本实用新型涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种椭圆环组合形三宽频平面缝隙天线，适用于WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统。
背景技术：
天线结合微波技术的各种产品比比皆是，其影响小到人们的日常生活，大到国家的安全保障，其重要性是不言而喻的，就天线的实际应用需求而言，宽频带、多频带和小型化是天线目前最主要的研究方向。当前无线通信系统朝着小型化、系统集成方向发展，也迫切需要天线能覆盖多个电磁频段，从而增加系统的集成度，使通信系统更加紧凑，多带天线在此应用背景下应运而生。常规的多频带天线包括单极天线、缝隙天线、微带天线和倒F天线，缝隙天线较容易实现多频特性。缝隙天线是在地板上开一个较宽的缝隙，缝隙结构一般采用近似椭圆形或近似矩形缝隙，辐射与馈电部分与单极子天线的设计类似，共面波导馈电与宽缝隙相结合，采用特殊的几何组合结构调节阻抗匹配能够获得较宽的阻抗带宽，引入特殊结构设计还能够实现多频与陷波特性。缝隙加载技术可以实现多频特性，一般是在辐射贴片或地板上开一缝隙，可以引导电流围绕此缝隙流动，使电流路径得到明显的增加，有效地降低天线的谐振频率，通过改变天线自然模的场分布增加谐振点，实现双频或多频特性，但该种方法设计复杂、计算难度大。非专利文献1公开了一种缝隙加载多频带贴片天线，在介质基板的上部为一个开有弧形缝隙的圆形贴片，介质基板中间为泡沫介质，在介质基板下部为地板，在两层介质中间包含了一个圆形电容馈电贴片，该天线采用多层介质结构和电容馈电贴片增加了天线的阻抗带宽，从而能够完全满足GPS和WIFI频段的阻抗带宽需求，但该天线的设计尺寸较大。谐振交叠技术是设计多频带天线的重要技术手段，它是将两个或多个谐振单元融合在一起，每个谐振单元都能激励出一定的谐振频率，从而实现多频带特性，该方法设计简单、容易实现多频特性。非专利文献2公开了一种带有椭圆极子的双频微带天线，辐射单元主要包括两个半椭圆单极子和两个尺寸不同的矩形，辐射单元和地板印刷在介质基板两侧，天线通过辐射单元不同的几何形状组合而激发出不同的工作频带，天线覆盖了WLAN全部频段和WiMAX频段，但该天线需要双侧印刷，不利于集成设计。因此，设计小型化、双宽频的天线，满足无线通信系统高集成度的需求显得尤为重要。
引用文献列表
非专利文献1：陈建玲，缝隙加载多频带天线贴片天线研究，北京交通大学博士学位论文，2016:39-46.
非专利文献2：曾文杰，小型化宽频和双频微带天线的研究与设计，太原理工大学硕士学位论文，2016:45-53.
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种椭圆环组合形三宽频平面缝隙天线，具有三频带特性，频带宽、全向辐射、增益稳定、尺寸较小，便于集成在射频电路中，同时满足3.5GHzWiMAX、5GHzWLAN和8GHz X频段对工作频带的要求。
本实用新型的技术方案是：一种椭圆环组合形三宽频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的椭圆环组合形馈源终端(2)、矩形共面波导馈线(3)、椭圆缝隙地板(4)和外接的同轴接头(5)构成，其特征在于：
a.所述的椭圆环组合形馈源终端(2)由椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)组合而成，椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)的环宽相同，椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)的圆心位于介质基板的中心轴上，椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)相交于矩形共面波导馈线(3)的上端，椭圆环组合形馈源终端(2)由三个环宽相同的椭圆环巧妙的组合而成，从而激励起三个不同的辐射频带，使天线具有三宽频特性，改变椭圆环(7)的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(8)的尺寸可以调节天线中频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(9)的尺寸可以调节天线高频段的中心频率和带宽；
b.所述的矩形共面波导馈线(3)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，矩形共面波导馈线(3)的上端与椭圆环组合形馈源终端(2)下端相连接，矩形共面波导馈线(3)的下端外接同轴接头(5)；
c.所述的椭圆缝隙地板(4)为开有以椭圆为基形的宽缝隙(6)的地板，宽缝隙(6)由上半椭圆、矩形和下半椭圆组合而成，上下半椭圆的尺寸相同，上下半椭圆的长轴为矩形的长，上下半椭圆与矩形组合后形成以椭圆形为基形的宽缝隙(6)，采用椭圆缝隙地板(4)可以调节天线在中低频段的阻抗匹配特性，椭圆缝隙地板(4)形成的以椭圆形为基形的宽缝隙可以进一步减小天线的设计尺寸；
d.所述的同轴接头(5)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(5)分别与矩形共面波导馈线(3)和椭圆缝隙地板(4)的两个下边缘相连接。
所述的椭圆环组合形馈源终端(2)由三个椭圆环金属贴片组合而成，三个椭圆环的环宽W3为6mm～6.3mm，其中的椭圆环(7)的圆心O1到介质基板下端的距离L3为8mm～10mm，椭圆环(7)的长半轴R1为3mm～3.8mm，椭圆环(7)的轴比Ra1为1.5～2.0，椭圆环(8)的圆心O2到介质基板下端的距离L1为7mm～9mm，椭圆环(8)的长半轴R2为1mm～2mm，椭圆环(8)的轴比Ra2为1.7～2.2，椭圆环(9)的圆心O3到介质基板下端的距离L4为10mm～12mm，椭圆环(9)的长半轴R3为5mm～6mm，椭圆环(9)的轴比Ra3为1.6～2.5。
所述的矩形共面波导馈线(3)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为6mm～6.5mm，宽度W2为1.7mm～2.4mm。
所述的椭圆缝隙地板(4)为开有以椭圆为基形的宽缝隙(6)的地板，椭圆缝隙地板(4)的宽度W1为10mm～12mm，宽缝隙(6)由上半椭圆、矩形和下半椭圆组合而成，上半椭圆的圆心O4到介质基板下端的距离L5+L6为15mm～17mm，上、下半椭圆的长半轴R4为4.5mm～5.5mm，上、下半椭圆的轴比Ra4为2.2～2.5，矩形的长L6为6mm～7mm，矩形的宽为2×R4。
本实用新型的效果在于：本实用新型设计了结构新颖的椭圆环组合形馈源终端和椭圆缝隙地板。椭圆环组合形馈源终端由三个环宽相同的椭圆环巧妙的组合而成，从而激励起三个不同的辐射频带，使天线具有三宽频特性，改变椭圆环(7)的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(8)的尺寸可以调节天线中频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(9)的尺寸可以调节天线高频段的中心频率和带宽。采用椭圆缝隙地板可以调节天线在中低频段的阻抗匹配特性，椭圆缝隙地板形成的以椭圆形为基形的宽缝隙可以进一步减小天线的设计尺寸。本实用新型具有三宽频特性，工作频段为3.2GHz～3.8GHz、5.1GHz～6GHz和7.8GHz～12GHz，设计尺寸为25mm×25mm，天线结构简单，加工方便，各频段的辐射特性和增益特性良好，适用于WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构示意图。
图2是椭圆环(7)长半轴R1、椭圆环(7)轴比Ra1对天线反射系数S11的影响。
图3是椭圆环(8)长半轴R2、椭圆环(8)轴比Ra2对天线反射系数S11的影响。
图4是矩椭圆环(9)长半轴R3、椭圆环(9)轴比Ra3对天线反射系数S11的影响。
图5是宽缝隙上下半椭圆长半轴R4、宽缝隙上下半椭圆轴比Ra4对天线反射系数的影响。
图6是本实用新型实施例实测反射系数S11曲线与仿真值比较。
图7是本实用新型实施例在频率为3.45GHz时的E面和H面辐射方向图。
图8是本实用新型实施例在频率为5.54GHz时的E面和H面辐射方向图。
图9是本实用新型实施例在频率为9.9GHz时的E面和H面辐射方向图。
图10是本实用新型实施例在不同频率点的峰值增益图。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，一种椭圆环组合形三宽频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的椭圆环组合形馈源终端(2)、矩形共面波导馈线(3)、椭圆缝隙地板(4)和外接的同轴接头(5)构成，其特征在于：所述的椭圆环组合形馈源终端(2)由椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)组合而成，椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)的环宽相同，椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)的圆心位于介质基板的中心轴上，椭圆环(7)、椭圆环(8)、椭圆环(9)相交于矩形共面波导馈线(3)的上端，椭圆环组合形馈源终端(2)由三个环宽相同的椭圆环巧妙的组合而成，从而激励起三个不同的辐射频带，使天线具有三宽频特性，改变椭圆环(7)的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(8)的尺寸可以调节天线中频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(9)的尺寸可以调节天线高频段的中心频率和带宽；所述的矩形共面波导馈线(3)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，矩形共面波导馈线(3)的上端与椭圆环组合形馈源终端(2)下端相连接，矩形共面波导馈线(3)的下端外接同轴接头(5)；所述的椭圆缝隙地板(4)为开有以椭圆为基形的宽缝隙(6)的地板，宽缝隙(6)由上半椭圆、矩形和下半椭圆组合而成，上下半椭圆的尺寸相同，上下半椭圆的长轴为矩形的长，上下半椭圆与矩形组合后形成以椭圆形为基形的宽缝隙(6)，采用椭圆缝隙地板(4)可以调节天线在中低频段的阻抗匹配特性，椭圆缝隙地板(4)形成的以椭圆形为基形的宽缝隙可以进一步减小天线的设计尺寸；所述的同轴接头(5)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(5)分别与矩形共面波导馈线(3)和椭圆缝隙地板(4)的两个下边缘相连接。
所述的椭圆环组合形馈源终端(2)由三个椭圆环金属贴片组合而成，三个椭圆环的环宽W3为6mm～6.3mm，其中的椭圆环(7)的圆心O1到介质基板下端的距离L3为8mm～10mm，椭圆环(7)的长半轴R1为3mm～3.8mm，椭圆环(7)的轴比Ra1为1.5～2.0，椭圆环(8)的圆心O2到介质基板下端的距离L1为7mm～9mm，椭圆环(8)的长半轴R2为1mm～2mm，椭圆环(8)的轴比Ra2为1.7～2.2，椭圆环(9)的圆心O3到介质基板下端的距离L4为10mm～12mm，椭圆环(9)的长半轴R3为5mm～6mm，椭圆环(9)的轴比Ra3为1.6～2.5。
所述的矩形共面波导馈线(3)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为6mm～6.5mm，宽度W2为1.7mm～2.4mm。
所述的椭圆缝隙地板(4)为开有以椭圆为基形的宽缝隙(6)的地板，椭圆缝隙地板(4)的宽度W1为10mm～12mm，宽缝隙(6)由上半椭圆、矩形和下半椭圆组合而成，上半椭圆的圆心O4到介质基板下端的距离L5+L6为15mm～17mm，上、下半椭圆的长半轴R4为4.5mm～5.5mm，上、下半椭圆的轴比Ra4为2.2～2.5，矩形的长L6为6mm～7mm，矩形的宽为2×R4。
实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择FR4环氧树脂介质基板，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm，金属层厚度为0.04mm，同轴接头采用标准SMA接头。介质基板长L＝25mm、宽W＝25mm。椭圆环组合形馈源终端(2)由三个椭圆环金属贴片组合而成，三个椭圆环的环宽W3为0.6mm，其中的椭圆环(7)的圆心O1到介质基板下端的距离L3为9.5mm，椭圆环(8)的圆心O2到介质基板下端的距离L1为7.9mm，椭圆环(9)的圆心O3到介质基板下端的距离L4为11mm。椭圆环组合形馈源终端由三个环宽相同椭圆环巧妙的组合而成，从而激励起三个不同的辐射频带，使天线具有三宽频特性，三个椭圆环的圆心位于介质基板的中心轴上，三个椭圆环相交于共面波导馈线的上端，改变椭圆环(7)的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(8)的尺寸可以调节天线中频段的中心频率和带宽，改变椭圆环(9)的尺寸可以调节天线高频段的中心频率和带宽。矩形共面波导馈线(3)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为6.3mm，宽度W2为1.9mm。
椭圆宽缝隙上下半椭圆长半轴R4和连接导带长L5尺寸由下列公式确定：
其中εr表示介质基板的相对介电常数，εe表示介质基板的等效介电常数，f0表示天线的中心频率，c代表光速，由下式可得出
共面波导缝隙天线的特性阻抗由介质基片的厚度h，相对介电常数εr，共面波导导带的宽度W2，导带与地板之间的缝隙g等参数共同决定。计算公式如下：
其中εeff为介质基板的有效介电常数，表示为
其中
其中h为介质基板厚度，W为介质基板宽度，k(k0)、k(k1)、k’(k0)、k’(k1)为完全椭圆积分函数和补函数，k0、k1为变量，在设计分析过程中，可以将式(5)简化为
椭圆缝隙地板(4)为开有以椭圆为基形的宽缝隙(6)的地板，经计算分析，椭圆缝隙地板(4)的宽度W1为11.1mm，宽缝隙(6)由上半椭圆、矩形和下半椭圆组合而成，上半椭圆的圆心O4到介质基板下端的距离L5+L6为16mm，上、下半椭圆的长半轴R4为4.9mm，上、下半椭圆的轴比Ra4为2.4，矩形的长L6为6.6mm，矩形的宽为2×R4。
利用HFSS软件对天线模型进行分析，对主要参数椭圆环(7)长半轴R1、椭圆环(7)轴比Ra1、椭圆环(8)长半轴R2、椭圆环(8)轴比Ra2、椭圆环(9)长半轴R3、椭圆环(9)轴比Ra3和宽缝隙上下半椭圆长半轴R4、宽缝隙上下半椭圆轴比Ra4进行分析，通过调节这八个参数来调节带宽，调节各频段带宽，改善阻抗匹配特性。
椭圆环(7)长半轴R1、椭圆环(7)轴比Ra1对天线反射系数S11的影响，如图2所示，分别选取R1＝3.2mm、Ra1＝1.6、R1＝3.4mm、Ra1＝1.8、和R1＝3.6mm、Ra1＝2.0这三种情况对天线进行分析，从图2中可以看出，随着R1、Ra1的增加，整个频段的谐振点向低频方向移动，中、低频段的谐振程度逐渐增大，而高频段的谐振程度减小，谐振点偏移量变化较小，原因是低频段天线表面电流主要集中在椭圆环(7)周围，椭圆环(7)尺寸的增加使对应于低频段的电尺寸长度增大，使低频段谐振点向低频方向偏移，从而改善了天线在低频段的阻抗匹配性能。综合考虑，当R1＝3.4mm、Ra1＝1.8时，天线的带宽达到最大，此时的天线在低频段的带宽满足工作需求。
椭圆环(8)长半轴R2、椭圆环(8)轴比Ra2对天线反射系数S11的影响，如图3所示，分别选取R2＝1.5mm、Ra2＝1.8、R2＝1.7mm、Ra2＝2、和R2＝1.9mm、Ra2＝2.2这三种情况对天线进行分析，从图3中可以看出，随着R2、Ra2的增加，低频段的谐振点向低频移动，谐振程度减小，高频段的谐振点向高频移动，谐振程度减小，中频段的频带变宽，谐振程度增加，原因是中频段天线表面电流主要集中在椭圆环(8)周围，椭圆环(8)尺寸的增加使对应于中频段的电尺寸长度增大，使中频段的频带变宽，谐振程度增加，从而改善了天线在中频段的带宽和阻抗匹配性能。综合考虑，当R2＝1.7mm、Ra2＝2时，天线在中频段的各项性能达到最佳。
矩椭圆环(9)长半轴R3、椭圆环(9)轴比Ra3对天线反射系数S11的影响，如图4所示，分别选取R3＝5.4mm、Ra3＝1.8、R3＝5.6mm、Ra3＝1.9、和R3＝5.8mm、Ra3＝2这三种情况对天线进行分析，从图4中可以看出，随着R3、Ra3的增加，低频段的谐振程度逐渐减小，高频段的谐振程度逐渐增大，中高频谐振点向高频方向发生偏移，谐振程度增加，使中高频段的阻抗带宽也随之增加，椭圆环(9)尺寸的变化对中高频段阻抗匹配影响较大，原因是在中高频段天线上的表面电流主要集中在椭圆环(9)周围，椭圆环(9)的增加引起椭圆组合馈源终端对应于高频段的电尺寸增加，谐振电长度变长，引起中高频谐振点向高频方向偏移。当R3＝5.6mm、Ra3＝1.9时，天线在高频段的阻抗匹配良好，在低频段的性能也能够满足设计要求。
宽缝隙上下半椭圆长半轴R4、宽缝隙上下半椭圆轴比Ra4对天线反射系数的影响，如图5所示，分别选取R4＝4.5mm、Ra4＝2、R4＝4.7mm、Ra4＝2.2、和R4＝4.9mm、Ra4＝2.4这三种情况对天线进行分析，从图5中可以看出，随着R4、Ra4的增加，天线在低频段的谐振程度逐渐增加，低频段谐振点向低频方向偏移，展宽了低频段的阻抗带宽，中高频段的谐振点略向高频方向移动，谐振程度也有一定程度增加。原因是低频段天线表面电流主要集中在椭圆宽缝隙上下边缘处，因此椭圆宽缝隙对天线在低频段的谐振贡献较大，随着椭圆宽缝隙上下半椭圆尺寸的增加，对应于低频段的横向电尺寸长度减小，使低频段谐振点向低频方向偏移，从而改善天线在低频段的阻抗匹配性能。综合考虑，当R4＝4.7mm、Ra4＝2.2时，天线的性能达到最佳。
通过以上对比分析得出，当椭圆环(7)长半轴R1＝3.4mm、椭圆环(7)轴比Ra1＝1.8、椭圆环(8)长半轴R2＝1.7mm、椭圆环(8)轴比Ra2＝2、椭圆环(9)长半轴R3＝5.6mm、椭圆环(9)轴比Ra3＝1.9、宽缝隙上下半椭圆长半轴R4＝4.7mm、宽缝隙上下半椭圆轴比Ra4＝2.2时，天线具有良好的反射系数频带。
使用矢量网络分析仪测试天线的反射系数，反射系数S11随频率的变化曲线与仿真结果对比如图6所示，反射系数S11小于-10dB的阻抗带宽在低频段为3.2GHz～3.8GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的WiMAX(3.3GHz～3.7GHz)频段，在中频段为5.1GHz～6GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的WLAN(5.15GHz～5.825GHz)频段，在高频段为7.8GHz～12GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的X(8GHz～12GHz)频段，频带内形成了多个谐振点，产生了三宽频响应，谐振点分别位于3.45GHz、5.54GHz、9.9GHz处，对应的谐振峰强度分别为-25.1dB、-28.3dB、-45.2dB，能够满足天线的工作需求。实测结果与仿真结果对比，谐振点在低频处向右发生一定偏移，在中高频处基本保持一致，频率偏移的原因为介质板相对介电常数存在误差，手工焊接馈电部分引入了损耗，以及测试环境对测量结果产生一定影响。
对天线在3.45GHz、5.54GHz、9.9GHz三个频率点处的E面和H面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测方向图如图7、图8、图9所示。从图中可以看出，天线辐射方向图在E面近似垂直哑铃形，在H面低频范围方向图近似全向，随着频率的升高方向图有轻微的偏移，主要原因是实验测试环境、天线实际加工制作误差和手工焊接同轴接头所导致。因此，该天线在三个频段内是全向的，辐射特性比较稳定，天线的波瓣比较宽，具有三宽频特性和较好的全向性，能够同时满足WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统的需求。
测试天线在频带内不同频率点的峰值增益曲线，如图10所示，在频带范围内选取几个采样点，测试结果表明，在3.2GHz～3.8GHz频带范围内，天线的峰值增益变化范围是4.5dBi～4.8dBi，在5.1GHz～6GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是6.1dBi～6.7dBi，在7.8GHz～12GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是7.1dBi～8.8dBi，变化范围较为合理，说明天线具有良好电性能，在三个工作频段内的增益性能良好。