一种双C叠加形三频带平面单极子天线的制作方法

本实用新型涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种双C叠加形三频带平面单极子天线，适用于UMTS、WLAN和WiMAX无线通信系统。

背景技术：

随着无线通信技术的迅猛发展，无线通信设备向小型化、一体化方向发展，可以同时兼容多种模块，如GPS、GSM、WLAN和WiMAX等，不同通信系统需要不同的频带，将不同的收发天线分开设计无法满足移动终端小型化的需求，因此，需要设计一种具有体积小、低剖面、易于集成等特点的多频带平面天线，满足不同通信系统的频带需求。常规的多频带天线包括单极天线、缝隙天线、微带天线和倒F天线，单极天线一般具有全向辐射特性和较宽的工作带宽，缝隙天线比较容易实现多频特性，辐射单元的整体尺寸决定天线的最低谐振频率，微带天线具有定向辐射、低剖面等特点，倒F天线一般尺寸较小且辐射方向非对称，多被应用于手机终端上，但工作带宽相对较窄。谐振交叠技术是设计多频带天线的重要技术手段，它是将两个或多个谐振单元融合在一起，每个谐振单元都能激励出一定的谐振频率。如专利号为CN203288744U，专利名称为《小型三频段单极子天线》的实用新型专利，辐射单元由圆环形、U形和T形嵌套而成，不同的谐振单元能够激发不同的谐振频率，可用于蓝牙、WLAN、WiMAX无线通信系统，但该天线采用微带馈电，地板与辐射单元在介质基板的两侧，不利于与其它天线的集成；专利号为CN103762417A，专利名称为《三频段单极子天线》的发明专利，辐射单元由粗枝节半圆弧结构和细枝节圆环结构组成，粗枝节半圆弧结构形成低阻抗传输线，细枝节圆环结构形成高阻抗传输线，通过传输线的耦合产生多频特性，天线频带可用于GSM、WLAN、WiMAX三个通信频段，但该天线的整体尺寸较大。加载技术是将电抗元件置于天线的某个部分，电抗元件可以是无源或有源的，加载的位置可以在天线的输入端或天线内部，采用加载技术可以展宽多频天线的阻抗带宽，通过加载元件的弯曲变形可以缩小天线的尺寸。一种多枝节三频印刷单极天线，采用两个不同长度的金属枝节条带，使天线具有多频特性，在一个枝节上加载一个L形谐振枝节，并将三个枝节进行折叠，增加各个谐振枝节间的耦合，改善阻抗匹配，工作频带覆盖2.38～2.50GHz、3.2～3.89GHz和5.1～7.81GHz，满足WLAN、WiMAX无线通信系统对频带的需求。辐射单元与地板在介质基板两侧会导致天线剖面较大，不利于通信终端的小型化、集成化设计，因此，辐射单元与地板共面的天线是目前研究的热点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种双C叠加形三频带平面单极子天线，具有三频带特性和良好的辐射特性，同时满足2.0GHzUMTS、2.4/5GHzWLAN和3.5GHzWiMAX对工作频带的要求。

本实用新型的技术方案是：一种双C叠加形三频带平面单极子天线，由印制在介质基板上的双C叠加形辐射单元(1)、阶梯渐变结构共面波导传输线(2)、矩形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，所述的双C叠加形辐射单元(1)由两个C形枝节条带和两个T形枝节条带组成，两个C形枝节条带对称融合叠加形成辐射单元的主体，中间形成耦合间隙，在辐射单元中心的左右两侧分别加载一个T形枝节条带，对称于天线的中轴线，所述的阶梯渐变结构共面波导传输线(2)由三个矩形组合形成阶梯渐变结构，其特征在于：双C叠加形辐射单元(1)、阶梯渐变结构共面波导传输线(2)、矩形地板(3)位于介质基板同侧，天线整体为左右对称结构，通过阶梯渐变结构共面波导传输线(2)进行馈电，传输线位于天线的中下部，上端与辐射单元底部中心对接，下端与矩形地板(3)下边缘平齐，矩形地板(3)对称分布于天线的左右两侧，切角处理后与阶梯渐变结构共面波导传输线(2)之间形成耦合缝隙，同轴接头(4)与阶梯渐变结构共面波导传输线(2)和矩形地板(3)的下边缘相连接。

本实用新型的效果在于：本天线辐射单元采用多个枝节条带组合叠加，激发出三个不同的工作频带，使天线产生多频特性，调整枝节条带的尺寸可以调节对应的谐振频率，将枝节条带弯曲变形和组合叠加，进一步缩小了天线的尺寸。辐射单元左右两侧增加T形枝节条带可以提供附加的电容和电感，改善天线在低频段的阻抗匹配，展宽阻抗带宽。采用阶梯渐变结构共面波导传输线能够调节输入阻抗，降低辐射损耗。该天线具备结构新颖、加工方便、容易集成等特点，频带间具有很高隔离特性，在方向性和增益等方面满足各个系统的使用要求，工作频带覆盖1.90～2.57GHz、3.08～3.95GHz和4.93～6.58GHz，相对带宽分别为29.9％、24.8％和28.7％，满足2.0GHzUMTS、2.4/5GHzWLAN和3.5GHzWiMAX对工作频带的要求，适用于小型多频带无线通信终端。

附图说明

图1是本实用新型实例的结构示意图。

图2本实用新型实例实测回波损耗S₁₁曲线与仿真结果比较。

图3是本实用新型实例在频率为2.0GHz时的xoz面辐射方向图。

图4是本实用新型实例在频率为2.0GHz时的xoy面辐射方向图。

图5是本实用新型实例在频率为2.45GHz时的xoz面辐射方向图。

图6是本实用新型实例在频率为2.45GHz时的xoy面辐射方向图。

图7是本实用新型实例在频率为3.5GHz时的xoz面辐射方向图。

图8是本实用新型实例在频率为3.5GHz时的xoy面辐射方向图。

图9是本实用新型实例在频率为5.5GHz时的xoz面辐射方向图。

图10是本实用新型实例在频率为5.5GHz时的xoy面辐射方向图。

图11是本实用新型实例的峰值增益曲线。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，一种双C叠加形三频带平面单极子天线，由印制在介质基板上的双C叠加形辐射单元(1)、阶梯渐变结构共面波导传输线(2)、矩形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成。所述的双C叠加形辐射单元(1)由两个C形枝节条带和两个T形枝节条带组成，两个C形枝节条带对称融合叠加形成辐射单元的主体，中间形成耦合间隙，辐射单元采用多个枝节条带组合叠加，激发出三个不同的工作频带，使天线产生多频特性，调整枝节条带的尺寸可以调节对应的谐振频率，将枝节条带弯曲变形和组合叠加进一步缩小了天线的尺寸，在辐射单元中心的左右两侧分别加载一个T形枝节条带，对称于天线的中轴线，辐射单元左右两侧增加T形枝节条带可以提供附加的电容和电感，改善天线在低频段的阻抗匹配，展宽阻抗带宽；所述的阶梯渐变结构共面波导传输线(2)由三个矩形组合形成阶梯渐变结构，采用该结构能够调节输入阻抗，降低辐射损耗。其特征在于：双C叠加形辐射单元(1)、阶梯渐变结构共面波导传输线(2)、矩形地板(3)位于介质基板同侧，天线整体为左右对称结构，通过阶梯渐变结构共面波导传输线(2)进行馈电，传输线位于天线的中下部，上端与辐射单元底部中心对接，下端与矩形地板(3)下边缘平齐，矩形地板(3)对称分布于天线的左右两侧，切角处理后与阶梯渐变结构共面波导传输线(2)之间形成耦合缝隙，同轴接头(4)与阶梯渐变结构共面波导传输线(2)和矩形地板(3)的下边缘相连接。

选择FR4环氧树脂介质基板，介电常数ε_r＝4.4，厚度h＝1.6mm。介质基板高l＝35mm、宽w＝35mm，双C叠加形辐射单元、阶梯渐变结构共面波导传输线、矩形地板印制在介质基板同一平面上，天线整体为左右对称结构，使天线辐射方向图具有对称性。辐射单元两个C形枝节条带对称融合叠加形成，在辐射单元中心的左右两侧分别加载一个T形枝节条带，使辐射单元整体形成不同长度的枝节条带，产生不同的谐振频率。单个C形枝节条带的长度决定2.4GHz频带中谐振频率的位置。两个C形枝节条带选择合适的位置对称融合叠加后，形成X形枝节条带，调节叠加的位置可以调整谐振频率，X形枝节条带的总长度与高频段波长相近，决定天线在5.5GHz频带中的谐振频率，两个C形枝节条带分别形成终端开路，调节终端开路的尺寸能够使阻抗带宽向低频段延伸。增加的T形枝节条带的长度决定3.5GHz频带中谐振频率的位置，同时能够产生附加的电容和电感，进一步展宽天线的阻抗带宽。天线由阶梯渐变结构共面波导传输线馈电，馈线宽度分别为w₁、w₄、w₅，两块矩形地板对称于天线的左右两侧，整体尺寸为l₄×w₂，改变地板的结构，将矩形地板对称切除两个矩形，改善天线阻抗匹配特性，共面波导传输线与矩形地板之间的缝隙宽度为g。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化分析，得出天线的结构尺寸：w₁＝2.3mm，w₂＝15.0mm，w₃＝12.4mm，w₄＝4.8mm，w₅＝7.1mm，w₆＝8.1mm，w₇＝3.4mm，w₈＝6.3mm，w₉＝6.8mm，w₁₀＝2.3mm，w₁₁＝4.7mm，w₁₂＝3.6mm，w₁₃＝4.6mm，w₁₄＝2.2mm，w₁₅＝2.3mm，w₁₆＝2.8mm，l₁＝9.0mm，l₂＝10.2mm，l₃＝7.9mm，l₄＝9.8mm，l₅＝11.5mm，l₆＝15.8mm，l₇＝3.9mm，l₈＝3.0mm，l₉＝6.2mm，l₁₀＝4.1mm，l₁₁＝3.0mm，l₁₂＝5.7mm，l₁₃＝2.1mm，l₁₄＝6.5mm，l₁₅＝3.5mm，g＝1.2mm，如图1所示。

利用矢量网络分析仪测试天线模型，实测天线回波损耗S₁₁曲线与Ansoft HFSS仿真结果对比如图2所示，从对比结果可以看出，实测结果与仿真结果在整体趋势上基本吻合，对仿真结果进行了有效验证，从实测结果可以看出，天线在低频段阻抗带宽为1.90～2.57GHz，相对带宽达到29.9％，完全覆盖UMTS(1.92～2.17GHz)和WLAN(2.4～2.484GHz)的工作带宽，天线中频段阻抗带宽为3.08～3.95GHz，相对带宽达到28.7％，满足WiMAX(3.3～3.7GHz)的带宽需求，天线高频段阻抗带宽为4.93～6.58GHz，相对带宽达到28.7％，满足WLAN(5.15～5.825GHz)的带宽需求，实测曲线与仿真曲线对比略有加深，在高频段略向右偏移，主要是加工误差和测量环境导致。

对天线在2.0、2.45GHz、3.5GHz、5.5GHz四个频率点处的xoz面和xoy面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测和仿真结果如图3、4、5、6、7、8、9、10所示。从图中可以看出，实测结果与仿真结果基本吻合，天线在各频率点处具有较好的方向性，在xoz面近似“8”字，在xoy面辐射曲线近似圆形，满足各个频带对全向辐射的需求。

天线在频带内不同频率点的峰值增益曲线如图11所示，在频带范围内选取几个采样点，测试结果表明，在1.92～2.17GHz频带范围内，天线峰值增益的变化范围是2.7～3.2dBi，在2.4～2.484GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是2.3～2.9dBi，在3.3～3.7GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是2.8～3.4dBi，在5.15～5.825GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是3.5～4.3dBi。实测结果表明该天线电性能良好，满足UMTS、WLAN和WiMAX系统的频带要求，可以在小型多频带无线通信系统中应用。