專利名稱：基于開口諧振環結構的電小尺寸天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電小尺寸天線，尤其涉及一種基于諧振結構的電小尺寸天線，可集成印刷在微波電路板上，實現高效率輻射，并可應用在小型集成化系統的射頻前端。
背景技術：
天線集成化和小型化是當代無線通信射頻前端發展的一大瓶頸。對于傳統天線，當尺寸越小時，其輻射電抗越大，輻射電阻越小。這就會導致天線與饋線之間的嚴重阻抗失配，從而導致天線性能惡化。傳統的天線匹配網絡設計不僅會增加系統的復雜性，還會極大的提高成本。新型人工電磁結構的研究為小型化天線的阻抗匹配問題提供了新的解決方案，國際上有學者提出用單負介電常數和單負磁導率媒質分層布置在電偶極子及磁環周圍，很好地完成了各向同性的小尺寸輻
射特性。根據此方案，有人直接利用開口諧振環的諧振特性，設計了三維結構的電小尺寸天線。開口諧振環作為人工電磁材料常用的一種單元結構，具有很好的電小特性，其諧振時的波長遠大于單元長度，因此可以被利用作為電小諧振天線的輻射單元。現在通常采用的方案是通過同軸探針環形成磁耦合饋電，讓同軸探針產生的磁場穿過開口諧振環所在的環面，進而激發起強諧振。該方案可實現天線小型化但失去了集成化的要求。因此要真正將新型人工電磁材料的諧振電小特性運用在天線小型化中，實用性和集成度是需要首要考慮的。基于此項考慮，我
們首次提出了基于介質基板的開口諧振環電小尺寸天線。該項發明與當前PCB工藝結合，可以在天線尺寸大大減小的同時保持良好的輻射性能。
發明內容
技術問題本發明的發明目的是提供一種基于開口諧振環的電小尺寸天線，該天線具有小尺寸結構緊湊的特點，成本低并且易于集成，具有良好的定向性和
線極化特性，同時具有較高的輻射效率。技術方案要將開口諧振環設計成平面電路結構且具有良好的輻射特性，有三個難點:一是饋電方式的選擇，對于開口諧振環結構要實現強的電磁響應必須使得磁場穿過諧振環；二是電小尺寸開口諧振環結構的設計，三維空間開口諧振環結構中可將開口末端進行彎折來增加等效電容值，在平面結構中如何在保證足夠輻射面積的條件下實現等效的大電容或者電感值是一大關鍵;三是反射面的集成問題，開口諧振環結構在其諧振時等效為一磁偶極子，而要增加磁偶極子的輻射方向性，就必須加載反射面。基于三方面考慮，我們提出了該項基于介質基板的開口諧振環電小尺寸天線。介質上表面為兩長方形金屬貼片，中間留有縫隙形成等效電容，靠近縫隙處有對稱的兩排金屬化通孔連接金屬貼片和下地面孤立金屬片上。由基片集成波導的相關研究可知當金屬孔間足夠小時，周期孔陣可等效為一電壁，對于該結構相當于在末端加載了等效的折彎金屬壁，由于增加了末端等效電容值，天線尺寸會顯著降低。在上表面貼片周圍還有金屬化通孔連接貼片和共面波導地面構成一個諧振回路。該發明采用開路饋電方式，調節共面波導末段距離下底面邊緣的距離d，可以控制饋線耦合的強度進而可以在較大范圍內滿足天線輻射阻抗的匹配要求，得到較小的能量反射。上表面金屬貼片的大小也在很大程度上決定了天線工作頻率，當貼片長度或者寬度增加時，天線的工作頻率都會下降。
該天線的天線輻射單元、底面刻蝕共面波導、金屬化通孔集成在微波電路板上，底面刻蝕共面波導通過金屬化通孔與天線單元連接；所述的天線輻射單元由兩塊并排的金屬貼片組成，兩塊金屬貼片之間存在縫隙，實現電路中導行波到自由空間中電磁波的能量轉換;所述的底面刻蝕共面波導包括共面波導饋線和孤立金屬片；其中，共面波導饋線與四個孤立金屬片相互垂直設置集成在同一地平面上，通過縫隙分開而相互獨立。所述的金屬化通孔包括與天線輻射單元外邊緣相連的兩排外通孔和與天線輻射單元靠近縫隙的部分相連的兩排內通孔;其中與天線輻射單元外邊緣相連的內通孔與共面波導地面相連，與靠近縫隙部分相連的外通孔與孤立金屬片相連。
有益效果與現有技術相比，本發明具有以下優點
1、本發明具有尺寸小、結構緊湊、成本低的優點。普通電小尺寸天線若采用基于介質基板結構，則必須要求基板介電常數足夠大才能實現較短波長的導行波，進而實現小尺寸天線。這樣做最大的問題就是高介電常數材料成本高，而我
4們的發明采用目前常用的低介電常數材料F4B，成本大大降低。另外相比之現有的三維空間結構電小尺寸天線，該項發明又具有結構緊湊的優勢。
2、 本發明具有較高的輻射效率和增益的優勢。常用的高介電常數基板的電小尺寸天線還存在一個致命的問題就是輻射效率太低，介電常數的增加導致空間電磁場絕大多數被限制在介質中，同時表面波的效應也會增加，這些直接導致天線的輻射效率急劇下降。本項發明采用低介電常數的板材，在減小表面波效應的
同時也會增加天線效率。另外當天線尺寸下降時，不可避免的會伴隨之天線增益的下降，因此電小尺寸天線本身也存在著一個增益的理論極限值，目前存在的電小天線雖然在尺寸上達到了要求，但是增益卻遠遠不能滿足要求。本項基于開口諧振環結構的電小天線設計在保證尺寸要求的同時，還具有較高的增益。可以注意到上表面的兩塊金屬貼片作為直接輻射單元會提供較為平整的表面電流分布，這些都直接有助于增益的提高。
3、 本發明中采用共面波導結構，因此可方便地集成到微帶或者共面波導系
統設計中，實現射頻前端的無縫連接。
圖1是本發明天線正面的結構示意圖。
圖2是本發明天線背面的結構示意圖。
圖3是本發明天線側面的結構示意圖。
圖4是本發明的一種具體結構的S參數仿真及實測結果比較。
圖5是本發明的上述具體結構實測得到的E面和H面歸一化功率方向圖。
以上的圖中有天線輻射單元1、底面刻蝕共面波導結構2金屬化通孔3、
微波電路板4;共面波導地面5、金屬貼片11、縫隙12、共面波導饋線21、孤
立金屬片22、內通孔31、外通孔32。
具體實施例方式
本發明中，該新型電小尺寸天線包括天線輻射單元1、底面刻蝕共面&導結構2金屬化通孔3;底面刻蝕共面波導結構2通過金屬化通孔3連接到天線輻射單元1上，整個結構集成印刷在微波電路板4上。
本發明基于開口諧振環結構的電小尺寸天線的天線輻射單元、底面刻蝕共面
5波導、金屬化通孔集成在微波電路板上，底面刻蝕共面波導通過金屬化通孔與天 線單元連接；所述的天線輻射單元由兩塊并排的金屬貼片組成，兩塊金屬貼片之 間存在縫隙，實現電路中導行波到自由空間中電磁波的能量轉換。所述的底面刻 蝕共面波導包括共面波導饋線和孤立金屬片；其中，共面波導饋線與四個孤立金 屬片相互垂直設置集成在同一地平面上，通過縫隙分開而相互獨立。所述的金屬 化通孔包括與天線輻射單元外邊緣相連的兩排外通孔和與天線輻射單元靠近縫 隙的部分相連的兩排內通孔;其中與天線輻射單元外邊緣相連的外通孔與共面波 導地面。
在此，提供一種具體結構以實現3.06GHz頻率上電小諧振天線的設計。其 中天線輻射單元1由兩塊長方形金屬貼片11構成，兩塊金屬貼片之間由縫隙隔 開12，輸入信號通過同軸探針饋入共面波導饋線21，共面波導地面通過金屬內 通孔31與兩塊金屬貼片11相連從而構成諧振回路。孤立金屬片22與共兩波導 饋線21處于同一地平面，但相互獨立隔開。孤立金屬片22通過金屬化內通孔 31與兩塊金屬貼片11相連，借此增加系統等效電容。在該設計中，金屬內通孔 31設計在靠近兩塊金屬貼片11外邊緣的位置，每塊金屬貼片有18個金屬內通 孔31，對稱分布在共面波導饋線21兩側。類似的，金屬外外通孔32設計在靠 近上表面縫隙12處，每塊金屬貼片的18個金屬外通孔32分布在共面波導饋線 21兩側。整個天線結構類似于帶有"臂長"開口諧振環結構，金屬外通孔32 等效于開口諧振環的臂長，而在諧振頻率時，天線中的環形電流也非常類似于開 口諧振環中的電流分布。該天線的尺寸為0.204入X0.224入X0.0081入，其中入 為自由空間波長，根據電小尺寸天線定義，能夠包圍該天線的最小球體的半徑為 0.151入，完全滿足小天線的標準。
圖4給出了上述具體結構的S參數仿真及實驗測試結果，而圖5給出了上 述具體結構的E面和H面歸一功率化方向圖。從圖4的S參數仿真結果可以看 出，本發明的基于開口諧振環結構的電小諧振天線仿真頻點(2.953GHZ)接近 于實測工作頻點(3.05GHZ),并且實際測量的反射曲線具有良好的駐波比特性， 在諧振頻率處駐波比為1.143，較好的完成了天線輸入阻抗的匹配。從圖5可以 看出該電小天線具有良好的線極化特性，主瓣方向上E面和H面的交叉極化水 平均小于-20dB。天線的實測增益值(2.254dB)與仿真增益值(2.325dB)非 常接近，并且均小于電小天線增益的理論極限值。
權利要求
1、一種基于開口諧振環結構的電小尺寸天線，其特征在于該天線的天線輻射單元(1)、底面刻蝕共面波導(2)、金屬化通孔(3)集成在微波電路板(4)上，底面刻蝕共面波導(2)通過金屬化通孔(3)與天線單元(1)連接；所述的天線輻射單元(1)由兩塊并排的金屬貼片(11)組成，兩塊金屬貼片之間存在縫隙(12)，實現電路中導行波到自由空間中電磁波的能量轉換；所述的底面刻蝕共面波導(2)包括共面波導饋線(21)和孤立金屬片(22)；其中，共面波導饋線(21)與四個孤立金屬片(22)相互垂直設置集成在同一地平面上，通過縫隙分開而相互獨立。所述的金屬化通孔(3)包括與天線輻射單元(1)外邊緣相連的兩排外通孔(32)和與天線輻射單元(1)靠近縫隙(12)的部分相連的兩排內通孔(31)；其中與天線輻射單元(1)外邊緣相連的內通孔(31)與共面波導地面(5)相連，與靠近縫隙部分相連的外通孔(32)與孤立金屬片(22)相連。
全文摘要
基于開口諧振環結構的電小尺寸天線由天線輻射單元1，底面刻蝕共面波導結構2和金屬化通孔3構成，其中共面波導饋線21通過磁耦合方式對天線系統饋電，金屬化通孔31用來連接金屬貼片11和共面波導地面以形成諧振回路，金屬化通孔32用來在PCB基板中形成金屬臂以增加系統等效電容，孤立金屬片22與共面波導饋線21在同一地平面上，但相互獨立分開以防止諧振短路情況發生。本發明具有尺寸小、結構緊湊，成本低，效率高等特點，可方便集成到微帶或者共面波導系統設計中，實現射頻前端無縫連接。
文檔編號H01Q13/00GK101459283SQ200910028700
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月5日 優先權日2009年1月5日
發明者崔鐵軍, 孟 李, 林先其, 瑤 秦 申請人:東南大學