一种基于复合左右手传输线双频小型化天线

1.本实用新型涉及天线领域，具体涉及一种基于复合左右手传输线双频小型化天线。


背景技术：

2.自上世纪60年代出现了多种多样的不同类型、不同功能、工作在不同频段的天线，丰富了天线的设计形式。由于传统的天线设计很难满足在多个频带例如无线网络(wifi)、无线局域网(wlan)和全球微波互联接入(wimax)等进行无线通信的需求，因此设计一款能够同时工作在多个频带的天线，并且具有较好的辐射特性，是实际工程中一个十分重要的部分和环节。
3.现有复合左右手天线存在问题：所设计的天线的相对带宽都不到20％，而且天线的增益不高，仅仅有不到2.5dbi。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种基于复合左右手传输线双频小型化天线解决了现有复合左右手天线存在相对带宽都不到20％，而且天线的增益不高的问题。
5.为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于复合左右手传输线双频小型化天线，包括：介质基板、正面金属层和背面金属层；
6.所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合；所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合；所述正面金属层包括：第一接地层、第二接地层、第三接地层、第一微带线、第二凹型微带线和第三蛇形微带线；所述第一接地层和第二接地层间不接触；所述第一微带线位于第一接地层和第二接地层之间；所述第二凹型微带线的一端与第一微带线的一端连接，其凹槽内部设置了第三蛇形微带线，并与第三蛇形微带线连接；所述第三接地层位于第二凹型微带线的另一端，不与第二凹型微带线的另一端接触；所述背面金属层包括：第四接地层和第五接地层；所述第四接地层与第五接地层连接；所述第三接地层上设置第一过孔，通过第一过孔与第四接地层连接；所述第五接地层设置第二过孔，通过第二过孔与第二接地层连接。
7.进一步地，所述介质基板为fr4绝缘板。
8.进一步地，所述介质基板的长为45mm，其宽为40mm。
9.进一步地，所述第一微带线分别距离第一接地层和第二接地层均为0.3mm。
10.进一步地，所述第二凹型微带线的整体长度为10mm，其整体宽度为12.6mm；
11.所述第三蛇形微带线中两个相邻微带线的距离为0.2mm。
12.进一步地，所述第三接地层的长度为3.2mm，其宽度为6.4mm。
13.进一步地，所述第四接地层的长度为3.2mm，其宽度为6.8mm。
14.进一步地，所述第五接地层的长度为14.4mm，其宽度为1.2mm。
15.本实用新型的有益效果为：本实用新型所设计的新型双频带共面波导馈电的小型化天线的相对工作带宽超过65％，天线采用贴片形式的微带结构，通过在单极子天线上面加载超材料结构和接地的矩形贴片，实现了天线在三个频点上谐振。天线测量的回波损耗小于
‑
10db的带宽范围从2.3ghz到4ghz达到了1.7ghz带宽，范围从5.4ghz到6ghz达到了0.6ghz带宽，完全覆盖了wifi、wimax两个频带。在2.4ghz、3.6ghz和5.7ghz三个频点处的测量的增益分别是1.7dbi、2.6dbi和3.1dbi，而且频带内最大增益达到了3.2dbi。
附图说明
16.图1为一种基于复合左右手传输线双频小型化天线的结构示意图；
17.图2为一种基于复合左右手传输线双频小型化天线的尺寸示意图；
18.图3为天线设计演变图；
19.图4为三款天线的仿真反射系数s11图；
20.图5为复合左右手单元结构的相位常数和频率之间的关系图；
21.图6为天线3仿真的反射系数结果图；
22.图7为天线的实物图；
23.图8为天线的测量和仿真反射系数s11图；
24.其中，1、介质基板；2、背面金属层；3、第一接地层；4、第二接地层；5、第一微带线；6、第三接地层；7、第二凹型微带线；8、第三蛇形微带线；9、第四接地层；10、第五接地层。
具体实施方式
25.下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
26.如图1所示，一种基于复合左右手传输线双频小型化天线，包括：介质基板1、正面金属层和背面金属层2；
27.所述正面金属层与介质基板1的一面紧密贴合；所述背面金属层2与介质基板1的另一面紧密贴合；所述正面金属层包括：第一接地层3、第二接地层4、第三接地层6、第一微带线5、第二凹型微带线7和第三蛇形微带线8；所述第一接地层3和第二接地层4间不接触；所述第一微带线5位于第一接地层3和第二接地层4之间；所述第二凹型微带线7的一端与第一微带线5的一端连接，其凹槽内部设置了第三蛇形微带线8，并与第三蛇形微带线8连接；所述第三接地层6位于第二凹型微带线7的另一端，不与第二凹型微带线7的另一端接触；所述背面金属层2包括：第四接地层9和第五接地层10；所述第四接地层9与第五接地层10连接；所述第三接地层6上设置第一过孔，通过第一过孔与第四接地层9连接；所述第五接地层10设置第二过孔，通过第二过孔与第二接地层4连接。
28.介质基板1为fr4绝缘板，相对介电常数4.4，介质损耗角正切0.02，厚度1mm。
29.天线的尺寸如图2所示。
30.表1天线的各个尺寸参数
31.参数单位(mm)参数单位(mm)参数单位(mm)
l45w24.2l43.2w40l20.2l514.4g00.3w36.4w51.2w112.6l33.2lf30l110w46.8wf2.5
32.该天线旨在设计覆盖在wifi/wimax两个频带内(2.4ghz
‑
2.484ghz、3.3ghz
‑
3.8ghz)的双频天线，采用共面波导贴片馈电，通过采用这样的馈电结构可以使得天线可以很容易地与微波电路集成连接，然后在天线上面加载复合左右手结构能够实现天线的小型化设计。设计步骤是首先设计一款单频段的单极子天线覆盖了3.7ghz
‑
4.2ghz频带，然后通过在天线结构上加载具有超材料结构性质的曲折线结构和接地微带贴片，产生了新的频段能够覆盖wimax(3.3ghz
‑
3.8ghz)，这样就覆盖了两个不同的辐射频带。
33.如图3所示，天线1的设计是一款共面波导馈电的单极子天线，天线2的设计是在天线1的基础上，在单极子天线顶端加载了一块金属贴片，而天线3(即本实用新型的设计的天线)的设计是在天线2的基础上，在单极子天线上开具有曲折线结构的槽，然后将顶端的金属贴片(即第三接地层6)通过金属化过孔(即第一过孔)接地，连接到共面波导的接地带(即第二接地层4)。由于结构的变化，三款天线分别工作在不同的频段，具有不同个数的谐振点。
34.图4显示的是经过hfss仿真软件得出的反射系数s11的结果图。可以看出对于单极子天线1的谐振频率只有4.1ghz这一个频点。通过在顶端加载了一块金属贴片之后，天线2出现了两个谐振频点，其中低频谐振点4.1ghz由单极子天线产生，高频谐振点5.2ghz由顶端金属贴片产生。天线3加载了曲折线型槽后，天线的原来的两个谐振点整体向下偏移，分别在2.5ghz和3.6ghz两个频点上产生了谐振，这样就覆盖了设计要求的wifi和wimax两个频带。同时，天线产生第三个高频谐振点5.6ghz，它覆盖的
‑
10db带宽是5.46ghz到5.9ghz。
35.在hfss仿真软件中建立复合左右手单元结构，复合左右手单元结构包括：第三接地层6、第二凹型微带线7、第三蛇形微带线8和第四接地层9；通过仿真验证此单元结构的相位常数β和频率之间的关系，如图5所示。由仿真结果可以发现，该结构的左手区域是2.3ghz～3.75ghz，右手区域是3.75ghz～5.2ghz，在频率为3.75ghz处该结构的相位常数β＝0，说明在该频率点下能量不能传输，可以得到在3.75ghz该结构是处于零阶谐振模式。而小于3.75ghz谐振频点的第一个谐振频点是天线的负一阶谐振频点，大于3.75ghz谐振频点的第一个谐振频点是天线的正一阶谐振频点。
36.通过图6可以看到，天线3的出现了四个谐振频点，2.6ghz、3.7ghz、4.6ghz和5.6ghz，分别对应的是复合左右手结构的负一阶、零阶、一阶和二阶谐振频率，其中n＝0零阶谐振对应的谐振点是在3.7ghz，与图5预期的相位常数β＝0在3.75ghz较为接近，此结果符合了理论推导。天线的s11<＝
‑
10db反射系数带宽是2.3ghz～4ghz、5.4ghz～6ghz，这些频段覆盖了wifi(2.4ghz
‑
2.484ghz)、wimax(3.3ghz
‑
3.8ghz)频段，说明该天线具有良好的通带特性，另外在4.6ghz处是天线工作在正一阶谐振点上，但是天线的反射系数在该点大于
‑
10db，匹配效果不好，所以这个谐振频点没有使用。
37.本实用新型设计的天线3，该复合左右手天线具有四个谐振点的天线，能够满足覆盖wifi(2.4ghz
‑
2.484ghz)、wimax(3.3ghz
‑
3.8ghz)两个频段的要求。
38.为了验证和分析天线的性能，对设计的复合左右手天线3进行加工和测试，实物如图7(a)和(b)所示分别表示天线的正面和背面结构图。天线的仿真和测量的回波损耗如图8所示。矢量网络分析仪器agilent e8363c测量天线，可以看到天线测量的回波损耗小于
‑
10db的带宽范围从2.3ghz～2.54ghz、2.8ghz～4.6ghz、5ghz～6ghz，带宽范围达到了3ghz带宽，完全覆盖了wifi(2.4ghz
‑
2.484ghz)、wimax(3.3ghz
‑
3.8ghz)两个频带，其中低频的两个谐振点的仿真和测量较为吻合，而高频谐振点出现了偏差，大约有600mhz的偏差，这是因为实际加工中间精度出现了问题，出现了微带线长度或者宽度上的尺寸偏差，同时在加入sma接头测量天线时也存在测量时的误差，因此高频段的测量通带范围也同时覆盖了wlan(5.15ghz
‑
5.825ghz)。实物测量的效果在2.4ghz、3.8ghz和5.1ghz的回波损耗小于
‑
20db，其中低频段的频带较窄。s11<
‑
10db的带宽在低频谐振点2.4ghz大约有300mhz，在3.8ghz和5.1ghz的
‑
10db带宽分别是1.8ghz和1ghz左右。