缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电天线技术领域，具体为一种缺陷地结构不对称共面波导式三频 带天线。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信需求的急剧增长，无线通信技术取得了飞速发展，新的无线通信技 术、无线通信频段不断出现。目前，3G/4G无线通信系统、蓝牙技术、微波存取全球互通系统 (WIMAX)、无线局域网系统（WLAN)等都使用了不同的无线频谱。为了解决不同无线频谱通 信问题，一般在系统设备上架设多个天线。然而架设多个天线，又带了许多新问题，最突出 的是频谱利用率低、天线之间相互干扰严重。
[0003] 缺陷地结构不对称共面波导式三频带天线不仅结构简洁、新颖，在单一口径天线 上，可以工作在三个波段，且各频段间干扰小，同时在三个工作频段内H面、E面辐射方向图 基本一致，且都具有良好驻波比和较高的增益。
[0004] 本发明由国家自然基金顶目"低相关区m子序列理论与构造研究"(61372094)、"基 于m序列的非线性m子序列研究"（61071001)资助。
【发明内容】
[0005] 本发明针对目前主要通信系统3G/4G无线通信系统、微波存取全球互通系统 (WIMAX)、无线局域网系统（WLAN)，提供一种缺陷地结构不对称共而波导式三频带天线。天 线中心频率分别为2. 0GHz、3. 5GHz、5. 5GHz ;带宽分别为1. 9~2. lGHz、3. 1~3. 9GHz和 5. 1~5. 9GHz。本发明在三个频段都具有良好的阻抗匹配，拥有较高近似全向特性、高增益 的方向特性。
[0006] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：缺陷地结构不对称共面波导 式三频带天线，包括基板，辐射贴片单元，金属接地板，阻抗匹配输入传输线四个部分。基 板的表面有辐射贴片单元、金属接地板和阻抗匹配输入传输线；辐射贴片单元包含三个尺 寸、形状均不相同的辐射贴片A、B、C ;阻抗匹配输入传输线对称沿基板纵向中心轴y轴（简 称基板y轴）从基板的底边垂直向上与辐射贴片单元底边连接；阻抗匹配输入传输线左右 两边是两个金属接地板，尺寸均为7. 8mm(宽(高），且均距阻抗匹配输入传输线有 0. 85mm缝隙，上距辐射贴片单元有1. 5mm间隙。金属接地板上有矩形槽、倒置直角三角形槽 和圆弧槽，其中左右两边开出的矩形槽因尺寸不同，位置也不对称，故称之为"不对称"式天 线。
[0007] 基板选择聚四氟乙烯材料，其相对介电常数2.55,尺寸为38mm(长）、 *20mm (宽）*0? 8mm (厚），在较宽频率范围内它的介电损耗都很低，击穿电压、体积电阻率和 耐电弧性都较高。基板有正面和背面，正面由辐射贴片单元、金属接地板和阻抗匹配输入传 输线组成；背面没有金属镀层，是空面。
[0008] 辐射贴片单元包含辐射贴片A、B、C。三个辐射贴片的长度依据各通信频段中心频 率等参数计算、匹配得到；三个辐射贴片的宽度根据各波段回波损耗等指标调整得到。由 于通信频段不同，三个辐射贴片的长度和宽度亦不相同。为了提高频谱的利用率，减小设备 体积，简化天线结构，将A、B、C三个辐射贴片底部重叠、方向朝上集成在辐射贴片单元中， 置于基板上部，共用一个馈线。为了使天线面积微型化，本发明将不同长度辐射贴片有效折 叠、紧凑嵌套，在最小的基板面积中放置三个不同长度辐射贴片。在此基础上，引入对称技 术，将三个辐射贴片，对称于基板y轴复制，从而增加了一倍辐射贴片有效面积，提高了各 天线品质因数和增益。辐射贴片单元中三个辐射贴片的长度和宽度根据公式（1)、（2)确 定：
[0009] W= 2Jrr(1)
[0010]
(2)
[0011] 其中，W为以r为半径的周长即辐射贴片的宽度，f为对应天线的中心频率，L为 辐射贴片长度，g为辐射贴片与接地板之间的间隙，本发明取g= 1.5mm。为了充分利用基 板面积，本发明基板宽度取辐射贴片单元宽度。根据公式（1)确定r，利用公式（2)确定 中心频率分别为2. 0GHz、3. 5GHz、5. 5GHz的三个不同频段天线辐射贴片长度分别为32mm、 21mm和18mm。根据实际带宽需要，本发明将三个辐射贴片长度分别调整到37. 5mm、25mm和 22. 5mm。为了在最小基板面积上集成三个长度不同辐射贴片，本发明将长度为37. 5mm(宽 度取1mm)的福射贴片折成10_、17. 5mm、10mm三段，构成个10mm(上宽）*17. 5mm(左 高(下宽）缺少右边框的矩形贴片框。为了增大贴片面积，再对称扩展一个大小相 同且缺少左边框的矩形贴片框，两者对接成20mm(宽）*17. 5mm(高）矩形贴片框，构成辐射 贴片A。该辐射贴片框宽度与基板宽度等同，对称于基板y轴水平放置于基板，上边框距基 板顶端2mm;将长度为22. 5mm(宽度取1mm)的福射贴片折成7. 5mm和15mm两段，7. 5mm段 贴片作为水平段，15mm段贴片在其上方与其垂直，构成L形状，为了增大贴片面积，再对称 扩展，形成一个15mm(宽）*15mm(高）缺少上边的口子形福射贴片框，构成福射贴片C，该 辐射贴片框底边与辐射贴片A底边水平重叠，对称于基板y轴放置于基板；长度为25mm(宽 度取1mm)的福射贴片B折成7. 5mm、8mm、7. 5mm和2mm四段，其中7. 5mm、8mm、7. 5mm三段构 成7. 5mm(上宽）*8mm(左高）*7. 5mm(下宽）缺少右边框的矩形贴片框，对称扩展为一个 15mm(宽）*8mm(高）的完整矩形贴片框，在该矩形贴片框上边框上，连接上边沿且对称于框 的纵向中心线放置2_(高）贴片。为了形成局部加载，改变天线上的电流分布，将矩形框 上边框贴片的宽度增大为3. 5mm，同时，将矩形上边框上所加的2mm贴片，宽度对称增大到 5mm，构成辐射贴片B，该辐射贴片框底边与辐射贴片A、C底边水平重叠，对称于基板y轴放 置于基板。
[0012] 上述三个辐射贴片均采用折线组合方式，由长短不同、宽度不一贴片组合构成。为 了提高品质因数，增加天线的增益，本发明均对称增加了一倍贴片面积，使天线有效辐射增 强了，最终达到增加带宽目的。
[0013] 为了消除三个频段间阻带信号干扰，本发明首次从阻带带宽角度提出开槽长度计 算方法：
[0014]
(3)
[0015] 其中：L为开槽长度，BW为两个通带之间阻带的带宽，匕为阻带下限频率，c为天 线电波传输速度。
[0016] 为了抑制2. 1~3. 1GHz阻带内信号，根据公式（3)得到天线开槽长度为27mm。本 发明结合接地板开槽技术，且将槽开成2个长度均为13. 5mm、宽度分别为1. 1mm和1mm的不 对称槽，从接地板上端边沿向下分别置于阻抗匹配输入传输线左右两侧，左槽中心线距基 板左边缘垂直距离为1. 45mm，右槽中心线距基板右边缘垂直距离为1. 5mm。
[0017] 为了抑制3. 9~5. 1GHz阻带内信号，根据公式（3)得到天线开槽长度为20mm。对 基板称于y轴，从左、右两个接地板上边沿垂直向下各开1个深l〇mm、宽4mm矩形槽，槽中 心线与基板y轴垂直距离6_。为了增大该阻带驻波比，本发明创新地将该矩形槽调整为 4mm(直角边）*10mm(直角边）的倒置直角三角型槽，且槽口宽4臟、槽深10mm，背靠背的对 称放置在左、右两个接地板中，槽中心线与基板y轴垂直距离不变。在该槽内，辐射贴片与 金属接地板之间的距离由内向外递减，增加了该频段贴片对其电磁波的束缚能力，增大天 线回波损耗，保证天线具有三个清晰通带。
[0018] 为了进一步弥补2. 0GHz频段回波损耗的不足，拓展5. 5GHz频段带宽，结合天线接 地板电流密度分布，本发明独特地在邻近阻抗匹配输入传输线两侧的金属接地板上方开出 圆弧槽，圆弧槽的半径为4_，弧度设置为180度。圆弧槽与辐射贴片之间的圆弧缝隙形成 的耦合电容平衡了馈线的电感，从而使天线获得了更好阻抗匹配。
[0019] 本发明中阻抗匹配输入传输线（馈线）采用最通用的50欧姆，具有有效性和实用 性，便于同其它器件集成。其宽度由下式决定：
[0024] 其中，K(m)、K(n)、K'（m)、K'（n)为第一类完全椭圆积分函数和其补函数，m和n 为过渡变量;W、X、Y分别为介质基板的宽度、共面波导阻抗匹配输入传输线的宽度与基板 宽度比值、共面波导阻抗匹配输入传输线与接地板之间间隙与基板宽度比值。计算得出共 面波导阻抗匹配输入传输线的宽度2. 7mm、缝隙宽度0. 85mm。
[0025] 与已公开技术相比，本发明存在以下优点：
[0026] (1)本发明融合多种技术，经过有效设计、巧妙剪裁、合理布局，得到尺寸为 20mm*38mm的三个频段、微型化天线。本发明不仅满足三个频段通信的各顶指标，而且结构 非常简洁、新颖。
[0027] (2)本发明可以工作在1. 9~2.lGHz、3. 1~3. 9GHz和5. 1~5. 9GHz三个频段 上，覆盖了 3G/4G无线通信系统、微波存取全球互通系统（WIMAX)和无线局域网系统（WLAN) 三个主流无线通信系统使用的频段，具有较高的适用性。
[0028] (3)本发明采用折线组合方法、重叠方法和对称方法，并将不同形状、不同尺寸贴 片紧凑嵌套，构造了均匀和不均匀三个不同频段贴片天线，并有效集成在辐射贴片单元中， 共用一个馈线，减小了贴片单元面积、扩大了贴片有效面积，从而提高天线性能。
[0029] (4)本发明不同于单极子天线，创造性地设计了四段式对称贴片B，通过增大局部 宽度，形成局部加载，有效提高3. 1~3. 9GHz频段通信性能。
[0030] (5)本发明在共面波导天线上采用