一种具有独立频带控制特性的四波段单极子天线的制作方法

本发明涉及一种无线通信领域的天线，尤其涉及一种可应用与gps、wlan/wimax中的具有独立频率控制特性的四波段单极子天线。

背景技术：

无线通信技术的发展在人们的日常生活和工作中发挥的作用越来越大，随着小型化和多频化无线通信设备的应用越来越广泛，人们对于便携式无线通信设备产生了巨大的需求。天线作为无线电通信领域中不可或缺的部件之一，将对无线电应用系统性能的好坏产生最直接的影响。为了让便携式设备既拥有轻巧的外观，又能同时支持多种无线通信协议标准如全球定位系统(gps)，无线局域网(wlan)和全球微波互联接入技术(wimax)，等等，天线的设计应该满足除了拥有简单的结构、紧凑的尺寸外，更能同时支持时下普遍应用的带宽这些优良特点。

然而，在公开报道的文献中，只有少量的多频带天线可同时支持gps、wlan和wimax的应用。并且，这些设计任然存在一些实际问题，比如无法覆盖所有的gps、wlan和wimax频段和具有相对复杂的结构或大型的尺寸。此外，在许多多频带天线的设计中，单个设计参数的微小的变化总是能给两个或两个以上的共振频率同时带来影响，这无疑将增加多频带天线设计的困难性和复杂性。因此，基于gps、wlan、wimax的应用，实现一款满足足够带宽和结构简单、尺寸紧凑，同时性能稳定的天线仍然是一个巨大的挑战。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可完全同时覆盖gps、wlan/wimax的通信要求且小型化的具有独立频带控制特性的四波段单极子天线。

一种具有独立频带控制特性的四波段单极子天线，包括基板以及基板上设有的工字型辐射贴片、微带线辐射贴片、开口谐振环左分支、开口谐振环右分支、共面波导馈电左分支结构和共面波导馈电右分支结构；所述工字型辐射贴片上开设有l型缝隙；工字型辐射贴片下方连接微带线辐射贴片，微带线辐射贴片在左右两侧分别设有开口谐振环左分支辐射贴片和开口谐振环右分支辐射贴片；所述的微带线辐射贴片在左右两侧还分别设有共面波导馈电左分支结构和共面波导馈电右分支结构。

进一步的，所述的共面波导馈电左分支结构连接基板的左侧和底端；共面波导馈电右分支结构连接基板的右侧和底端。

更进一步的，所述的共面波导馈电左分支结构与共面波导馈电右分支结构相对称。

进一步的，所述的开口谐振环左分支辐射贴片与开口谐振环右分支辐射贴片相对称。

进一步的，所述的工字型辐射贴片下端中间位置与微带辐射贴片上端相连。

进一步的，所述的微带线辐射贴片底端与基板的底端相连。

进一步的，所述的微带线辐射贴片、共面波导馈电左分支结构与共面波导馈电右分支结构一起构成了共面波导传输线。

进一步的，所述的基板为fr4基板，基板长度为45mm，宽度为25mm，厚度为1.6mm。

进一步的，所述的天线工作频段在1.57‐1.59ghz、2.4‐2.485ghz、3.4‐3.6ghz、5.15‐5.85ghz，满足1.575‐ghzgps、2.4/5.2/5.8‐ghzwlan和3.5/5.5‐ghzwimax的要求且各频段可独立控制。

进一步的，本发明在实际应用时，基板下方设有连接件，该基板上的微带线辐射贴片底端、共面波导馈电左分支结构底端和共面波导馈电右分支结构的底端均与连接件相连。

本发明相对于现有技术具有以下优点：1)本发明提供的一种具有独立频带控制特性的四波段单极子天线除了同时支持多个频带，结构简单，辐射特性好，成本低，尺寸小，易于集成，适用于gps，wlan和wimax之外，最重要的优点是本发明天线的四个频段的单独设计；2)本发明天线工作频段在1.57‐1.59ghz，2.4‐2.485ghz，3.4‐3.6ghz，5.15‐5.85ghz，满足1.575‐ghzgps、2.4/5.2/5.8‐ghzwlan和3.5/5.5‐ghzwimax的要求且各频段可独立控制；3)可完全覆盖gps、wlan和wimax的通信要求。每个这些频带可以独立控制，相互之间几乎没有影响，这给天线的设计和优化过程带来了很大的方便，从稳定性的角度来看，所提出的天线将表现出比其他天线设计更强的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明具体实施例1中的结构尺寸示意图，(a)是整体结构尺寸图，(b)是l型缝隙尺寸图，(c)是开口谐振环尺寸图。

图3是实施例1中本发明分别在1.575ghz，2.45ghz，3.5ghz，5.3ghz，6.2ghz的表面电流分布图。

图4为实施例1中本发明所述天线在参数值lf变化情况下的回波损耗图；

图5为实施例1中本发明所述天线在参数值r1,r2,r1,和r2均变化情况下的回波损耗图；

图6为实施例1中本发明所述天线在参数值ws1和ws2均变化情况下的回波损耗图；

图7为实施例1中本发明所述天线在参数值lh变化情况下的回波损耗图；

图8是本发明所述天线的回波损耗图。

图9是本发明具体实施例实物图。

图10是实施例1中本发明在1.575ghz时e面理论与仿真的辐射方向图。

图11是实施例1中本发明在2.45ghz时e面理论与仿真的辐射方向图。

图12是实施例1中本发明在3.5ghz时e面理论与仿真的辐射方向图。

图13是实施例1中本发明在5.5ghz时e面理论与仿真的辐射方向图。

图14是实施例1中本发明所述天线的增益图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种具有独立频带控制特性的四波段单极子天线，包括基板1，该基板1选择介电常数为4.3的fr4介质板，介电损耗为0.02；基板1上设有的工字型辐射贴片2，微带线辐射贴片5，开口谐振环左分支3，开口谐振环右分支4，共面波导馈电左分支结构6和共面波导馈电右分支结构7。所述工字型辐射贴片位于基板表面的上部分位置处，该工字型辐射贴片2的下边的左侧开设有l型缝隙8；工字型辐射贴片2下边中间位置处连接微带线辐射贴片5，该微带线辐射贴片5的特征阻抗为50欧姆；所述微带线辐射贴片5在左右两侧分别设有开口谐振环左分支辐射贴片3和开口谐振环右分支辐射贴片4，开口谐振环左分支辐射贴片3和开口谐振环右分支辐射贴片4相对称，所述微带线辐射贴片5在左右两侧还分别设有共面波导馈电左分支结构6和共面波导馈电右分支结构7，该共面波导馈电左分支结构6和共面波导馈电右分支结构7相对称；所述微带线辐射贴片5底端与基板1的底端相连。所述的共面波导馈电左分支结构6连接基板1的左侧和底端；共面波导馈电右分支结构7连接基板1的右侧和底端。所述的微带线辐射贴片5、共面波导馈电左分支结构6与共面波导馈电右分支结构7一起构成了共面波导传输线。所述的天线工作频段在1.57‐1.59ghz、2.4‐2.485ghz、3.4‐3.6ghz、5.15‐5.85ghz，且各频段可独立控制，满足1.575‐ghzgps、2.4/5.2/5.8‐ghzwlan和3.5/5.5‐ghzwimax的要求。

图3是本发明的天线的各项性能指标采用hfss和cst软件进行测试，得到分别在1.575ghz、2.45ghz、3.5ghz、5.3ghz和6.2ghz的表面电流分布图。图(a)是天线在1.575ghz的表面电流分布图，从图(a)可以看出，天线表面电流在1.575ghz时分布明显主要在微带线辐射贴片5上；图(b)是天线在2.45ghz的表面电流分布图，从图(b)可以看出天线表面电流在2.45ghz时主要分布在开口谐振环左分支辐射贴片3与开口谐振环右分支辐射贴片4上；图(c)是天线在3.5ghz的表面电流分布图，从图(c)可以看出天线表面电流在3.5ghz时主要分布于工字型贴片2的中间部分；图(d)是天线在5.3ghz的表面电流分布图，从图(d)可以看出天线表面电流在5.3ghz时主要分布于l型缝隙8整体的右半部分；图(e)是天线在6.2ghz的表面电流分布图，从图(e)可以看出天线表面电流在6.2ghz时主要分布于l型缝隙8靠右的下半部分。

图4‐图7为天线分别在不同参数值下的回波损耗图，图4为在其他参数不变的前提下，改变微带线辐射贴片5的长度参数得到的本发明天线的回波损耗图；图5为在其他参数不变的前提下，改变开口谐振环左/右分支的内环和外环参数得到的本发明天线的回波损耗图；图6为在其他参数不变的前提下，改变工字型辐射贴片2的参数得到的本发明天线的回波损耗图；图7为在其他参数不变的前提下，改变l型缝隙8参数得到的本发明的回波损耗图。

由图4‐图7可以看出，在保持某些特定参数值不变的情况下改变另外一些参数值其相应的回波损耗值改变不大，这表明了本发明天线独立频率控制的优点及很强的鲁棒性。根据本发明天线的该优点对天线的参数进行调整以进行天线的优化工作。

图2是根据图4‐图7性能测试比较后，得到了本发明的最佳尺寸，具体参数如下：w＝25mm，l＝45mm，wp＝23mm，lp＝17mm，ws1＝8mm，ws2＝9mm，ls＝8mm，l5＝5mm，lh＝7.5mm，lv＝2mm，w4＝4mm，l4＝1mm，l3＝13mm，w3＝5.5mm，wr＝0.6mm，r1＝5.1mm，r2＝4.7mm，r1＝4mm，r2＝3.6mm，lf＝25mm，wf＝3mm，w1＝10.6mm，w2＝4mm，l1＝5mm，l2＝3mm。

图8所示的是本发明根据图2中数据参数得到了本发明的最佳的回波损耗曲线，由图8可见，‐10db以下的工作频段分别为1.44‐1.68ghz，2.39‐2.55ghz，3.37‐3.61ghz，5.13‐6.53ghz，可以完全覆盖1.575ghzgps、2.4/5.2/5.8‐ghzwlan和3.5/5.5‐ghzwimax工作频段的标准。

根据图2中本发明天线具体尺寸参数，得到了具体实物图，如图9所示。图9所示的是本发明在具体应用时的实物图，从图中可以看出，本发明在实际应用的过程中，该基板1下方设有连接件，该基板1上的微带线辐射贴片5的底端，位于微带线辐射贴片5的左右两侧的共面波导馈电左/右分支结构的底端均与连接件相连。

图10‐13为天线分别在1.575ghz、2.5ghz、3.5ghz和5.5ghz时的e面仿真与实测的辐射方向对比图，由图10‐图13可见，本发明天线的理论仿真研究与实际测量相符，从而验证了本发明天线具有良好的辐射特性，在xz平面全向辐射特性，在yz平面为类“8”型辐射特性。

图14为天线的增益图，该增益图可由图8中本发明的最佳回波损耗图得到参数值计算而来，从图14可以看出，天线峰值增益变化为从1ghz到6ghz，对于1.575ghz的gps频带，峰值增益为0.3dbi，对于2.4ghzwlan频带的天线增益变化从0.8到1.2dbi，和对于3.5ghzwimax的天线增益的变化从2.5到3.2dbi，对于5.2/5.8‐ghz的wlan与5.5‐ghzwimax的应用的增益变化为2.8到3.5dbi。虽然所述天线在低频带的增益是相对低的，它仍然足够满足大多数的无线通信系统的实际应用要求。