宽带双层微带天线的制作方法

本公开涉及天线领域，具体地，涉及一种应用于WIFI或WLAN的加载多谐振覆层的宽带双层微带天线。

背景技术：

现代无线数据业务的增长要求宽频带通信，由此宽带天线作为无线系统单元成为了人们的研究兴趣。微带天线具有剖面低，重量轻，易与印制电路技术集成等优点，用于现代宽带无线通信具有重要的作用。采用多层技术设计微带天线可有效增加微带天线设计的自由度，方便集合多种技术于单个天线，如开槽，加载超材料，孔径耦合馈电，近场耦合，加载多谐振器等，从而获得具有各种性能的天线。然而多层微带天线仍受限于传统微带天线高Q特征，其工作带宽不易展宽。针对这一限制，采用频率选择性表面(FSS),人工磁导体(AMC)，超材料(MTMs)单元/结构等，作为多层微带天线的覆盖层，可提高微带天线的带宽或增强其增益、方向性。

有关带空气隙的多层微带天线的报道中，在覆层上加载单层金属结构通常只能贡献一个谐振频率/模式，同时能产生两个谐振模式的单层结构未见报道，而且将多个谐振模式合并产生宽的工作频带具有挑战性，因为谐振模之间可能存在强的互耦作用。

单裂口环或互补裂口环作为谐振器、超材料在天线中具有广泛的应用。在多层微带天线设计中，裂口环受磁、电场激励表现出具有负的磁导率和/或介电常数性质，使得其在天线高增益、高方向性、波束聚焦等方面具有研究价值。已有报道中，典型裂口环/互补裂口环可用于多层微带天线的双频带设计，但极少有关于宽带设计的研究报告。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种宽带双层微带天线，该宽带双层微带天线用于解决现有的微带天线因互耦不易控制，而难以将多个谐振模式合并产生宽的工作频带的问题。

为了实现上述目的，本公开提供一种宽带双层微带天线，包括：

上层介质板；

下层介质板，与所述上层介质板平行设置，且所述下层介质板与所述上层介质板之间设有空气隙；

贴设于所述上层介质板上表面的两个裂口环，两个所述裂口环的裂口相对设置；所述裂口环设有由隔离条带隔离的两个槽孔，所述隔离条带两侧设有联通于所述裂口环外的裂口通道，所述槽孔的一端联通于所述裂口通道，所述槽孔与所述裂口通道构成所述裂口环的裂口；

辐射片，贴设于所述下层介质板上表面，设有馈电点；所述隔离条带在所述下层介质板的投影位于所述辐射片的对称轴上；以及

金属地板，贴设于所述下层介质板下表面。

可选地，所述裂口环为半圆形，所述槽孔为弧形槽；

所述裂口环包括：

外弧形板，所述外弧形板的内边缘中部向外延伸有所述隔离条带；

两个内弧形板，所述外弧形板的两端分别连接于两个所述内弧形板；所述弧形槽位于所述外弧形板与所述内弧形板之间，所述裂口通道位于所述内弧形板与所述隔离条带之间。

可选地，所述内弧形板包括连接于所述外弧形板的第一端和相对于所述第一端的第二端；所述第二端向外延伸有与所述隔离条带平行的通道板，所述裂口通道位于所述通道板与所述隔离条带之间。

可选地，两个所述裂口环的间距为1.5mm至4mm；两个所述裂口环中的一个所述裂口环的所述外弧形板的外半径为25mm至27mm，内半径为13mm至15mm；所述内弧形板的外半径为8mm至10mm，内半径为6mm至8mm；所述隔离条带的长度为12mm至15mm，宽度为1.5mm至2.5mm；所述通道板的长度为5mm至6.5mm，宽度为1.5mm至2.5mm；

两个所述裂口环中的另一个所述裂口环的所述外弧形板的外半径为27mm至29mm，内半径为13mm至15mm；所述内弧形板的外半径为10mm至12mm，内半径为8mm至10mm；所述隔离条带的长度为10mm至12mm，宽度为1.5mm至2.5mm；所述通道板的长度为5mm至6.5mm，宽度为1.5mm至2.5mm。

可选地，所述辐射片为椭圆形，所述隔离条带在所述下层介质板的投影位于所述辐射片的长轴上，所述馈电点位于所述椭圆形的长轴处且偏离于椭圆圆心。

可选地，所述椭圆形的长轴长度为35mm至40mm，所述椭圆形的短轴长度为22mm至27mm，所述馈电点与所述椭圆圆心的距离为6mm至8mm。

可选地，所述上层介质板与所述下层介质板对应的角部之间设有塑料支撑柱。

可选地，所述塑料支撑柱包括支撑段和形成在支撑段两端的连接段，所述支撑段的直径大于所述连接段的直径，两个所述连接段分别穿过所述上层介质板和所述下层介质板并经由塑料螺母紧固。

可选地，所述塑料支撑柱的直径为3mm至6mm，所述塑料支撑柱的中心距所述上层介质板或所述下层介质板的边缘5mm至15mm；所述塑料螺母的高度为2mm至4mm。

可选地，所述上层介质板的厚度为0.5mm至2mm，所述下层介质板的厚度为1mm至3mm；所述上层介质板与所述下层介质板均为矩形介质板，所述矩形介质板的长度为100mm至150mm，宽度为100mm至150mm；所述空气隙的高度为3mm至6mm；所述金属地板的厚度为0.01mm至0.03mm。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过在上层介质板上表面加载两个裂口环，经贴设于所述下层介质板上表面的辐射片近场(具体为电场)激励，使得每个裂口环发生谐振而产生两个谐振模式；并且，由于隔离条带隔离了裂口环的两个相同尺寸槽孔，使得每个裂口环各自产生频率相同的两个谐振模式，以及使得两个裂口环产生的谐振模式之间互耦度降低，进而使得每个裂口环产生的频率相同的两个谐振模式之间容易共同作用产生一增强的谐振模；接着，增强的谐振模与辐射片的谐振模合并而形成2.4GHz附近宽的工作频带，解决了现有的微带天线因互耦不易控制，而难以将多个谐振模式合并产生宽的工作频带的问题。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的侧视图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的俯视图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的裂口环的放大示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的下层介质板的俯视图。

图6是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的S参数曲线图。

图7a至图7d是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线在谐振频点处的辐射方向图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

请参照图1、图2和图4，图1是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的结构示意图，图2是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的侧视图，图4是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的裂口环的放大示意图。

如图1、图2和图4所示，所述宽带双层微带天线包括：

上层介质板1；

下层介质板2，与所述上层介质板1平行设置，且所述下层介质板2与所述上层介质板1之间设有空气隙10；

贴设于所述上层介质板1上表面的两个裂口环3、4，两个所述裂口环3、4的裂口相对设置；所述裂口环3、4设有由隔离条带30、40隔离的两个槽孔35、45，所述隔离条带30、40两侧设有联通于所述裂口环外的裂口通道34、44，所述槽孔35、45的一端联通于所述裂口通道34、44，所述槽孔35、45与所述裂口通道34、44构成所述裂口环3、4的裂口；两个裂口环3、4构成本公开宽带双层微带天线的覆盖层；

辐射片5，贴设于所述下层介质板2上表面，设有馈电点6；所述隔离条带30、40在所述下层介质板2的投影位于所述辐射片5的对称轴上；以及

金属地板7，贴设于所述下层介质板2下表面。

可选地，请参照图1和图3，图3是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的俯视图，隔离条带30和隔离条带40在所述下层介质板2的投影均位于所述辐射片5上。

如图3和图4所示，裂口环3和裂口环4在对称贴设于所述上层介质板上表面。隔离条带30和隔离条带40在所述下层介质板2的投影位于同一条直线上，裂口环3和裂口环4在X轴上左右对称。裂口环3和裂口环4之间的间距G₁为1.5mm至4mm。可选地，裂口环3和裂口环4之间的间距G₁为2.8mm。

其中，隔离条带30的长度L₃为12mm至15mm，宽度W₂为1.5mm至2.5mm；隔离条带40的长度L₄为10mm至12mm，隔离条带40的宽度与隔离条带30的宽度相同。可选地，隔离条带30的长度L₃为13.9mm，隔离条带40的长度L₄为10.9mm，隔离条带40与隔离条带30的宽度W₂为2mm。

如图4所示，所述裂口环3、4为半圆形，所述槽孔35、45为弧形槽。所述裂口环3、4包括：外弧形板31、41，所述外弧形板31、41的内边缘中部向外延伸有所述隔离条带30、40；以及两个内弧形板32、42，所述外弧形板31、41的两端分别连接于两个所述内弧形板32、42；所述弧形槽35、45位于所述外弧形板31、41与所述内弧形板32、42之间，所述裂口通道34、44位于所述内弧形板32、42与所述隔离条带30、40之间。

请继续参照图4，所述内弧形板32、42包括连接于所述外弧形板31、41的第一端和相对于所述第一端的第二端；所述第二端向外延伸有与所述隔离条带30、40平行的通道板33、43，所述裂口通道34、44位于所述通道板33、43与所述隔离条带30、40之间。其中，所述通道板33的长度L₅为5mm至6.5mm，宽度为1.5mm至2.5mm；所述通道板43的长度L₆为5mm至6.5mm，宽度为1.5mm至2.5mm。可选地，所述通道板33的长度L₅为5.5mm，所述通道板43的长度L₆为5.7mm，所述通道板33的宽度与所述通道板43的宽度为均为2mm。

可选地，外弧形板31的外半径R₁为25mm至27mm，内半径R₃为13mm至15mm；所述内弧形板32的外半径R₅为8mm至10mm，内半径R₇为6mm至8mm。外弧形板41的外半径R₂为27mm至29mm，内半径R₄为13mm至15mm；所述内弧形板42的外半径R₆为10mm至12mm，内半径R₈为8mm至10mm。

可选地，R₁为26mm，R₂为28mm，R₃为14mm，R₄为14mm，R₅为9mm，R₆为11mm，R₇为7mm，R₈为9mm。

请参照图3和图5，图5是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的下层介质板的俯视图。如图3和图5所示，所述辐射片5为椭圆形，所述隔离条带30、40在所述下层介质板2的投影位于所述辐射片5的长轴上，所述馈电点6位于所述椭圆形的长轴处且偏离于椭圆圆心。可选地，所述馈电点6位于隔离条带30在所述下层介质板2的投影上。

其中，所述椭圆形的长轴L₂长度为35mm至40mm，所述椭圆形的短轴W₁长度为22mm至27mm，所述馈电点6与所述椭圆圆心的距离D₁为6mm至8mm。可选地，所述椭圆形的长轴L₂长度为37.2mm，所述椭圆形的短轴W₁长度为25.2mm，所述馈电点6与所述椭圆圆心的距离D₁为7mm。

请参照图1和图2，所述上层介质板1与所述下层介质板2对应的角部之间设有塑料支撑柱7。所述塑料支撑柱7包括支撑段和形成在支撑段两端的连接段，所述支撑段的直径大于所述连接段的直径，两个所述连接段分别穿过所述上层介质板1和所述下层介质板2并经由塑料螺母9紧固。

请参照图1和图2，所述塑料支撑柱7的直径为3mm至6mm，所述塑料支撑柱7的中心距所述上层介质板1或所述下层介质板2的边缘5mm至15mm；所述塑料螺母9的高度为2mm至4mm。可选地，所述塑料支撑柱7的直径为3mm，所述塑料支撑柱7的中心距所述上层介质板1或所述下层介质板2的边缘6mm；所述塑料螺母9的高度为2.4mm。

请参照图1和图2，所述上层介质板1和所述下层介质板2均为矩形介质板，所用材料均为Rogers Duroid 4350B，其相对介电常数3.48，损耗角正切0.0037。所述下层介质板2下表面全部敷上金属铜箔作为金属地板7，所述金属地板7的厚度为0.01mm至0.03mm。可选地，所述金属地板7厚度为0.018mm。所述矩形介质板在长宽方向的边长L₁相同，其边长L₁为100mm至150mm。可选地，所述矩形介质板的边长L₁为132mm。

请参照图1和图2，所述上层介质板1的厚度H₁为0.5mm至2mm，所述下层介质板的厚度H₃为1mm至3mm；所述空气隙H₂的高度为3mm至6mm。可选地，所述上层介质板1的厚度H₁为1mm，所述下层介质板的厚度H₃为1.5mm；所述空气隙H₂的高度为4mm。

完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：

表1本公开各参数最佳尺寸表

依照上述参数，使用HFSS对所设计的应用于WIFI或WLAN的加载多谐振覆层的宽带双层微带天线的反射系数|S₁₁|特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：

图6是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线的S参数曲线图。由图6可知，仿真得到的天线|S₁₁|<-10dB频率范围为2.34-2.46GHz，带宽120MHz，分数带宽5％。频带内三个谐振频率为2.35GHz、2.4GHz、2.45GHz，三频率点处|S₁₁|值保持在-20dB附近。其中最低谐振频率2.35GHz由裂口环3决定，最高谐振频率2.45GHz由裂口环4决定，中间谐振频率2.4GHz主要由椭圆形辐射片5决定。实测天线|S₁₁|<-10dB频率范围为2.32–2.42GHz，带宽为100MHz，分数带宽为4.2％，工作频带内三谐振频点分别为2.33GHz、2.38GHz、2.41GHz，其对应|S11|均小于-16dB。相对仿真结果，实测的中心工作频率向低频漂移大约30MHz，主要是因为仿真所用介质板的介电常数与实际加工的天线的有效介电常数略有差别所致。

继续参照图7a至图7d，图7a至图7d是根据一示例性实施例示出的一种宽带双层微带天线在谐振频点处的辐射方向图。如图7a至图7d所示，分别在各自谐振频点测得。天线仿真在谐振频点2.35GHz、2.4GHz的辐射增益分别为7.16dBi、8.34dBi，而实测在谐振频点2.33GHz、2.38GHz的辐射增益为5.14dBi、5.92dBi。实测相对仿真有2dB的增益下降，主要是因为实际双层介质板的制造误差。观察可知实测的天线增益有相对较大的后向辐射，主要是因为实际馈电部分的制造误差所致。另外，所述天线的阻抗带宽相对于未加载覆层的椭圆形微带天线最优情形有5倍的扩展，增益有1dB的提高。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过在上层介质板上表面加载两个裂口环，经贴设于所述下层介质板上表面的辐射片近场(具体为电场)激励，使得每个裂口环发生谐振而产生两个谐振模式；并且，由于隔离条带隔离了裂口环的两个相同尺寸槽孔，使得每个裂口环各自产生频率相同的两个谐振模式，以及使得两个裂口环产生的谐振模式之间互耦度降低，进而使得每个裂口环产生的频率相同的两个谐振模式之间容易共同作用产生一增强的谐振模；接着，增强的谐振模与辐射片的谐振模合并而形成2.4GHz附近宽的工作频带，解决了现有的微带天线因互耦不易控制，而难以将多个谐振模式合并产生宽的工作频带的问题。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。