双频缝隙天线及其调谐方法与流程

本发明涉及射频微波通信
技术领域：
，尤其涉及一种双频缝隙天线及其调谐方法。
背景技术：
：在目前的多频天线设计中，设计者往往是通过组合多个谐振频率不同的辐射体来实现多频段，因此天线尺寸往往较大。因此，有必要提出一种设计尺寸较小的双频天线，利用具有两个谐振频率的双频谐振体，并且两个谐振频率均可以有效调节，从而使双频天线的中心工作频率和带宽均具有很高的调节能力。技术实现要素：本发明的主要目的提供一种双频缝隙天线及其调谐方法，旨在解决现有多频天线通过组合多个谐振频率不同的辐射体来实现多频段而造成天线尺寸较大的技术问题。为实现上述目的，本发明提供了一种双频缝隙天线，刻蚀在介质基板的上表面，该介质基板的上表面敷设有金属层作为金属射频地，所述双频缝隙天线包括多模缝隙谐振器，该多模缝隙谐振器由折叠缝隙谐振器和共面波导阶梯阻抗谐振器组成，所述折叠缝隙谐振器由一根第一槽线、两根第二槽线、两根第三槽线、两根第四槽线以及两根第五槽线组成，所述共面波导阶梯阻抗谐振器通过金属线与金属射频地连接，并且通过一个末端为t形结构的共面波导馈线给所述多模缝隙谐振器馈电。优选的，所述共面波导阶梯阻抗谐振器为由所述折叠缝隙谐振器包围住的部分介质基板，且通过一个宽度为s1的金属线与金属射频地连接。优选的，所述两根第二槽线的一端各自垂直连接在第一槽线的两端形成直角u型结构，其中一根第三槽线的一端和其中一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线的两端形成一个准直角u型结构，其中另一根第三槽线的一端和其中另一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线的两端形成一个准直角u型结构，两根第三槽线的另一端垂直连接在两根第二槽线的另一端。优选的，所述折叠缝隙谐振器的两根第四槽线位于两根第二槽线之间且相互平行，两根第四槽线相互靠近且通过金属线隔开，第一槽线、第三槽线和第五槽线相互平行且通过部分介质基板隔开形成所述共面波导阶梯阻抗谐振器。优选的，所述折叠缝隙谐振器的第一槽线的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线，该第六槽线的一端连通至第一槽线的中部位置，第六槽线的另一端向下延伸并连接至介质基板的一条长边缘。优选的，所述共面波导馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第二馈线的一端垂直连接至第一馈线的中部位置形成t形结构，所述第一馈线内置于所述缝隙谐振器的第一槽线中且使第一馈线与第一槽线下边框之间的间隔为d1的位置处，所述第二馈线内置于第六槽线且使第二馈线两侧的镂空缝隙均为d0的中央位置处，使t形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。优选的，所述两根第四槽线之间的内侧间距为s0，两根第四槽线之间的外侧间距等于金属线的宽度，均为s1；所述t形结构的共面波导馈线的横向长度为l6。本发明还提供一种双频缝隙天线的调谐方法，所述双频缝隙天线的调谐方法包括：通过改变t形结构的共面波导馈线的横向长度l6的设计参数来调节共面波导馈线产生的谐振频率ftr，当l6增大时，ftr频率减小；通过改变折叠缝隙谐振器的两根第四槽线之间的内侧间距s0的设计参数来调节共面波导阶梯阻抗谐振器的基本谐振频率和一阶谐振频率，当s0增大时，共面波导阶梯阻抗谐振器的基本谐振频率和两个一阶谐振频率fcsir0、fcsir1均增大，并且fcsir1变化的速度大于fcsir0；通过改变折叠缝隙谐振器的两根第四槽线之间的外侧间距s1的设计参数来调节折叠缝隙谐振器的二阶谐振频率ffslr，当s1增大时，二阶谐振频率ffslr增大。相较于现有技术，本发明所述双频缝隙天线不仅设计尺寸小、加工简单成本低廉，而且利用一个多模缝隙谐振器通过共面波导馈电，实现了天线的双频特性。该双频缝隙天线的工作频段包括四个谐振频率，通过调节不同的设计尺寸参数来调谐天线的各个谐振频率，可以有效调节天线的中心工作频率和带宽特性。附图说明图1是本发明双频缝隙天线的整体结构及尺寸示意图；图2是本发明双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的结构示意图；图3是多模缝隙谐振器开设有槽线的结构示意图；图4是本发明双频缝隙天线中的共面波导馈线的结构示意图；图5是本发明双频缝隙天线的反射系数示意图；图6是共面波导馈线末端的t形结构的横向长度l6对天线反射系数的影响示意图；图7是折叠缝隙谐振器的两根第四槽线之间的内侧间距s0对天线反射系数的影响示意图；图8是折叠缝隙谐振器的两根第四槽线之间的外侧间s1对天线反射系数的影响示意图。本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。具体实施方式为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1所示，图1是本发明双频缝隙天线的整体结构及尺寸示意图。在本实施例中，本发明提出的双频缝隙天线包括一个多模缝隙谐振器，该多模缝隙谐振器由一个折叠缝隙谐振器(fslr)1和一个共面波导阶梯阻抗谐振器(csir)2组成，并且该共面波导阶梯阻抗谐振器2通过一个宽度为s1的金属线5(参照图2所示)与金属射频地(ground)4连接，通过一个末端为t形结构的共面波导馈线3(简称cpw馈线3)给该多模缝隙谐振器馈电，可以实现一个双频天线。所述双频缝隙天线刻蚀在介质基板10上，所述介质基板10的上表面敷设有金属层，例如敷铜金属层作为金属射频地4(图1中的金属射频地4是没有被多模缝隙谐振器包围的那部分金属层)。所述介质基板10具体的板材类型为单层金属fr4板材、厚度为1.6mm、介电常数为4.4。参考图2所示，图2是本发明双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器的结构示意图。在本实施例中，所述多模缝隙谐振器由一个折叠缝隙谐振器1和一个共面波导阶梯阻抗谐振器2组成，且关于该多模缝隙谐振器的轴中心线左右对称。所述折叠缝隙谐振器1包括一根第一槽线21、两根第二槽线22、两根第三槽线23、两根第四槽线24以及两根第五槽线25。两根第二槽线22的一端各自垂直连接在第一槽线21的两端形成直角u型结构，其中一根第三槽线23的一端和其中一根第五槽线25的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线24的两端形成一个准直角u型结构，其中另一根第三槽线23的一端和其中另一根第五槽线25的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线24的两端形成一个准直角u型结构，两根第三槽线23的另一端垂直连接在两根第二槽线22的另一端，两根第四槽线24位于两根第二槽线22之间且相互平行，两根第四槽线24相互靠近且通过金属线5隔开。第一槽线21、第三槽线23和第五槽线25相互平行且通过部分介质基板10隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器2。由于多模缝隙谐振器关于该多模缝隙谐振器的轴中心线左右对称，因此两个准直角u型结构关于多模缝隙谐振器的轴中心线左右对称。在本实施例中，所述直角u型结构定义为构成u型的两个转角为直角且构成u型的两根槽线长度相等(均为第二槽线22)，准直角u型结构定义为构成准u型的两个转角为直角且构成准u型的两根槽线长度不相等(一根槽线为第三槽线23，另一根槽线为第五槽线25，且第三槽线23的长度大于第五槽线25)。所述槽线均为在介质基板10上开设的镂空缝隙。参考图1和图2所示，第一槽线21的长度为两根第三槽线23的长度l3与金属线5的宽度s1之和(即2×l3+s1)，第一槽线21的宽度为w1；第二槽线22的长度为l2，第三槽线23的长度为l3，第四槽线24的长度为l4，第五槽线25的长度为l5，第二槽线22、第三槽线23、第四槽线24和第五槽线25的宽度均为w2；两根第四槽线24之间的内侧间距为s0，两根第四槽线24之间的外侧间距等于金属线5的宽度，均为s1；第一槽线21和第五槽线25之间的间距为s2。所述共面波导阶梯阻抗谐振器2为由折叠缝隙谐振器1包围住的部分介质基板10，且通过一个宽度为s1的金属线5与金属射频地4连接。第一槽线21、第三槽线23和第五槽线25相互平行且通过部分介质基板10隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器2。参考图3和图1所示，图3是本发明双频缝隙天线中的多模缝隙谐振器开设有槽线的结构示意图。在本实施例中，所述折叠缝隙谐振器1的第一槽线21的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线26，该第六槽线26的一端连通至第一槽线21的中部位置，另一端向下延伸并连接至介质基板10的一条长边缘。第六槽线26的长度为l0+d1，宽度为w0+2×d0。参考图4所示，图4是本发明双频缝隙天线中的共面波导馈线3的结构示意图。在本实施例中，所述共面波导馈线3呈t形结构，该共面波导馈线3包括第一馈线31和第二馈线32，所述第二馈线32的一端垂直连接至第一馈线31的中部位置。第一馈线31的长度为t形结构的末端横向长度l6的两倍与第二馈线32的宽度w0之和(即2×l6+w0)，第一馈线31的宽度为w6；第一馈线31与第一槽线21下边框之间的间隔为d1；第二馈线32的长度为l0，第二馈线32的宽度为w0。第二馈线32的两条边框与第六槽线26的两条边框之间的间隔均为d0(第二馈线32两侧的镂空缝隙均为d0)，所述t形结构的共面波导馈线3的末端横向长度为l6。在制作本发明的双频缝隙天线时，将共面波导馈线3的第一馈线31直接放置于缝隙谐振器1的第一槽线21中且使第一馈线31与第一槽线21下边框之间的间隔为d1的位置处，并将cpw馈线3的第二馈线32直接放置于第六槽线26且使第二馈线32两侧的镂空缝隙均为d0的中央位置，从而使得t形结构的共面波导馈线3给多模缝隙谐振器馈电，实现本发明所述的双频缝隙天线。结合图1所示，本发明所述双频缝隙天线优选实施例的尺寸如下表1所示：表1本发明所述双频缝隙天线优选实施例的尺寸参数w0w1w2w6l0l1l2l3l4值(mm)4.62.21.20.52217.559.018.454.6参数l5l6d0d1d2s0s1s2值(mm)8.557.80.41.21.04.63.62.2在本实施例中，所述介质基板10的长度l优选为68.9mm，宽度为w优选为46mm。所述介质基板10的长度l和宽度w可以根据天线尺寸大小的需求选择。如图5所示，图5是本发明双频缝隙天线的反射系数示意图。在本实施例中，双频缝隙天线的反射系数(s11)如图5所示，可以看出天线有两个工作频段(s11<-10db)，两个频段的中心频率分别为2.64ghz和5.74ghz，相对带宽分别为14.8％和36.3％。天线工作在第一工作频段具有一个谐振频率(fcsir0)，该谐振频率fcsir0为共面波导阶梯阻抗谐振器2的基本谐振频率。天线工作在第二工作频段具有三个谐振频率(fcsir1，ftr，ffslr2)，其中fcsir1为共面波导阶梯阻抗谐振器2产生的一阶谐振频率；共面波导馈线3的t形结构形成了一个单极子结构，ftr为共面波导馈线3产生的谐振频率；ffslr2为折叠缝隙谐振器1产生的二阶谐振频率。值得注意的是，ffslr0为折叠缝隙谐振器1的基本谐振频率，但是由于其q值(品质因子)太大，因此未能形成天线有效工作频段。本发明双频缝隙天线的各个谐振频率可以通过调节不同的设计尺寸参数来调谐，因此本发明提供了一种双频缝隙天线的调谐方法，该方法包括：通过改变t形结构的共面波导馈线3的横向长度l6的设计参数来调节共面波导馈线3产生的谐振频率ftr，当l6增大时，ftr频率减小；通过改变折叠缝隙谐振器1的两根第四槽线之间的内侧间距s0的设计参数来调节共面波导阶梯阻抗谐振器2的基本谐振频率和一阶谐振频率，当s0增大时，共面波导阶梯阻抗谐振器2的基本谐振频率和两个一阶谐振频率fcsir0、fcsir1均增大，并且fcsir1变化的速度大于fcsir0；通过改变折叠缝隙谐振器1的两根第四槽线之间的外侧间距s1的设计参数来调节折叠缝隙谐振器1的二阶谐振频率ffslr，当s1增大时，二阶谐振频率ffslr增大。由此可知，l6可以有效调节天线工作在第二工作频段内的反射系数(s11)的幅值；s0可以有效调节天线工作在第二工作频段的下截止频率；s1可以有效调节天线工作在第二工作频段的上截止频率，以下结合如图6、图7、图8进行说明。如图6所示，图6为共面波导馈线3末端的t形结构的横向长度l6对天线反射系数的影响示意图。在本实施例中，因为ftr是由共面波导馈线3产生的，因此可以通过调节t形结构的共面波导馈线3的横向长度l6来调谐：当l6增大时，ftr减小。如图7所示，图7为折叠缝隙谐振器的两根第四槽线24之间的内侧间距s0对天线反射系数的影响示意图。在本实施例中，当s0增大时，共面波导阶梯阻抗谐振器2的长度减小，因此共面波导阶梯阻抗谐振器2的基本谐振频率和一阶谐振频率(fcsir0，fcsir1)均增大，并且fcsir1变化的速度更快。如图8所示，图8为折叠缝隙谐振器的两根第四槽线24之间的外侧间距s1对天线反射系数的影响示意图。在本实施例中，当s1增大时，折叠缝隙谐振器1的长度减小，因此ffslr增大。本发明所述双频缝隙天线本发明所述双频缝隙天线不仅设计尺寸小、加工简单成本低廉，而且利用一个多模缝隙谐振器通过共面波导馈电，实现了天线的双频特性。该双频缝隙天线的工作频段包括四个谐振频率，通过调节不同的设计尺寸参数来调谐天线的各个谐振频率，可以有效调节天线的中心工作频率和带宽特性。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12