专利名称：适用于无线局域网的双极化天线及其制作方法
技术领域：
本发明涉及天线技术领域,具体是一种适用于无线局域网(Wireless Local AreaNetwork,简称WLAN)的双极化天线及其制作方法。
背景技术：
无线局域网(Wireless Local Area Network简称为WLAN)是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，客户服务器通过笔记本电 脑、掌上电脑(PDA)等终端，以WLAN随时接入互联网和企业网；是基于IEEE802. Ilg标准，它使用无线电波作为数据传送的媒介，传送距离一般为几十米；无线局域网的主干网络通常使用电缆连接，无线局域网的用户电脑通过一个或很多个无线访问节点(Access Points，简称AP)接入无线局域网。显然，在无线局域网中天线是传送无线电波的关键元件之一。随着通信技术的飞速发展，无线通信日益走向宽频高速率多媒体的应用，频谱资源严重不足的问题日益严重，如何有效的利用相对贫乏的频谱资源，提供高质量高速率的信息已成为当前应用工程上急需解决的首要问题。如今现有移动设备的天线基本附着在独立的天线支架表面，为了使天线具备良好的辐射性能，内置天线在移动设备内需要占据一定的空间，同时天线性能受其周围环境的影响很大，尤其现在移动设备的发展日趋小型化，留给天线布局的空间越来越小。如今印刷电路板(PCB)印刷的内置天线逐渐成为WLAN天线的主流，双极化技术更是解决上述问题的最好办法，它使无线电波在垂直极化和水平极化传播，此二极化波成为互不干扰的通讯载波。双极化天线就是把垂直极化和水平极化两个接收天线制作于单一天线体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收效果，即此类天线可以在一个带宽内同时接收两种信号。双极化天线作为微带天线的重要组成部分，它继承了微带天线的馈电方式和极化形式的多样性及馈电网络、有源电路集成一体化等优点，而且其本身具有低剖面结构，可以方便实现与其他载体共形，大大拓展带宽，基于其具有上述优点，双极化天线已成为当前微带天线研究的主角。但由于微带贴片天线本身所固有的带宽窄，增益低等缺点，所以在设计双极化天线时表现得相当复杂。尤其在实际工程中，使用天线时往往对天线的极化特性提出很高的要求，需要考虑到天线增益、阻抗匹配、尺寸大小与极化耦合等问题，使其实际应用受到限制。这也成为当前微带天线技术研究的重点。各种应用于WLAN的双极化天线的设计相继出现。比如公告号为CN201754429的中国实用新型专利“双极化微带天线”公开了用于无线通讯网的双极化天线，其基板的两个表面上配置馈入线和辐射单元，因此厚度较高和尺寸较大，难以满足当前对天线小型化和高集成度要求，另外其隔离度也不够高。另外还有申请号为200610034445. 7的中国发明专利申请“超薄双极化微带天线”、申请号为200920262436. 2的中国实用新型专利“整体式双极化超薄高效微带天线”、申请号为201020520077. 9的中国实用新型专利“小型高增益双极化微带天线”等等，设计了不同的介质层辐射片和接地层，并在接地层上设置微槽，减小天线的体积。
但是目前仍未有增益、阻抗匹配、尺寸大小与极化耦合均满足日益小型化的无线通讯移动设备要求的双极化天线设计方案。
发明内容
本发明的目的是设计一种适用于无线局域网的双极化天线，在介质板表面的辐射贴片为特殊形状，结构紧凑、尺寸小，且频带宽、隔离度高。本发明的另一目的是公开了上述适用于无线局域网的双极化天线的制作方法，金属辐射贴片和微带馈线为刻蚀而成。本发明设计适用于无线局域网的双极化天线，包括金属辐射贴片、微带馈线、第一层介质板、第二层介质板和导电的接地板，第一层介质板、第二层介质板和接地板为相同的正方形，第一层介质板在最上层、其下为第二层介质板，接地板在底层，三层板四边重合层叠，各层相互贴合、固定连接。第一层介质板上表面为金属辐射贴片，构成辐射单元。金属福射贴片也为正方形，且边长小于第一层介质板的边长，位于第一层介质板的中心位置。在 第一层介质板和第二层介质板之间设置相互垂直的2个微带馈线，2个微带馈线分别位于正方形相邻两边的中线上。所述第一层介质板的正方形边长为L，所述金属辐射贴片的边长W为L的3/10至3/5。所述2个微带馈线在第二层介质板的边缘处各连接馈线接口，微带馈线的长度N为L的1/4至4/9，宽度η为L的1/10至1/5调整微带馈线长度优化，可以调整本天线的谐振深度。馈线长度与谐振深度成正比。所述金属辐射贴片的四个边有相同的凸出矩形，凸出矩形以所在边的中线为对称，即四边均为相同的如“凸”字上半部的折线，金属辐射贴片的特殊形状拓展了频带带宽，而且使得天线明显小型化。所述的金属辐射贴片的对称结构保证天线较高的端口隔离度和较低的交叉极化电平，而且也在一定程度上改善了天线带宽。所述金属辐射贴片的四边凸出矩形的长度M为金属辐射贴片的边长W的2/5至4/5，宽度 m 为(1/2) * (L-W)的 1/10 至 1/5。所述的接地板以中心为坐标原点，在四个象限区域内各有一个通透接地板的十字形槽，十字形槽的纵横向槽与接地板的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽以接地板中心为对称中心。十字形槽将电磁能量耦合到金属辐射贴片，十字形槽的长宽决定电磁能量耦合的强弱，耦合馈电，提高了天线两端口之间的隔离度，并展宽天线带宽，同时使得本天线进一步小型化。公共口径开在接地板上，使得微带馈线与金属辐射贴片完全隔离，可适当改变天线的辐射条件和阻抗特性，明显提高端口隔离度。所述十字形槽的纵向或横向的长度D为L的1/5至2/5，槽的外端距离接地板边缘的距离d为D的1/10至1/5，槽的宽度s为D的1/10至1/5。较佳方案为所述第一层介质板、第二层介质板和接地板的正方形边长L为42mm至 60_。本天线采用了在第一层介质板或接地板表面切割开槽的曲流技术，金属辐射贴片四边凸出部分和接地板通透的十字形槽，切断了原金属辐射贴片或接地板的表面路径，使扰动电流绕槽曲折绕行、路径变长，表面电流流向发生弯曲，电流流过路径增加，相当于在天线等效电路中增加了电流路径长度，等效于金属辐射贴片或接地片的面积增加，故本天线在降低了谐振频率、获得良好带宽的同时，缩小了天线尺寸。所述的第一层介质板为介电常数L为4. I 4. 7的单面覆铜板，金属辐射贴片为第一层介质板刻蚀后剩余的覆铜层；第二层介质板为介电常数L为4. I 4. 7的双面覆铜板，微带馈线为第二层介质板表面刻蚀后剩余的覆铜层，接地板为第二层介质板的底面覆铜层。辐射单元采用此种介质板可以展宽频带，高介电常数薄基片有利于馈电网络将电场束缚在馈线内，改善本天线的福射条件和阻抗特性。本发明适用于无线局域网的双极化微带天线的制作方法包括如下步骤I、用介电常数ε ^为4. I 4. 7的单面覆铜板制作边长为L的正方形板,作为第一层介质板，用介电常数L为4. I 4. 7的双面覆铜板制作边长为L的正方形板，作为第二层介质板和接地板；II、在第一层介质板的表面刻蚀加工金属辐射贴片，其为位于第一层介质板的中 心位置的正方形，边长W为L的3/10至3/5，正方形的四个边有相同的凸出矩形，凸出矩形以所在边的中线为对称，凸出矩形的长度M为金属辐射贴片的边长W的2/5至4/5，宽度m为(1/2)* (L-W)的 1/10 至 1/5。III、在第二层介质板的表面刻蚀加工相互垂直的2个微带馈线，2个微带馈线分别位于正方形相邻两边的中线上，微带馈线的长度N为L的1/4至4/9，宽度η为L的1/10至1/5，第二层介质板底面的覆铜层为接地板；IV、接地板的底面以中心为坐标原点，在四个象限区域内各刻蚀加工一个通透的十字形槽，十字形槽的纵、横向槽与接地板的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽以接地板中心为对称。所述十字形槽的纵向或横向的长度D为L的1/5至2/5，槽的外端距离接地板边缘的距离d为D的1/10至1/5，槽的宽度s为1/10至1/5。此步骤可与步骤III同时进行。V、第一层介质板和第二层介质板层叠，第一层介质板的金属辐射贴片朝上，即处于最上层，第二层介质板的有微带馈线的表面朝上，即微带馈线处于第一层介质板和第二层介质板之间，接地板在底层。两层介质板粘合连接或用绝缘材料的连接件连接。VI、在2个微带馈线的外端分别安装馈线接口。与现有技术相比，本发明适用于无线局域网的双极化天线及其制作方法的优点是1、采用水平和垂直双极化天线技术，该天线将具有高接收分集增益，有利于在实际应用工程中减少天线使用的数量；2、介质板使用市场上常见的耐燃覆铜板材料，具有损耗低、成本很低、低交叉极化特性、结构简单，且可方便地刻蚀加工金属辐射贴片和微带馈线，减小天线厚度；3、馈电网络与辐射贴片分别置于不同层次介质板上，获得宽频带的驻波比，2层介质板紧密贴合，二者之间无空气层，大大缩小了本天线厚度，一般厚度仅为4毫米，保证了天线小型化；4、接地板上的十字形槽和金属辐射贴片四边的凸出部分在天线等效电路中增加了电流路径长度，等效于金属辐射贴片长度的增加，在降低了谐振频率、获得良好带宽的同时，明显缩小了天线尺寸；5、金属辐射贴片四边的对称性及接地板十字形槽的对称，保证较高的端口隔离度和较低的交叉极化电平；6、调整金属辐射贴片上槽或细缝的长度即可调整谐振频率，调整微带馈线长度，则可调整谐振深度，实现手段灵活，可操作性强；7、经检测本天线通频带在2. 37GHz 2. 59GHz之间，带宽达到了 220MHz，相对带宽达到了 9. 1%，完全覆盖了 IEEE802. Ilg标准的WLAN2. 4GHz频段2. 4 2. 48GHz整个频段；天线端口隔离度达到-32dB，具有高隔离度性能；天线谐振在2. 43GHz点，天线增益为3. 64dBi，在2. 4GHz 2. 55GHz之间增益值都大于3dBi，具有高增益性能，而且该天线辐射性能很好，在谐振点辐射效率达90%多。把实测值与仿真值作比较，两者基本吻合，误差在可允许的范围之内。
图I为本适用于无线局域网的双极化天线实施例俯视图；图2为本适用于无线局域网的双极化天线实施例侧视图；图3为本适用于无线局域网的双极化天线实施例仰视图；图4为图I至3所示实施例实测所得入射端口输入信号的回波损耗曲线图；
图5为图I至3所示实施例实测所得入射端口输入信号的驻波比图；图6为图I至3所示实施例实测所得两入射端口输入信号之间的双极化端口隔离度波形图；图7为图I至3所示实施例实测所得E面福射方向图之一，phi=90deg, theta=0 360deg ；图8为图I至3所示实施例实测所得E面福射方向图之二, theta=90deg,phi=0 360deg ；图9为图I至3所示实施例实测所得各个频点所对应的增益曲线图。图内标号为1、第一层介质板，2、金属辐射贴片，21、凸出矩形，3、微带馈线，31，馈线接口，4、接地板，41、十字形槽，5、第二层介质板。
具体实施例方式适用于无线局域网的双极化天线实施例本例如图I至3所示，本适用于无线局域网的双极化天线实施例，包括第一层介质板I、第二层介质板5和接地板4。本例第一层介质板I、第二层介质板5和接地板4为相同的边长为L=51毫米的正方形，第一层介质板I在最上层、其下为第二层介质板5，接地板4在底层，三层板四边重合层叠，各层相互贴合。本例的第一层介质板I为介电常数ε ^为4. 4、正切损耗角tan σ为O. 02,厚度为2毫米的单面覆铜板，金属辐射贴片2为第一层介质板I刻蚀后剩余的覆铜层，第二层介质板5为介电常数为4. 4、正切损耗角tan σ为O. 02，厚度为2毫米的双面覆铜板，微带馈线3为第二层介质板5上表面刻蚀后剩余的覆铜层，接地板4为第二层介质板5的底面覆铜层。本例第一层介质板I和第二层介质板5粘合连接。也可以用塑料螺钉连接2层介质板。如图I所示，本例所述金属辐射贴片2为边长W=23. 6毫米的正方形，位于第一层介质板I的中心位置。正方形四个边有相同的凸出矩形21，凸出矩形21以所在边的中线为对称，本例凸出矩形21的长度M=14. O毫米，宽度m=2. O毫米。相互垂直的2个微带馈线3分别位于第二层介质板5上表面正方形相邻两边的中线上，长度N=17. 3毫米，宽度n=3. 2毫米。2个微带馈线3在第二层介质板5的边缘处的外端各连接50欧姆的SMA接头作为馈线接口 31。
所述接地板4以中心为坐标原点，在四个象限区域内各有一个通透接地板4的十字形槽41，十字形槽41的纵横向槽与接地板4的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽41以接地板4中心为对称。十字形槽41的纵向或横向的长度D=15. 6毫米，宽度s=2. 6毫米，槽的外端距离接地板4边缘的距离d=2. 2毫米。本发明适用于无线局域网的双极化天线的制作方法包括如下步骤I、用介电常数ε ^为4. 4,正切损耗角tan σ为O. 02,厚度为2毫米的单面覆铜板制作边长为L=51毫米的正方形板，作为第一层介质板I ;用介电常数L为4. 4，正切损耗角tan σ为O. 02,厚度为2毫米的双面覆铜板制作边长为L=51毫米的正方形板,作为第二层介质板5和接地板4 ；II、在第一层介质板I的表面刻蚀加工金属辐射贴片2，其为位于第一层介质板I 的中心位置的、边长W=23. 6毫米的正方形，正方形的四边中心有对称的凸出矩形21，本例凸出矩形的长度M=14毫米，宽度m=2. O毫米；III、在第二层介质板5的上表面刻蚀加工相互垂直的2个微带馈线3，2个微带馈线3分别位于正方形相邻两边的中线上，微带馈线3的长度N=17. 3毫米，宽度n=3. 2毫米；IV、接地板4以中心为坐标原点，在四个象限区域内各刻蚀一个接地板4的十字形槽41，“十”字的纵、横向槽与接地板的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽41以接地板4的中心为对称。所述十字形槽41的纵向或横向的长度D=15. 6毫米，宽度s=2. 6毫米，槽的外端距离接地板4边缘的距离d=2. 2毫米。V、第一层介质板I和第二层介质板5层叠，第一层介质板I的金属辐射贴片2朝上，即处于最上层，第二层介质板5的有微带馈线3的一面朝上，即微带馈线3处于第一层介质板I和第二层介质板5之间，接地板4为底层，第一层介质板I和第二层介质板5四边重合层叠、相互贴合、粘合连接。VI、在2个微带馈线3的外端分别安装50欧姆的SMA接头作为馈线接口 31。本方法实施例制作的双极化天线即如上述适用于无线局域网的双极化天线实施例所述。本例在仿真时对金属辐射贴片四边凸出矩形的长度进行优化，将谐振频率调整至2. 45GHz。对微带馈线长度优化至最优结果，在天线谐振于2. 45GHz时谐振深度约为_42dB。本例双极化天线采用50欧姆微带线馈电，在微波暗室中使用网络矢量分析仪等仪器对本例的双极化天线回波损耗、驻波比曲线和增益等辐射特性参数进行了测量。图4所示为实测所得的本例双极化天线入射端口的回波损耗曲线，图中横坐标为频率F、纵坐标为回波损耗Sll值，由图4可见本例双极化天线谐振频率实测为2. 43GHz,谐振点实测值达-20dB，通频带在2. 37GHz 2. 59GHz之间，带宽达到了 220MHz。所得的本例天线的驻波比(VSWR)如图5所示，图中横坐标为频率F、纵坐标为驻波比值，从图5可知，实测时在2. 37GHz 2. 59GHz范围内天线电压驻波比(VSWR)小于等于2时，工作带宽范围约为220MHz，完全覆盖了 2. 4GHz频段2. 4 2. 48GHz的整个频率范围。图6为本例双极化天线的隔离度，图中横坐标为频率F、纵坐标为隔离度S21值，从图6可知本例双极化天线在通频带内实测隔离度S21在-30dB以下，体现了本天线的高隔离度特性。图7为本例双极化天线在极轴角为phi=90deg、方位角为theta=0 360deg时的E面福射方向图，图8则是本例双极化天线在方位角为theta=90deg、极轴角为phi=0 360deg时的E面福射方向图，从此二图中可以看出该天线具有优秀的辐射特性，辐射效率高，天线辐射功率为6dBm。图9为本例双极化天线实测所得各个频点所对应的增益曲线，图中横坐标为频率F、纵坐标为增益G值，此图显示实测本天线在谐振点2. 43GHz处峰值增益达到了 3. 64dBi。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内 。
权利要求
1.适用于无线局域网的双极化天线，包括金属辐射贴片、微带馈线、第一层介质板、第二层介质板和接地板，其特征在于 第一层介质板(I)、第二层介质板(5)和接地板(4)为相同的正方形，第一层介质板(I)在最上层、其下为第二层介质板(5)，接地板(4)在底层，三层板四边重合层叠，各层相互贴合、固定连接；在第一层介质板(I)上表面为金属辐射贴片(2)，金属辐射贴片(2)也为正方形，且边长小于第一层介质板(I)的边长，位于第一层介质板(I)的中心位置；在第一层介质板(I)和第二层介质板(5)之间设置相互垂直的2个微带馈线(3)，2个微带馈线(3)分别位于正方形相邻两边的中线上。
2.根据权利要求I所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述第一层介质板(I)的正方形边长为L，所述金属辐射贴片(2)的边长W为L的3/10至 3/5。
3.根据权利要求I所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述2个微带馈线(3)的长度N为L的1/4至4/9，宽度η为L的1/10至1/5。
4.根据权利要求2所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述金属辐射贴片(2)的四个边有相同的凸出矩形(21)，凸出矩形(21)以所在边的中线为对称，凸出矩形(21)的长度M为金属辐射贴片(2)的边长W的2/5至4/5，宽度m为(1/2) * (L-W)的 1/10 至 1/5。
5.根据权利要求I所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述的接地板(4)以中心为坐标原点，在四个象限区域内各有一个通透接地板(4)的十字形槽(41)，十字形槽(41)的纵横向槽与接地板(4)的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽(41)以接地板(4)中心为对称。
6.根据权利要求5所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述十字形槽(41)的纵向或横向的长度D为L的1/5至2/5，槽的外端距离接地板(4)边缘的距离d为D的1/10至1/5，槽的宽度s为D的1/10至1/5。
7.根据权利要求I所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述的第一层介质板(I)为介电常数^4. I 4. 7的单面覆铜板，金属辐射贴片(2)为第一层介质板(I)上表面刻蚀后剩余的覆铜层；第二层介质板(5)为介电常数L为4. I 4.7的双面覆铜板，微带馈线(3)为第二层介质板(5)表面刻蚀后剩余的覆铜层，接地板(4)为第二层介质板(5)的底面覆铜层。
8.根据权利要求I所述的适用于无线局域网的双极化天线，其特征在于 所述第一层介质板(I)、第二层介质板(5)和接地板(4)的正方形边长L为42mm至60mmo
9.适用于无线局域网的双极化天线的制作方法，其特征在于包括如下步骤 I、用介电常数％为4.I 4. 7的单面覆铜板制作边长为L的正方形板，作为第一层介质板(I )，用介电常数ε ^为4. I 4. 7的双面覆铜板制作边长为L的正方形板,作为第二层介质板(5)和接地板(4)； II、在第一层介质板(I)的表面刻蚀加工金属福射贴片(2),所述金属福射贴片(2)为位于第一层介质板(I)的中心位置的正方形,边长W为L的3/10至3/5，正方形的四个边中心有相同的凸出矩形(21)，凸出矩形(21)以所在边的中线为对称，凸出矩形(21)的长度M为金属辐射贴片(2)的边长W的2/5至4/5，宽度m为(1/2)* (L-W)的1/10至1/5 ； III、在第二层介质板(5)的表面刻蚀加工相互垂直的2个微带馈线(3)，2个微带馈线(3)分别位于正方形相邻两边的中线上，微带馈线(3)的长度N为L的1/4至4/9，宽度η为L的1/10至1/5，第二层介质板(5)底面的覆铜层为接地板(4)； IV、接地板(4)的底面以中心为坐标原点，在四个象限区域内各刻蚀加工一个通透接地板4的十字形槽(41)，十字形槽(41)的纵、横向槽与接地板(4)的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽(41)以接地板(4)的中心为对称；所述十字形槽(41)的纵向或横向的长度D为L的1/5至2/5，槽的外端距离接地板(4)边缘的距离d为D的1/10至1/5，槽的宽度s为D的1/10至1/5 ； V、第一层介质板(I)和第二层介质板(5)层叠，第一层介质板(I)的金属辐射贴片(2 )朝上，即处于最上层，第二层介质板(5)的有微带馈线(3)的一面朝上，即微带馈线(3)处于 第一层介质板(I)和第二层介质板(5)之间，接地板(4)为底层；两层介质板相互贴合、粘合连接或用绝缘材料的连接件连接； VI、在2个微带馈线(3)的外端分别安装馈线接口( 31)。
全文摘要
本发明为适用于无线局域网的双极化天线及其制作方法，本天线2层介质板和接地板为相同的正方形重叠固连。第一层介质板上表面为位于中心的金属辐射贴片。在2层介质板间有分别位于正方形相邻两边相互垂直的2个微带馈线。金属辐射贴片四边有对称的凸出矩形。接地板有以中心为对称的4个十字形槽。本天线的制作方法为I单双面覆铜板分别制作正方形板作为第一、二层介质板；II第一层介质板刻蚀金属辐射贴片；III第二层介质板刻蚀2个微带馈线、底面为接地板；IV接地板底面以中心为对称加工4个十字形槽；V介质板层叠连接。VI、安装馈线接口。本发明结构简单，厚度小，保证性能指标提高的同时天线明显小型化，便于调整天线参数，可操作性强。
文档编号H01Q13/08GK102842755SQ20121023903
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者肖海林, 易钊, 欧阳缮, 胡振 申请人:桂林电子科技大学