一种高隔离度高增益双单元微带天线及其制作方法与流程

本发明属于微带天线领域，涉及一种高隔离度高增益双单元微带天线及其制作方法。

背景技术：

在无线通信系统中，天线是通信系统中最为关键的部件，它决定了无线通信的质量，因此，研制出高性能的天线是学术界和工程界广泛关注的问题，针对于不同的应用场景，天线的选择也不同。2.45ghzism频段的通信主要开放给工业，科学和医学机构使用，应用无需许可证或费用，因此无线局域网(ieee802.11b/ieee802.11g)，蓝牙，zigbee等无线网络均可工作在2.45ghz。

微带天线由于其具有重量轻，体积小，剖面低，易加工制作，设计成本低等优势，在上述实际工程应用中被广泛地应用。但微带天线也有非常明显的缺点，即有效辐射面积较小导致的辐射增益较低，以及方向性较差，这些缺点使得微带天线的设计及应用受到了很大的限制，对于微带天线而言，提升增益的办法一般有两种，一是利用单元组阵的方式，但是，这种方法却面临阵元之间由于互相耦合的影响导致通信干扰较大的问题；另一种方法是改变天线辐射口径面积，但是该方法设计难度较大。

为了提升2.4ghzism频段的天线的通信质量，就需要对上述提出的问题做出妥善的解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中微带天线增益较低以及单元组阵微带天线的隔离度较差的缺点，提供一种高隔离度高增益双单元微带天线及其制作方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种高隔离度高增益双单元微带天线，包括第一介质基板、第二介质基板、威尔金森功分器以及sma同轴接头；

第一介质基板与第二介质基板连接且第一介质基板位于第二介质基板上方，第一介质基板与第二介质基板之间设置空气腔；第一介质基板上表面设置开口谐振环阵列，第二介质基板上表面设置二单元矩形贴片天线，下表面设置金属接地板，威尔金森功分器一端连接二单元矩形贴片天线，另一端与sma同轴接头连接；sma同轴接头与金属接地板连接。

本发明高隔离度高增益双单元微带天线进一步的改进在于：

所述第一介质基板与第二介质基板通过若干塑料螺丝连接。

所述空气腔的高度为0.5～0.6倍的谐振频率的空气波长。

所述开口谐振环阵列包括若干周期排列的开口谐振环，开口谐振环为正方形开口谐振环。

所述第一介质基板和第二介质基板均为环氧树脂基板，开口谐振环阵列材质为铜，所述金属接地板材质为铜。

所述第一介质基板位于第二介质基板正上方。

所述威尔金森功分器的两个信号馈入线分别与二单元矩形贴片天线的两个矩形贴片天线中心位置相连。

还包括电阻，电阻两端分别与威尔金森功分器的两个分支连接。

本发明另一方面，一种高隔离度高增益双单元微带天线制作方法包括以下步骤：

s1：在第一介质基板上表面上刻蚀若干个开口谐振环，若干个开口谐振环周期排列；

s2：在第二介质基板上表面上刻蚀威尔金森功分器和二单元矩形贴片天线，下表面上整体覆铜形成金属接地板；二单元矩形贴片天线的两个矩形贴片天线的中心位置分别与威尔金森功分器的两个信号馈入线相连；

s3：以威尔金森功分器的信号馈入段为馈点，在馈点处安装sma同轴接头，sma同轴接头另一端与金属接地板连接；

s4：将第一介质基板通过塑料螺丝固定在第二介质基板上方，且在第一介质基板和第二介质基板之间预留空气腔。

本发明高隔离度高增益双单元微带天线制作方法进一步的改进在于：

所述s2还包括：

在威尔金森功分器的两个分支之间焊接一个电阻，电阻两端分别与威尔金森功分器的两个分支连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明高隔离度高增益双单元微带天线，通过威尔金森功分器连接二单元矩形贴片天线与sma同轴接头，通过威尔金森功分器来隔离二单元天线之间的相互耦合干扰，相比于传统的一分二t型功分器而言，可以较大地提升二单元之间的隔离度，隔离度相比于t型功分器提高了16db以上，以此来减小两个单元之间的相互干扰。同时，在第一介质基板上表面设置开口谐振环阵列，通过开口谐振环阵列形成负磁导率材料，当电磁波平行入射开口谐振环时，波矢的磁场方向会与环垂直，由于此时开口谐振环发生磁谐振从而呈现负磁导率，就会抑制磁场线通过，从而抑制电磁波向电场方向两侧辐射，减小远场辐射的半功率波束宽度，提升前向辐射的增益，且制作成本较低，容易大规模生产制造。

进一步的，第一介质基板与第二介质基板通过若干塑料螺丝连接，以此来减少对于天线辐射的干扰。

进一步的，空气腔的高度为0.6倍的谐振频率的空气波长，耦合现象最强。

进一步的，第一介质基板上表面放置若干开口谐振环，若干开口谐振环周期排列，开口谐振环采用正方形开口谐振环，对称的正方形结构容易激发谐振效应，可以使得第一介质基板在2.45ghz左右实现负磁导率现象，抑制侧向辐射效应，从而提高辐射方向性，减小半功率波束宽度，提高辐射增益。

进一步的，第一介质基板位于第二介质基板正上方，使得二单元矩形贴片天线的前向辐射增强，提高辐射方向性。

进一步的，威尔金森功分器的两个信号馈入线分别与二单元矩形贴片天线的两个矩形贴片天线中心位置相连，容易实现单元天线与50欧姆行业标准馈电系统相匹配。

进一步的，还包括电阻，电阻两端分别与威尔金森功分器的两个分支连接，通过电阻减少一分二功分器的奇偶次模，从而减小两个单元之间的相互干扰。

本发明高隔离度高增益双单元微带天线制作方法，通过在第一介质基板上表面上刻蚀若干个开口谐振环，形成开口谐振环阵列作为负磁导率材料，抑制电磁波向电场方向两侧辐射，减小远场辐射的半功率波束宽度，提升前向辐射的增益；进而在第二介质基板上表面上刻蚀威尔金森功分器和二单元矩形贴片天线，下表面上整体覆铜形成金属接地板；二单元矩形贴片天线的两个矩形贴片天线的中心位置分别与威尔金森功分器的两个信号馈入线相连，通过威尔金森功分器来隔离二单元天线之间的相互耦合干扰，将第一介质基板通过塑料螺丝固定在第二介质基板上方，且在第一介质基板和第二介质基板之间预留空气腔，得到高隔离度高增益双单元微带天线，开口谐振环阵列、威尔金森功分器和二单元矩形贴片天线都是通过电路板刻蚀技术加工制作，制作简单，成本低廉，容易大规模生产制造。

附图说明

图1为本发明的双单元微带天线(array)结构示意图；

图2为本发明的负磁导率材料(npm)俯视图；

图3为本发明的二单元矩形贴片天线的俯视图；

图4为本发明的威尔金森功分器(wilkinson-powerdivider)结构的俯视图；

图5为本发明的威尔金森功分器与传统t型功分器(t-powerdivider)的隔离度对比示意图；

图6为本发明的加npm与不加npm二单元天线阵的h面增益对比示意图；

图7为本发明的加npm与不加npm二单元天线阵的h面半功率波束宽度(hpbw，half-powerbeam-width)对比示意图；

图8为本发明的加npm与不加npm二单元天线阵(array)的e面半功率波束宽度(hpbw)对比示意图；

图9为本发明的加npm与不加npm二单元天线阵(array)的回波损耗对比示意图；

图10为本发明的加npm与不加npm二单元天线阵(array)的e面辐射方向图对比示意图；

图11为本发明的加npm与不加npm二单元天线阵(array)的h面辐射方向图对比示意图。

其中：1-开口谐振环；2-第一介质基板；3-塑料螺丝；4-空气腔；5-第二介质基板；6-二单元矩形贴片天线；7-威尔金森功分器；8-电阻；9-sma同轴接头；10-金属接地板；11-第一馈线；12-第二馈线；13-第三馈线；14-第四馈线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明高隔离度高增益双单元微带天线，采用电路板刻蚀技术制作，包括第一介质基板2、第二介质基板5，二单元矩形贴片天线6、威尔金森功分器7以及sma同轴接头9；二单元矩形贴片天线6选用2.45ghz二单元矩形微带天线阵。第一介质基板2与第二介质基板5之间设置空气腔4，空气腔的高度为73～78mm。其中，当空气腔高度为0.6倍的谐振频率的空气波长，即74mm时，耦合现象最强。第一介质基板2和第二介质基板5可以采用环氧树脂(fr4)基板，该基板价格较低，适合大规模生产，完全满足2.45ghzism频段的要求。第一介质基板2和位于第二介质基板5正上方，使得二单元天线阵的前向辐射增强，提高辐射方向性。第一介质基板2和第二介质基板5用塑料螺丝3固定，这样可以减少对于天线辐射的干扰，二单元矩形贴片天线6通过威尔金森功分器7相互连接。

第一介质基板2上侧一面刻蚀周期排列的金属开口谐振环1，形成开口谐振环阵列，将其置于天线的上侧作为天线的覆层。刻蚀的所有开口谐振环1的外环开口均朝电场方向且以间距w＝15mm周期排列，制成一个5×9的开口谐振环阵列。其几何参数为：开口谐振环1内直径为d1＝9～12mm，外直径为d2＝11～15mm，开口为g＝1～4mm,线宽为0.5～1.5mm，以上所用金属厚度t＝0.017mm，制作的开口谐振环阵列的金属为金属铜。开口谐振环1采用正方形开口谐振环，对称的正方形结构容易激发谐振效应，可以使得第一介质基板2在2.45ghz左右实现负磁导率现象，抑制侧向辐射效应，从而提高辐射方向性，减小半功率波束宽度，提高辐射增益。

第二介质基板5上表面设置二单元矩形贴片天线6以及威尔金森功分器7，威尔金森功分器7的两个信号馈入线分别与二单元矩形贴片天线6的两个矩形贴片天线中心位置相连，下表面金属接地板10；sma同轴接头9一端通过微带线与威尔金森功分器7连接，另一端与金属接地板10连接，金属接地板10采用铜材质制作。

本发明还公开了一种高隔离度高增益双单元微带天线制作方法，包括以下步骤：

s1:在第一介质基板2上表面刻蚀若干个开口谐振环1，若干个开口谐振环1周期排列。

s2:在第二介质基板5上表面刻蚀威尔金森功分器7和二单元微带天线阵6，这两者可以一体化进行刻蚀，然后根据威尔金森功分器原理，在威尔金森功分器7两分支之间焊接一个100欧姆的电阻8，来减少一分二功分器的奇偶次模，从而减小两个单元之间的相互干扰，第二介质基板5的下表面为整体覆铜，形成金属接地板10；威尔金森功分器7的两个信号馈入线分别与二单元矩形贴片天线6的两个矩形贴片天线中心位置相连，容易实现单元天线与50欧姆行业标准馈电系统相匹配。

s3:在威尔金森功分器7的信号馈入段，即第一馈线11作为馈电点，在馈点处安装sma同轴接头9，sma同轴接头9另一端与金属接地板10连接。

s4:将第一介质基板2通过塑料螺丝固定在第二介质基板5上方，且在第一介质基板2和第二介质基板5之间预留空气腔3。

下面详细说明本发明的原理：

本发明中所使用的负磁导率材料(negativepermeabilitymedium，npm)覆层属于超材料的概念范畴，超材料是采用一种人工微结构周期排列的方式改变电磁波的辐射特性，可以表现出不同于自然界的材料的电磁特性，像滤波特性，负折射率等。当将其应用于微波射频天线时，可通过精心设计来提升天线的性能，如提高天线的增益，减小阵元之间的耦合，提高方向性系数，减小半功率波束宽度等。可以说，各种形式的超材料的出现使得当前微带天线技术上的局限性提供了切实可行的解决方案。自然界中大多数材料的的介电常数和磁导率都是正值，当电磁波穿过这种介质材料时，电场方向、磁场方向及电磁波传播方向之间符合右手螺旋法则。但是当穿过介电常数和磁导率同时为负的超材料时，则符合左手螺旋法则，本发明中的负磁导率材料是第一介质基板1上加载由开口谐振环1组成的开口谐振环阵列组成，当谐振频率的电磁波穿过本发明中所设计的开口谐振环1时会发生磁谐振，呈现负的磁导率，具体分析如下：当电磁波垂直入射开口谐振环1时，波矢的磁场方向与环平行，电磁波不被阻碍并自由通过开口谐振环1。当电磁波平行入射开口谐振环1时，波矢的磁场方向会与环垂直，由于此时开口谐振环1发生磁谐振从而呈现负磁导率，就会抑制磁场线通过，从而抑制电磁波向电场方向两侧辐射，减小远场辐射的半功率波束宽度，提升前向辐射的增益。而对于第二介质基板5上的二单元微带天线阵6，我们将其设计为威尔金森功分器7进行一分二的功率分配。相比于传统的t功分器，由于威尔金森功分器7在功分线之间加入了隔离电阻，减小了两个单元天线之间的干扰，提高了通信的质量。

本发明天线的工作频率为2.45ghz，回波损耗为-31db，相比于单个的普通的矩形微带天线，增益提升了4.6db，相比于普通不加负磁导率材料的二单元微带天线6增益也提高高1.6db，而且其两个单元之间的隔离度|s_23|也比t型功分的二单元微带天线6高16db。第一介质基板2与第二介质基板5采用介电常数为4.4，介质损耗正切为0.02的环氧树脂(fr4)介质基板，都是通过电路板刻蚀技术加工制作，制作简单，成本低廉。

实施例

首先说明本实施例中的参数信息：

第一介质基板2和第二介质基板5的长度均为ls＝135.8mm，宽度均为ws＝79mm；开口谐振环1的内边长，线宽，开口及晶格常数(谐振环距离)分别为a＝11mm、w＝1mm、g＝1mm、d＝15mm；金属接地板10厚度为35um。第一介质基板2和第二介质基板5均为1.6mm厚度的环氧树脂(fr4)基板，介电常数为4.4，介质损耗正切为tanδ＝0.02；第一介质基板2与二单元矩形贴片天线6之间的距离为74mm，形成一个空气腔3；二单元矩形贴片天线6的宽度均为wp＝34.8mm，宽度lp＝28.1mm。威尔金森功分器7的设计较为复杂，一共分为4段不同宽度的馈线组成，中间还加了一个集中元件的电阻8，电阻值为100欧姆。威尔金森功分器7左右对称，具体如如图4所示，所有的馈线尺寸如下：两个馈入点之间的距离为dy＝61mm，第一馈线11的长和宽分别为7mm和3mm；第二馈线12的长和宽分别为17.5mm和1.57mm；第三馈线13的长和宽分别为18mm和3mm；第四馈线14的长和宽分别为19mm和1mm。

通过实际的测试，得到威尔金森功分器7的回波损耗、插入损耗、隔离度，以及加载天线之后的回波损耗情况、天线辐射方向图情况。

参见图5，威尔金森功分器7的隔离度参数图，可以发现本发明中所设计的威尔金森功分器7在工作频率2.45ghz工作频率下，其隔离度性能参数要优于t型功分器，尤其是隔离度|s_23|要比t型功分器高16db，这可以极大的减小两个阵元之间的干扰。

参见图6，天线的辐射增益图，可以看出在工作频率2.45ghz，本发明的微带阵列天线的增益达到7.6db，相比于不加负磁导率材料覆层的要高1.6db。

参见图7和图8，分别显示了在e面和h面上的归一化增益图，从图中可以看出，在e面图上加了负磁导率材料覆层的微带阵列天线的半功率波束宽度为53.7°，比不加覆层的微带阵列天线要小28.5°。在h面上看，加了负磁导率材料覆层的微带阵列天线半功率波束宽度为39.3°，相比于不加覆层的微带阵列天线要小10.4°。

图9为微带阵列天线的回波损耗图，从图中可以看出，加入负磁导率材料覆层之后并不会对天线的谐振频率产生干扰，回波损耗可以达到-31db，说明阻抗匹配良好。

参见图10和图11，分别显示在极坐标形式下加了负磁导率材料覆层和不加负磁导率覆层的微带阵列天线的e面和h面的辐射方向图的对比，从这两幅图可以看出加入负磁导率材料覆层的阵列天线增益更高，方向性更好。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。