基于开口谐振环结构的电小尺寸天线

摘要

基于开口谐振环结构的电小尺寸天线由天线辐射单元1，底面刻蚀共面波导结构2和金属化通孔3构成，其中共面波导馈线21通过磁耦合方式对天线系统馈电，金属化通孔31用来连接金属贴片11和共面波导地面以形成谐振回路，金属化通孔32用来在PCB基板中形成金属臂以增加系统等效电容，孤立金属片22与共面波导馈线21在同一地平面上，但相互独立分开以防止谐振短路情况发生。本发明具有尺寸小、结构紧凑，成本低，效率高等特点，可方便集成到微带或者共面波导系统设计中，实现射频前端无缝连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电小尺寸天线，尤其涉及一种基于谐振结构的电小尺寸天线，可集成印刷在微波电路板上，实现高效率辐射，并可应用在小型集成化系统的射频前端。

背景技术

天线集成化和小型化是当代无线通信射频前端发展的一大瓶颈。对于传统天线，当尺寸越小时，其辐射电抗越大，辐射电阻越小。这就会导致天线与馈线之间的严重阻抗失配，从而导致天线性能恶化。传统的天线匹配网络设计不仅会增加系统的复杂性，还会极大的提高成本。新型人工电磁结构的研究为小型化天线的阻抗匹配问题提供了新的解决方案，国际上有学者提出用单负介电常数和单负磁导率媒质分层布置在电偶极子及磁环周围，很好地完成了各向同性的小尺寸辐射特性。根据此方案，有人直接利用开口谐振环的谐振特性，设计了三维结构的电小尺寸天线。开口谐振环作为人工电磁材料常用的一种单元结构，具有很好的电小特性，其谐振时的波长远大于单元长度，因此可以被利用作为电小谐振天线的辐射单元。现在通常采用的方案是通过同轴探针环形成磁耦合馈电，让同轴探针产生的磁场穿过开口谐振环所在的环面，进而激发起强谐振。该方案可实现天线小型化但失去了集成化的要求。因此要真正将新型人工电磁材料的谐振电小特性运用在天线小型化中，实用性和集成度是需要首要考虑的。基于此项考虑，我们首次提出了基于介质基板的开口谐振环电小尺寸天线。该项发明与当前PCB工艺结合，可以在天线尺寸大大减小的同时保持良好的辐射性能。

发明内容

技术问题：本发明的发明目的是提供一种基于开口谐振环的电小尺寸天线，该天线具有小尺寸结构紧凑的特点，成本低并且易于集成，具有良好的定向性和线极化特性，同时具有较高的辐射效率。

技术方案：要将开口谐振环设计成平面电路结构且具有良好的辐射特性，有三个难点：一是馈电方式的选择，对于开口谐振环结构要实现强的电磁响应必须使得磁场穿过谐振环；二是电小尺寸开口谐振环结构的设计，三维空间开口谐振环结构中可将开口末端进行弯折来增加等效电容值，在平面结构中如何在保证足够辐射面积的条件下实现等效的大电容或者电感值是一大关键；三是反射面的集成问题，开口谐振环结构在其谐振时等效为一磁偶极子，而要增加磁偶极子的辐射方向性，就必须加载反射面。基于三方面考虑，我们提出了该项基于介质基板的开口谐振环电小尺寸天线。介质上表面为两长方形金属贴片，中间留有缝隙形成等效电容，靠近缝隙处有对称的两排金属化通孔连接金属贴片和下地面孤立金属片上。由基片集成波导的相关研究可知当金属孔间足够小时，周期孔阵可等效为一电壁，对于该结构相当于在末端加载了等效的折弯金属壁，由于增加了末端等效电容值，天线尺寸会显著降低。在上表面贴片周围还有金属化通孔连接贴片和共面波导地面构成一个谐振回路。该发明采用开路馈电方式，调节共面波导末段距离下底面边缘的距离d，可以控制馈线耦合的强度进而可以在较大范围内满足天线辐射阻抗的匹配要求，得到较小的能量反射。上表面金属贴片的大小也在很大程度上决定了天线工作频率，当贴片长度或者宽度增加时，天线的工作频率都会下降。

该天线的天线辐射单元、底面刻蚀共面波导、金属化通孔集成在微波电路板上，底面刻蚀共面波导通过金属化通孔与天线单元连接；所述的天线辐射单元由两块并排的金属贴片组成，两块金属贴片之间存在缝隙，实现电路中导行波到自由空间中电磁波的能量转换；所述的底面刻蚀共面波导包括共面波导馈线和孤立金属片；其中，共面波导馈线与四个孤立金属片相互垂直设置集成在同一地平面上，通过缝隙分开而相互独立。所述的金属化通孔包括与天线辐射单元外边缘相连的两排外通孔和与天线辐射单元靠近缝隙的部分相连的两排内通孔；其中与天线辐射单元外边缘相连的内通孔与共面波导地面相连，与靠近缝隙部分相连的外通孔与孤立金属片相连。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明具有尺寸小、结构紧凑、成本低的优点。普通电小尺寸天线若采用基于介质基板结构，则必须要求基板介电常数足够大才能实现较短波长的导行波，进而实现小尺寸天线。这样做最大的问题就是高介电常数材料成本高，而我们的发明采用目前常用的低介电常数材料F4B，成本大大降低。另外相比之现有的三维空间结构电小尺寸天线，该项发明又具有结构紧凑的优势。

2、本发明具有较高的辐射效率和增益的优势。常用的高介电常数基板的电小尺寸天线还存在一个致命的问题就是辐射效率太低，介电常数的增加导致空间电磁场绝大多数被限制在介质中，同时表面波的效应也会增加，这些直接导致天线的辐射效率急剧下降。本项发明采用低介电常数的板材，在减小表面波效应的同时也会增加天线效率。另外当天线尺寸下降时，不可避免的会伴随之天线增益的下降，因此电小尺寸天线本身也存在着一个增益的理论极限值，目前存在的电小天线虽然在尺寸上达到了要求，但是增益却远远不能满足要求。本项基于开口谐振环结构的电小天线设计在保证尺寸要求的同时，还具有较高的增益。可以注意到上表面的两块金属贴片作为直接辐射单元会提供较为平整的表面电流分布，这些都直接有助于增益的提高。

3、本发明中采用共面波导结构，因此可方便地集成到微带或者共面波导系统设计中，实现射频前端的无缝连接。

附图说明

图1是本发明天线正面的结构示意图。

图2是本发明天线背面的结构示意图。

图3是本发明天线侧面的结构示意图。

图4是本发明的一种具体结构的S参数仿真及实测结果比较。

图5是本发明的上述具体结构实测得到的E面和H面归一化功率方向图。

以上的图中有：天线辐射单元1、底面刻蚀共面波导结构2金属化通孔3、微波电路板4；共面波导地面5、金属贴片11、缝隙12、共面波导馈线21、孤立金属片22、内通孔31、外通孔32。

具体实施方式

本发明中，该新型电小尺寸天线包括天线辐射单元1、底面刻蚀共面波导结构2金属化通孔3；底面刻蚀共面波导结构2通过金属化通孔3连接到天线辐射单元1上，整个结构集成印刷在微波电路板4上。

本发明基于开口谐振环结构的电小尺寸天线的天线辐射单元、底面刻蚀共面波导、金属化通孔集成在微波电路板上，底面刻蚀共面波导通过金属化通孔与天线单元连接；所述的天线辐射单元由两块并排的金属贴片组成，两块金属贴片之间存在缝隙，实现电路中导行波到自由空间中电磁波的能量转换。所述的底面刻蚀共面波导包括共面波导馈线和孤立金属片；其中，共面波导馈线与四个孤立金属片相互垂直设置集成在同一地平面上，通过缝隙分开而相互独立。所述的金属化通孔包括与天线辐射单元外边缘相连的两排外通孔和与天线辐射单元靠近缝隙的部分相连的两排内通孔；其中与天线辐射单元外边缘相连的外通孔与共面波导地面。

在此，提供一种具体结构以实现3.06GHz频率上电小谐振天线的设计。其中天线辐射单元1由两块长方形金属贴片11构成，两块金属贴片之间由缝隙隔开12，输入信号通过同轴探针馈入共面波导馈线21，共面波导地面通过金属内通孔31与两块金属贴片11相连从而构成谐振回路。孤立金属片22与共面波导馈线21处于同一地平面，但相互独立隔开。孤立金属片22通过金属化内通孔31与两块金属贴片11相连，借此增加系统等效电容。在该设计中，金属内通孔31设计在靠近两块金属贴片11外边缘的位置，每块金属贴片有18个金属内通孔31，对称分布在共面波导馈线21两侧。类似的，金属外外通孔32设计在靠近上表面缝隙12处，每块金属贴片的18个金属外通孔32分布在共面波导馈线21两侧。整个天线结构类似于带有“臂长”开口谐振环结构，金属外通孔32等效于开口谐振环的臂长，而在谐振频率时，天线中的环形电流也非常类似于开口谐振环中的电流分布。该天线的尺寸为0.204λ×0.224λ×0.0081λ，其中λ为自由空间波长，根据电小尺寸天线定义，能够包围该天线的最小球体的半径为0.151λ，完全满足小天线的标准。

图4给出了上述具体结构的S参数仿真及实验测试结果，而图5给出了上述具体结构的E面和H面归一功率化方向图。从图4的S参数仿真结果可以看出，本发明的基于开口谐振环结构的电小谐振天线仿真频点(2.953GHZ)接近于实测工作频点(3.05GHZ)，并且实际测量的反射曲线具有良好的驻波比特性，在谐振频率处驻波比为1.143，较好的完成了天线输入阻抗的匹配。从图5可以看出该电小天线具有良好的线极化特性，主瓣方向上E面和H面的交叉极化水平均小于-20dB。天线的实测增益值(2.254dB)与仿真增益值(2.325dB)非常接近，并且均小于电小天线增益的理论极限值。