缺陷地結構不對稱共面波導式三頻帶天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及無線電天線技術領域，具體為一種缺陷地結構不對稱共面波導式 三頻帶天線。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信需求的急劇增長，無線通信技術取得了飛速發(fā)展，新的無線通信技 術、無線通信頻段不斷出現(xiàn)。目前，3G/4G無線通信系統(tǒng)、藍牙技術、微波存取全球互通系統(tǒng) (WIMX)、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN)等都使用了不同的無線頻譜。為了解決不同無線頻譜通 信問題，一般在系統(tǒng)設備上架設多個天線。然而架設多個天線，又帶了許多新問題，最突出 的是頻譜利用率低、天線之間相互干擾嚴重。
[0003] 缺陷地結構不對稱共面波導式三頻帶天線不僅結構簡潔、新穎，在單一口徑天線 上，可以工作在三個波段，且各頻段間干擾小，同時在三個工作頻段內H面、E面輻射方向圖 基本一致，且都具有良好駐波比和較高的增益。
[0004] 本實用新型由國家自然基金項目"低相關區(qū)m子序列理論與構造研 究"（61372094)、"基于m序列的非線性m子序列研究"（61071001)資助。

【發(fā)明內容】

[0005] 本實用新型針對目前主要通信系統(tǒng)3G/4G無線通信系統(tǒng)、微波存取全球互通系統(tǒng) (WIMX)、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN)，提供一種缺陷地結構不對稱共面波導式三頻帶天線。天 線中心頻率分別為2. 0GHz、3. 5GHz、5. 5GHz ;帶寬分別為L 9~2. lGHz、3. 1~3. 9GHz和 5. 1~5. 9GHz。本實用新型在三個頻段都具有良好的阻抗匹配，擁有較高近似全向特性、高 增益的方向特性。
[0006] 本實用新型所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn)：缺陷地結構不對稱共面 波導式三頻帶天線，包括基板，輻射貼片單元，金屬接地板，阻抗匹配輸入傳輸線四個部分。 基板的表面有輻射貼片單元、金屬接地板和阻抗匹配輸入傳輸線；輻射貼片單元包含三個 尺寸、形狀均不相同的輻射貼片A、B、C ;阻抗匹配輸入傳輸線對稱沿基板縱向中心軸y軸 (簡稱基板y軸）從基板的底邊垂直向上與輻射貼片單元底邊連接；阻抗匹配輸入傳輸線 左右兩邊是兩個金屬接地板，尺寸均為7. 8mm (寬）*15mm (高），且均距阻抗匹配輸入傳輸線 有0. 85mm縫隙，上距輻射貼片單元有I. 5mm間隙。金屬接地板上有矩形槽、倒置直角三角 形槽和圓弧槽，其中左右兩邊開出的矩形槽因尺寸不同，位置也不對稱，故稱之為"不對稱" 式天線。
[0007] 基板選擇聚四氟乙烯材料，其相對介電常數(shù)ε ^ 2. 55,尺寸為 38mm (長）*20mm (寬）*0· 8mm (厚），在較寬頻率范圍內它的介電損耗都很低，擊穿電壓、體 積電阻率和耐電弧性都較高。基板有正面和背面，正面由輻射貼片單元、金屬接地板和阻抗 匹配輸入傳輸線組成；背面沒有金屬鍍層，是空面。
[0008] 輻射貼片單元包含輻射貼片A、B、C。三個輻射貼片的長度依據(jù)各通信頻段中心頻 率等參數(shù)計算、匹配得到；三個輻射貼片的寬度根據(jù)各波段同波損耗等指標調整得到。由于 通信頻段不同，三個輻射貼片的長度和寬度亦不相同。為了提高頻譜的利用率，減小設備體 積，簡化天線結構，將A、B、C三個輻射貼片底部重疊、方向朝上集成在輻射貼片單元中，置 于基板上部，共用一個饋線。為了使天線面積微型化，本實用新型將不同長度輻射貼片有效 折疊、緊湊嵌套，在最小的基板面積中放置三個不同長度輻射貼片。在此基礎上，引入對稱 技術，將三個輻射貼片，對稱于基板y軸復制，從而增加了一倍輻射貼片有效面積，提高了 各天線品質因數(shù)和增益。輻射貼片單元中三個輻射貼片的長度和寬度根據(jù)公式（1)、（2)確 定：
(2)
[0011] 其中，W為以r為半徑的周長即輻射貼片的寬度，f為對應天線的中心頻率，L為 輻射貼片長度，g為輻射貼片與接地板之間的間隙，本實用新型取g= 1.5mm。為了充分利 用基板面積，本實用新型基板寬度取輻射貼片單元寬度。根據(jù)公式（1)確定r，利用公式 (2)確定中心頻率分別為2. OGHz、3. 5GHz、5. 5GHz的三個不同頻段天線輻射貼片長度分別 為32mm、21mm和18mm。根據(jù)實際帶寬需要，本實用新型將三個輻射貼片長度分別調整到 37. 5mm、25mm和22. 5mm。為了在最小基板面積上集成三個長度不同福射貼片，本實用新型 將長度為37. 5mm (寬度取Imm)的福射貼片折成10mm、17. 5mm、IOmm三段，構成一個IOmm (上 寬）*17. 5mm(左高）*10mm(下寬）缺少右邊框的矩形貼片框。為了增大貼片面積，再對稱擴 展一個大小相同且缺少左邊框的矩形貼片框，兩者對接成20mm(寬）*17. 5mm(高）矩形貼 片框，構成輻射貼片A。該輻射貼片框寬度與基板寬度等同，對稱于基板y軸水平放置于基 板，上邊框距基板頂端2mm ;將長度為22. 5mm (寬度取Imm)的福射貼片折成7. 5mm和15mm 兩段，7. 5mm段貼片作為水平段，15mm段貼片在其上方與其垂直，構成L形狀，為了增大貼片 面積，再對稱擴展，形成一個15mm(寬）*15mm(高）缺少上邊的口子形福射貼片框，構成福 射貼片C，該輻射貼片框底邊與輻射貼片A底邊水平重疊，對稱于基板y軸放置于基板；長 度為25mm (寬度取Imm)的福射貼片B折成7. 5mm、8mm、7. 5mm和2mm四段，其中7. 5mm、8mm、 7. 5mm三段構成7. 5mm(上寬）*8mm(左高）*7. 5mm(下寬）缺少右邊框的矩形貼片框，對稱 擴展為一個15mm(寬）*8mm(高）的完整矩形貼片框，在該矩形貼片框上邊框上，連接上邊 沿且對稱于框的縱向中心線放置2mm(高）貼片。為了形成局部加載，改變天線上的電流分 布，將矩形框上邊框貼片的寬度增大為3. 5mm，同時，將矩形上邊框上所加的2mm貼片，寬度 對稱增大到5mm，構成輻射貼片B，該輻射貼片框底邊與輻射貼片A、C底邊水平重疊，對稱于 基板y軸放置于基板。
[0012] 上述三個輻射貼片均采用折線組合方式，由長短不同、寬度不一貼片組合構成。為 了提高品質因數(shù)，增加天線的增益，本實用新型均對稱增加了一倍貼片面積，使天線有效輻 射增強了，最終達到增加帶寬目的。
[0013] 為了消除三個頻段間阻帶信號干擾，本實用新型首次從阻帶帶寬角度提出開槽長 度計算方法： (3)
[0015] 其中：L為開槽長度，BW為兩個通帶之間阻帶的帶寬，為阻帶下限頻率，c為天 線電波傳輸速度。
[0016] 為了抑制2. 1~3. IGHz阻帶內信號，根據(jù)公式（3)得到天線開槽長度為27mm。本 實用新型結合接地板開槽技術，且將槽開成2個長度均為13. 5mm、寬度分別為I. Imm和Imm 的不對稱槽，從接地板上端邊沿向下分別置于阻抗匹配輸入傳輸線左右兩側，左槽中心線 距基板左邊緣垂直距離為I. 45mm，右槽中心線距基板右邊緣垂直距離為I. 5mm。
[0017] 為了抑制3. 9~5. IGHz阻帶內信號，根據(jù)公式（3)得到天線開槽長度為20mm。對 基板稱于y軸，從左、右兩個接地板上邊沿垂直向下各開1個深1〇_、寬4_矩形槽，槽中心 線與基板y軸垂直距離6_。為了增大該阻帶駐波比，本實用新型創(chuàng)新地將該矩形槽調整為 4mm(直角邊）*10mm(直角邊）的倒置直角三角型槽，且槽口寬4臟、槽深10mm，背靠背的對 稱放置在左、右兩個接地板中，槽中心線與基板y軸垂直距離不變。在該槽內，輻射貼片與 金屬接地板之間的距離由內向外遞減，增加了該頻段貼片對其電磁波的束縛能力，增大天 線回波損耗，保證天線具有三個清晰通帶。
[0018] 為了進一步彌補2. OGHz頻段回波損耗的不足，拓展5. 5GHz頻段帶寬，結合天線接 地板電流密度分布，本實用新型獨特地在鄰近阻抗匹配輸入傳輸線兩側的金屬接地板上方 開出圓弧槽，圓弧槽的半徑為4_，弧度設置為180度。圓弧槽與輻射貼片之間的圓弧縫隙 形成的耦合電容平衡了饋線的電感，從而使天線獲得了更好阻抗匹配。
[0019] 本實用新型中阻抗匹配輸入傳輸線（饋線）采用最通用的50歐姆，具有有效性和 實用性，便于同其它器件集成。其寬度由下式?jīng)Q定：
[0024] 其中，K(m)、K(n)、K'（m)、Κ'（η)為第一類完全橢圓積分函數(shù)和其補函數(shù)，m和η 為過渡變量;W、X、Y分別為介質基板的寬度、共面波導阻抗匹配輸入傳輸線的寬度與基板 寬度比值、共面波導阻抗匹配輸入傳輸線與接地板之間間隙與基板寬度比值。計算得出共 面波導阻抗匹配輸入傳輸線的寬度2. 7mm、縫隙寬度0. 85mm。
[0025] 與已公開技術相比，本實用新型存在以下優(yōu)點：
[0026] (1)本實用新型融合多種技術，經(jīng)過有效設計、巧妙剪裁、合理布局，得到尺寸為 20mm*38mm的三個頻段、微型化天線。本實用新型不僅滿足三個頻段通信的各項指標，而且 結構非常簡潔、新穎。
[0027] (2)本實用新型可以工作在1. 9~2. lGHz、3. 1~3. 9GHz和5. 1~5. 9GHz三個 頻段上，覆蓋了 3G/4G無線通信系統(tǒng)、微波存取全球互通系統(tǒng)（WIMAX)和無線局域網(wǎng)系統(tǒng) (WLAN)三個主流無線通信系統(tǒng)使用的頻段，具有較高的適用性。
[0028] (3)本實用新型采用折線組合方法、重疊方法和對稱方法，并將不同形狀、不同尺 寸貼片緊湊嵌套，構造了均勻和不均勻三個不同頻段貼片天線，并有效集成在輻射貼片單 元中，共用一個饋線，減小了貼片單元面積、擴大了貼片有效面積，從而提高天線性能。
[0029] (4)本實用新型不同于單極子天線，創(chuàng)造性地設計了四段式對稱貼片B，通過增大 局部寬度，形成局部加載，有效提高3. 1~3. 9GHz頻段通信性能。
[0030] (5)本實用新型在共面波導天線上采用接地板開槽技術，創(chuàng)造性地在接地板上開 出不對稱放