缺陷地結(jié)構不對稱共面波導式三頻帶天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電天線技術領域，具體為一種缺陷地結(jié)構不對稱共面波導式三頻 帶天線。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信需求的急劇增長，無線通信技術取得了飛速發(fā)展，新的無線通信技 術、無線通信頻段不斷出現(xiàn)。目前，3G/4G無線通信系統(tǒng)、藍牙技術、微波存取全球互通系統(tǒng) (WIMAX)、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN)等都使用了不同的無線頻譜。為了解決不同無線頻譜通 信問題，一般在系統(tǒng)設備上架設多個天線。然而架設多個天線，又帶了許多新問題，最突出 的是頻譜利用率低、天線之間相互干擾嚴重。
[0003] 缺陷地結(jié)構不對稱共面波導式三頻帶天線不僅結(jié)構簡潔、新穎，在單一口徑天線 上，可以工作在三個波段，且各頻段間干擾小，同時在三個工作頻段內(nèi)H面、E面輻射方向圖 基本一致，且都具有良好駐波比和較高的增益。
[0004] 本發(fā)明由國家自然基金頂目"低相關區(qū)m子序列理論與構造研究"(61372094)、"基 于m序列的非線性m子序列研究"（61071001)資助。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明針對目前主要通信系統(tǒng)3G/4G無線通信系統(tǒng)、微波存取全球互通系統(tǒng) (WIMAX)、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN)，提供一種缺陷地結(jié)構不對稱共而波導式三頻帶天線。天 線中心頻率分別為2. 0GHz、3. 5GHz、5. 5GHz ;帶寬分別為1. 9~2. lGHz、3. 1~3. 9GHz和 5. 1~5. 9GHz。本發(fā)明在三個頻段都具有良好的阻抗匹配，擁有較高近似全向特性、高增益 的方向特性。
[0006] 本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn)：缺陷地結(jié)構不對稱共面波導 式三頻帶天線，包括基板，輻射貼片單元，金屬接地板，阻抗匹配輸入傳輸線四個部分。基 板的表面有輻射貼片單元、金屬接地板和阻抗匹配輸入傳輸線；輻射貼片單元包含三個尺 寸、形狀均不相同的輻射貼片A、B、C ;阻抗匹配輸入傳輸線對稱沿基板縱向中心軸y軸（簡 稱基板y軸）從基板的底邊垂直向上與輻射貼片單元底邊連接；阻抗匹配輸入傳輸線左右 兩邊是兩個金屬接地板，尺寸均為7. 8mm(寬(高），且均距阻抗匹配輸入傳輸線有 0. 85mm縫隙，上距輻射貼片單元有1. 5mm間隙。金屬接地板上有矩形槽、倒置直角三角形槽 和圓弧槽，其中左右兩邊開出的矩形槽因尺寸不同，位置也不對稱，故稱之為"不對稱"式天 線。
[0007] 基板選擇聚四氟乙烯材料，其相對介電常數(shù)2.55,尺寸為38mm(長）、 *20mm (寬）*0? 8mm (厚），在較寬頻率范圍內(nèi)它的介電損耗都很低，擊穿電壓、體積電阻率和 耐電弧性都較高。基板有正面和背面，正面由輻射貼片單元、金屬接地板和阻抗匹配輸入傳 輸線組成；背面沒有金屬鍍層，是空面。
[0008] 輻射貼片單元包含輻射貼片A、B、C。三個輻射貼片的長度依據(jù)各通信頻段中心頻 率等參數(shù)計算、匹配得到；三個輻射貼片的寬度根據(jù)各波段回波損耗等指標調(diào)整得到。由 于通信頻段不同，三個輻射貼片的長度和寬度亦不相同。為了提高頻譜的利用率，減小設備 體積，簡化天線結(jié)構，將A、B、C三個輻射貼片底部重疊、方向朝上集成在輻射貼片單元中， 置于基板上部，共用一個饋線。為了使天線面積微型化，本發(fā)明將不同長度輻射貼片有效折 疊、緊湊嵌套，在最小的基板面積中放置三個不同長度輻射貼片。在此基礎上，引入對稱技 術，將三個輻射貼片，對稱于基板y軸復制，從而增加了一倍輻射貼片有效面積，提高了各 天線品質(zhì)因數(shù)和增益。輻射貼片單元中三個輻射貼片的長度和寬度根據(jù)公式（1)、（2)確 定：
[0009] W= 2Jrr(1)
[0010]
(2)
[0011] 其中，W為以r為半徑的周長即輻射貼片的寬度，f為對應天線的中心頻率，L為 輻射貼片長度，g為輻射貼片與接地板之間的間隙，本發(fā)明取g= 1.5mm。為了充分利用基 板面積，本發(fā)明基板寬度取輻射貼片單元寬度。根據(jù)公式（1)確定r，利用公式（2)確定 中心頻率分別為2. 0GHz、3. 5GHz、5. 5GHz的三個不同頻段天線輻射貼片長度分別為32mm、 21mm和18mm。根據(jù)實際帶寬需要，本發(fā)明將三個輻射貼片長度分別調(diào)整到37. 5mm、25mm和 22. 5mm。為了在最小基板面積上集成三個長度不同輻射貼片，本發(fā)明將長度為37. 5mm(寬 度取1mm)的福射貼片折成10_、17. 5mm、10mm三段，構成個10mm(上寬）*17. 5mm(左 高(下寬）缺少右邊框的矩形貼片框。為了增大貼片面積，再對稱擴展一個大小相 同且缺少左邊框的矩形貼片框，兩者對接成20mm(寬）*17. 5mm(高）矩形貼片框，構成輻射 貼片A。該輻射貼片框?qū)挾扰c基板寬度等同，對稱于基板y軸水平放置于基板，上邊框距基 板頂端2mm;將長度為22. 5mm(寬度取1mm)的福射貼片折成7. 5mm和15mm兩段，7. 5mm段 貼片作為水平段，15mm段貼片在其上方與其垂直，構成L形狀，為了增大貼片面積，再對稱 擴展，形成一個15mm(寬）*15mm(高）缺少上邊的口子形福射貼片框，構成福射貼片C，該 輻射貼片框底邊與輻射貼片A底邊水平重疊，對稱于基板y軸放置于基板；長度為25mm(寬 度取1mm)的福射貼片B折成7. 5mm、8mm、7. 5mm和2mm四段，其中7. 5mm、8mm、7. 5mm三段構 成7. 5mm(上寬）*8mm(左高）*7. 5mm(下寬）缺少右邊框的矩形貼片框，對稱擴展為一個 15mm(寬）*8mm(高）的完整矩形貼片框，在該矩形貼片框上邊框上，連接上邊沿且對稱于框 的縱向中心線放置2_(高）貼片。為了形成局部加載，改變天線上的電流分布，將矩形框 上邊框貼片的寬度增大為3. 5mm，同時，將矩形上邊框上所加的2mm貼片，寬度對稱增大到 5mm，構成輻射貼片B，該輻射貼片框底邊與輻射貼片A、C底邊水平重疊，對稱于基板y軸放 置于基板。
[0012] 上述三個輻射貼片均采用折線組合方式，由長短不同、寬度不一貼片組合構成。為 了提高品質(zhì)因數(shù)，增加天線的增益，本發(fā)明均對稱增加了一倍貼片面積，使天線有效輻射增 強了，最終達到增加帶寬目的。
[0013] 為了消除三個頻段間阻帶信號干擾，本發(fā)明首次從阻帶帶寬角度提出開槽長度計 算方法：
[0014]
(3)
[0015] 其中：L為開槽長度，BW為兩個通帶之間阻帶的帶寬，匕為阻帶下限頻率，c為天 線電波傳輸速度。
[0016] 為了抑制2. 1~3. 1GHz阻帶內(nèi)信號，根據(jù)公式（3)得到天線開槽長度為27mm。本 發(fā)明結(jié)合接地板開槽技術，且將槽開成2個長度均為13. 5mm、寬度分別為1. 1mm和1mm的不 對稱槽，從接地板上端邊沿向下分別置于阻抗匹配輸入傳輸線左右兩側(cè)，左槽中心線距基 板左邊緣垂直距離為1. 45mm，右槽中心線距基板右邊緣垂直距離為1. 5mm。
[0017] 為了抑制3. 9~5. 1GHz阻帶內(nèi)信號，根據(jù)公式（3)得到天線開槽長度為20mm。對 基板稱于y軸，從左、右兩個接地板上邊沿垂直向下各開1個深l〇mm、寬4mm矩形槽，槽中 心線與基板y軸垂直距離6_。為了增大該阻帶駐波比，本發(fā)明創(chuàng)新地將該矩形槽調(diào)整為 4mm(直角邊）*10mm(直角邊）的倒置直角三角型槽，且槽口寬4臟、槽深10mm，背靠背的對 稱放置在左、右兩個接地板中，槽中心線與基板y軸垂直距離不變。在該槽內(nèi)，輻射貼片與 金屬接地板之間的距離由內(nèi)向外遞減，增加了該頻段貼片對其電磁波的束縛能力，增大天 線回波損耗，保證天線具有三個清晰通帶。
[0018] 為了進一步彌補2. 0GHz頻段回波損耗的不足，拓展5. 5GHz頻段帶寬，結(jié)合天線接 地板電流密度分布，本發(fā)明獨特地在鄰近阻抗匹配輸入傳輸線兩側(cè)的金屬接地板上方開出 圓弧槽，圓弧槽的半徑為4_，弧度設置為180度。圓弧槽與輻射貼片之間的圓弧縫隙形成 的耦合電容平衡了饋線的電感，從而使天線獲得了更好阻抗匹配。
[0019] 本發(fā)明中阻抗匹配輸入傳輸線（饋線）采用最通用的50歐姆，具有有效性和實用 性，便于同其它器件集成。其寬度由下式?jīng)Q定：
[0024] 其中，K(m)、K(n)、K'（m)、K'（n)為第一類完全橢圓積分函數(shù)和其補函數(shù)，m和n 為過渡變量;W、X、Y分別為介質(zhì)基板的寬度、共面波導阻抗匹配輸入傳輸線的寬度與基板 寬度比值、共面波導阻抗匹配輸入傳輸線與接地板之間間隙與基板寬度比值。計算得出共 面波導阻抗匹配輸入傳輸線的寬度2. 7mm、縫隙寬度0. 85mm。
[0025] 與已公開技術相比，本發(fā)明存在以下優(yōu)點：
[0026] (1)本發(fā)明融合多種技術，經(jīng)過有效設計、巧妙剪裁、合理布局，得到尺寸為 20mm*38mm的三個頻段、微型化天線。本發(fā)明不僅滿足三個頻段通信的各頂指標，而且結(jié)構 非常簡潔、新穎。
[0027] (2)本發(fā)明可以工作在1. 9~2.lGHz、3. 1~3. 9GHz和5. 1~5. 9GHz三個頻段 上，覆蓋了 3G/4G無線通信系統(tǒng)、微波存取全球互通系統(tǒng)（WIMAX)和無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（WLAN) 三個主流無線通信系統(tǒng)使用的頻段，具有較高的適用性。
[0028] (3)本發(fā)明采用折線組合方法、重疊方法和對稱方法，并將不同形狀、不同尺寸貼 片緊湊嵌套，構造了均勻和不均勻三個不同頻段貼片天線，并有效集成在輻射貼片單元中， 共用一個饋線，減小了貼片單元面積、擴大了貼片有效面積，從而提高天線性能。
[0029] (4)本發(fā)明不同于單極子天線，創(chuàng)造性地設計了四段式對稱貼片B，通過增大局部 寬度，形成局部加載，有效提高3. 1~3. 9GHz頻段通信性能。
[0030] (5)本發(fā)明在共面波導天線上采用