一种加载缝隙环的H形馈源终端双频平面缝隙天线的制作方法

本实用新型涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种加载缝隙环的H形馈源终端双频平面缝隙天线，适用于WiMAX、WLAN频段小型多频带无线通信系统。

背景技术：

随着现代无线通信系统朝着小型化、系统集成方向发展，有限的频谱资源已经成为限制其发展的主要矛盾，各个通信系统之间的干扰问题也日益凸显，需要设计一种天线覆盖多个频带，从而增加系统的兼容性，多频天线在此背景下产生。此类天线能够将多个天线的功能集成在一起，为不同频段的通信系统提供服务，从而减小天线的尺寸和数量，便于无线通信系统的小型化和集成化设计，因此，多频带天线具有非常广阔的应用前景。天线馈电终端与地板异面的天线剖面比较大，不适合通信设备小型化设计，因此，馈电终端与地板共面的天线是我们关注的重点。缝隙天线容易实现多频特性并且具有良好的隔离度，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矩形或圆形的缝隙，辐射与馈电结构与单极子天线类似，宽缝隙与共面波导馈电相组合，采用特殊几何结构的组合体能够获得较宽的阻抗带宽，加载谐振枝节或引入特殊结构还能够实现多频或陷波特性。合理的设计馈电单元可以获得较宽的阻抗带宽，在馈电终端上开槽可以改变天线表面电流分布，增加频带范围内的谐振点，在馈电终端周围增加四分之一工作波长的附加贴片可以产生反向的条件谐振关系，采用弯折型馈电终端可以扩展天线带宽并减小天线体积。在馈电终端或地板上引入谐振结构是实现多频特性的最直接方法，非专利文献1公开了一种具有不对称地面和加载桩的三频带双极化平面单极子天线，在馈电终端上开了两个倒L形槽，使馈电终端上形成三个不同的谐振枝节，从而实现多带特性。非专利文献2公开了一种终端开路的双矩形环平面印刷天线，由左右两侧对称的枝节组合而成，单个枝节可以激发出特定频率的电场，合理调节谐振枝节的长度并控制终端开路位置的大小可以产生特定的频率响应，产生多频带特性。上述天线虽然都拥有巧妙的设计并且结构都比较新颖，但这些天线的或者尺寸较大，或者各频带的带宽相对较窄。综上所述，共面波导缝隙天线具有尺寸小、剖面低、加工简单、易与载体共形、容易实现多频特性等优点，并且基于无线通信系统轻量化、集成化的发展需求，使共面波导缝隙天线具有极大的应用前景和广泛的社会需求。当前通信设备的一体化多功能对多频带天线的需求凸显，多频天线已经成为通信设备中最重要的部分，设计小型化、成本低的多频带天线已经成为当前研究的趋势和热点。

引用文献列表

非专利文献1：谭明涛，宽带与多带平面天线研究，北京交通大学博士学位论文，2016:76-85.

非专利文献2：李铂，多频带/超宽带平面印刷天线及连续切向节天线阵列研究，西安电子科技大学博士学位论文，2013:31-35.

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种加载缝隙环的H形馈源终端双频平面缝隙天线，具有双频带特性，辐射特性好、频带宽、尺寸小、增益稳定，便于集成或与载体共形，能同时满足3.5GHz WiMAX、5GHz WLAN频段对工作带宽的要求。

本实用新型的技术方案是：一种加载缝隙环的H形馈源终端双频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的加载缝隙环(2)、H形馈源终端(3)、矩形共面波导馈线(4)、矩形宽缝隙地板(5)和外接的同轴接头(6)构成，其特征在于：

a.所述的加载缝隙环(2)位于H形馈源终端(3)周围，与H形馈源终端(3)外边缘保持一定距离，沿H形馈电终端(3)四周进行弯折，加载缝隙环(2)通过H形馈源终端(3)耦合能量，能够调节低频段的频率响应，引入加载缝隙环(2)能够在有限的范围内得到一定的谐振尺寸，进一步减小天线的体积，合理调节加载缝隙环(2)的位置和尺寸能够产生特定的频率响应，实现天线的多频带特性；

b.所述的H形馈源终端(3)由左侧矩形、中间矩形、右侧矩形三个矩形贴片组合形成H形，中间矩形下端与共面波导馈线(4)相连接，中间矩形两侧分别连接左侧矩形和右侧矩形，调节H形馈源终端(3)的尺寸可以调节天线高频段的频率响应；

c.所述的矩形共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，矩形共面波导馈线(4)的上端与H形馈电终端(3)的中心下端相连接，矩形共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(6)，调节共面波导馈线(4)的宽度可以进一步调节天线的阻抗匹配，展宽天线的阻抗带宽；

d.所述的矩形宽缝隙地板(5)由矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带和上侧矩形凸起组成，矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带组合后形成矩形宽缝隙，调节矩形地板的尺寸可以调节天线低频段的阻抗匹配，在矩形宽缝隙地板(5)上方中间位置增加矩形凸起，可以改变天线表面电流路径从而增加谐振点，并且使各频带之间具有良好的隔离度；

e.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)分别与矩形共面波导馈线(4)和矩形宽缝隙地板(5)的两个下边缘相连接。

所述的加载缝隙环(2)位于H形馈源终端(3)周围，加载缝隙环(2)上侧与H形馈源终端(3)之间缝隙的宽度a为1mm～2mm，加载缝隙环(2)其余部分与H形馈源终端(3)之间缝隙的宽度b为0.5mm～0.7mm，缝隙环枝节7长L5为3.4mm～3.8mm，缝隙环枝节7宽W5为0.8mm～1.2mm，缝隙环枝节8长L4为0.8mm～1.2mm，缝隙环枝节8宽W4为4.9mm～5.5mm，缝隙环枝节9长L8为9.5mm～10.1mm，缝隙环枝节9宽W6为0.4mm～0.8mm，缝隙环枝节10长L11为0.8mm～1.2mm，缝隙环枝节10宽W10为2.9mm～3.3mm，缝隙环枝节11长L10为2.8mm～3.2mm，缝隙环枝节11宽W11为7.0mm～7.4mm，加载缝隙环(2)下端距介质基板下端的距离L2为11.5mm～11.9mm，加载缝隙环(2)内侧矩形共面波导馈线(4)边缘的距离W3为1mm～1.4mm。

所述的H形馈源终端(3)由左侧矩形、中间矩形、右侧矩形三个矩形贴片组合形成H形，左侧矩形长度L7为7.4mm～7.8mm，左侧矩形宽度W9为1.8mm～2.2mm，中间矩形长度L6为1.8mm～2.2mm，中间矩形宽度W8×2+W2为8mm～8.4mm，右侧矩形的尺寸与左侧矩形相同。

所述的矩形共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L1为15.8mm～16.4mm，宽度W2为2.4mm～2.8mm。

所述的矩形宽缝隙地板(5)由矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带和上侧矩形凸起组成，矩形地板的长L3为8.9mm～9.5mm，矩形地板的宽W1为12.7mm～13.1mm，左右延伸导带的长L9为17.2mm～17.6mm，左右延伸导带的宽W7为2.3mm～2.7mm，上侧矩形凸起的长L12为2.8mm～3.2mm，上侧矩形凸起的宽W12为13.5mm～14.5mm。

本实用新型的效果在于：本实用新型设计了结构新颖的H形馈源终端，调节H形馈源终端的尺寸可以改善天线高频段的频率响应。在H形馈源终端周围引入加载缝隙环，能够在有限的范围内得到一定的谐振尺寸，进一步减小天线的体积，并且能够耦合H形馈源终端的能量，调节低频段的频率响应，合理调节加载缝隙环的位置和尺寸能够产生特定的频率响应，实现天线的多频带特性。在矩形宽缝隙地板上方增加矩形凸起，可以改变天线表面电流路径从而增加谐振点，并且使各频带之间具有良好的隔离度。本实用新型设计尺寸为30mm×30mm，具有双频带特性，工作频段为3.11GHz～3.92GHz、4.81GHz～6.25GHz，天线结构简单，加工方便，各频段的辐射特性和增益特性良好，适用于WiMAX、WLAN频段小型多频带无线通信系统。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是缝隙环枝节7长L5对天线反射系数S11的影响。

图3是H形馈源终端左侧矩形长度L7对天线反射系数S11的影响。

图4是矩形宽缝隙地板上侧矩形凸起的长L12、宽W12对天线反射系数S11的影响。

图5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6是本实用新型实施例在频率为3.49GHz时的E面和H面辐射方向图。

图7是本实用新型实施例在频率为5.55GHz时的E面和H面辐射方向图。

图8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，一种加载缝隙环的H形馈源终端双频平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的加载缝隙环(2)、H形馈源终端(3)、矩形共面波导馈线(4)、矩形宽缝隙地板(5)和外接的同轴接头(6)构成，其特征在于：所述的加载缝隙环(2)位于H形馈源终端(3)周围，与H形馈源终端(3)外边缘保持一定距离，沿H形馈电终端(3)四周进行弯折，加载缝隙环(2)通过H形馈源终端(3)耦合能量，能够调节低频段的频率响应，引入加载缝隙环(2)能够在有限的范围内得到一定的谐振尺寸，进一步减小天线的体积，合理调节加载缝隙环(2)的位置和尺寸能够产生特定的频率响应，实现天线的多频带特性；所述的H形馈源终端(3)由左侧矩形、中间矩形、右侧矩形三个矩形贴片组合形成H形，中间矩形下端与共面波导馈线(4)相连接，中间矩形两侧分别连接左侧矩形和右侧矩形，调节H形馈源终端(3)的尺寸可以调节天线高频段的频率响应；所述的矩形共面波导馈线(4)为一段特性阻抗为50Ω的矩形导带，矩形共面波导馈线(4)的上端与H形馈电终端(3)的中心下端相连接，矩形共面波导馈线(4)的下端外接同轴接头(6)，调节共面波导馈线(4)的宽度可以进一步调节天线的阻抗匹配，展宽天线的阻抗带宽；所述的矩形宽缝隙地板(5)由矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带和上侧矩形凸起组成，矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带组合后形成矩形宽缝隙，调节矩形地板的尺寸可以调节天线低频段的阻抗匹配，在矩形宽缝隙地板(5)上方中间位置增加矩形凸起，可以改变天线表面电流路径从而增加谐振点，并且使各频带之间具有良好的隔离度；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)分别与矩形共面波导馈线(4)和矩形宽缝隙地板(5)的两个下边缘相连接。

所述的加载缝隙环(2)位于H形馈源终端(3)周围，加载缝隙环(2)上侧与H形馈源终端(3)之间缝隙的宽度a为1mm～2mm，加载缝隙环(2)其余部分与H形馈源终端(3)之间缝隙的宽度b为0.5mm～0.7mm，缝隙环枝节7长L5为3.4mm～3.8mm，缝隙环枝节7宽W5为0.8mm～1.2mm，缝隙环枝节8长L4为0.8mm～1.2mm，缝隙环枝节8宽W4为4.9mm～5.5mm，缝隙环枝节9长L8为9.5mm～10.1mm，缝隙环枝节9宽W6为0.4mm～0.8mm，缝隙环枝节10长L11为0.8mm～1.2mm，缝隙环枝节10宽W10为2.9mm～3.3mm，缝隙环枝节11长L10为2.8mm～3.2mm，缝隙环枝节11宽W11为7.0mm～7.4mm，加载缝隙环(2)下端距介质基板下端的距离L2为11.5mm～11.9mm，加载缝隙环(2)内侧矩形共面波导馈线(4)边缘的距离W3为1mm～1.4mm。

所述的H形馈源终端(3)由左侧矩形、中间矩形、右侧矩形三个矩形贴片组合形成H形，左侧矩形长度L7为7.4mm～7.8mm，左侧矩形宽度W9为1.8mm～2.2mm，中间矩形长度L6为1.8mm～2.2mm，中间矩形宽度W8×2+W2为8mm～8.4mm，右侧矩形的尺寸与左侧矩形相同。

所述的矩形共面波导馈线(4)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L1为15.8mm～16.4mm，宽度W2为2.4mm～2.8mm。

所述的矩形宽缝隙地板(5)由矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带和上侧矩形凸起组成，矩形地板的长L3为8.9mm～9.5mm，矩形地板的宽W1为12.7mm～13.1mm，左右延伸导带的长L9为17.2mm～17.6mm，左右延伸导带的宽W7为2.3mm～2.7mm，上侧矩形凸起的长L12为2.8mm～3.2mm，上侧矩形凸起的宽W12为13.5mm～14.5mm。

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＝30mm、宽W＝30mm。加载缝隙环(2)通过H形馈源终端(3)耦合能量，能够调节低频段的频率响应，引入加载缝隙环(2)能够在有限的范围内得到一定的谐振尺寸，进一步减小天线的体积，合理调节加载缝隙环(2)的位置和尺寸能够产生特定的频率响应，实现天线的多频带特性，加载缝隙环(2)上侧与H形馈源终端(3)之间缝隙的宽度a为0.9mm，加载缝隙环(2)其余部分与H形馈源终端(3)之间缝隙的宽度b为0.6mm，缝隙环枝节7长L5为3.6mm，缝隙环枝节7宽W5为1mm，缝隙环枝节8长L4为1mm，缝隙环枝节8宽W4为5.2mm，缝隙环枝节9长L8为9.8mm，缝隙环枝节9宽W6为0.6mm，缝隙环枝节10长L11为1mm，缝隙环枝节10宽W10为3.1mm，缝隙环枝节11长L10为3mm，缝隙环枝节11宽W11为7.2mm，加载缝隙环(2)下端距介质基板下端的距离L2为11.7mm，加载缝隙环(2)内侧矩形共面波导馈线(4)边缘的距离W3为1.2mm。H形馈源终端(3)由左侧矩形、中间矩形、右侧矩形三个矩形贴片组合形成H形，调节H形馈源终端(3)的尺寸可以调节天线高频段的频率响应，左侧矩形长度L7为7.6mm，左侧矩形宽度W9为2mm，中间矩形长度L6为2mm，中间矩形宽度W8×2+W2为8.2mm，右侧矩形的尺寸与左侧矩形相同。矩形共面波导馈线(4)长度L1为16.1mm，宽度W2为2.6mm。矩形宽缝隙地板(5)由矩形地板、左右延伸导带、上侧闭合导带和上侧矩形凸起组成，调节矩形地板的尺寸可以调节天线低频段的阻抗匹配，在矩形宽缝隙地板(5)上方中间位置增加矩形凸起，可以改变天线表面电流路径从而增加谐振点，并且使各频带之间具有良好的隔离度，矩形地板的长L3为9.2mm，矩形地板的宽W1为12.9mm，左右延伸导带的长L9为17.4mm，左右延伸导带的宽W7为2.5mm，上侧矩形凸起的长L12为3mm，上侧矩形凸起的宽W12为14mm。矩形宽缝隙地板(5)与矩形共面波导馈线(4)之间的缝隙g为0.3mm。

利用HFSS软件对天线模型进行分析，对主要参数缝隙环枝节7长L5、H形馈源终端左侧矩形长度L7、宽缝隙地板上侧矩形凸起的长L12、宽W12进行分析，通过调节这四个参数来调节各频段阻抗带宽，改善阻抗匹配特性。

缝隙环枝节7长L5对天线反射系数S11的影响，如图2所示，分别选取L5＝3.4mm、L5＝3.6mm和L5＝3.8mm这三种情况对天线进行分析，从图2中可以看出，调节L5的尺寸，引起加载缝隙环整体尺寸发生变化，使低频段产生频率响应，随着L5的增加可以使低频段谐振点向低频方向发生偏移，谐振程度加深，对高频段谐振程度和带宽影响较小，原因是引入加载缝隙环能够耦合H形馈源终端的能量，在3.5GHz时，表面电流在加载缝隙环与H形馈源终端之间耦合强烈，加载缝隙环上表面电流较大，在低频段产生了较好的频率响应。当L5＝3.6mm时，可以使天线在3.5GHz产生良好的阻抗特性，天线的谐振点和工作带宽最佳，在低频段的带宽满足工作需求。

H形馈源终端左侧矩形长度L7对天线反射系数S11的影响，如图3所示，分别选取L7＝7.4mm、L7＝7.6mm和L7＝7.8mm这三种情况对天线进行分析，从图3中可以看出，随着L7的增加，高频段谐振点向高频方向偏移，谐振程度减小，带宽也有所减小，对低频段谐振程度和带宽影响较小，原因是在5.5GHz时，H形馈源终端表面电流强度较大，H形馈源终端对应于高频段的电尺寸长度增大，对天线高频段匹配频带带宽和谐振程度影响较大，因此，调节H形馈源终端的尺寸可以激励出5.5GHz的高端频带。当L7＝7.6mm时，可以使天线在5.5GHz产生良好的阻抗特性，使天线在高频段的性能和带宽满足设计要求。

宽缝隙地板上侧矩形凸起的长L12、宽W12对天线反射系数S11的影响，如图4所示，分别选取L12＝2.8mm、W12＝13.5mm、L12＝3mm、W12＝14mm和L12＝3.2mm、W12＝14.5mm这三种情况对天线进行分析，从图4中可以看出，随着L12、W12的增加，低频段谐振点向低频方向偏移，谐振程度有所减小，高频段谐振点向高频段方向偏移，谐振程度先增加后减小，两个工作频段的隔离度有所增加，原因是宽缝隙地板上侧增加矩形凸起后，改变了天线的表面电流路径，在低频段天线表面电流主要集中在矩形凸起下边缘和加载缝隙环上边缘，矩形凸起尺寸的增加使对应于低频段的横向电尺寸增加，从而改善了天线在低频段的阻抗带宽和谐振频率，在高频段天线的表面电流主要集中在矩形凸起下边缘和H形馈源终端附近，所以矩形凸起的尺寸变化对高频段的谐振频率也产生了一定影响。当选择L12＝3mm、W12＝14mm时，可以均衡天线在3.5GHz和5.5GHz的低高端的频率响应，并增加了两个频段之间的隔离度，使各频段的工作带宽满足设计要求。

通过以上对比分析得出，当缝隙环枝节7长L5＝3.6mm、H形馈源终端左侧矩形长度L7＝7.6mm和地板上侧矩形凸起的长L12＝3mm、宽W12＝14mm时，天线具有良好的反射系数频带。

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5所示，反射系数S11小于-10dB的阻抗带宽仿真结果在低频段为3.11GHz～3.91GHz，在高频段为4.79GHz～6.22GHz，实测结果在低频段为3.11GHz～3.92GHz，阻抗带宽覆盖WiMAX(3.3GHz～3.7GHz)频段，在高频段为4.81GHz～6.25GHz，阻抗带宽覆盖WLAN(5.15GHz～5.825GHz)频段，产生了双频带特性，仿真的谐振点分别位于3.50GHz、5.51GHz处，对应的谐振峰强度分别为-40.8dB、-44.2dB，实测的谐振点分别位于3.49GHz、5.55GHz处，对应的谐振峰强度分别为-43.2dB、-47.5dB，能够满足天线的工作需求。实测结果与仿真结果一致性较好，实测与仿真曲线在低频处基本吻合，在高频处存在一定偏移，造成偏移的主要原因为手工焊接同轴接头引入了误差，以及测试环境对测量结果产生一定影响。

对天线在3.49GHz、5.55GHz两个频率点处的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6、图7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面近似全向，高频段方向图存在轻微偏移，主要原因是频率的增加和加载缝隙环的存在，使矩形共面波导馈线的阻抗与天线的阻抗出现了不完全匹配，导致了辐射方向图发生了轻微偏移。说明天线在两个频段内具有较好的全向性，辐射特性稳定，能够同时满足WiMAX、WLAN频段对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8所示，在频带范围内随机选取几个频率点，能够看出，在3.11GHz～3.92GHz频带范围内，天线的峰值增益变化范围是3.3dBi～4.2dBi，在4.81GHz～6.25GHz频带范围内，峰值增益的变化范围是4.5dBi～5.3dBi，天线在工作频段内增益稳定，峰值增益随频率的增加呈上升趋势，主要原因是随频率的增加天线对应的电尺寸也增大，使天线的增益也随之增加，说明天线在两个频段内的增益性能良好。