本实用新型涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种蝶形终端双宽频平面缝隙天线，适用于WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统。
背景技术：
天线作为无线通信系统的重要组成部分，起着发射和接收电磁波的作用，对整个系统的性能都有至关重要的影响，所以对天线的研究与设计具有非常重要的意义。天线结合微波技术的各种产品比比皆是，其影响小到人们的日常生活，大到国家的安全保障，其重要性是不言而喻的，就天线的实际应用需求而言，宽频带、多频带和小型化是天线目前最主要的研究方向。当前无线通信系统朝着小型化、系统集成方向发展，也迫切需要天线能覆盖多个电磁频段，从而增加系统的集成度，使通信系统更加紧凑，多带天线在此应用背景下应运而生。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。缝隙天线是在地板上开一个较宽的缝隙，缝隙结构一般采用近似椭圆形或近似矩形缝隙，辐射与馈电部分与单极子天线的设计类似，共面波导馈电与宽缝隙相结合，采用特殊的几何组合结构调节阻抗匹配能够获得较宽的阻抗带宽，引入特殊结构设计还能够实现多频与陷波特性。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，加载的阻抗越大，天线的品质因数就越小，相对应的频带就越宽，但也会导致天线的增益减小，通过加载元件的弯曲变形可以缩小天线的尺寸。非专利文献1公开了一种加载ELC结构的双频天线，在矩形辐射单元内部加载ELC谐振单元，形成寄生谐振，基片背面为地板，通过贴片和地板上边缘间槽口渐开的方式展宽频带，但该天线的缺点是设计与计算较为复杂。缝隙加载技术可以实现多频特性，一般是在辐射贴片或地板上开一缝隙，通过改变天线自然模的场分布增加谐振点，实现双频或多频特性，但该种方法设计复杂、计算难度大。非专利文献2公开了一种加载缝隙的折合型微带线馈电缝隙天线，采用折合型微带线馈电，地板上加载两个矩形缝隙，在电路板上加载了一个相对较小的矩形缝隙，可以引导电流围绕此缝隙流动，使电流路径得到明显的增加，有效地降低天线的谐振频率。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，从而实现多频带特性，该方法设计简单、容易实现多频特性。非专利文献3公开了一种双频带平面单极子天线，该天线由微带线馈电，辐射器由左右两个枝节组成，左边的为C形枝节，右边的为L形枝节，C形枝节主要用来使天线在高频工作时具有好的阻抗匹配，L形枝节主要用来使天线在低频工作时具有好的阻抗匹配，但该天线辐射单元与地板位于介质基板两侧，不利于天线的集成。因此，设计小型化、双宽频的天线，满足无线通信系统高集成度的需求显得尤为重要。
引用文献列表
非专利文献1：罗人菳，超宽带贴片天线设计，电子科技大学硕士学位论文，2015:19-30.
非专利文献2：魏向阳，多频带缝隙型手机天线的研究与设计，青岛大学硕士学位论文，2015:26-30.
非专利文献3：谭明涛，宽带与多带平面天线研究，电子科技大学博士学位论文，2016:67-75.
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种蝶形终端双宽频平面缝隙天线，具有双频带特性，频带宽、全向辐射、增益稳定、尺寸较小，便于集成在射频电路中，同时满足3.5GHzWiMAX、5GHzWLAN和8GHz X频段对工作频带的要求。
本实用新型的技术方案是：一种蝶形终端双宽频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的蝶形馈源终端(3)、共面波导馈线(4)、L形地板(5)和外接的同轴接头(6)构成，其特征在于：
a.所述的蝶形馈源终端(3)为蝶形金属贴片，由三个椭圆形贴片组合而成，椭圆贴片(7)的圆心位于O1处，椭圆贴片(7)的长轴与天线的中轴线重合，椭圆贴片(7)的下端与共面波导馈线(4)相连接，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的尺寸相同且圆心位于O2处，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)水平对称于天线的中轴线两侧，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)与天线中轴线的夹角同为θ；
b.所述的共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，共面波导馈线(4)的上端与蝶形馈源终端(3)下端相连接，共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(6)；
c.所述的L形地板(5)由矩形地板、矩形凸起、连接导带和过渡圆弧组成，矩形地板位于介质基板(1)下端，矩形凸起分别位于介质基板的下端和上端，矩形地板通过介质基板两侧的连接导带与地板上端矩形凸起相连接，矩形地板与地板下端矩形凸起和介质基板两侧的连接导带通过过渡圆弧连接，L形地板(5)对称于共面波导馈线(4)两侧，L形地板(5)通过介质基板顶端的连接导带连接后形成闭合的以矩形为基形的宽缝隙(2)；
d.所述的同轴接头(6)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(6)分别与共面波导馈线(4)和L形地板(5)的两个下边缘相连接。
所述的蝶形馈源终端(3)为蝶形金属贴片，其中的椭圆贴片(7)的圆心O1到介质基板下端的距离L4为12.3mm～12.6mm，椭圆贴片(7)的长半轴R1为7mm～7.5mm，轴比为0.3～0.4，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的圆心O2到介质基板下端的距离L5为12.7mm～13.2mm，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2为7.5mm～8mm，轴比为0.3～0.4，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)与天线中轴线的夹角θ为45°～65°。
所述的共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为6mm～6.3mm，宽度W2为1.8mm～2.2mm。
所述的L形地板(5)由矩形地板、矩形凸起、连接导带和过渡圆弧组成，矩形地板宽度W1为10.8mm～11.4mm，长度L1为5.3mm～5.7mm，地板下端矩形凸起的宽度W3为0.8mm～1.2mm，长度L3-L1为0.8mm～1.2mm，地板上端矩形凸起的宽度W5为3.3mm～3.8mm，长度L7为4.8mm～5.2mm，介质基板两侧的连接导带宽度W4为1.3mm～1.7mm，长度L6为7.4mm～7.8mm，介质基板顶端的连接导带长度L8为1.3mm～1.7mm，地板下端矩形凸起与地板之间的过渡圆弧为四分之一圆，圆心位于O4处，过渡圆弧半径R4为0.8mm～1.2mm，矩形地板与介质基板两侧的连接导带之间的过渡圆弧为四分之一圆，圆心位于O3处，过渡圆弧半径R3为5.3mm～5.6mm。
本实用新型的效果在于：本实用新型设计了结构新颖的蝶形馈源终端和L形地板。蝶形馈源终端通过三个椭圆巧妙的构型可以使天线产生双宽频特性，改变椭圆贴片(7)的尺寸可以调节天线高频段的中心频率和带宽，改变椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽，调整椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的夹角可以进一步优化阻抗匹配。在L形地板上端设置矩形凸起可以改善天线低频段阻抗匹配特性，展宽天线在低频段的阻抗带宽，L形地板下端通过圆弧过渡连接可以调节天线中高频的阻抗匹配特性。L形地板通过介质基板顶端的连接导带连接后形成闭合的以矩形为基形的宽缝隙可以减小天线的设计尺寸，使天线结构更为紧凑。本实用新型通过多个谐振单元融合实现多频特性，不需要额外的开槽或加载谐振枝节，设计结构简单，加工方便，具有双宽频、尺寸小、易于集成等特点，工作频段为3.1GHz～6GHz和7.1GHz～8.5GHz，覆盖3.5GHzWiMAX、5GHzWLAN和8GHz X频段，设计尺寸为25mm×25mm，各频段的辐射特性和增益特性良好。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构示意图。
图2是椭圆贴片(7)的长半轴R1对天线反射系数S11的影响。
图3是椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2对天线反射系数S11的影响。
图4是矩形地板与介质基板两侧的连接导带之间的过渡圆弧半径R3对天线反射系数S11的影响。
图5是地板上端矩形凸起的宽度W5和长度L7对天线反射系数S11的影响。
图6是本实用新型实施例实测反射系数S11曲线与仿真值比较。
图7是本实用新型实施例在频率为3.5GHz时的E面和H面辐射方向图。
图8是本实用新型实施例在频率为5.6GHz时的E面和H面辐射方向图。
图9是本实用新型实施例在频率为8GHz时的E面和H面辐射方向图。
图10是本实用新型实施例在不同频率点的峰值增益图。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，一种蝶形终端双宽频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的蝶形馈源终端(3)、共面波导馈线(4)、L形地板(5)和外接的同轴接头(6)构成，其特征在于：所述的蝶形馈源终端(3)为蝶形金属贴片，由三个椭圆形贴片组合而成，椭圆贴片(7)的圆心位于O1处，椭圆贴片(7)的长轴与天线的中轴线重合，椭圆贴片(7)的下端与共面波导馈线(4)相连接，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的尺寸相同且圆心位于O2处，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)水平对称于天线的中轴线两侧，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)与天线中轴线的夹角同为θ；所述的共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，共面波导馈线(4)的上端与蝶形馈源终端(3)下端相连接，共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(6)；所述的L形地板(5)由矩形地板、矩形凸起、连接导带和过渡圆弧组成，矩形地板位于介质基板(1)下端，矩形凸起分别位于介质基板的下端和上端，矩形地板通过介质基板两侧的连接导带与地板上端矩形凸起相连接，矩形地板与地板下端矩形凸起和介质基板两侧的连接导带通过过渡圆弧连接，L形地板(5)对称于共面波导馈线(4)两侧，L形地板(5)通过介质基板顶端的连接导带连接后形成闭合的以矩形为基形的宽缝隙(2)；所述的同轴接头(6)位于介质基板(1)下端中心轴上，同轴接头(6)分别与共面波导馈线(4)和L形地板(5)的两个下边缘相连接。
所述的蝶形馈源终端(3)为蝶形金属贴片，其中的椭圆贴片(7)的圆心O1到介质基板下端的距离L4为12.3mm～12.6mm，椭圆贴片(7)的长半轴R1为7mm～7.5mm，轴比为0.3～0.4，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的圆心O2到介质基板下端的距离L5为12.7mm～13.2mm，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2为7.5mm～8mm，轴比为0.3～0.4，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)与天线中轴线的夹角θ为45°～65°。
所述的共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为6mm～6.3mm，宽度W2为1.8mm～2.2mm。
所述的L形地板(5)由矩形地板、矩形凸起、连接导带和过渡圆弧组成，矩形地板宽度W1为10.8mm～11.4mm，长度L1为5.3mm～5.7mm，地板下端矩形凸起的宽度W3为0.8mm～1.2mm，长度L3-L1为0.8mm～1.2mm，地板上端矩形凸起的宽度W5为3.3mm～3.8mm，长度L7为4.8mm～5.2mm，介质基板两侧的连接导带宽度W4为1.3mm～1.7mm，长度L6为7.4mm～7.8mm，介质基板顶端的连接导带长度L8为1.3mm～1.7mm，地板下端矩形凸起与地板之间的过渡圆弧为四分之一圆，圆心位于O4处，过渡圆弧半径R4为0.8mm～1.2mm，矩形地板与介质基板两侧的连接导带之间的过渡圆弧为四分之一圆，圆心位于O3处，过渡圆弧半径R3为5.3mm～5.6mm。
实施例：具体制作过程如实施方式所述。选择FR4环氧树脂介质基板，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm，金属层厚度为0.04mm，同轴接头采用标准SMA接头。介质基板长L＝25mm、宽W＝25mm。蝶形馈源终端(3)为蝶形金属贴片，由三个椭圆形贴片组合而成，通过三个椭圆巧妙的构型可以使天线产生双宽频特性，改变椭圆贴片(7)的尺寸可以调节天线高频段的中心频率和带宽，改变椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽，调整椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的夹角可以进一步优化阻抗匹配，椭圆贴片(7)的圆心O1到介质基板下端的距离L4为12.5mm，椭圆贴片(7)的长半轴R1为7mm，轴比为0.3，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的圆心O2到介质基板下端的距离L5为13mm，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2为7.5mm，轴比为0.3，椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)与天线中轴线的夹角θ为60°。共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为6.1mm，宽度W2为2mm。L形地板(5)由矩形地板、矩形凸起、连接导带和过渡圆弧组成，在L形地板上端设置矩形凸起可以改善天线低频段阻抗匹配特性，展宽天线在低频段的阻抗带宽，L形地板下端通过圆弧过渡连接可以调节天线中高频的阻抗匹配特性。L形地板通过介质基板顶端的连接导带连接后形成闭合的以矩形为基形的宽缝隙可以减小天线的设计尺寸，使天线结构更为紧凑。矩形地板宽度W1为11.1mm，长度L1为5.5mm，地板下端矩形凸起的宽度W3为1mm，长度L3-L1为1mm，地板上端矩形凸起的宽度W5为3.3mm，长度L7为4.8mm，介质基板两侧的连接导带宽度W4为1.5mm，长度L6为7.6mm，介质基板顶端的连接导带长度L8为1.5mm，地板下端矩形凸起与地板之间的过渡圆弧为四分之一圆，圆心位于O4处，过渡圆弧半径R4为1mm，矩形地板与介质基板两侧的连接导带之间的过渡圆弧为四分之一圆，圆心位于O3处，过渡圆弧半径R3为5.3mm。
对主要参数椭圆贴片(7)的长半轴R1、椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2、过渡圆弧半径R3、上端矩形凸起的宽度W5和长度L7进行分析，通过调节这五个参数来调节带宽并改善阻抗匹配特性。
椭圆贴片(7)的长半轴R1对天线反射系数S11的影响，如图2所示，分别选取R1＝7mm、R1＝7.2mm、和R1＝7.4mm这三种情况对天线进行分析，从图2中可以看出，随着R1的增加，高频段谐振点向高频方向发生一定程度的偏移，谐振程度增加，频带展宽。从反射系数曲线的整体变化趋势上来看，R1的变化对天线高频段的阻抗带宽和中心频率影响较大，原因是扇形半径R1的增加导致馈源终端的纵向电尺寸长度变大，等效磁流面积也随之增加，从而展宽高频段谐振频带。当R1＝7.2mm时，高频段中心频率位于8GHz处，反射系数曲线在各个谐振点处的谐振程度增加，天线的性能达到最佳。
椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2对天线反射系数S11的影响，如图3所示，分别选取R2＝7.5mm、R2＝7.6mm、R2＝7.7mm和R2＝7.8mm这四种情况对天线进行分析，从图3中可以看出，随着R2的增加，低频段的谐振点向低频移动，高频段的谐振点向高频移动，低频段的谐振程度逐渐增大，而高频段的谐振程度变化较小，这说明调节R2的尺寸可以调节天线低频段的中心频率和带宽。当R2＝7.8mm时，高频段出现阻抗失配现象，对可用带宽产生了一定影响，原因是输出阻抗的变化与输入阻抗不够匹配。综合考虑，当R2＝7.6mm时，天线的带宽达到最大，此时的天线性能也较好。
矩形地板与介质基板两侧的连接导带之间的过渡圆弧半径R3对天线反射系数S11的影响，如图4所示，分别选取R3＝5.3mm、R3＝5.4mm和R3＝5.5mm这三种情况对天线进行分析，从图4中可以看出，随着R3的增加，低频段的谐振程度逐渐减小，高频段的谐振程度逐渐增大，中高频谐振点向低频方向发生偏移，使中高频段的阻抗带宽也随之增加。R3的变化对中高频段阻抗匹配影响较大，原因是在中高频段天线上的表面电流主要集中在馈源终端的下边缘处和地板上边缘处，R3的增加引起地板的横向尺寸增加，谐振电长度变长，引起中高频谐振点向低频方向偏移。当R3＝5.4mm时，天线在高频段的阻抗匹配良好，在低频段的性能也能够满足设计要求。
地板上端矩形凸起的宽度W5和长度L7对天线反射系数S11的影响，如图5所示，分别选取W5＝3.3mm、L7＝4.8mm、W5＝3.5mm、L7＝5mm和W5＝3.7mm、L7＝5.2mm这三种情况对天线进行分析，从图5中可以看出，随着W5、L7的增加，天线在低频段的谐振程度逐渐增加，低频段谐振点向低频方向偏移量较大，展宽了低频段的阻抗带宽，中高频段的谐振点偏移量较小，但谐振程度也有一定改善。原因是低频段天线表面电流主要集中在地板上端矩形凸起边缘处，因此，地板上端矩形凸起对天线在低频段的谐振贡献较大，随着地板上端矩形凸起尺寸的增加，对应于低频段的电尺寸长度增大，使低频段谐振点向低频方向偏移，从而改善了天线在低频段的阻抗匹配性能。综合考虑，当W5＝3.5mm、L7＝5mm时，天线的性能达到最佳。
通过以上对比分析得出，椭圆贴片(7)的长半轴R1＝7.2mm、椭圆贴片(8)和椭圆贴片(9)的长半轴R2＝7.6mm、过渡圆弧半径R3＝5.4mm、上端矩形凸起的宽度W5＝3.5mm和长度L7＝5mm时，天线的反射系数频带能够满足设计要求，天线的性能达到最佳。
使用矢量网络分析仪测试天线的反射系数，反射系数S11随频率的变化曲线与仿真结果对比如图6所示，反射系数S11小于-10dB的阻抗带宽在低频段为3.1GHz～6GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的WiMAX(3.3GHz～3.7GHz)、WLAN(5.15GHz～5.825GHz)频段，在高频段为7.1GHz～8.5GHz，阻抗带宽完全覆盖了超宽带系统规定的X(7.25GHz～8.4GHz)频段，频带内形成了多个谐振点，产生了双宽频响应，谐振点分别位于3.5GHz、5.6GHz、8GHz处，对应的谐振峰强度分别为-16.4dB、-44.8dB、-25.8dB，能够满足天线的工作需求。实测结果与仿真结果对比，谐振点在低频处基本保持一致，在中高频处向右发生一定偏移，频率偏移的原因为介质板相对介电常数存在误差，手工焊接馈电部分引入了损耗，以及测试环境对测量结果产生一定影响。
对天线在3.5GHz、5.6GHz、8GHz三个频率点处的E面和H面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测方向图如图7、图8、图9所示。从图中可以看出，天线辐射方向图在E面近似“8”字形，在H面低频范围方向图近似圆形，随着频率的升高方向图有轻微的形变，主要原因是天线缝隙中的不等相位分布电场和高次模的影响。因此，该天线在两个频段内是全向的，辐射特性较为稳定，天线的波瓣比较宽，体现出双宽频特性，同时具有较好的全向性，能够同时满足WiMAX、WLAN和X频段小型多频带无线通信系统的需求。
测试天线在频带内不同频率点的峰值增益曲线，如图10所示，在频带范围内选取几个采样点，测试结果表明，在3.1GHz～6GHz频带范围内，天线峰值增益的变化范围是3.8dBi～4.5dBi，在7.1GHz～8.5GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是4.8dBi～5.1dBi，变化范围比较合理，说明天线电性能良好，在工作频段内具有良好的增益性能。