应用于wlan/wimax的三频共面波导馈电天线的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电天线，涉及天线领域，本发明为一种结构简单的应用于WLAN/WIMAX的三频共面波导馈电单极子天线，本发明设计的三频共面波导馈电单极子天线，圆环天线单元具有嵌套结构，尺寸较小，可以极大地减小占用空间，馈电结构采用共面波导馈电结构，辐射单元为单极子辐射贴片，该结构所有金属贴片都处于同一侧，易于集成，制作简单，介质基板采用介电常数为4.4的FR4材料，价格低廉，易于购买，本发明制作成本低，易于集成加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。
【专利说明】
应用于WLAN/WI MAX的H频共面波导馈电天线
技术领域
[0001] 本发明设及天线领域，尤其是一种单极子天线。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的迅速发展，人们的生活工作已经越来越离不开无线局域网 WLANeWLAN( 2.4~2.4835GHZ/5.15~5.825GHz)是利用无线通信技术传输数据，运些数据已 经不再局限于语音文字信息，在如今，视频数据传输占有越来越大的比例，它把人们从办公 桌解放出来，使用户可W随时随地的交换信息。全球微波互联接入技术(WIMAX)是一种新兴 的宽带无线接入技术，数据传输距离最远可达SOKhidWIAMXU . 4~3.7G化）还具有QoS保障、 传输速率高、业务丰富多样等优点。
[0003] 国内外学者对WLAN/WIMAX做出了很多研究，例如：李伟等人设计了应用于无线局 域网的双频微带贴片天线，采用在贴片开槽和地板开槽实现双频特性，在2.33-2.52G化， 4.94GHZ-6 . IOGHz的双频段范围内回波损耗均小于-IOdB ;Harshvardhan Tiwari和 M.V.Kadikeyan等人提出一种采用叠层结构的天线，将两个可有U型槽的贴片堆叠在一起 实现双频宽带操作。但是W上的天线都具有结构复杂的缺点，不利于当前器件简单化、易集 成的需求，另外，W上天线只实现了双频特性，并没有实现WIMX频段的福射特性。如何设计 出结构简单的应用于WLAN/WIMX=频共面波导馈电单极子天线就成了我们研究的方向。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单的应用于WLAN/WIMX的S频 共面波导馈电单极子天线，具有W下特性:重量轻、高增益、低剖面、方向图全向、易于集成 加工。
[0005] 本发明所设计的=频共面波导馈电单极子天线由=部分组成：圆环天线单元1，共 面波导馈电单元2和介质基板3。
[0006] 所述的圆环天线单元1由一个外半径为Rl内半径为R2的金属外圆环贴片la,-个 外半径为R3内半径为R4的金属内圆环贴片化，一个半径为R5的金属圆盘Ic及宽度为Wg的矩 形结构Id组合而成，内圆环贴片化和圆盘Ic的中屯、重合于直角坐标系原点，外圆环的中屯、 相对坐标原点沿着Y轴正方向偏移1.90mm~2.10mm。
[0007] 共面波导馈电单元2为长度为Lg的无地板共面波导馈电结构，Lg的取值范围为 15. OOmm~17.00mm，50欧姆端口馈电传输线与圆环天线单元1中矩形结构Id的宽度Wg-样， 与同平面的两侧地板间距离为S，S的取值范围为0.25mm~0.35mm，共面波导馈电单元2和圆 环天线单元1中外圆环贴片Ia在直角坐标系Y轴方向的最短距离为g，g的取值范围为1.40mm ~1.60mm。
[000引圆环天线单元1和共面波导馈电单元2印刷在矩形介质基板3同一侧上，矩形介质 基板3采用相对介电常数为4.4,损耗角正切为0.02,厚度为h的聚四氣乙締材料，h的取值范 围为1.50mm~1.70mm，介质基板3的尺寸为L*W，L的取值范围为36mm~40mm，W的取值范围为 2 2mm ~ 2 4mm O
[0009] 本发明的有益效果是由于本发明设计的=频共面波导馈电单极子天线，圆环天线 单元具有嵌套结构，尺寸较小，可W极大地减小占用空间，馈电结构采用共面波导馈电结 构，福射单元为单极子福射贴片，该结构优点是所有金属贴片都处于同一侧，易于集成，审U 作简单，此介质基板采用介电常数为4.4的FR4材料，价格低廉，易于购买。所W，本专利制作 成本低，易于集成加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的结构示意图，图1(a)是天线的俯视图，图1(b)是天线的侧视图。
[0011] 图2为本发明天线的仿真S参数。
[0012 ]图3为天线的S个谐振频点的福射方向图特性，图3 (a)为2.5G化时XOZ及YOZ方向 福射方向图；图3 (b)为3.4GHz时XOZ及YOZ方向福射方向图；图3 (C)为5.6GHz时XOZ及YOZ方 向福射方向图。
[0013] 其中，Ia-圆环天线单元1的金属外圆环贴片部分，Ib-圆环天线单元1的金属内圆 环贴片部分，Ic-圆环天线单元的金属圆盘福射贴片，ld-圆环天线单元1与共面波导馈电单 元2传输线阻抗匹配部分，2a-共面波导馈电单元2的地板部分，2b-共面波导馈电单元2的传 输线部分，3-聚四氣乙締介质基板，Rl-圆环天线单元1中金属外环贴片的外半径，R2-圆环 天线单元1中金属外环贴片的内半径，R3-圆环天线单元1中金属内环贴片的外半径，R4-圆 环天线单元1中金属内环贴片的内半径，R5-天线单元1中金属圆盘半径，g-圆环天线单元外 环半径沿Y轴负半轴到共面波导馈电单元的距离，S-共面波导馈电单元传输线与地板之间 的距离，Lg-共面波导馈电单元地板长度，Wg-共面波导馈电单元传输线宽度，k聚四氣乙締 介质基板长度，W-聚四氣乙締介质基板宽度，h-聚四氣乙締介质基板高度，X，Y，Z-坐标轴。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0015] 本发明所设计的=频共面波导馈电单极子天线由=部分组成：圆环天线单元1，共 面波导馈电单元2和介质基板3,如图1所示，其中图1(a)是天线的俯视图，图1(b)是天线的 侧视图。具体的尺寸参数如表1所示。
[0016] 表1.结构参数如下表(单位:mm) 「nni7l
[0018] ~表1中的字母代表图中的几何尺寸参数，在图1中有标示。
[0019] L代表此单极子天线介质基板的长度，W代表介质基板的宽度，h代表介质基板高 度，Wg代表共面波导馈电单元传输线宽度，Lg代表共面波导馈电单元地板长度，S代表共面 波导馈电单元传输线与地板之间的距离，g代表圆环天线单元外环半径沿Y轴负半轴到共面 波导馈电单元的距离，Rl代表圆环天线单元1中金属外环贴片的外半径，R2代表圆环天线单 元1中金属外环贴片的内半径，R3代表圆环天线单元1中金属内环贴片的外半径，R4代表圆 环天线单元1中金属内环贴片的内半径，R5代表天线单元1中金属圆盘半径。
[0020] 具体的实施方法为:所述的圆环天线单元1由一个外半径为Rl内半径为R2的金属 外圆环贴片Ia，一个外半径为R3内半径为R4的金属内圆环贴片化，一个半径为R5的金属圆 盘Ic及宽度为Wg的矩形结构Id组合而成，内圆环贴片化和圆盘Ic的中屯、重合于直角坐标系 原点，即圆环天线单元1由两个金属圆环贴片Ia和化，金属圆盘贴片Ic及与共面波导馈电单 元连接的阻抗匹配矩形贴片Id组成。Ia是圆环天线单元1的外环福射部分，Ib是圆环天线单 元1的内环福射部分，Ia嵌套在Ib的外部，外圆环的中屯、相对内圆环中屯、向Y轴正方向偏移 量为1.90mm~2.10mm，且两环宽度不同。Ic是圆环天线单元1的半径为R5的圆形福射贴片， R5的取值范围为2. Imm~2.3mm。矩形贴片Id连接共面波导单元部分的传输线，一方面起到 阻抗匹配的作用，另一方面将两个圆环Ia和Ib与金属圆盘Ic贴片结合在一起，电流通过矩 形贴片流入圆环及圆盘内，产生电磁场，组成天线福射部分。
[0021] 共面波导馈电单元2为长度为Lg的无地板共面波导馈电结构，Lg的取值范围为 15. OOmm~17.00mm，50欧姆端口馈电传输线与圆环天线单元1中矩形结构Id的宽度Wg-样， 与同平面的两侧地板间距离为S，S的取值范围为0.25mm~0.35mm，共面波导馈电单元2和圆 环天线单元1中外圆环贴片Ia在直角坐标系Y轴方向的最短距离为g，g的取值范围为1.40mm ~1.60mm。
[0022] 共面波导馈电单元部分将接收到的准TOM波，通过中间的导带传输线传入天线福 射部分，地板（图1(a)中所示为2a)与导带传输线（图1(a)中所示为化)之间的距离S和导带 传输线宽度Wg会起到阻抗调节的作用。改变S或Wg值的大小会影响共勉波导的有效介电常 数，而有效介电常数又与共面波导的特性阻抗成反比，选择合适的S和Wg值的大小使特性阻 抗与输入阻抗达到匹配，S的取值范围为0.25mm~0.35mm，Wg的取值范围为1.80mm~ 2.00mm。共面波导馈电结构容易制作，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并 联，不需要在介质基板上穿孔，容易提高电路密度。
[0023] 圆环天线单元1和共面波导馈电单元2印刷在矩形介质基板3同一侧上，矩形介质 基板3采用相对介电常数为4.4,损耗角正切为0.02,厚度为h的聚四氣乙締材料，h的取值范 围为1.50mm~1.70mm，介质基板3的尺寸为L*W，L的取值范围为36mm~40mm，W的取值范围为 22mm~24mm。介质基板材料特性较好，便于加工，生产成本较低。
[0024] 用电磁仿真软件HFSS对天线模型进行仿真优化，确定尺寸参数，得到天线的回波 损耗曲线。图2为天线的仿真回波损耗图，图3(a)为单极子天线2.5GHz时XOZ和YOZ平面福射 方向图，图3(b)为单极子天线3.4GHz时XOZ和YOZ平面福射方向图，图3(c)为单极子天线 5.6G化时XOZ和YOZ平面福射方向图。从运些图中可W验证本发明的可实施性。本发明采用 嵌套结构的福射单元，能够实现在2.5/3.4/5.6GHzS个频段内回波损耗低于-10cIBd2.5G化 频段的工作带宽为2.32GHZ-2.58GHz，相对带宽为10.4% ; 3.4GHz频段的工作带宽为 3.08GHZ-5.02細Z，相对带宽为57.1 % ; 5.6細Z频段的工作带宽为5.32細Z-6. IOGHz，相对带 宽为13.9%，满足天线要求。可W看出，本发明设计的单极子天线具有多频的特性，并且此 天线在实用度较高的WLAN/WIMAX频段内福射特性很好，在YOZ平面内呈现出全向特性。
[0025]本发明设计的天线具有稳定的福射方向图。如图3(a)、图3(b)、图3(c)可W看出， 在S个频段内方向图特性都呈现单极子天线的显著特性，YOZ平面为全向型，XOZ平面为％' 字型。
【主权项】
1. 一种应用于WLAN/W頂ΑΧ的三频共面波导馈电天线，包括圆环天线单元（1)，共面波导 馈电单元(2)和介质基板(3)，其特征在于： 所述的圆环天线单元（1)由一个外半径为R1内半径为R2的金属外圆环贴片（la)，一个 外半径为R3内半径为R4的金属内圆环贴片（lb)，一个半径为R5的金属圆盘(lc)及宽度为Wg 的矩形结构（Id)组合而成，内圆环贴片（lb)和圆盘（lc)的中心重合于直角坐标系原点，外 圆环的中心相对坐标原点沿着Y轴正方向偏移1.90mm~2.10mm; 共面波导馈电单元（2)为长度为Lg的无地板共面波导馈电结构，Lg的取值范围为 15.00mm~17.00mm，50欧姆端口馈电传输线与圆环天线单元（1)中矩形结构（Id)的宽度Wg 一样，与同平面的两侧地板间距离为S，S的取值范围为0.25mm~0.35mm，共面波导馈电单元 (2)和圆环天线单元（1)中外圆环贴片（la)在直角坐标系Y轴方向的最短距离为g，g的取值 范围为1.40mm ~1.60mm； 圆环天线单元（1)和共面波导馈电单元(2)印刷在矩形介质基板(3)同一侧上，矩形介 质基板(3)采用相对介电常数为4.4,损耗角正切为0.02,厚度为h的聚四氟乙烯材料，h的取 值范围为1.50mm~1.70mm，介质基板(3)的尺寸为L*W，L的取值范围为36mm~40mm，W的取值 范围为22mm~24mm。
【文档编号】H01Q21/00GK105977636SQ201610322873
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】弓云龙, 雷云奔, 丁君, 郭陈江
【申请人】西北工业大学