小型化差分微带天线

摘要

本发明涉及无线通信系统中射频前端的紧凑、全集成设计，具体为一种小型化差分微带天线。解决了目前微带天线带宽较窄、射频前端全集成难度较大的技术问题。一种小型化差分微带天线，包括从上到下依次层叠的矩形辐射贴片、第二基板以及接地板；矩形辐射贴片上开有两个馈电孔，所述两个馈电孔位于矩形辐射贴片的一条中心线上且两个馈电孔关于矩形辐射贴片的中心点对称；矩形辐射贴片上还开有关于馈电孔所在中心线对称的一对U形缝隙组。本发明通过调节覆层超材料与微带天线之间的距离改善天线的阻抗带宽，同时改善了天线的辐射性能，进而提高了射频前端的集成度和小型化程度。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统中射频前端的紧凑、全集成设计，具体为一种小型化差分微带天线。

背景技术

无线通信技术的飞速发展，促进了紧凑、全集成射频前端产品成为无线通信系统的设计主流。由于平衡电路可以大大减小串扰，射频前端通常采用差分技术。目前，除天线外，大多数射频前端能够集成到收发器芯片，大大减少了分立元件的数目，降低了无线设备的成本。天线作为射频前端的关键部件之一，大多数天线设计为单端口器件，为了解决单端口天线与射频前端的集成，通常采用巴仑(平衡不平衡转换器)把差分信号转换为单端信号后馈入单端口天线。但是，巴仑的使用会引起射频前端损耗，降低系统效率，也不是全集成的解决方案。差分天线改变了传统的单端口设计方法，设计为双端口天线，直接把差分信号馈入到天线的两个端口，为设计高集成的射频前端提供了行之有效的解决方案。

微带天线是在背面带有导体接地板的介质基板上贴加导体薄片形成的，导体薄片通常是具有规则形状的面元（如矩形、圆形、三角形等），其馈电方式分为微带线馈电、同轴馈电、共面波导馈电、接近耦合馈电以及孔径耦合馈电五类。微带天线在外加电压的激励下，贴片和接地板间激励起射频电磁场，并且通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。与普通天线相比，微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面低、成本低、易批量生产、易与微带线路集成等优点，得到越来越广泛的应用，包括雷达技术、空间科学、生物医学领域及各种无线通信系统。

差分微带天线和单端口微带天线一样，阻抗带宽较窄，通常只有0.6%～3%，尤其是小型化差分微带天线的带宽性能更低，远远不能满足无线通信的需求。现有的单端口微带天线的带宽展宽方法主要有以下几种：附加寄生贴片、附加阻抗匹配网络、加载集总元件、加载缝隙以及采用电磁带隙结构（或光子带隙结构）等方法。由于差分微带天线结构的对称性，单端口微带天线的许多带宽展宽方法，对差分微带天线效果并不十分显著。

发明内容

本发明为解决目前微带天线带宽较窄、射频前端全集成难度较大的技术问题，提供一种小型化差分微带天线。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种小型化差分微带天线，包括从上到下依次层叠的矩形辐射贴片、第二基板以及接地板；矩形辐射贴片上开有两个馈电孔，所述两个馈电孔位于矩形辐射贴片的一条中心线上且两个馈电孔关于矩形辐射贴片的中心点对称；矩形辐射贴片上还开有关于馈电孔所在中心线对称的一对U形缝隙组；所述U形缝隙组包括一个开口正对馈电孔连线的外U形缝隙以及位于外U形缝隙开口内且开口同样正对馈电孔连线的内U形缝隙。 

本发明所述的小型化差分微带天线采用同轴馈电，馈电孔处于馈电点。矩形辐射贴片加载U形缝隙实现了天线的小型化。通常，矩形贴片天线的尺寸约为1/2导波波长，本发明中矩形辐射贴片尺寸的选择使其工作在高于所需要的频率。矩形辐射贴片开有四个U形缝隙，改变了贴片上的电流路径，激励起贴片天线的一个较低谐振频率，通过电磁仿真软件CST优化U形缝隙的尺寸，使得贴片天线工作在所需的频率。因此，小型化差分微带天线的工作频率由四个U形缝隙的尺寸以及贴片的尺寸决定。理论上讲，只要在辐射贴片上开有缝隙即可降低天线的频率，本领域技术人员通过电磁仿真软件CST，通过有限次的仿真试验可容易地确定出所需工作频率下的缝隙尺寸；本发明选用U形缝隙并使四个U形缝隙关于中心点对称，可更容易地通过选择缝隙尺寸和贴片尺寸来获得所需的频率。如图2所示。

进一步的，还包括位于矩形辐射贴片的上方且从上到下依次层叠的开口谐振环阵列、第一基板以及金属线阵列；所述金属线阵列位于矩形辐射贴片的上方；开口谐振环阵列包括十六个开口谐振环，金属线阵列为四条相互平行的金属线且相邻金属线之间的间距相同；每条金属线都与馈电孔所在中心线相垂直；所述开口谐振环阵列和金属线阵列分别刻蚀在第一基板的上表面和下表面；十六个开口谐振环分成四列，每列四个布置；每个开口谐振环均包括一个外环以及位于外环内的一个内环，所述外环和内环均设有一个开口且两个开口相背设置；所述每条金属线均对应一列开口谐振环；所述每列四个开口谐振环的内外环的开口中心连线均与和其对应的金属线位于同一竖直平面上。

开口谐振环阵列、第一基板以及金属线阵列形成超材料。超材料（metamaterials，MMs）是一种新型的人工合成材料，其宏观电磁特性主要由介电常数和磁导率决定，与自然界的普通介质不同，超材料的介电常数和磁导率都是色散的，从而表现出自然界常规介质所不具备的奇异特性，如负折射、反常多普勒效应、完美透镜等物理现象，在工程应用上展示出许多普通介质难以具有的良好性能。与常规介质不同的是，超材料的奇特性质和功能主要取决于其内部人工构造的微结构单元，与材料成分无关，当微结构单元（开口谐振环和金属线）的尺寸远小于电磁波的波长时，超材料可以等效为一种均匀的人工介质。超材料的研究成为电磁学界一个引人注目的前沿领域，在移动通信、雷达、微电子、医学等领域展示出广泛的应用前景。

开口谐振环阵列由周期排列的4×4个开口谐振环组成，十六个开口谐振环分成四列，每列四个设置；开口谐振环刻蚀在第一基板的上表面；金属线阵列刻蚀在第一基板的下表面。超材料的色散介电常数和磁导率性能区域由开口谐振环以及金属线的尺寸决定，开口谐振环的尺寸与工作频率的关系对于本领域技术人员是公知的。所述开口谐振环可以有多种结构以供选择。

进一步的，所述开口谐振环的外环包括一对相互平行且以长边相对设置的外矩形，所述长边平行于金属线；两个外矩形相对的长边的中部均开口；外矩形开口的上端部之间通过上部水平段相连接；所述开口谐振环的内环包括一对平行设置的内矩形；每个内矩形均位于一个外矩形内部，两内矩形相对的长边中部均开口且该开口位于外矩形开口之间；两个内矩形开口的上端部均水平相向延伸形成延伸段，两个延伸段之间有间隔；内矩形相对边开口的下端部通过下部水平段相连接。如图4所示。

为了减小射频前端的体积，提高射频前端的集成度和小型化程度，本发明所述开口谐振环设计成大致呈方形的结构，从图4中可以看出，所述开口谐振环的内外环的形成方式相当于将方形开口谐振环的内外环的水平分支经过多次九十度弯折（外环的上水平分支经过四次九十度弯折，下水平分支经过两次九十度弯折，内环的两个水平分支均经过四次九十度弯折），并且放置时使两个水平分支的弯折部分相对（即上部水平段对应内环开口，下部水平段对应外环开口），形成了结构新颖的哑铃形开口环。各弯折部分尺寸可通过电磁仿真软件CST优化得到。超材料作为天线的覆层加载在小型化差分微带天线（即矩形辐射贴片、第二基板以及接地板）的上方，通过调节超材料与微带天线之间的距离，使得超材料激励起的新谐振频率接近天线的工作频率，达到展宽天线带宽的目的。本领域技术人员通过电磁仿真软件CST调节超材料与微带天线之间的距离，通过有限次的仿真试验可容易地使得超材料激励起所需的谐振频率。第一基板与第二基板之间的间距通过设置在基板四个角上的塑料泡沫或者螺钉支撑来实现。

综上所述，本发明所述的小型化差分微带天线的工作频带由采用缝隙加载技术实现小型化的微带天线以及作为天线覆层的超材料共同决定。

与传统的单端口微带天线相比，本发明所述的小型化差分微带天线，采用差分馈电方式，提高了射频前端的集成度；利用在辐射贴片刻蚀U形缝隙的方法实现天线的小型化，减小了射频前端的体积；通过调节覆层超材料与微带天线之间的距离改善天线的阻抗带宽，同时改善天线的辐射性能。本发明非常适用于无线通信系统。

附图说明

图1为本发明所述的小型化差分微带天线的结构示意图。

图2为本发明所述的小型化差分微带天线的矩形辐射贴片的平面图。

图3为本发明所述的小型化差分微带天线的开口谐振环阵列的平面图。

图 4 本发明所述小型化差分微带天线的开口谐振环的平面图。

图5为本发明所述的小型化差分微带天线的金属线阵列的平面图。

图 6 为本发明所述的小型化差分微带天线在不加载超材料和加载超材料时的S₁₁曲线。

图 7 为本发明所述的小型化差分微带天线在不加载超材料和加载超材料时的辐射方向图。

图 8 为本发明所述的小型化差分微带天线在不加载超材料和加载超材料时的增益曲线。

1-矩形辐射贴片，2-第二基板，3-接地板，4-馈电孔，5-外U形缝隙，6-内U形缝隙，7-第一基板，8-开口谐振环，9-金属线，10-外环，11-内环，12-上部水平段，13-延伸段，14-下部水平段。

具体实施方式

一种小型化差分微带天线，包括从上到下依次层叠的矩形辐射贴片1、第二基板2以及接地板3；矩形辐射贴片1上开有两个馈电孔4，所述两个馈电孔4位于矩形辐射贴片1的一条中心线上且两个馈电孔4关于矩形辐射贴片1的中心点对称；矩形辐射贴片1上还开有关于馈电孔4所在中心线对称的一对U形缝隙组；所述U形缝隙组包括一个开口正对馈电孔4连线的外U形缝隙5以及位于外U形缝隙5开口内且开口同样正对馈电孔4连线的内U形缝隙6。

还包括位于矩形辐射贴片1的上方且从上到下依次层叠的开口谐振环阵列、第一基板7以及金属线阵列；所述金属线阵列位于矩形辐射贴片1的上方；开口谐振环阵列包括十六个开口谐振环8，金属线阵列为四条相互平行的金属线9且相邻金属线9之间的间距相同；每条金属线9都与馈电孔4所在中心线相垂直；所述开口谐振环阵列和金属线阵列分别刻蚀在第一基板的上表面和下表面；十六个开口谐振环8分成四列，每列四个布置；每个开口谐振环8均包括一个外环10以及位于外环10内的一个内环11，所述外环10和内环11均设有一个开口且两个开口相背设置；所述每条金属线9均对应一列开口谐振环8；所述每列四个开口谐振环8的内外环的开口中心连线均与和其对应的金属线9位于同一竖直平面上。

所述开口谐振环8的外环10包括一对相互平行且以长边相对设置的外矩形，所述外矩形的长边平行于金属线9；两个外矩形相对的长边的中部均开口；开口的上端部之间通过上部水平段12相连接；所述开口谐振环8的内环包括一对平行设置的内矩形；每个内矩形均位于一个外矩形内部，两内矩形相对的长边中部均开口且该开口位于外矩形开口之间；两个内矩形开口的上端部均水平相向延伸形成延伸段13，两个延伸段13之间有间隔；内矩形相对边开口的下端部通过下部水平段14相连接。

所述的超材料与小型化差分微带天线间的距离直接影响超材料激励起的新谐振频率，进而影响天线的带宽性能。本发明所述的小型化差分微带天线的工作频率为3.5GHz时，作为开口谐振环阵列单元的哑铃形开口谐振环8的金属线宽度为0.25mm，开口间隙为0.5mm，外环10水平分支长度为7.8mm，垂直分支长度为5.2mm，内环11水平分支长度为6.48mm，垂直分支长度为3.86mm，相邻开口谐振环中心之间的间距为5.84mm；金属线9的长度为23mm，宽度为0.25mm，金属线阵列的列间距与开口谐振环阵列的中心的列间距一致（同为5.84mm）；矩形辐射贴片1的尺寸长×宽为15mm×15mm（位于第一基板的中心部位），其上的U形缝隙的宽度为0.9mm，外U形缝隙5的水平分支（与馈电孔所在中心线平行）长度为8mm，垂直分支长度为6.8mm，内U形缝隙6的垂直分支长度为5.2mm，内外U形缝隙之间的间距为0.4mm，其上的馈电孔4的直径为0.6mm, 位于四个U形缝隙的水平对称线（馈电孔的连线）上，并且距离贴片边缘5.8mm处；接地板3的尺寸长×宽为23mm×23mm；超材料位于由矩形辐射贴片1、第二基板2、接地板3组成的小型化差分微带天线上方2.5mm处。

附图6示出了工作频率为3.5GHz的小型化差分微带天线不加载超材料和加载超材料时S₁₁的频率特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。在S₁₁<-10dB的情况下，不加载超材料时天线的相对带宽为2.4％，而加载超材料时天线的相对带宽为8.3％。

附图7示出了工作频率为3.5GHz的小型化差分微带天线不加载超材料和加载超材料时的辐射方向图。与不加载超材料时的情形相比，覆层加载超材料时天线的E面、H面方向图都得到明显的改善。

附图8示出了工作频率为3.5GHz的小型化差分微带天线不加载超材料和加载超材料时的增益曲线。不加载超材料时天线的增益范围是-0.77～-1.02dBi,加载超材料时天线的增益范围是2.04～3.31dBi，最大增益提高了2.29dBi。

与不加载超材料的小型化差分微带天线相比，基于超材料的小型化差分微带天线的带宽性能大大提高，其辐射性能也有明显的改善，能够满足无线通信的要求。