專利名稱：高q值多波段微帶貼片天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于無線通信的多波段微帶貼片天線，屬于諧振式微帶天線技術領域。
背景技術：
近年來，人們對信息和多媒體通信系統需求不斷增加，通信網也不斷膨脹。當今，學術界和工程界在雙波段和三波段微帶天線領域進行了很多探索和努力，主要方向是提高探針饋電單片單層微帶天線的通常不大的工作帶寬。
現在，已經有許多方法用于實現小型雙頻微帶天線。其中包括用短路銷釘或者縫隙為貼片加載，以及使用矩形環。各種形式的加載都是通過擾動其場分布和改變其貼片上各種模式構成的諧振頻率而實現的。所需要的不同模式間的頻率比可以通過選取適當的加載位置或者加載量來確定，而頻率調諧可以通過改變矩形貼片的尺寸來實現，其實現與頻率比無關。
以縫隙進行加載的形式已經被作為一種傳統的技術手段頻繁地應用于減小天線尺寸、實現雙頻工作和改變極化特性等方面。
由縫隙產生的場擾動在實質上是非常復雜的，無法用簡單的微擾作用進行描述。事實上，某些具體情況下縫隙對輸入阻抗的影響可以作為引入電感來描述。依據應用目的不同，縫隙可以位于在貼片的邊沿或者中間。在貼片天線中實現縫隙的最簡單的方法是利用印制電路板工藝中的蝕刻技術在貼片上實現縫隙。如果需要增強加載效果，通常可以采用多條平行縫隙。
現在天線的多波段技術存在著許多缺點，其中主要是結構和饋電系統都比較復雜大多數現有的多波段天線設有包括兩層不同介質的平板結構，或者具有諸如螺旋狀貼片、金屬空腔、匹配加載等非常復雜的結構。因此制造加工的工藝復雜、精度要求高、成本高、成品率低，也不易與其它設備集成為一體。
發明內容
本發明的目的是提供一種適用于無線通信的多波段微帶貼片天線。該裝置在實現天線的多波段工作的同時，還具有以下特點尺寸小，造價低，結構簡單，易于與其他設備集成等。
本發明的目的是這樣實現的一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片、一塊與金屬貼片平行的金屬接地板和位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質，采用印制電路板工藝；其特征在于該天線的金屬貼片呈矩形，在矩形的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行。以激發多個離散的諧振頻率，實現多波段發射或接收；天線在金屬貼片與金屬接地板之間垂直安裝有一個饋電探針，所述的饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。所述的金屬貼片、金屬接地板以及位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質采用雙面印制電路板工藝實現，所述的饋電探針是用具有內導體、內絕緣層、外導體和外絕緣層的同軸結構的同軸電纜或微波接頭制成。
所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的若干條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行且任意兩條縫隙均不相交，處于同一條邊上的兩條縫隙以貼片的水平中軸線為軸對稱分布。
所述的若干條矩形縫隙的位置分布為在矩形貼片的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，實現多個諧振頻率。
所述的饋電探針的安裝是將同軸電纜或微波接頭的內導體作為探針，從印制電路板上的通孔穿出，該通孔的孔徑應略大于該內導體直徑，且表面無覆銅，在內導體與接地板孔壁之間填充有絕緣材料，以保持兩者絕緣；該內導體探針垂直于印制電路板平面，向上延伸至與貼片平面平齊，該探針伸出位置即為饋電點，在饋電點探針與貼片相連接；同軸電纜或微波接頭的外導體在該金屬接地板下方與該金屬接地板相連接。
所述的金屬貼片呈矩形，其厚度為印制電路板工業標準的銅箔厚度，其長度L和寬度W的尺寸與天線諧振頻率的設計參數為L=12f0ϵeμ0ϵ0-2ΔL]]>W=12f0μ0ϵ0(ϵr+12)-12]]>
W/h≥1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12]]>W/h≤1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12+0.04(1-W/h)2]]>ΔL=0.412h(ϵe+0.3)(L/h+0.264)(ϵe-0.258)(L/h+0.8)]]>式中f0是天線的諧振頻率或其工作頻帶的中心頻率；ε0是真空電容率或介電常數；μ0是真空磁導率；εr是介質的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；εe是有效電容率；h是金屬接地板與金屬貼片之間絕緣介質的厚度，其數值為印制電路板工業標準中絕緣介質的厚度。
所述的金屬接地板的厚度為印制電路板工業標準銅箔厚度，其長度和寬度都應比所述的金屬貼片至少大20mm。
所述的位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質，即印制電路板的介質基片推薦使用相對電容率小于3的絕緣介質。
本發明是一種結構新穎、簡單、實用的多波段微帶貼片天線，可同時提供優良的帶寬和輻射效率，該天線可以用于各種需要多波段天線的無線通信設備中。其主要特點是采用單層金屬貼片作為天線，結構簡單；而且，幾何尺寸小、重量輕，易于集成在各種器件中；饋電系統也非常簡單，只有單個探針饋電。因此本發明與其他結構復雜的天線相比較，制造成本低廉，具有較好的推廣應用前景。
圖1是本發明多波段微帶貼片天線結構組成的俯視圖。
圖2是本發明的一實施例-四波段微帶貼片天線的俯視圖。
圖3是圖1所示的一實施例的主視剖視圖。
圖4是圖1所示的一實施例的側視圖。
圖5是圖1所示的一實施例的天線回波損耗圖。
圖6是圖1所示的一實施例的天線增益圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發明是一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊長度為L寬度為W的矩形金屬貼片1、一塊與金屬貼片1平行的金屬接地板2和位于金屬貼片1和金屬接地板2之間的絕緣填充介質6；該天線在金屬貼片1與金屬接地板2之間垂直安裝有一個饋電探針3。在矩形金屬貼片1的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙4，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙5，所有矩形縫隙方向均保持平行，以激發多個離散的諧振頻率，實現多波段發射或接收。所述的三條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行且任意兩條縫隙均不相交，處于同一條邊上的兩條縫隙4以金屬貼片1的水平中軸線為軸對稱分布。圖1所示的三條縫隙在金屬貼片1的x-y二維平面(該坐標系是以金屬貼片1的一邊的中點為原點，該邊為y軸，垂直該邊的中線為x軸)上，處于同一條邊上的兩條縫隙4中距離y軸較近的一條，其邊緣到y軸的垂直距離為W1，其長和寬分別為Ls1和Ws1；處于與該邊平行的邊上的縫隙5，其邊緣到y軸的垂直距離為W2，其長和寬的尺寸分別為Ls2和Ws2。
饋電探針3的坐標(x0，y0)則是根據設計要求決定的，其安裝位置決定天線的工作頻率范圍；若移動饋電點的位置，天線工作頻率范圍也將隨之改變。
參見圖2～圖4，下面結合圖示的本發明的一實施例-四波段微帶貼片天線-進一步說明其組成結構。本發明是一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片1、一塊與金屬貼片1平行的金屬接地板2和位于金屬貼片1和金屬接地板2之間的絕緣填充介質6；該天線在金屬貼片1與金屬接地板2之間垂直安裝有一個饋電探針3；金屬貼片上有三條用于加載的縫隙，以激發多個離散的諧振頻率，實現多波段發射或接收。
在矩形金屬貼片1的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙4，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙5，所有矩形縫隙方向均保持平行，以激發多個離散的諧振頻率，實現多波段發射或接收。三條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行且任意兩條縫隙均不相交，處于同一條邊上的兩條縫隙4以金屬貼片1的水平中軸線為軸對稱分布。如圖2所示的三條縫隙在金屬貼片1的x-y二維平面(該坐標系是以金屬貼片1的一邊的中點為原點，該邊為y軸，垂直該邊的中線為x軸)上，處于同一條邊上的兩條縫隙4中距離y軸較近的一條，其邊緣到y軸的垂直距離為W1＝15.1mm，其長和寬分別為Ls1＝24mm，Ws1＝10.8mm；處于與該邊平行的邊上的縫隙5，其邊緣到y軸的垂直距離為W2＝9.3mm，其長和寬的尺寸分別為Ls2＝21.5mm，Ws2＝5.8mm。
本發明的金屬貼片1和金屬接地板2的材料是高導電率金屬或者表面鍍有高導電率金屬的材料，該實施例中是使用金屬銅，饋電探針3是用具有內導體31、內絕緣層、外導體32和外絕緣層的同軸結構的同軸電纜或微波接頭制成，實施例中是用特性阻抗50Ω的同軸電纜將其末端一部分外導體和絕緣層剝除之后制成的。本發明中各種金屬元件之間的電連接都是采用錫焊實現。
參見圖3和圖4，饋電探針3的安裝是將同軸電纜或微波接頭的內導體31作為探針，從金屬接地板2上的圓孔穿出，該圓孔的孔徑應略大于該內導體31直徑，在內導體31與圓孔孔壁之間填充有絕緣材料7，以保持兩者絕緣。該內導體探針31垂直于金屬接地板2平面，向上延伸至金屬貼片1的下方與該金屬貼片1相連接，該探針31與該金屬貼片1相連接處即為饋電點。同軸電纜或微波接頭的外導體32在該金屬接地板2的下方與該金屬接地板2相連接。饋電點的安裝位置是根據設計要求決定的，其位置決定天線的工作頻率范圍；若移動饋電點的位置，天線工作頻率范圍也將隨之改變。圖2展示了饋電點3在金屬貼片1的x-y二維平面中的坐標位置為(28.3，19.45)mm。
本發明的金屬貼片1呈矩形，圖2所示的實施例中其長L＝50.6mm，寬W＝56.6mm；與金屬接地板2平行；其厚度為印制電路板工業標準的銅箔厚度，其長度L和寬度W的尺寸與天線諧振頻率的設計參數為L=12f0ϵeμ0ϵ0-2ΔL]]>W=12f0μ0ϵ0(ϵr+12)-12]]>式中f0是天線的諧振頻率或其工作頻帶的中心頻率；ε0是真空電容率或介電常數；μ0是真空磁導率；εr是介質的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；εe是有效電容率；h是金屬接地板與金屬貼片之間絕緣介質的厚度，其數值為印制電路板工業標準中絕緣介質的厚度。
所述的金屬接地板2的厚度為印制電路板工業標準銅箔厚度，其長度和寬度都應分別比金屬貼片1的長度L和寬度W至少大20mm；即圖1和圖2中的M和N的尺寸都應在10mm以上。其它有關參數的計算公式是W/h≥1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12]]>W/h≤1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12+0.04(1-W/h)2]]>ΔL=0.412h(ϵe+0.3)(L/h+0.264)(ϵe-0.258)(L/h+0.8)]]>式中εe是有效電容率；εr是介質的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；L是金屬貼片的長度；W是金屬貼片的寬度。圖示的實施例的高度h＝8mm。
本發明在金屬貼片1和金屬接地板2之間的填充介質6即印制電路板的介質基片使用εr＝2.59的印制板基材。
參見圖5～圖6，本發明通過對金屬貼片的尺寸、金屬貼片與金屬接地板的距離、三條縫隙和饋電點的安裝位置進行計算和合理安排，使得在上述圖2～圖4中展示的實施例天線具有四個離散的諧振頻率f01＝1.6GHz，f02＝1.8GHz，f03＝2.65GHz和f04＝4.83GHz。圖5說明了在上述四個諧振頻率處的回波損耗均接近或小于10dB，滿足實際應用的要求。圖6則說明了在這四個諧振頻率上的峰值增益分別為5.13dB，6.38dB，4.88dB和3.34dB，可以實現四波段工作。
權利要求
1.一種多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片、一塊與金屬貼片平行的金屬接地板和位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質，采用雙面印制電路板工藝；其特征在于該天線的金屬貼片呈矩形，在矩形的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，以激發多個離散的諧振頻率，實現多波段發射或接收。天線在金屬貼片與金屬接地板之間垂直安裝有一個饋電探針，所述的饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。
2.根據權利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的金屬貼片、金屬接地板以及位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質采用雙面印制電路板工藝實現，所述的饋電探針是用具有內導體、內絕緣層、外導體和外絕緣層的同軸結構的同軸電纜或微波接頭制成。
3.根據權利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的若干條矩形縫隙均從貼片邊沿向中央延伸，各縫隙互相平行，處于同一條邊上的兩條縫隙以貼片的水平中軸線為軸對稱分布。
4.根據權利要求3所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的若干矩形條縫隙均是從矩形貼片的邊沿開始向中央延伸，且任意兩條縫隙均不相交。
5.根據權利要求1或3所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于在矩形貼片的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條同樣垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，實現多個諧振頻率。
6.根據權利要求2所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的饋電探針的安裝是將同軸電纜或微波接頭的內導體作為探針，從印制電路板上的通孔穿出，該通孔的孔徑應略大于該內導體直徑，且表面無覆銅，在內導體與接地板孔壁之間填充有絕緣材料，以保持兩者絕緣；該內導體探針垂直于印制電路板平面，向上延伸至與貼片平面平齊，該探針伸出位置即為饋電點，在饋電點探針與貼片相連接；同軸電纜或微波接頭的外導體在該金屬接地板下方與該金屬接地板相連接。
7.根據權利要求6所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。
8.根據權利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的金屬貼片呈矩形，其厚度為印制電路板工業標準的銅箔厚度，其長度L和寬度W的尺寸與天線諧振頻率的設計參數為L=12f0ϵeμ0ϵ0-2ΔL]]>W=12f0μ0ϵ0(ϵr+12)12]]>W/h≥1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12]]>W/h≤1時ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hL)-12+0.04(1-W/h)2]]>ΔL=0.412h(ϵe+0.3)(L/h+0.264)(ϵe-0.258)(L/h+0.8)]]>式中f0是天線的諧振頻率或其工作頻帶的中心頻率；ε0是真空電容率或介電常數；μ0是真空磁導率；εr是介質的相對電容率；ΔL是等效輻射縫隙寬度；εe是有效電容率；h是金屬接地板與金屬貼片之間絕緣介質的厚度，其數值為印制電路板工業標準中絕緣介質的厚度。
9.根據權利要求1所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的金屬接地板的厚度為印制電路板工業標準銅箔厚度，其長度和寬度都應比所述的金屬貼片至少大20mm。
10.根據權利要求1或9所述的一種多波段微帶貼片天線，其特征在于所述的位于金屬貼片和金屬接地板之間的絕緣填充介質，即印制電路板的介質基片推薦使用相對電容率小于3的絕緣介質。
全文摘要
一種高Q值多波段微帶貼片天線，包括有一塊金屬貼片、一塊與金屬貼片平行的金屬接地板和位于二者之間的絕緣填充介質；其特征在于金屬貼片呈矩形，在矩形的一條邊上有兩條互相平行且均垂直于該邊的矩形縫隙，在與該邊平行的邊上有一條垂直于所在邊的矩形縫隙，所有矩形縫隙方向均保持平行，以實現多波段工作；該天線在金屬貼片與金屬接地板之間垂直安裝有一個饋電探針，饋電探針的安裝位置位于金屬貼片上與縫隙平行的水平中軸線上。金屬貼片、金屬接地板和二者之間的絕緣填充介質采用雙面印制電路板工藝實現，饋電探針是用同軸電纜或微波接頭制成。該天線在實現多波段工作的同時，還具有尺寸小，造價低，結構簡單，易于與其他設備集成等優點。
文檔編號H01Q1/36GK1635664SQ200410029820
公開日2005年7月6日 申請日期2004年3月29日 優先權日2004年3月29日
發明者劉元安, 阿卜杜克里穆, 何玨 申請人:北京郵電大學