基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴片天线

摘要

本发明涉及贴片天线设计领域，为提供一款小型化高性能的新型贴片天线。为此，本发明采取的技术方案是，基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴片天线，以挖有十字形缺陷的圆形贴片和与该圆形贴片同圆心的带羽翼的半圆环作为辐射贴片，辐射贴片置于FR4介质基板上，半圆环中部向外延伸形成长方形馈线，辐射贴片通过馈线与馈电网络相连；互补分裂谐振环由两个带有缺口的同轴金属环构成，两个缺口与圆心处于一条直线上且分列于圆心两侧，馈线与互补分裂谐振环分别位于介质基板两面，互补分裂谐振环位于馈线正下方，馈线与互补分裂谐振环组成馈电网络。本发明主要应用于贴片天线设计。

说明书

技术领域

本发明涉及贴片天线设计领域，特别涉及基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴片天线。

技术背景

1950年，一些科研学者发现，负磁导率可以由不同形状的环或类似环形的结构在特定频 段内实现，并将此发现用于制造微波频段的手性材料。1999年，由J.B.Pendry等人正式提 出了在某些频段能产生磁等离子体效应，并能实现负磁导率特性的开路电流环谐振器，即我 们所说的分裂谐振环和互补分裂谐振环。

互补分裂谐振环结构可在某些频段内实现左手特性，即当电磁波在该传输线中传播时， 在某个频率范围内其等效介电常数和等效磁导率同时为负值，即电场、磁场、波矢量遵从左 手定则。目前其已经发展成为电磁领域中的一个新型范例，并在未来的微波设备研究中拥有 不可估量的潜力。

互补分裂谐振环不仅在制作反向波导定向耦合器以及电磁波隐形中有着极其重要的应 用，而其在微波天线和滤波器的制造中也发挥着不可替代的作用，该结构的应用有效的解决 了微波器件小型化与高性能之间的矛盾以及天线高指向性设计的技术难题等微波领域的疑难 杂症。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一款小型化高性能的新型贴片天线。为此，本发明采取的 技术方案是，基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴片天线，以挖有十字形缺陷的圆形贴片和与 该圆形贴片同圆心的带羽翼的半圆环作为辐射贴片，辐射贴片置于FR4介质基板上，半圆环 中部向外延伸形成长方形馈线，辐射贴片通过馈线与馈电网络相连；互补分裂谐振环由两个 带有缺口的同轴金属环构成，两个缺口与圆心处于一条直线上且分列于圆心两侧，馈线与互 补分裂谐振环分别位于介质基板两面，互补分裂谐振环位于馈线正下方，馈线与互补分裂谐 振环组成馈电网络。

基板介电常数ε＝4.4，厚度为1.6mm；圆形贴片半径R1＝3.5mm，带羽翼的半圆环内半径 R2＝3.7mm，外半径R3＝4.2mm，刻蚀的十字形结构宽度W1＝0.5mm，长度L2＝3mm，L3＝4.2mm； 在接地板上刻蚀的互补分裂谐振环结构中内圆环内半径R4＝1.6mm，外半径R5＝1.8mm，外圆环 内半径R6＝2.1mm，裂缝宽度W3＝0.2mm。

圆形贴片与50Ω的馈线相连接，馈线宽度W2＝2mm，长度L4＝7mm。馈线贴于介质基板的 上表面。此时天线工作的中心频率为3.15GHz，带宽为3.05-3.42GHz。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

第一，将普通圆形与带羽翼的半圆环相结合共同构成辐射贴片，并通过在圆形辐射贴片 上刻蚀十字缝隙来扩展天线带宽，提高天线辐射效率；第二，将互补分裂谐振环刻蚀在馈线 下方，使之成为馈电网络的一部分，以改善源与辐射贴片之间的阻抗匹配；第三，结构新颖， 天线体积小。

附图说明

图1基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴片天线结构示意图。

图2刻蚀十字缝隙前后天线S11参数曲线。

图3加载互补分裂谐振环谐振环前后天线上边面电流分布图(左侧为未加载互补分裂谐 振环，右侧为加载互补分裂谐振环)。

图4天线模型图与实物图(左侧为俯视图，右侧为仰视图)，图中，(a)模型图，(b)实 物图。

具体实施方式

本发明利用互补分裂谐振环结构，并改变天线辐射单元结构，设计了一种新型小型化贴 片天线。

采用互补分裂谐振环与贴片天线相结合的方法，设计基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴 片天线，建模示意图如图1及图4(a)所示。

此天线端口负载阻抗为50Ω，以挖有十字形缺陷的圆和带羽翼的半圆环作为辐射贴片， 将其与馈电网络相连，并将整体置于大小为16mm×14mm的FR4环氧板介质基板上，基板介 电常数ε＝4.4，厚度为1.6mm。另外，在接地板上加载了互补分裂谐振环结构，互补分裂谐 振环位于馈线正下方，用以改善源与辐射贴片之间的阻抗匹配。

通过在辐射贴片上刻蚀十字缝隙以实现扩展频带宽度，提高天线辐射效率的目的，图2 为刻蚀十字缝隙前后天线回波损耗随频率变化图。

辐射贴片的材质为金属铜，馈线结构就是位于介质基板上方连接带羽翼的半圆环的长方 形，馈线与其下方的互补分裂谐振环共同构成了馈电网络，互补分裂谐振环位于正反面的正 下方，与馈线不在介质基板的同侧。

最后在接地板上加载互补分裂谐振环，图3显示了加入互补分裂谐振环前后天线上表面 电流分布图，可以看出，互补分裂谐振环明显改善了源与辐射单元之间的阻抗匹配，改善了 天线的辐射性能。

采用互补分裂谐振环与贴片天线相结合的方法，设计基于互补分裂谐振环的十字缝隙贴 片天线。天线实物图如图4(b)所示，采用的基板介电常数为4.4，天线尺寸为16mm×14mm ×1.6mm。

此天线端口负载阻抗为50Ω，以挖有十字形缺陷的圆和带羽翼的半圆环作为辐射贴片， 将其与馈电网络相连，并在接地板上刻蚀了互补分裂谐振环结构，互补分裂谐振环位于馈线 正下方，用以改善源与辐射贴片之间的阻抗匹配。

最终通过在辐射贴片上刻蚀十字，以及在馈电网络中加载互补分裂谐振环的方法设计了 一款小型化高性能的新型贴片天线。

通过对天线进行优化设计和仿真分析，最后得到天线的优化尺寸。其中圆形贴片半径 R1＝3.5mm，带羽翼的半圆环内半径R2＝3.7mm，外半径R3＝4.2mm，羽翼长度L1，刻蚀的十 字形结构宽度W1＝0.5mm，长度L2＝3mm，L3＝4.2mm。在接地板上刻蚀的互补分裂谐振环结构 中内圆环内半径R4＝1.6mm，外半径R5＝1.8mm，外圆环内半径R6＝2.1mm，裂缝宽度W3＝0.2mm。 此天线带羽翼的半环型馈电片与50？的微带线相连接，馈线宽度W2＝2mm，长度L4＝7mm。微 带馈线贴于介质基板的上表面。此时天线工作的中心频率为3.15GHz，带宽为3.05-3.42GHz。

由图2不难看出，刻蚀十字缝隙之后天线带宽由3.1-3.3GHz扩展至3.05-3.42GHz，中 心频率处的S11值由-20dB下降至-50.5dB，实现了通过刻蚀十字缝隙扩展频带宽度，提高天 线辐射效率的目的。图3，则验证了将互补分裂谐振环作为天线馈电网络的一部分，可以实 现调节源与辐射贴片之间阻抗匹配的作用。

圆形贴片与半圆环无连接，中间为环形的缝隙，工作于微波波段。半圆环与馈线直接相 连，馈线与互补分裂谐振环之间隔着介质层(FR4，它们分别位于FR4的上下表面)，不相连。 馈线与互补分裂谐振环共同构成了馈电网络。