基于通信频段的宽频微带天线的制作方法

本发明属于电磁能量接收天线技术领域，具体涉及一种用于接收环境中射频能量的基于通信频段的宽频微带天线。

背景技术：

随着现代智能家居、物联网技术的不断发展，基于传感器等的小型低功率电子器件被广泛应用于日常生活中。利用环境射频能量收集技术能有效解决大量电子器件的供电问题，可以减小电池更换带来的人力成本和环境污染。射频能量收集技术的核心是小型且高效的接收天线的设计。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的基于通信频段的宽频微带天线，该天线较其他天线而言，具有较宽的频带和较高的增益。本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于通信频段的宽频微带天线其特征在于包括介质基板、辐射单元、阻抗匹配输入传输线和金属接地板，辐射单元为贴附于介质基板上表面的开槽金属贴片。所述介质基板材料为fr4，介电常数εr＝4.2，厚度d＝1.5mm，长度为50mm，宽度为35mm。所述天线辐射单元的设计形状及尺寸满足如下要求，天线辐射单元主体部分基于长为33.83mm宽为31.69mm的矩形经过开槽而得到。首先是两个“l”型槽，每个“l”型槽均由长为20.12mm，宽为2mm和长为26mm，宽为2mm的两个矩形槽组合而成。两个“l”型槽分别分布在辐射单元的左上和右下的位置并呈现中心对称。把一个半径为4mm的大圆和一个半径为2.5mm的小圆相内切，大圆切去小圆所余下的月牙形部分被两圆圆心连线所分割，得到的不规则图形是形成中央四个环形槽口的基础。四个槽口中，上下两个槽口分别通过长为8mm宽为0.6mm和长为8mm宽为0.9mm的矩形与上述“l”型槽相连；左右两个槽口分别与长为7mm宽为0.8mm的矩形槽口相连但不与上述“l”型槽连接。所述阻抗匹配输入传输线为长为12.88mm宽为4mm的矩形，连接辐射单元和天线上表面底端。所述金属接地板为长为35mm宽为8.8mm的矩形加以开槽和图形组合所形成。以天线下表面底端左端点为原点以介质基板的两条边为x轴和y轴，以1mm为单位长度建立平面直角坐标系。第一步，以(5.5,11)、(3,10)、(29.5,11)、(32,10)四点为圆心，以3mm为半径形成的四个圆与上述矩形组合成为一个整体。第二步，以(0,2.48)、(0,3.66)、(9,2.48)、(9,3.66)和(0,4.95)、(0,6.14)、(9,4.95)、(9,6.14)和(35,2.48)、(35,3.66)、(26,2.48)、(26,3.66)和(35,4.95)、(35,6.14)、(26,4.95)、(26,6.14)四组坐标为端点形成的四个矩形开槽。

本发明的技术效果为：基于通信频段的宽频微带天线具有较高的增益且能在2.1ghz到3.1ghz较宽的频带内接收射频信号。

附图说明

图1是基于通信频段的宽频微带天线辐射单元的结构示意图；

图2是基于通信频段的宽频微带天线金属接地板的结构示意图；

图3是基于通信频段的宽频微带天线的结构示意图；

图4是基于通信频段的宽频微带天线的回波损耗图；

图5是基于通信频段的宽频微带天线的增益图。

图中：1、介质基板，2、阻抗匹配输入传输线，3、辐射单元，4、金属接地板。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明具体实施过程中的技术方案进行完整、清晰、具体的描述。

此发明的核心部分是基于通信频段的宽频微带天线设计，在微带天线设计时需要对辐射单元的矩形贴片的尺寸，介质基板的尺寸、厚度进行理论上的估算，才能在模拟实验的时候更加快速精确的找到适合特定频率的基于通信频段的宽频微带天线。所以下面以矩形微带天线为例，讲解微带天线各个数据参数的理论计算方法。

贴片尺寸l×w，贴片宽度w为：

在(1)式中，c为光速，f0为禁带中心频率，εr为相对介电常数。

微带天线介质基板的相对有效介电常数εre为：

h表示介质层厚度，为了降低表面波辐射对天线性能的影响，介质基片的厚度应该满足一下的理论计算公式：

其中fu为微带天线的工作的最高频率。

微带天线的等效辐射缝隙长度△l为：

则微带天线贴片的长度l为：

接地板的尺寸lg×wg满足下列理论公式

lg≥l+6h(6)

wg≥w+6h(7)

矩形微带天线用的是同轴线进行馈电，当确定了矩形贴片的长度和宽度后，一般在微带天线中加入50ω的标准阻抗。

如图1、图2、图3所示基于通信频段的宽频微带天线其特征在于包括介质基板、辐射单元、阻抗匹配输入传输线和金属接地板，辐射单元为贴附于介质基板上表面的树形单层金属贴片。所述介质基板材料为fr4，介电常数εr＝4.2，厚度d＝1.5mm，长度为50mm，宽度为35mm。所述天线辐射单元的设计形状及尺寸满足如下要求，天线辐射单元主体部分基于长为33.83mm宽为31.69mm的矩形经过开槽而得到。首先是两个“l”型槽，每个“l”型槽均由长为20.12mm，宽为2mm和长为26mm，宽为2mm的两个矩形槽组合而成。两个“l”型槽分别分布在辐射单元的左上和右下的位置并呈现中心对称。把一个半径为4mm的大圆和一个半径为2.5mm的小圆相内切，大圆切去小圆所余下的月牙形部分被两圆圆心连线所分割，得到的不规则图形是形成中央四个环形槽口的基础。四个槽口中，上下两个槽口分别通过长为8mm宽为0.6mm和长为8mm宽为0.9mm的矩形与上述“l”型槽相连；左右两个槽口分别与长为7mm宽为0.8mm的矩形槽口相连但不与上述“l”型槽连接。所述阻抗匹配输入传输线为长为12.88mm宽为4mm的矩形，连接辐射单元和天线上表面底端。所述金属接地板为长为35mm宽为8.8mm的矩形加以开槽和图形组合所形成。以天线下表面底端左端点为原点以介质基板的两条边为x轴和y轴，以1mm为单位长度建立平面直角坐标系。第一步，以(5.5,11)、(3,10)、(29.5,11)、(32,10)四点为圆心，以3mm为半径形成的四个圆与上述矩形组合成为一个整体。第二步，以(0,2.48)、(0,3.66)、(9,2.48)、(9,3.66)和(0,4.95)、(0,6.14)、(9,4.95)、(9,6.14)和(35,2.48)、(35,3.66)、(26,2.48)、(26,3.66)和(35,4.95)、(35,6.14)、(26,4.95)、(26,6.14)四组坐标为端点形成的四个矩形开槽。

图4是基于通信频段的宽频微带天线的回波损耗图，由图可知，基于通信频段的宽频微带天线在2.1ghz到3.1ghz内均具有较低的回波损耗，具有宽频特性。

图5是基于通信频段的宽频微带天线的增益图，由图可知，在2.0ghz到3.4ghz间天线增益具有上升趋势切均处于较高的水平。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。