應用于wlan/wimax的三頻共面波導饋電天線的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種應用于WLAN/WIMAX的三頻共面波導饋電天線，涉及天線領域，本發明為一種結構簡單的應用于WLAN/WIMAX的三頻共面波導饋電單極子天線，本發明設計的三頻共面波導饋電單極子天線，圓環天線單元具有嵌套結構，尺寸較小，可以極大地減小占用空間，饋電結構采用共面波導饋電結構，輻射單元為單極子輻射貼片，該結構所有金屬貼片都處于同一側，易于集成，制作簡單，介質基板采用介電常數為4.4的FR4材料，價格低廉，易于購買，本發明制作成本低，易于集成加工，可批量生產，具有較大的實際應用價值。
【專利說明】
應用于WLAN/WI MAX的H頻共面波導饋電天線
技術領域
[0001] 本發明設及天線領域，尤其是一種單極子天線。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信技術的迅速發展，人們的生活工作已經越來越離不開無線局域網 WLANeWLAN( 2.4~2.4835GHZ/5.15~5.825GHz)是利用無線通信技術傳輸數據，運些數據已 經不再局限于語音文字信息，在如今，視頻數據傳輸占有越來越大的比例，它把人們從辦公 桌解放出來，使用戶可W隨時隨地的交換信息。全球微波互聯接入技術(WIMAX)是一種新興 的寬帶無線接入技術，數據傳輸距離最遠可達SOKhidWIAMXU . 4~3.7G化）還具有QoS保障、 傳輸速率高、業務豐富多樣等優點。
[0003] 國內外學者對WLAN/WIMAX做出了很多研究，例如：李偉等人設計了應用于無線局 域網的雙頻微帶貼片天線，采用在貼片開槽和地板開槽實現雙頻特性，在2.33-2.52G化， 4.94GHZ-6 . IOGHz的雙頻段范圍內回波損耗均小于-IOdB ;Harshvardhan Tiwari和 M.V.Kadikeyan等人提出一種采用疊層結構的天線，將兩個可有U型槽的貼片堆疊在一起 實現雙頻寬帶操作。但是W上的天線都具有結構復雜的缺點，不利于當前器件簡單化、易集 成的需求，另外，W上天線只實現了雙頻特性，并沒有實現WIMX頻段的福射特性。如何設計 出結構簡單的應用于WLAN/WIMX=頻共面波導饋電單極子天線就成了我們研究的方向。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有技術的不足，本發明提供一種結構簡單的應用于WLAN/WIMX的S頻 共面波導饋電單極子天線，具有W下特性:重量輕、高增益、低剖面、方向圖全向、易于集成 加工。
[0005] 本發明所設計的=頻共面波導饋電單極子天線由=部分組成：圓環天線單元1，共 面波導饋電單元2和介質基板3。
[0006] 所述的圓環天線單元1由一個外半徑為Rl內半徑為R2的金屬外圓環貼片la,-個 外半徑為R3內半徑為R4的金屬內圓環貼片化，一個半徑為R5的金屬圓盤Ic及寬度為Wg的矩 形結構Id組合而成，內圓環貼片化和圓盤Ic的中屯、重合于直角坐標系原點，外圓環的中屯、 相對坐標原點沿著Y軸正方向偏移1.90mm~2.10mm。
[0007] 共面波導饋電單元2為長度為Lg的無地板共面波導饋電結構，Lg的取值范圍為 15. OOmm~17.00mm，50歐姆端口饋電傳輸線與圓環天線單元1中矩形結構Id的寬度Wg-樣， 與同平面的兩側地板間距離為S，S的取值范圍為0.25mm~0.35mm，共面波導饋電單元2和圓 環天線單元1中外圓環貼片Ia在直角坐標系Y軸方向的最短距離為g，g的取值范圍為1.40mm ~1.60mm。
[000引圓環天線單元1和共面波導饋電單元2印刷在矩形介質基板3同一側上，矩形介質 基板3采用相對介電常數為4.4,損耗角正切為0.02,厚度為h的聚四氣乙締材料，h的取值范 圍為1.50mm~1.70mm，介質基板3的尺寸為L*W，L的取值范圍為36mm~40mm，W的取值范圍為 2 2mm ~ 2 4mm O
[0009] 本發明的有益效果是由于本發明設計的=頻共面波導饋電單極子天線，圓環天線 單元具有嵌套結構，尺寸較小，可W極大地減小占用空間，饋電結構采用共面波導饋電結 構，福射單元為單極子福射貼片，該結構優點是所有金屬貼片都處于同一側，易于集成，審U 作簡單，此介質基板采用介電常數為4.4的FR4材料，價格低廉，易于購買。所W，本專利制作 成本低，易于集成加工，可批量生產，具有較大的實際應用價值。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明的結構示意圖，圖1(a)是天線的俯視圖，圖1(b)是天線的側視圖。
[0011] 圖2為本發明天線的仿真S參數。
[0012 ]圖3為天線的S個諧振頻點的福射方向圖特性，圖3 (a)為2.5G化時XOZ及YOZ方向 福射方向圖；圖3 (b)為3.4GHz時XOZ及YOZ方向福射方向圖；圖3 (C)為5.6GHz時XOZ及YOZ方 向福射方向圖。
[0013] 其中，Ia-圓環天線單元1的金屬外圓環貼片部分，Ib-圓環天線單元1的金屬內圓 環貼片部分，Ic-圓環天線單元的金屬圓盤福射貼片，ld-圓環天線單元1與共面波導饋電單 元2傳輸線阻抗匹配部分，2a-共面波導饋電單元2的地板部分，2b-共面波導饋電單元2的傳 輸線部分，3-聚四氣乙締介質基板，Rl-圓環天線單元1中金屬外環貼片的外半徑，R2-圓環 天線單元1中金屬外環貼片的內半徑，R3-圓環天線單元1中金屬內環貼片的外半徑，R4-圓 環天線單元1中金屬內環貼片的內半徑，R5-天線單元1中金屬圓盤半徑，g-圓環天線單元外 環半徑沿Y軸負半軸到共面波導饋電單元的距離，S-共面波導饋電單元傳輸線與地板之間 的距離，Lg-共面波導饋電單元地板長度，Wg-共面波導饋電單元傳輸線寬度，k聚四氣乙締 介質基板長度，W-聚四氣乙締介質基板寬度，h-聚四氣乙締介質基板高度，X，Y，Z-坐標軸。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0015] 本發明所設計的=頻共面波導饋電單極子天線由=部分組成：圓環天線單元1，共 面波導饋電單元2和介質基板3,如圖1所示，其中圖1(a)是天線的俯視圖，圖1(b)是天線的 側視圖。具體的尺寸參數如表1所示。
[0016] 表1.結構參數如下表(單位:mm) 「nni7l
[0018] ~表1中的字母代表圖中的幾何尺寸參數，在圖1中有標示。
[0019] L代表此單極子天線介質基板的長度，W代表介質基板的寬度，h代表介質基板高 度，Wg代表共面波導饋電單元傳輸線寬度，Lg代表共面波導饋電單元地板長度，S代表共面 波導饋電單元傳輸線與地板之間的距離，g代表圓環天線單元外環半徑沿Y軸負半軸到共面 波導饋電單元的距離，Rl代表圓環天線單元1中金屬外環貼片的外半徑，R2代表圓環天線單 元1中金屬外環貼片的內半徑，R3代表圓環天線單元1中金屬內環貼片的外半徑，R4代表圓 環天線單元1中金屬內環貼片的內半徑，R5代表天線單元1中金屬圓盤半徑。
[0020] 具體的實施方法為:所述的圓環天線單元1由一個外半徑為Rl內半徑為R2的金屬 外圓環貼片Ia，一個外半徑為R3內半徑為R4的金屬內圓環貼片化，一個半徑為R5的金屬圓 盤Ic及寬度為Wg的矩形結構Id組合而成，內圓環貼片化和圓盤Ic的中屯、重合于直角坐標系 原點，即圓環天線單元1由兩個金屬圓環貼片Ia和化，金屬圓盤貼片Ic及與共面波導饋電單 元連接的阻抗匹配矩形貼片Id組成。Ia是圓環天線單元1的外環福射部分，Ib是圓環天線單 元1的內環福射部分，Ia嵌套在Ib的外部，外圓環的中屯、相對內圓環中屯、向Y軸正方向偏移 量為1.90mm~2.10mm，且兩環寬度不同。Ic是圓環天線單元1的半徑為R5的圓形福射貼片， R5的取值范圍為2. Imm~2.3mm。矩形貼片Id連接共面波導單元部分的傳輸線，一方面起到 阻抗匹配的作用，另一方面將兩個圓環Ia和Ib與金屬圓盤Ic貼片結合在一起，電流通過矩 形貼片流入圓環及圓盤內，產生電磁場，組成天線福射部分。
[0021] 共面波導饋電單元2為長度為Lg的無地板共面波導饋電結構，Lg的取值范圍為 15. OOmm~17.00mm，50歐姆端口饋電傳輸線與圓環天線單元1中矩形結構Id的寬度Wg-樣， 與同平面的兩側地板間距離為S，S的取值范圍為0.25mm~0.35mm，共面波導饋電單元2和圓 環天線單元1中外圓環貼片Ia在直角坐標系Y軸方向的最短距離為g，g的取值范圍為1.40mm ~1.60mm。
[0022] 共面波導饋電單元部分將接收到的準TOM波，通過中間的導帶傳輸線傳入天線福 射部分，地板（圖1(a)中所示為2a)與導帶傳輸線（圖1(a)中所示為化)之間的距離S和導帶 傳輸線寬度Wg會起到阻抗調節的作用。改變S或Wg值的大小會影響共勉波導的有效介電常 數，而有效介電常數又與共面波導的特性阻抗成反比，選擇合適的S和Wg值的大小使特性阻 抗與輸入阻抗達到匹配，S的取值范圍為0.25mm~0.35mm，Wg的取值范圍為1.80mm~ 2.00mm。共面波導饋電結構容易制作，容易實現無源、有源器件在微波電路中的串聯和并 聯，不需要在介質基板上穿孔，容易提高電路密度。
[0023] 圓環天線單元1和共面波導饋電單元2印刷在矩形介質基板3同一側上，矩形介質 基板3采用相對介電常數為4.4,損耗角正切為0.02,厚度為h的聚四氣乙締材料，h的取值范 圍為1.50mm~1.70mm，介質基板3的尺寸為L*W，L的取值范圍為36mm~40mm，W的取值范圍為 22mm~24mm。介質基板材料特性較好，便于加工，生產成本較低。
[0024] 用電磁仿真軟件HFSS對天線模型進行仿真優化，確定尺寸參數，得到天線的回波 損耗曲線。圖2為天線的仿真回波損耗圖，圖3(a)為單極子天線2.5GHz時XOZ和YOZ平面福射 方向圖，圖3(b)為單極子天線3.4GHz時XOZ和YOZ平面福射方向圖，圖3(c)為單極子天線 5.6G化時XOZ和YOZ平面福射方向圖。從運些圖中可W驗證本發明的可實施性。本發明采用 嵌套結構的福射單元，能夠實現在2.5/3.4/5.6GHzS個頻段內回波損耗低于-10cIBd2.5G化 頻段的工作帶寬為2.32GHZ-2.58GHz，相對帶寬為10.4% ; 3.4GHz頻段的工作帶寬為 3.08GHZ-5.02細Z，相對帶寬為57.1 % ; 5.6細Z頻段的工作帶寬為5.32細Z-6. IOGHz，相對帶 寬為13.9%，滿足天線要求。可W看出，本發明設計的單極子天線具有多頻的特性，并且此 天線在實用度較高的WLAN/WIMAX頻段內福射特性很好，在YOZ平面內呈現出全向特性。
[0025]本發明設計的天線具有穩定的福射方向圖。如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)可W看出， 在S個頻段內方向圖特性都呈現單極子天線的顯著特性，YOZ平面為全向型，XOZ平面為％' 字型。
【主權項】
1. 一種應用于WLAN/W頂ΑΧ的三頻共面波導饋電天線，包括圓環天線單元（1)，共面波導 饋電單元(2)和介質基板(3)，其特征在于： 所述的圓環天線單元（1)由一個外半徑為R1內半徑為R2的金屬外圓環貼片（la)，一個 外半徑為R3內半徑為R4的金屬內圓環貼片（lb)，一個半徑為R5的金屬圓盤(lc)及寬度為Wg 的矩形結構（Id)組合而成，內圓環貼片（lb)和圓盤（lc)的中心重合于直角坐標系原點，外 圓環的中心相對坐標原點沿著Y軸正方向偏移1.90mm~2.10mm; 共面波導饋電單元（2)為長度為Lg的無地板共面波導饋電結構，Lg的取值范圍為 15.00mm~17.00mm，50歐姆端口饋電傳輸線與圓環天線單元（1)中矩形結構（Id)的寬度Wg 一樣，與同平面的兩側地板間距離為S，S的取值范圍為0.25mm~0.35mm，共面波導饋電單元 (2)和圓環天線單元（1)中外圓環貼片（la)在直角坐標系Y軸方向的最短距離為g，g的取值 范圍為1.40mm ~1.60mm； 圓環天線單元（1)和共面波導饋電單元(2)印刷在矩形介質基板(3)同一側上，矩形介 質基板(3)采用相對介電常數為4.4,損耗角正切為0.02,厚度為h的聚四氟乙烯材料，h的取 值范圍為1.50mm~1.70mm，介質基板(3)的尺寸為L*W，L的取值范圍為36mm~40mm，W的取值 范圍為22mm~24mm。
【文檔編號】H01Q21/00GK105977636SQ201610322873
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】弓云龍, 雷云奔, 丁君, 郭陳江
【申請人】西北工業大學