专利名称：一种矩形微带贴片天线的制作方法
技术领域：
本发明属于平面微带天线技术领域，可用于无线通信领域，为一种矩形微带贴片天线。
背景技术：
当今宽带无线通信技术的发展要求天线具有足够宽的工作带宽，并且也希望天线在满足各项性能指标的前提下尽可能小型轻便。传统微带贴片天线使用电介质材料作为基板，天线的带宽和辐射贴片尺寸是一对矛盾维持天线工作频率不变的前提下通过减小介质基板介电常数可以减小天线谐振的品质因数从而一定程度上增加天线带宽，但减小介质基板的介电常数会导致辐射贴片尺寸增大。其他提高微带贴片天线带宽的传统方法会增加天线尺寸、体积或加工复杂度，甚至损伤天线的其他性能。近些年，一些文献提出在辐射贴片下填充磁电介质来改善天线的带宽[l-7]，因为填充磁电介质可以增加谐振电感从而降低天线的品质因数，此外这种方法不会额外增加天线贴片尺寸、几乎不影响天线的辐射性能。用来填充的磁电介质有铁氧体、铁磁体材料或者拼插式的新型人工电磁媒质等，其中铁氧体、铁磁体材料加工较复杂，价格高；而拼插式的新型人工电磁媒质和贴片天线装配在一起显得笨重，不利于系统集成，加工费用也不低。 [1] H. Mosallaei et al， IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 52， no. 6，pp.1558-1567，2004. [2]P. M. T. Iko固et al，IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 54， no. 11 ，pp.3391-3399,2006. [3] R. V. Petrov et al ， Mi crow. Opt. Techno 1. Lett. ， vo 1. 50 ， no. 12 ，pp.3154-3157,2008. [4]F. Grange et al， EuCAP 2009.3rd European Conference on Antennas andPropagation, March 23-27，2009，pp.1909-1913. [5]K. Buell et al， IEEE Trans. Microw. Theory Tech. ， vol. 54， no. 1 ，pp.135-146，2006. [6]H. Mosallaei et al，IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 55，no. l，pp. 45-52，2007. [7]P. M. T. Ikonen et al， IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 54， no. 6，pp.1654-1662,2006.
发明内容
本发明要解决的问题是现有展宽矩形微带贴片天线带宽的方法以增加天线尺寸、体积或加工复杂度，甚至天线其他性能的降低为代价，不能满足无线通信技术的要求。
本发明的技术方案为一种矩形微带贴片天线，包括上层贴片层、下层金属地板以及两者之间的介质基板，其特征是金属地板上刻蚀有特定的图案，整个刻蚀区域位于上层贴片层的辐射贴片正下方，与辐射贴片面积对应，刻蚀图案由基本平面单元在金属地板内的两个正交方向上周期排列而成，基本平面单元是嵌入式弯曲线结构。 金属地板刻蚀有周期排列的嵌入式弯曲线结构，用普通PCB工艺在敷铜介质基板
的铜层上刻蚀出来，嵌入式弯曲线结构在矩形蚀空区域内呈一条镶嵌金属弯曲线；嵌入式
弯曲线结构的关键参数包括刻蚀区域的尺寸、弯曲线的线宽、弯曲线的弯曲间隙、弯曲线和
周围铜层的间距以及弯曲线的拐弯个数，所述弯曲线的拐弯个数是和刻蚀区域的尺寸、弯
曲线的线宽、弯曲线的弯曲间隙、弯曲线和周围铜层的间距有关的非独立参数。 本发明下层金属地板下方设有一块金属挡板，金属挡板的位置及其面积至少覆盖
嵌入式弯曲线结构，金属挡板和金属地板平行，并有一定间距，所述间距不小于介质基板厚
度的二倍。 金属挡板通过绝缘柱固定安装在金属地板下方，绝缘柱半径为天线工作波长十分之一以下，并且位于辐射贴片和嵌入式弯曲线结构的区域之外。 作为优选方案，天线工作在无线接入频段，相应的各项天线结构参数为辐射贴片长lp = 16. lmm，宽wp = 21mm ;介质基板宽width = 60mm，长length = 76. 3mm ;馈线宽we=3. 75mm，长le = 16mm ;四分之一波长匹配线宽wm = 0. 45mm，长lm二 15. 3mm ;金属挡板与金属地板的间距sh = 5mm，金属地板厚度st = lmm，金属地板长sx = 70mm，宽sy = 50mm ;一个嵌入式弯曲线结构的刻蚀区域长dx二 1.05mm，宽dy = 10. 35mm，弯曲线和周围铜层的间距g = 0. 15，弯曲线的线宽wl = 0. 15mm，弯曲线的弯曲间隙gl = 0. 15mm ;嵌入式弯曲线结构阵列规模是13X2，单元排布周期沿刻蚀区域长方向为1. 2mm，沿刻蚀区域宽方向为10. 5mm ;介质基板的厚度为h = 1. 43mm，相对介电常数2. 65，辐射贴片和金属地板的铜层厚度都是0. 035mm。 本发明提出的新型矩形微带贴片天线的金属地板刻蚀有周期排列的嵌入式弯曲线结构，相当于在贴片下方填充了等效的磁电介质，从而增加了天线谐振电感，导致天线的品质因数降低，即天线带宽增加。本发明的金属地板下方有金属档板以抑制天线的后向辐射。 本发明提出的新型天线采用地面刻蚀嵌入式弯曲线结构的办法，在矩形贴片下方等效地加载磁电介质，从而有效展宽天线的工作频带。为了抑制天线背向辐射，地板下方添置一块金属档板。本发明提出的新型天线和同样贴片尺寸、同样介质基片的普通矩形微带贴片天线相比具有更宽的带宽，能用来满足无线通线领域对天线带宽的要求，其他性能和普通矩形微带贴片相近。本发明不影响天线的其他性能，例如不增加天线的贴片尺寸，不影响天线的辐射性能。 本发明可以用简单单层PCB工艺制成，工艺简单且便于和系统其他部分集成，加工耗费也相对较低。相比其他磁电介质填充方法加工简单得多，且容易在系统中集成，费用也相对少很多。目前和本发明类似的天线带宽展宽技术还没有公开报道。
图1为本发明嵌入式弯曲线结构示意图。
图2为本发明矩形微带贴片天线的侧面视图。 图3为本发明矩形微带贴片天线的示意图，(a)为天线正面视图，(b)为天线金属地板视图，(c)为反面视图。 图4为图3(b)的局部放大图，(a)为嵌入式弯曲线结构周期阵列的整体放大图，(b)为嵌入式弯曲线结构周期阵列中的一个单元的放大示意图。
图5为本发明实施例的天线反射系数图。
具体实施例方式
本发明包括上层贴片层、下层金属地板以及两者之间的介质基板，金属地板上刻蚀有特定的图案，整个刻蚀区域位于上层贴片层的辐射贴片正下方，与辐射贴片面积对应，刻蚀图案由基本平面单元在金属地板内的两个正交方向上周期排列而成，基本单元是嵌入式弯曲线结构。 金属地板刻蚀的周期排列的嵌入式弯曲线结构，用普通PCB工艺在敷铜介质基板的铜层上刻蚀出来，嵌入式弯曲线结构在矩形蚀空区域内呈一条镶嵌金属弯曲线，如图1，刻蚀图案在金属地板内的两个正交方向x和y上周期排列，图中黑色区域是铜，白色代表相应区域的铜被蚀去，露出下面的介质层。嵌入式弯曲线结构的关键参数包括刻蚀区域的尺寸长dx，宽dy ;弯曲线的线宽wl ;弯曲线的弯曲间隙gl ;弯曲线和周围铜层的间距g以及弯曲线的拐弯个数，所述弯曲线的拐弯个数是和刻蚀区域的尺寸dx、 dy，弯曲线的线宽wl、弯曲线的弯曲间隙gl、弯曲线和周围铜层的间距g有关的非独立参数。
本发明下层金属地板下方设有一块金属挡板，金属挡板和地板平行，并有一定间距，所述间距不小于介质基板厚度的二倍。金属挡板通过绝缘柱固定安装在金属地板下方。
图2显示了本发明矩形微带贴片天线整体结构，共分四层。图2是天线的侧视图，从上往下，第一层是金属馈线暨贴片层(黑色)，第二层是电介质基板(白色)，第三层是金属地板(黑色)，第四层是金属挡板(白色)。前三层是紧密附着在一起的，金属挡板通过绝缘柱固定安装在前三层上。tf表示第一、三层金属的厚度，h表示第二层厚度，st表示第四层厚度，sh表示第三、四层间距是，sh > 2h。第一和第三层金属厚度即为普通高频敷铜介质板的铜厚。 图3为本发明矩形微带贴片天线的各层示意图，图3(a)是天线正面视图，显示了金属馈线及贴片层，包括长、宽分别为length、 width的介质基板，长、宽分别为le、we的馈线，长、宽分别为lm、 wm的四分之一波长匹配线，以及长、宽分别为lp、 wp的辐射贴片。图3(b)是金属地板视图，中间用白色虚线框出来的部分就是刻蚀有周期排列的嵌入式弯曲线结构的区域，它位于辐射贴片的正下方，与辐射贴片面积对应。图3(c)是天线反面视图，黑色部分是金属地板区域，白色部分是金属挡板，长sx，宽sy。金属档板四角的圆圈表示绝缘柱的位置。图4(a)是对图3(b)白色虚线框内区域的放大，图4(b)是对图4(a)所示嵌入式弯曲线结构周期阵列里的一个单元的放大。作为本发明的一个具体例子，图4显示的嵌入式弯曲线结构周期阵列规模是13X2，一个单元所用弯曲线的拐弯个数是2。
本发明提出的矩形微带贴片天线的设计关键是合理选择嵌入式弯曲线结构尺寸和阵列规模。 设计的第一步是选定天线工作频率以及介质基板的类型，包括厚度h、介电常数；
第二步是调节嵌入式弯曲线结构的各项尺寸，包括其刻蚀区域的尺寸长dx，宽dy、弯曲线的线宽wl、弯曲间隙gl、周围铜层的间距g和一个单元弯曲线结构的拐弯个数，
5调整所述参数使天线的工作频率落在嵌入式弯曲线结构自身谐振频率之前，这里没有硬性要求工作频率距离单元谐振频率多远，只要确保天线工作频带避开单元谐振区域即可。这里的谐振频率指嵌入式弯曲线结构在第一层金属、第二层介质和第三层金属构成的平板波导环境里横电磁波激励下的谐振频率； 第三步是设定嵌入式弯曲线结构周期阵列的规模，即图1中x、 y两方向单元数以
及相应的阵列在这两个方向的长度，也就是确定整个天线的刻蚀区域，并相应地确定辐射
贴片的尺寸使辐射贴片_嵌入式弯曲线结构阵列系统谐振在指定的工作频率上； 第二和第三步嵌入式弯曲线结构及其周期阵列规模，可以根据天线的结构先设定
初始值，在此基础上进行调节。其中，维持dy，wl，gl，g不变，增加dx以及相应的拐弯个数
可以降低单元谐振频率，再进一步增加周期阵列在x方向的长度，这样能适应天线工作频
率降低的要求；维持dx，wl，gl，g不变，减小dy可以升高单元谐振频率，再进一步减小周期
阵列在x方向的长度，这样能适应天线工作频率升高的要求。 第四步是在天线地板后方添加金属挡板以抑制背向辐射，挡板的大小至少完全覆盖嵌入式弯曲线结构阵列。金属挡板通过绝缘柱固定在天线金属地板上，绝缘柱位于挡板四角，只要绝缘柱半径远小于天线工作波长， 一般为十分之一波长以下，并且位于贴片和嵌入式弯曲线结构阵列的区域之外，就能确保它们对天线性能影响很小。金属挡板的安装同时会使天线工作频率偏离原设计频率，通常是大于原设计频率，金属挡板和金属地板间距sh很小时，这个偏差很大难以矫正，随着sh的增大，偏差渐渐单调趋于零，一般sh不小于二倍的介质基板厚度以利于频率偏差的矫正；适当增加贴片x方向的长度或嵌入式弯曲线结构的尺寸dx、 dy可将工作频率矫正。 第五步是设计匹配网络使贴片_嵌入式弯曲线结构阵列_挡板系统和500hm微带线匹配。以上第二步至第五步都可以借助电磁仿真软件完成。 图5给出了本发明提出的新型矩形微带贴片天线相对于普通矩形微带贴片天线带宽增加的实例。新型矩形微带贴片天线工作在无线接入频段，也就是3. 5GHz附近，-10dB带宽是87MHz，(图5的实线)，相应的各项天线结构参数为lp = 16. lmm， wp = 21mm，width = 60mm， length = 76. 3mm， we = 3. 75mm， le = 16mm， wm = 0. 45mm， lm = 15. 3mm，sh = 5mm， st = lmm， sx = 70mm， sy = 50mm， dx = 1. 05mm， dy = 10. 35mm， g = 0. 15， wl =0. 15mm， gl = 0. 15mm，嵌入式弯曲线结构阵列规模是13X2，即x方向13个单元，y方向2个单元，单元排布周期是x方向1.2mm， y方向10. 5mm，参见图2、3、4，另外所用介质基板的厚度为h二 1.43mm，相对介电常数2.65，贴片和地板铜层厚度都是0.035mm。图5还显示了普通矩形微带贴片天线的反射系数作为比较，该普通矩形微带贴片天线具有和上面所述天线相同的贴片尺寸、相同的介质基板，图中实线是本发明天线的反射系数，虚线是普通天线的反射系数，两个天线都工作在3. 5GHz附近，本发明天线的-lOdB带宽是87MHz，而普通天线的-lOdB带宽是37MHz，可见本发明提出的矩形微带贴片天线实例的带宽大约是普通矩形微带贴片天线的2. 35倍。
权利要求
一种矩形微带贴片天线，包括上层贴片层、下层金属地板以及两者之间的介质基板，其特征是金属地板上刻蚀有特定的图案，整个刻蚀区域位于上层贴片层的辐射贴片正下方，与辐射贴片面积对应，刻蚀图案由基本平面单元在金属地板内的两个正交方向上周期排列而成，基本平面单元是嵌入式弯曲线结构。
2. 根据权利要求1所述的一种矩形微带贴片天线，其特征是金属地板刻蚀有周期排列 的嵌入式弯曲线结构，用普通PCB工艺在敷铜介质基板的铜层上刻蚀出来，嵌入式弯曲线 结构在矩形蚀空区域内呈一条镶嵌金属弯曲线；嵌入式弯曲线结构的关键参数包括刻蚀区 域的尺寸、弯曲线的线宽、弯曲线的弯曲间隙、弯曲线和周围铜层的间距以及弯曲线的拐弯 个数，所述弯曲线的拐弯个数是和刻蚀区域的尺寸、弯曲线的线宽、弯曲线的弯曲间隙、弯 曲线和周围铜层的间距有关的非独立参数。
3. 根据权利要求1或2所述的一种矩形微带贴片天线，其特征是下层金属地板下方设 有一块金属挡板，金属挡板的位置及其面积至少覆盖嵌入式弯曲线结构，金属挡板和金属 地板平行，并有一定间距，所述间距不小于介质基板厚度的二倍。
4. 根据权利要求3所述的一种矩形微带贴片天线，其特征是金属挡板通过绝缘柱固定 安装在金属地板下方，绝缘柱半径为天线工作波长十分之一以下，并且位于辐射贴片和嵌 入式弯曲线结构的区域之外。
5. 根据权利要求3所述的一种矩形微带贴片天线，其特征是天线工作在无线接入频 段，相应的各项天线结构参数为辐射贴片长lp二16. lmm，宽wp二21mm;介质基板宽width =60mm，长length = 76. 3mm;馈线宽we = 3. 75mm，长le = 16mm ;四分之一波长匹配线 宽wm = 0. 45mm，长lm = 15. 3mm ;金属挡板与金属地板的间距sh = 5mm，金属地板厚度st =lmm，金属地板长sx = 70mm，宽sy = 50mm ;—个嵌入式弯曲线结构的刻蚀区域长dx = 1. 05mm，宽dy = 10. 35m，弯曲线和周围铜层的间距g = 0. 15，弯曲线的线宽wl = 0. 15mm， 弯曲线的弯曲间隙gl = 0. 15mm ;嵌入式弯曲线结构阵列规模是13X2，单元排布周期沿刻 蚀区域长方向为1.2mm，沿刻蚀区域宽方向为10. 5mm;介质基板的厚度为h二 1.43mm，相对 介电常数2. 65，辐射贴片和金属地板的铜层厚度都是0. 035mm。
6. 根据权利要求4所述的一种矩形微带贴片天线，其特征是天线工作在无线接入频 段，相应的各项天线结构参数为辐射贴片长lp二16. lmm，宽wp二21mm;介质基板宽width =60mm，长length = 76. 3mm;馈线宽we = 3. 75mm，长le = 16mm ;四分之一波长匹配线 宽wm = 0. 45mm，长lm = 15. 3mm ;金属挡板与金属地板的间距sh = 5mm，金属地板厚度st =lmm，金属地板长sx = 70mm，宽sy = 50mm ;—个嵌入式弯曲线结构的刻蚀区域长dx = 1.05mm，宽dy = 10. 35mm，弯曲线和周围铜层的间g = 0. 15，弯曲线的线宽wl = 0. 15mm，弯 曲线的弯曲间隙gl = 0. 15mm ;嵌入式弯曲线结构阵列规模是13X2，单元排布周期沿刻蚀 区域长方向为1.2mm，沿刻蚀区域宽方向为10. 5mm ;介质基板的厚度为h = 1.43mm，相对介 电常数2. 65，辐射贴片和金属地板的铜层厚度都是0. 035mm。
全文摘要
一种矩形微带贴片天线，包括上层贴片层、下层金属地板以及两者之间的介质基板，其特征是金属地板上刻蚀有特定的图案，整个刻蚀区域位于上层贴片层的辐射贴片正下方，与辐射贴片面积对应，刻蚀图案由基本平面单元在金属地板内的两个正交方向上周期排列而成，基本单元是嵌入式弯曲线结构。本发明有效展宽天线的工作频带。为了抑制天线背向辐射，金属地板下方添置一块金属档板。本发明能满足无线通线领域对天线带宽的要求，不影响天线的其他性能，制作工艺简单且便于和系统其他部分集成，加工耗费也相对较低。
文档编号H01Q13/08GK101764286SQ20101010840
公开日2010年6月30日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者周小阳, 崔铁军, 杨歆汩, 程强, 马慧峰 申请人:东南大学