专利名称：Gsm三频微带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种GSM(全球移动通信系统)三频微带天线。
背景技术：
随着无线通信的不断发展，以及全球一体化的进行，越来越多的GSM设备需要能同时工作在GSM(GSM900、GSM1800、GSM1900)三频段下，这对无线通信设备中的天线提出了相应的要求。
现代通信的发展就迫切需要一种体积小，重量轻的新型天线。微带天线就是这种随现代通信发展的要求而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线。微带天线有许多的优点，例如重量轻、体积小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容等等，微带天线是一种按现代系统对天线的要求而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线。它是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它通过微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。但是微带天线主要是一种谐振式天线，且相对频带较窄，因而大多只能在单个频段内使用。(张钧，刘克诚等.微带天线理论与工程.北京国防工业出版社.1988年7月)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天线工作频带宽，易于调节匹配的GSM三频微带天线。
本发明采用微带倍频双贴片技术与频带展宽技术相结合的技术方案。
本发明的具体结构组成如下本发明设有上双面介质基板和下双面介质基板。
上双面介质基板的上表面设天线微带辐射贴片，天线微带辐射贴片为一个由内矩形辐射贴片和外矩形辐射贴片组成的“回”字形矩形贴片，内矩形辐射贴片的尺寸为(51～53)mm×(43～45)mm，最好为52mm×44mm，在内矩形辐射贴片的两个宽边沿长边方向开有两个长(12～14)mm，最好为13mm，宽(0.9～1.1mm)，最好为1mm的狭缝；外矩形辐射贴片的内壁尺寸为(65～67)mm×(53～55)mm，最好为66mm×54mm，外矩形辐射贴片的外壁尺寸为(109～111)mm×(99～101)mm，最好为110mm×100mm。上双面介质基板的下表面是敷铜片；下双面介质基板的上表面为天线耦合用的4个H形缝隙，其中第1和第2个H形缝隙平行于水平边，另外第3和第4个H形缝隙垂直于水平边，4个H形缝隙均为中心对称，第1个H形缝隙两个长边的尺寸为(67～69)mm×(0.9～1.1)mm，最好为68mm×1mm，中间的连线的尺寸为(5～7)mm×(0.9～1.1)mm，最好为6mm×1mm；第2个H形缝隙两个长边的尺寸为(25～27)mm×(0.9～1.1)mm，最好为26mm×1mm，中间的连线的尺寸为(9～11)mm×(0.9～1.1)mm，最好为10mm×1mm；第3个H形缝隙两个长边的尺寸为(15～17)mm×(0.9～1.1)mm，最好为16mm×1mm，中间的连线的尺寸为(17～19)mm×(0.9～1.1)mm，最好为18mm×1mm；第4个H形缝隙两个长边的尺寸为(34～36)mm×(0.9～1.1)mm，最好为35mm×1mm，中间的连线的尺寸为(41～43)mm×(0.9～1.1)mm，最好为42mm×1mm。下双面介质基板的下表面为天线微带馈线，天线微带馈线设有16条矩形线，第1条矩形线的尺寸为(67～69)mm×(1.9～2.1)mm，最好为68mm×2mm；第2条矩形线的尺寸为(21～23)mm×(0.9～1.1)mm，最好为22mm×1mm；第3条矩形线的尺寸为(21～23)mm×(0.9～1.1)mm，最好为22mm×1mm；第4条矩形线的尺寸为(58～60)mm×(1.9～2.1)mm，最好为59mm×2mm；第5条矩形线的尺寸为(23～25)mm×(1.9～2.1)mm，最好为24mm×2mm；第6条矩形线的尺寸为(13～15)mm×(1.9～2.1)mm，最好为14mm×2mm；第7条矩形线的尺寸为(61～63)mm×(1.9～2.1)mm，最好为62mm×2mm；第8条矩形线的尺寸为(44～46)mm×(1.9～2.1)mm，最好为45mm×2mm；第9条矩形线的尺寸为(49～51)mm×(1.9～2.1)mm，最好为50mm×2mm；第10条矩形线的尺寸为(28～30)mm×(1.9～2.1)mm，最好为29mm×2mm；第11条矩形线的尺寸为(44～46)mm×(1.9～2.1)mm，最好为45mm×2mm；第12条矩形线的尺寸为(87～89)mm×(1.9～2.1)mm，最好为88mm×2mm；第13条矩形线的尺寸为(31～33)mm×(1.9～2.1)mm，最好为32mm×2mm；第14条矩形线的尺寸为(21～23)mm×(1.9～2.1)mm，最好为22mm×2mm；第15条矩形线的尺寸为(21～23)mm×(0.9～1.1)mm，最好为22mm×1mm；第16条矩形线的尺寸为(44～46)mm×(1.9～2.1)mm，最好为45mm×2mm。
上双面介质基板和下双面介质基板两块介质基板大小均为(149～151)mm×(149～151)mm，最好为150mm×150mm，厚度都为0.8mm。上双面介质基板和下双面介质基板采用环氧树脂玻璃布(FR4)介质基板，其介电常数为4.4。上双面介质基板和下双面介质基板之间间隔为(11～15)mm，最好为13mm，上双面介质基板和下双面介质基板之间用绝缘件隔开。
本发明的馈电部分制作在一块双面介质基板上，与辐射贴片的介质板使用绝缘件(例如泡沫块)隔开一定的耦合距离，选用了H型耦合缝隙与微带馈线，分别制作的基板的两面。其中H型缝隙用来对上方的两块辐射贴片进行电磁能量耦合，而微带馈线除了对耦合缝隙进行馈电外，还对整个微带天线进行初步的阻抗匹配，以减小天线的反射。经实际分析设计实际制作的天线E面和H面方向图在GSM三频段都能达到较好的辐射幅度和并保持约120°的辐射方向角度，证实了理论构思和设计的正确性。
为了实现宽频带技术扩展天线的GSM1800工作频段，使得覆盖GSM1900频段，在众多的宽频带技术中选用了制作简便和生产成本低的匹配网络技术。本发明通过实际匹配后的样品天线输入端反射系数S11测试可知，该参量由GSM1800-3dB、GSM1900-4dB分别下降为-13dB和-15dB，从而满足了GSM1800和GSM1900两频段对反射系数的要求，但加入匹配后的GSM900频段的谐振点会发生微小偏移，且谐振峰由原来的一个变成了两个，由此可知，要用本发明制造高性能GSM三频天线，在GSM900的S11参数设计方面还有待进一步优化。本发明便是以此为目的，展开GSM三频段共用的微带天线研究工作的。通过检索国内外相关领域的最新研究动态，并根据GSM三频段的特点(GSM900与GSM1800属于倍频关系，GSM1800与GSM1900频段相隔很近，甚至有部分重叠)，拟定了微带倍频双贴片技术与频带展宽技术相结合来实现新型GSM三频微带天线的方案，并通过对天线方向图仿真、输入端反射系数等参数的实测分析进一步完善了此方案。
综上所述，倍频双贴片技术是在一块单面介质基板上设计两块贴片，一块为矩形，另一块为正方环形，用来辐射900M和1800M的射频信号，矩形贴片位于环形贴片中心，天线的馈电部分采用孔径耦合馈电。此馈电方式具有展宽天线工作频带以及易于调节匹配等优点。
图1为本发明实施例的三频微带天线结构示意图。
图2为本发明实施例的上双面介质基板的正面(辐射贴片)结构示意图。
图3为本发明实施例的下双面介质基板的正面(耦合缝隙)结构示意图。
图4为本发明实施例的下双面介质基板的背面(微带馈线)结构示意图。
图5为本发明实施例的实际匹配电路图。
图6为本发明实施例的900MHz H面实测方向图。
图7为本发明实施例的＝90°900MHz E面实测方向图。
图8为本发明实施例的＝0°900MHz E面实测方向图。
图9为本发明实施例的1800MHz H面实测方向图。
图10为本发明实施例的＝90°1800MHz E面实测方向图。
图11为本发明实施例的＝0°1800MHz E面实测方向图。
图12为本发明实施例的1900MHz H面实测方向图。
图13为本发明实施例的＝90°1900MHz E面实测方向图。
图14为本发明实施例的＝0°1900MHz E面实测方向图。
具体实施例方式
以下实施例将结合附图对本发明的技术方案及其突出效果作进一步说明。
参见图1-4，本发明设有上双面介质基板1和下双面介质基板2，上双面介质基板1的上表面设天线微带辐射贴片，天线微带辐射贴片为一个由内矩形辐射贴片和外矩形辐射贴片组成的“回”字形矩形贴片，内矩形辐射贴片的尺寸为52mm×44mm，在内矩形辐射贴片的两个宽边沿长边方向开有两个长为13mm，宽为1mm的狭缝；外矩形辐射贴片的内壁尺寸为66mm×54mm，外矩形辐射贴片的外壁尺寸为110mm×100mm。上双面介质基板1的下表面是敷铜片。下双面介质基板2的上表面为天线耦合用的4个H形缝隙，4个H形缝隙标有1～4的标号，其中1、2两个H形缝隙旋转90度，平行于水平边；3、4两个H形缝隙垂直于水平边。这4个H形缝隙都是中心对称。1号H形缝隙旁边两个长边的尺寸为68mm×1mm，中间的连线的尺寸为6mm×1mm；2号H形缝隙旁边两个长边的尺寸为26mm×1mm，中间的连线的尺寸为10mm×1mm；3号H形缝隙旁边两个长边的尺寸为16mm×1mm，中间的连线的尺寸为18mm×1mm；4号H形缝隙旁边两个长边的尺寸为35mm×1mm，中间的连线的尺寸为42mm×1mm。下双面介质基板的下表面为天线微带馈线，天线微带蚀线设有16条矩形线，标号1～16如图4所示。1号矩形线的尺寸为68mm×2mm；2号矩形线的尺寸为22mm×1mm；2号矩形线的尺寸为22mm×1mm；4号矩形线的尺寸为59mm×2mm；5号矩形线的尺寸为24mm×2mm；6号矩形线的尺寸为14mm×2mm 7号矩形线的尺寸为62mm×2mm；8号矩形线的尺寸为45mm×2mm；9号矩形线的尺寸为50mm×2mm；10号矩形线的尺寸为29mm×2mm；11号矩形线的尺寸为45mm×2mm；12号矩形线的尺寸为88mm×2mm；13号矩形线的尺寸为32mm×2mm；14号矩形线的尺寸为22mm×2mm；15号矩形线的尺寸为22mm×1mm；16号矩形线的尺寸为45mm×2mm。由如图1所示，上下两块双面介质基板大小为150mm×150mm，厚度都为0.8mm。介质基板采用FR4(环氧树脂玻璃布)介质基板，其介电常数为4.4。两块介质基板用泡沫隔开，两块间隔为13mm。上面的那块介质基板就是天线的微带辐射贴片，其正面的结构示意图如图2所示，背面全部敷铜片。在图2中，高频辐射贴片(对应1800MHz)的大小为52mm×44mm，为了调整方向图特性和输入端反射系数值，在高频辐射贴片上沿长边开了两个长13mm，宽1mm的狭缝。下面那块介质基板就是天线耦合用的缝隙与微带馈线，其正面的结构示意图如图3所示，图3是天线耦合用的缝隙部分。上面刻有4个H形缝隙，H形缝隙宽度为1.0mm。背面的结构示意图如图4所示，图4是天线的微带馈线部分，微带线的宽度有两种，粗线宽为2mm，细线宽度为1mm。
所谓倍频双贴片技术是在一块单面介质基板上设计两块贴片——一块为矩形，另一块为正方环形，用来辐射900M和1800M的射频信号，矩形贴片位于环形贴片中心，如图2所示。天线的馈电部分设计采用孔径耦合馈电，如图3所示。采用此馈电方式具有展宽天线工作频带以及易于调节匹配等优点。本发明的馈电部分制作在一块双面介质基板上，与辐射贴片的介质板使用泡沫隔开一定的耦合距离，选用了H型耦合缝隙与微带馈线，分别制作的基板的两面。其中H型缝隙用来对上方的两块辐射贴片进行电磁能量耦合，而微带馈线(如图4所示)除了对耦合缝隙进行馈电外，还对整个微带天线进行初步的阻抗匹配，以减小天线的反射。经实际分析设计实际制作的天线E面和H面方向图在GSM三频段都能达到较好的辐射幅度和并保持约120°的辐射方向角度，证实了理论构思和设计的正确性。
为了实现宽频带技术扩展天线的GSM1800工作频段，使得覆盖GSM1900频段，在众多的宽频带技术中我们选用了制作简便，生产成本低的匹配网络技术。本发明所设计的天线Antenna的匹配电路图如图5所示，其中L＝18μH，C1＝1.4pF，C2＝0.1μF，C3＝20pF。C2与C1的连接点接矢量网络分析仪Y。通过实际匹配后的样品天线输入端反射系数S11测试可知，该参量由GSM1800-3dB、GSM1900-4dB分别下降为-13dB和-15dB，从而满足了GSM1800和GSM1900两频段对反射系数的要求，但加入匹配后的GSM900频段的谐振点会发生微小偏移，且谐振峰由原来的一个变成了两个，由此可知，要用本发明制造高性能GSM三频天线，在GSM900的S11参数设计方面还有待进一步优化。
本发明对天线进行方向图测试时，采用的参数为介质基板FR4、天线尺寸150mm×150mm、信号源幅度-15dBm。图6为900M的H面方向图，通过对比可知两H面图大致相同，主瓣在150°与270°之间，0°到60°之间还存在一幅瓣。图7为900M的E面方向图，且固定＝90°。从实测图中可看出主瓣在60°与180°之间。图8为900M的E面方向图，且固定＝0°。主瓣在0°到120°之间。主瓣辐射最大点在60°处。这应该与测量方向图时，天线放置的倾斜度相关的。图9为1800M的H面方向图，实测图在340°附近有一个凹陷。这是由与连接RF信号源与天线的同轴电缆线的辐射造成的。主瓣大致在15°到90°以及260°到320°之间。图10为1800M的E面方向图，且固定＝90°。从实测图中可看出主瓣在30°与150°之间。图11为1800M的E面方向图，且固定＝0°。实测图的主瓣宽度更大，大致在30°～150°之间。实测图中0°与180°附近辐射突变也是由同轴线的辐射造成的。图12为1900M的H面方向图，实测图在0°～120°之间存在一个主瓣。且在180°～320°之间存在两个幅瓣。图13为1900M的E面方向图，且固定＝0°。从实测图中可看出主瓣在0°～120°之间。同样180°附近造成的辐射突变主要还是由同轴电缆线的辐射引起的。在150°～180°之间存在一幅瓣。图14为1900M的E面方向图，且固定＝0°。在0°附近由同轴线辐射造成了测量误差。主瓣在40°～180°之间。
在本发明中，实测的天线E面和H面方向图在GSM三频段都能达到较好的辐射幅度和并保持约120°的辐射方向角度，从而证实了设计的天线能够满足GSM三频段的辐射需要，并且具有特定的方向性。采用宽频带技术扩展天线的GSM1800工作频段，使得覆盖GSM1900频段。在众多的宽频带技术中我们采用了制作简便，生产成本低的匹配网络技术。本发明设计的匹配网络为M型电感、电容网络。通过匹配后天线的输入端反射系数S11由GSM1800-3dB、GSM1900-4dB分别下降为-13dB和-15dB，从而满足了GSM1800和GSM1900两频段对反射系数的要求。
所以，本发明采用的双贴片倍频技术与宽频带技术相结合实现天线的三频工作是切实可行的，通过此法设计得到的三频微带天线已经能初步满足GSM三频工作的需要。
权利要求
1.GSM三频微带天线，其特征在于设有上双面介质基板和下双面介质基板，上双面介质基板的上表面设天线微带辐射贴片，天线微带辐射贴片为一个由内矩形辐射贴片和外矩形辐射贴片组成的“回”字形矩形贴片，内矩形辐射贴片的尺寸为51～53mm×43～45mm，在内矩形辐射贴片的两个宽边沿长边方向开有两条长12～14mm，宽0.9～1.1mm的狭缝；外矩形辐射贴片的内壁尺寸为65～67mm×53～55mm，外矩形辐射贴片的外壁尺寸为109～111mm×99～101mm，上双面介质基板的下表面是敷铜片；下双面介质基板的上表面为天线耦合用的4个H形缝隙，其中第1和第2个H形缝隙平行于水平边，另外第3和第4个H形缝隙垂直于水平边，4个H形缝隙均为中心对称，第1个H形缝隙两个长边的尺寸为67～69mm×0.9～1.1mm，中间的连线的尺寸为5～7mm×0.9～1.1mm，第2个H形缝隙两个长边的尺寸为25～27mm×0.9～1.1mm，中间的连线的尺寸为9～11mm×0.9～1.1mm，第3个H形缝隙两个长边的尺寸为15～17mm×0.9～1.1mm，中间的连线的尺寸为17～19mm×0.9～1.1mm，第4个H形缝隙两个长边的尺寸为34～36mm×0.9～1.1mm，中间的连线的尺寸为41～43mm×0.9～1.1mm；下双面介质基板的下表面为天线微带馈线，天线微带馈线设有16条矩形线，第1条矩形线的尺寸为67～69mm×1.9～2.1mm，第2条矩形线的尺寸为21～23mm×0.9～1.1mm，第3条矩形线的尺寸为21～23mm×0.9～1.1mm，第4条矩形线的尺寸为58～60mm×1.9～2.1mm，第5条矩形线的尺寸为23～25mm×1.9～2.1mm，第6条矩形线的尺寸为13～15mm×1.9～2.1mm，第7条矩形线的尺寸为61～63mm×1.9～2.1mm，第8条矩形线的尺寸为44～46mm×1.9～2.1mm，第9条矩形线的尺寸为49～51mm×1.9～2.1mm，第10条矩形线的尺寸为28～30mm×1.9～2.1mm，第11条矩形线的尺寸为44～46mm×1.9～2.1mm，第12条矩形线的尺寸为87～89mm×1.9～2.1mm，第13条矩形线的尺寸为31～33mm×1.9～2.1mm，第14条矩形线的尺寸为21～23mm×1.9～2.1mm，第15条矩形线的尺寸为21～23mm×0.9～1.1mm，第16条矩形线的尺寸为44～46mm×1.9～2.1mm。
2.如权利要求1所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板两块介质基板大小均为149～151mm×149～151mm。
3.如权利要求2所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板两块介质基板大小为150mm×150mm。
4.如权利要求1或2或3所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板两块介质基板厚度为0.8mm。
5.如权利要求1或2或3所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板为环氧树脂玻璃布介质基板，其介电常数为4.4。
6.如权利要求1或2或3所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板之间的间隔为11～15mm。
7.如权利要求1或2或3所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板之间的间隔为13mm。
8.如权利要求1或2或3所述的GSM三频微带天线，其特征在于上双面介质基板和下双面介质基板之间用绝缘件隔开。
9.如权利要求1所述的GSM三频微带天线，其特征在于所述的内矩形辐射贴片的尺寸为52mm×44mm，狭缝的长为13mm，宽为1mm；外矩形辐射贴片的内壁尺寸为66mm×54mm，外矩形辐射贴片的外壁尺寸为110mm×100mm。
10.如权利要求1所述的GSM三频微带天线，其特征在于所述的第1个H形缝隙两个长边的尺寸为68mm×1mm，中间的连线的尺寸为6mm×1mm，第2个H形缝隙两个长边的尺寸为26mm×1mm，中间的连线的尺寸为10mm×1mm，第3个H形缝隙两个长边的尺寸为16mm×1mm，中间的连线的尺寸为18mm×1mm，第4个H形缝隙两个长边的尺寸为35mm×1mm，中间的连线的尺寸为42mm×1mm；下双面介质基板的下表面为天线微带馈线，天线微带馈线设有16条矩形线，第1条矩形线的尺寸为68mm×2mm，第2条矩形线的尺寸为22mm×1mm，第3条矩形线的尺寸为22mm×1mm，第4条矩形线的尺寸为59mm×2mm，第5条矩形线的尺寸为24mm×2mm，第6条矩形线的尺寸为14mm×2mm，第7条矩形线的尺寸为62mm×2mm，第8条矩形线的尺寸为45mm×2mm，第9条矩形线的尺寸为50mm×2mm，第10条矩形线的尺寸为29mm×2mm，第11条矩形线的尺寸为45mm×2mm，第12条矩形线的尺寸为88mm×2mm，第13条矩形线的尺寸为32mm×2mm，第14条矩形线的尺寸为22mm×2mm，第15条矩形线的尺寸为22mm×1mm，第16条矩形线的尺寸为45mm×2mm。
全文摘要
GSM三频微带天线，涉及一种微带天线，尤其是涉及一种GSM三频微带天线。提供一种GSM三频微带天线。设有上下双面介质基板。上双面介质基板上表面设天线微带辐射贴片，贴片为一个由内矩形辐射贴片和外矩形辐射贴片组成的“回”字形矩形贴片，在内矩形辐射贴片的两个宽边沿长边方向开有两个狭缝，上双面介质基板下表面是敷铜片；下双面介质基板上表面为天线耦合用的4个H形缝隙，第1、2H形缝隙平行于水平边，第3、4H形缝隙垂直于水平边，4个H形缝隙均为中心对称，下双面介质基板下表面为天线微带馈线，天线微带馈线设有16条矩形线，上下双面介质基板之间用绝缘件隔开。具有展宽天线工作频带以及易于调节匹配等优点。
文档编号H01Q13/10GK1828999SQ200610071369
公开日2006年9月6日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者游佰强, 董小鹏, 夏飞 申请人:厦门大学