠处理，呈侧向半圆弧突起状。

本发明的宽频带小尺寸天线采用两个左右对称布置的矩形金属环、十字形馈电线结构形式以及金属面的设计，具备了结构简单、宽频带、小尺寸、低剖面、轻质量、易加工、易集成、低成本等优点。

附图说明

图1为本发明较佳实施例1的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的天线电压驻波比图；

图4为图1的天线增益方向图；

图5为本发明较佳实施例2的结构示意图；

图6为图5的天线电压驻波比图；

图7为图5的天线增益方向图；

图8为本发明较佳实施例3的结构示意图；

图9为图8的天线电压驻波比图；

图10为图8的天线增益方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，本发明的一种宽频带小尺寸天线，是采用微带线结构形式，即表层走线的方式实现的。本发明的宽频带小尺寸天线包括两个矩形金属环1、十字形馈电线2、介质板3、金属面4。

两个矩形金属环1、十字形馈电线2、金属面4均设置在介质板3的表面，且均为一定厚度的金属涂覆层，常用的为覆铜层，厚度为18μm。

两个矩形金属环1采用左右对称排列形式，两个矩形金属环1对应设有两个开口5，且两个开口5的构造相类似于电容符号形式，即两个开口5上下端均存在一小段缝隙，该缝隙的尺寸可为0mm,即两个金属矩形金属环1也可以是闭合的环状。两个开口5在两个矩形金属环1的外侧边上，且两个开口5左右对称。

十字形馈电线2的竖线位于两矩形金属环1的中间部位，十字形馈电线2的横线位于两个矩形金属环1的下边部位。十字形馈电线2的下部分馈电线向下延伸到介质板3的下端，作为馈电端口。十字形馈电线2的下部分馈电线所在介质板3的另一面作为金属面4，金属面4是涂覆一定面积的金属涂覆层，并作为十字形馈电线2接地用。本发明底部的矩形块为馈电端口(实物天线该矩形块不存在)。

两个矩形金属环1、十字形馈电线2以及金属面4有两种分布形式，一种是两个矩形金属环1和十字形馈电线2在介质板3的同一面，金属面4在介质板的另一面；另一种是两个矩形金属环1和金属面4在介质板3的同一面，十字形馈电线2在介质板3的另一面。

作为金属涂覆层的两个矩形金属环1、十字形馈电线2、金属面4可以采用腐蚀法和激光刻蚀法制备，通常，光刻工艺的精度要高于腐蚀法。微带线结构常用制备方法为在双面覆铜板上采用化学腐蚀法制备出相应结构形式的微带线天线。

本发明的宽频带小尺寸天线还可以采用带状线的结构形式，即内层走线的方式制作。该带状线结构形式和微带线状结构形式主要区别在于一个是在介质板3的表面走线，另一个是介质板3的内部走线。对于本领域技术人员很容易进行转换设计。

本发明采用对称设计的两个矩形金属环1作为该天线的辐射器，该种结构形式可以使该天线在较小的尺寸下形成谐振辐射，有利于该天线实现小尺寸的结构形式。通过优化设计左右对称布置的两个矩形金属环1的长宽比及长度，两个开口5间隙大小，可调节该天线的谐振频率，使该天线多个谐振频率靠近连在一起，形成宽的工作频带。

本发明的天线采用十字形馈电线2耦合馈电，该种馈电方式结构形式简单，制备加工容易。本发明的结构设计具有的低剖面、轻质量、易加工、易集成、低成本的特点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明与普通微带线振子天线相比，较好的兼顾了宽频带与小型化的优点，同时该天线结构形式简单，易于加工。

为了更进一步地说明本发明，现以具体实施案例并结合附图详细说明。

实施例1

本实施例1的天线采用微带线结构，参照图1和图2所示，两个开口矩形环1和十字形馈电线路2在介质板3的同一面，金属面4在介质板3的另一面。十字形馈电线路2通过缝隙耦合对两个开口矩形环1进行馈电激励。该天线采用双面覆铜板通过化学腐蚀法加工制成，覆铜层厚度为18μm，介质板采用Rogers5880介质板，介电常数2.2。

本实施例1的天线核心尺寸参数为：两个矩形金属环1短边长度b＝11mm，长边长度lz＝26mm，介质板3宽度a＝26mm，厚度0.508mm，金属面4呈矩形，其宽度与介质板3同宽，高度为ld＝19.25mm。

十字形馈电线2的下部分馈电线采用2级阻抗变换形式，即由2节不同宽度的微带线连接构成，最下端的微带线端口特性阻抗为50Ω，以便于与外界端口实现阻抗匹配。十字形馈电线2与两个矩形金属环1的内侧边及下边均存在一定宽度的缝隙，整个天线呈左右对称结构。

该微带线结构形式的天线在2.2GHz-5.2GHz频带内具备良好的宽频带工作性能，其电压驻波比(VSWR)小于2，参见图3。在工作频带内，该天线方向图具备很好的各向同性特征，这得益于该天线结构具备很好的左右对称性，在工作频带内以0.5GHz为间隔，选取2.5GHz、3GHz、3.5GHz、4GHz、4.5GHz、5GHz6个频率点作为代表，绘制了该天线工作在上述频率点俯仰面360度，每1度一个间隔(即theta角)，方位面360度，每5度一个间隔(即phi角)天线增益方向图。结果参见图4。该天线方向图具有良好的各向同性，天线最大辐射方向在水平面上(即theta＝90度和-90度方向)，这和垂直放置的半波振子天线非常类似。

与微带线半波振子天线相比，该天线工作带宽远宽于微带线振子天线，VSWR小于2的相对带宽达81.8％。以2.2GHz计算，微带线半波振子天线振子臂长约为68mm，而本天线辐射臂的长度为26mm，远小于微带线振子天线。

实施例1表明采用两个矩形金属环1和十字形馈电线2的微带线结构形式天线较好的兼顾了宽频带与小尺寸的优点。

实施例2

如图5所示，实施例2与实施例1结构的差异主要来自对十字形馈电线2的改变，其它部位结构形式保持不变。此实施例2中，对十字形馈电线2连接馈电端口那一段垂直线进行了折叠处理，呈“U”字形。采用折叠形式的十字形馈电线2可以有效地缩短十字形馈电线路高度，降低整个天线的高度。十字形馈电线2在转弯处采用切角的方式来降低十字形馈电线路的反射。

本实施例2中，金属面4高度由实施例1中的19.25mm减小为12mm。实施例2的天线电压驻波比(VSWR)和增益方向图如图6和图7所示。受到十字形馈电线路的改动，天线带宽略有减小，VSWR小于2的带宽为2.5GHz-5.1GHz。受十字形馈电线2的不对称影响，天线增益的方向图对称性有一定变差。

实施例3

如图8所示，实施例3与实施例1的主要区别在于实施例3中两个矩形金属环1和十字形馈电线2分别位于介质板3的两面，其中两个矩形金属环1和金属面4位于介质板同一面。本实施例3中，两个矩形金属环1内侧边与边之间的缝隙有一定减小，十字形馈电线2的横线上移到与两个矩形金属环1下边重合的部位，且十字形馈电线2横线的水平中心线与两个矩形金属环1下边的水平中心线重合。

实施例3中天线加工材料及制备方法与实施例1中相同，微带线天线核心尺寸参数只有金属面4高度有所改变，其高度为ld＝21.43mm。天线以其水平中心线呈左右对称。

实施例3中天线的电压驻波比(VSWR)小于2的频带为2.9GHz-4.9GHz，如图9所示，相比实施例1，工作带宽略有减小。工作带宽内的天线增益方向图如图10所示。由图可看出，由于天线具有很好的左右对称性，其方向图也表现出良好的各向同性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽频带小尺寸天线，包括介质板，其特征在于：还包括均设置在该介质板上的两个矩形金属环、十字形馈电线及其金属面；两个矩形金属环采用左右对称排列形式，两个矩形金属环为封闭环，或者两个矩形金属形对应设有两个开口，两个开口的形状呈电容符号状，两个开口对应位于两个矩形金属环的外侧边上，且两个开口左右对称；

该十字形馈电线的竖线位于两个矩形金属环的中部，该十字形馈电线的横线位于两个矩形金属环的下边部位，该十字形馈电线的下部分馈电线向下延伸到该介质板下端，作为馈电端口；

该十字形馈电线的下部分馈电线所在该介质板的另一面为该金属面，该金属面为具有一定面积的金属涂覆层，该金属面是该十字形馈电线的接地面。

2.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：两个矩形金属环与该十字形馈电线位于该介质板的一面；该金属面位于该介质板的另一面。

3.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：两个矩形金属环与该金属面位于该介质板的一面；该十字形馈电线位于该介质板的另一面。

4.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：该宽频带小尺寸天线单独使用或者多个天线单元组成天线阵使用。

5.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：该十字形馈电线的下部分馈电线采用多段不同长度、不同宽度、不同排布形式的十字形馈电线连接组成。

6.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：该介质板的介电常数为2～5。

7.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：该金属面的加工工艺采用腐蚀法或激光刻蚀法。

8.如权利要求1所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：该宽频带小尺寸天线采用尺寸缩小或增大来实现工作频带的调节。

9.如权利要求5所述的宽频带小尺寸天线，其特征在于：该十字形馈电线的下部分馈电线折叠处理，呈侧向半圆弧突起状。