專利名稱：一種矩形微帶貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于平面微帶天線技術(shù)領(lǐng)域，可用于無線通信領(lǐng)域，為一種矩形微帶貼片天線。
背景技術(shù)：
當(dāng)今寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展要求天線具有足夠?qū)挼墓ぷ鲙?，并且也希望天線在滿足各項性能指標的前提下盡可能小型輕便。傳統(tǒng)微帶貼片天線使用電介質(zhì)材料作為基板，天線的帶寬和輻射貼片尺寸是一對矛盾維持天線工作頻率不變的前提下通過減小介質(zhì)基板介電常數(shù)可以減小天線諧振的品質(zhì)因數(shù)從而一定程度上增加天線帶寬，但減小介質(zhì)基板的介電常數(shù)會導(dǎo)致輻射貼片尺寸增大。其他提高微帶貼片天線帶寬的傳統(tǒng)方法會增加天線尺寸、體積或加工復(fù)雜度，甚至損傷天線的其他性能。近些年，一些文獻提出在輻射貼片下填充磁電介質(zhì)來改善天線的帶寬[l-7]，因為填充磁電介質(zhì)可以增加諧振電感從而降低天線的品質(zhì)因數(shù)，此外這種方法不會額外增加天線貼片尺寸、幾乎不影響天線的輻射性能。用來填充的磁電介質(zhì)有鐵氧體、鐵磁體材料或者拼插式的新型人工電磁媒質(zhì)等，其中鐵氧體、鐵磁體材料加工較復(fù)雜，價格高；而拼插式的新型人工電磁媒質(zhì)和貼片天線裝配在一起顯得笨重，不利于系統(tǒng)集成，加工費用也不低。 [1] H. Mosallaei et al， IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 52， no. 6，pp.1558-1567，2004. [2]P. M. T. Iko固et al，IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 54， no. 11 ，pp.3391-3399,2006. [3] R. V. Petrov et al ， Mi crow. Opt. Techno 1. Lett. ， vo 1. 50 ， no. 12 ，pp.3154-3157,2008. [4]F. Grange et al， EuCAP 2009.3rd European Conference on Antennas andPropagation, March 23-27，2009，pp.1909-1913. [5]K. Buell et al， IEEE Trans. Microw. Theory Tech. ， vol. 54， no. 1 ，pp.135-146，2006. [6]H. Mosallaei et al，IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 55，no. l，pp. 45-52，2007. [7]P. M. T. Ikonen et al， IEEE Trans. Antennas Propag. ， vol. 54， no. 6，pp.1654-1662,2006.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有展寬矩形微帶貼片天線帶寬的方法以增加天線尺寸、體積或加工復(fù)雜度，甚至天線其他性能的降低為代價，不能滿足無線通信技術(shù)的要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種矩形微帶貼片天線，包括上層貼片層、下層金屬地板以及兩者之間的介質(zhì)基板，其特征是金屬地板上刻蝕有特定的圖案，整個刻蝕區(qū)域位于上層貼片層的輻射貼片正下方，與輻射貼片面積對應(yīng)，刻蝕圖案由基本平面單元在金屬地板內(nèi)的兩個正交方向上周期排列而成，基本平面單元是嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)。 金屬地板刻蝕有周期排列的嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)，用普通PCB工藝在敷銅介質(zhì)基板
的銅層上刻蝕出來，嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)在矩形蝕空區(qū)域內(nèi)呈一條鑲嵌金屬彎曲線；嵌入式
彎曲線結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)包括刻蝕區(qū)域的尺寸、彎曲線的線寬、彎曲線的彎曲間隙、彎曲線和
周圍銅層的間距以及彎曲線的拐彎個數(shù)，所述彎曲線的拐彎個數(shù)是和刻蝕區(qū)域的尺寸、彎
曲線的線寬、彎曲線的彎曲間隙、彎曲線和周圍銅層的間距有關(guān)的非獨立參數(shù)。 本發(fā)明下層金屬地板下方設(shè)有一塊金屬擋板，金屬擋板的位置及其面積至少覆蓋
嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)，金屬擋板和金屬地板平行，并有一定間距，所述間距不小于介質(zhì)基板厚
度的二倍。 金屬擋板通過絕緣柱固定安裝在金屬地板下方，絕緣柱半徑為天線工作波長十分之一以下，并且位于輻射貼片和嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的區(qū)域之外。 作為優(yōu)選方案，天線工作在無線接入頻段，相應(yīng)的各項天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為輻射貼片長lp = 16. lmm，寬wp = 21mm ;介質(zhì)基板寬width = 60mm，長length = 76. 3mm ;饋線寬we=3. 75mm，長le = 16mm ;四分之一波長匹配線寬wm = 0. 45mm，長lm二 15. 3mm ;金屬擋板與金屬地板的間距sh = 5mm，金屬地板厚度st = lmm，金屬地板長sx = 70mm，寬sy = 50mm ;一個嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的刻蝕區(qū)域長dx二 1.05mm，寬dy = 10. 35mm，彎曲線和周圍銅層的間距g = 0. 15，彎曲線的線寬wl = 0. 15mm，彎曲線的彎曲間隙gl = 0. 15mm ;嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列規(guī)模是13X2，單元排布周期沿刻蝕區(qū)域長方向為1. 2mm，沿刻蝕區(qū)域?qū)挿较驗?0. 5mm ;介質(zhì)基板的厚度為h = 1. 43mm，相對介電常數(shù)2. 65，輻射貼片和金屬地板的銅層厚度都是0. 035mm。 本發(fā)明提出的新型矩形微帶貼片天線的金屬地板刻蝕有周期排列的嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在貼片下方填充了等效的磁電介質(zhì)，從而增加了天線諧振電感，導(dǎo)致天線的品質(zhì)因數(shù)降低，即天線帶寬增加。本發(fā)明的金屬地板下方有金屬檔板以抑制天線的后向輻射。 本發(fā)明提出的新型天線采用地面刻蝕嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的辦法，在矩形貼片下方等效地加載磁電介質(zhì)，從而有效展寬天線的工作頻帶。為了抑制天線背向輻射，地板下方添置一塊金屬檔板。本發(fā)明提出的新型天線和同樣貼片尺寸、同樣介質(zhì)基片的普通矩形微帶貼片天線相比具有更寬的帶寬，能用來滿足無線通線領(lǐng)域?qū)μ炀€帶寬的要求，其他性能和普通矩形微帶貼片相近。本發(fā)明不影響天線的其他性能，例如不增加天線的貼片尺寸，不影響天線的輻射性能。 本發(fā)明可以用簡單單層PCB工藝制成，工藝簡單且便于和系統(tǒng)其他部分集成，加工耗費也相對較低。相比其他磁電介質(zhì)填充方法加工簡單得多，且容易在系統(tǒng)中集成，費用也相對少很多。目前和本發(fā)明類似的天線帶寬展寬技術(shù)還沒有公開報道。


圖1為本發(fā)明嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明矩形微帶貼片天線的側(cè)面視圖。 圖3為本發(fā)明矩形微帶貼片天線的示意圖，(a)為天線正面視圖，(b)為天線金屬地板視圖，(c)為反面視圖。 圖4為圖3(b)的局部放大圖，(a)為嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)周期陣列的整體放大圖，(b)為嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)周期陣列中的一個單元的放大示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例的天線反射系數(shù)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明包括上層貼片層、下層金屬地板以及兩者之間的介質(zhì)基板，金屬地板上刻蝕有特定的圖案，整個刻蝕區(qū)域位于上層貼片層的輻射貼片正下方，與輻射貼片面積對應(yīng)，刻蝕圖案由基本平面單元在金屬地板內(nèi)的兩個正交方向上周期排列而成，基本單元是嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)。 金屬地板刻蝕的周期排列的嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)，用普通PCB工藝在敷銅介質(zhì)基板的銅層上刻蝕出來，嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)在矩形蝕空區(qū)域內(nèi)呈一條鑲嵌金屬彎曲線，如圖1，刻蝕圖案在金屬地板內(nèi)的兩個正交方向x和y上周期排列，圖中黑色區(qū)域是銅，白色代表相應(yīng)區(qū)域的銅被蝕去，露出下面的介質(zhì)層。嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)包括刻蝕區(qū)域的尺寸長dx，寬dy ;彎曲線的線寬wl ;彎曲線的彎曲間隙gl ;彎曲線和周圍銅層的間距g以及彎曲線的拐彎個數(shù)，所述彎曲線的拐彎個數(shù)是和刻蝕區(qū)域的尺寸dx、 dy，彎曲線的線寬wl、彎曲線的彎曲間隙gl、彎曲線和周圍銅層的間距g有關(guān)的非獨立參數(shù)。
本發(fā)明下層金屬地板下方設(shè)有一塊金屬擋板，金屬擋板和地板平行，并有一定間距，所述間距不小于介質(zhì)基板厚度的二倍。金屬擋板通過絕緣柱固定安裝在金屬地板下方。
圖2顯示了本發(fā)明矩形微帶貼片天線整體結(jié)構(gòu)，共分四層。圖2是天線的側(cè)視圖，從上往下，第一層是金屬饋線暨貼片層(黑色)，第二層是電介質(zhì)基板(白色)，第三層是金屬地板(黑色)，第四層是金屬擋板(白色)。前三層是緊密附著在一起的，金屬擋板通過絕緣柱固定安裝在前三層上。tf表示第一、三層金屬的厚度，h表示第二層厚度，st表示第四層厚度，sh表示第三、四層間距是，sh > 2h。第一和第三層金屬厚度即為普通高頻敷銅介質(zhì)板的銅厚。 圖3為本發(fā)明矩形微帶貼片天線的各層示意圖，圖3(a)是天線正面視圖，顯示了金屬饋線及貼片層，包括長、寬分別為length、 width的介質(zhì)基板，長、寬分別為le、we的饋線，長、寬分別為lm、 wm的四分之一波長匹配線，以及長、寬分別為lp、 wp的輻射貼片。圖3(b)是金屬地板視圖，中間用白色虛線框出來的部分就是刻蝕有周期排列的嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的區(qū)域，它位于輻射貼片的正下方，與輻射貼片面積對應(yīng)。圖3(c)是天線反面視圖，黑色部分是金屬地板區(qū)域，白色部分是金屬擋板，長sx，寬sy。金屬檔板四角的圓圈表示絕緣柱的位置。圖4(a)是對圖3(b)白色虛線框內(nèi)區(qū)域的放大，圖4(b)是對圖4(a)所示嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)周期陣列里的一個單元的放大。作為本發(fā)明的一個具體例子，圖4顯示的嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)周期陣列規(guī)模是13X2，一個單元所用彎曲線的拐彎個數(shù)是2。
本發(fā)明提出的矩形微帶貼片天線的設(shè)計關(guān)鍵是合理選擇嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)尺寸和陣列規(guī)模。 設(shè)計的第一步是選定天線工作頻率以及介質(zhì)基板的類型，包括厚度h、介電常數(shù)；
第二步是調(diào)節(jié)嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的各項尺寸，包括其刻蝕區(qū)域的尺寸長dx，寬dy、彎曲線的線寬wl、彎曲間隙gl、周圍銅層的間距g和一個單元彎曲線結(jié)構(gòu)的拐彎個數(shù)，
5調(diào)整所述參數(shù)使天線的工作頻率落在嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)自身諧振頻率之前，這里沒有硬性要求工作頻率距離單元諧振頻率多遠，只要確保天線工作頻帶避開單元諧振區(qū)域即可。這里的諧振頻率指嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)在第一層金屬、第二層介質(zhì)和第三層金屬構(gòu)成的平板波導(dǎo)環(huán)境里橫電磁波激勵下的諧振頻率； 第三步是設(shè)定嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)周期陣列的規(guī)模，即圖1中x、 y兩方向單元數(shù)以
及相應(yīng)的陣列在這兩個方向的長度，也就是確定整個天線的刻蝕區(qū)域，并相應(yīng)地確定輻射
貼片的尺寸使輻射貼片_嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列系統(tǒng)諧振在指定的工作頻率上； 第二和第三步嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)及其周期陣列規(guī)模，可以根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)先設(shè)定
初始值，在此基礎(chǔ)上進行調(diào)節(jié)。其中，維持dy，wl，gl，g不變，增加dx以及相應(yīng)的拐彎個數(shù)
可以降低單元諧振頻率，再進一步增加周期陣列在x方向的長度，這樣能適應(yīng)天線工作頻
率降低的要求；維持dx，wl，gl，g不變，減小dy可以升高單元諧振頻率，再進一步減小周期
陣列在x方向的長度，這樣能適應(yīng)天線工作頻率升高的要求。 第四步是在天線地板后方添加金屬擋板以抑制背向輻射，擋板的大小至少完全覆蓋嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列。金屬擋板通過絕緣柱固定在天線金屬地板上，絕緣柱位于擋板四角，只要絕緣柱半徑遠小于天線工作波長， 一般為十分之一波長以下，并且位于貼片和嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列的區(qū)域之外，就能確保它們對天線性能影響很小。金屬擋板的安裝同時會使天線工作頻率偏離原設(shè)計頻率，通常是大于原設(shè)計頻率，金屬擋板和金屬地板間距sh很小時，這個偏差很大難以矯正，隨著sh的增大，偏差漸漸單調(diào)趨于零，一般sh不小于二倍的介質(zhì)基板厚度以利于頻率偏差的矯正；適當(dāng)增加貼片x方向的長度或嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的尺寸dx、 dy可將工作頻率矯正。 第五步是設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)使貼片_嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列_擋板系統(tǒng)和500hm微帶線匹配。以上第二步至第五步都可以借助電磁仿真軟件完成。 圖5給出了本發(fā)明提出的新型矩形微帶貼片天線相對于普通矩形微帶貼片天線帶寬增加的實例。新型矩形微帶貼片天線工作在無線接入頻段，也就是3. 5GHz附近，-10dB帶寬是87MHz，(圖5的實線)，相應(yīng)的各項天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為lp = 16. lmm， wp = 21mm，width = 60mm， length = 76. 3mm， we = 3. 75mm， le = 16mm， wm = 0. 45mm， lm = 15. 3mm，sh = 5mm， st = lmm， sx = 70mm， sy = 50mm， dx = 1. 05mm， dy = 10. 35mm， g = 0. 15， wl =0. 15mm， gl = 0. 15mm，嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列規(guī)模是13X2，即x方向13個單元，y方向2個單元，單元排布周期是x方向1.2mm， y方向10. 5mm，參見圖2、3、4，另外所用介質(zhì)基板的厚度為h二 1.43mm，相對介電常數(shù)2.65，貼片和地板銅層厚度都是0.035mm。圖5還顯示了普通矩形微帶貼片天線的反射系數(shù)作為比較，該普通矩形微帶貼片天線具有和上面所述天線相同的貼片尺寸、相同的介質(zhì)基板，圖中實線是本發(fā)明天線的反射系數(shù)，虛線是普通天線的反射系數(shù)，兩個天線都工作在3. 5GHz附近，本發(fā)明天線的-lOdB帶寬是87MHz，而普通天線的-lOdB帶寬是37MHz，可見本發(fā)明提出的矩形微帶貼片天線實例的帶寬大約是普通矩形微帶貼片天線的2. 35倍。
權(quán)利要求
一種矩形微帶貼片天線，包括上層貼片層、下層金屬地板以及兩者之間的介質(zhì)基板，其特征是金屬地板上刻蝕有特定的圖案，整個刻蝕區(qū)域位于上層貼片層的輻射貼片正下方，與輻射貼片面積對應(yīng)，刻蝕圖案由基本平面單元在金屬地板內(nèi)的兩個正交方向上周期排列而成，基本平面單元是嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種矩形微帶貼片天線，其特征是金屬地板刻蝕有周期排列 的嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)，用普通PCB工藝在敷銅介質(zhì)基板的銅層上刻蝕出來，嵌入式彎曲線 結(jié)構(gòu)在矩形蝕空區(qū)域內(nèi)呈一條鑲嵌金屬彎曲線；嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)包括刻蝕區(qū) 域的尺寸、彎曲線的線寬、彎曲線的彎曲間隙、彎曲線和周圍銅層的間距以及彎曲線的拐彎 個數(shù)，所述彎曲線的拐彎個數(shù)是和刻蝕區(qū)域的尺寸、彎曲線的線寬、彎曲線的彎曲間隙、彎 曲線和周圍銅層的間距有關(guān)的非獨立參數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種矩形微帶貼片天線，其特征是下層金屬地板下方設(shè) 有一塊金屬擋板，金屬擋板的位置及其面積至少覆蓋嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)，金屬擋板和金屬 地板平行，并有一定間距，所述間距不小于介質(zhì)基板厚度的二倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種矩形微帶貼片天線，其特征是金屬擋板通過絕緣柱固定 安裝在金屬地板下方，絕緣柱半徑為天線工作波長十分之一以下，并且位于輻射貼片和嵌 入式彎曲線結(jié)構(gòu)的區(qū)域之外。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種矩形微帶貼片天線，其特征是天線工作在無線接入頻 段，相應(yīng)的各項天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為輻射貼片長lp二16. lmm，寬wp二21mm;介質(zhì)基板寬width =60mm，長length = 76. 3mm;饋線寬we = 3. 75mm，長le = 16mm ;四分之一波長匹配線 寬wm = 0. 45mm，長lm = 15. 3mm ;金屬擋板與金屬地板的間距sh = 5mm，金屬地板厚度st =lmm，金屬地板長sx = 70mm，寬sy = 50mm ;—個嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的刻蝕區(qū)域長dx = 1. 05mm，寬dy = 10. 35m，彎曲線和周圍銅層的間距g = 0. 15，彎曲線的線寬wl = 0. 15mm， 彎曲線的彎曲間隙gl = 0. 15mm ;嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列規(guī)模是13X2，單元排布周期沿刻 蝕區(qū)域長方向為1.2mm，沿刻蝕區(qū)域?qū)挿较驗?0. 5mm;介質(zhì)基板的厚度為h二 1.43mm，相對 介電常數(shù)2. 65，輻射貼片和金屬地板的銅層厚度都是0. 035mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種矩形微帶貼片天線，其特征是天線工作在無線接入頻 段，相應(yīng)的各項天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為輻射貼片長lp二16. lmm，寬wp二21mm;介質(zhì)基板寬width =60mm，長length = 76. 3mm;饋線寬we = 3. 75mm，長le = 16mm ;四分之一波長匹配線 寬wm = 0. 45mm，長lm = 15. 3mm ;金屬擋板與金屬地板的間距sh = 5mm，金屬地板厚度st =lmm，金屬地板長sx = 70mm，寬sy = 50mm ;—個嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)的刻蝕區(qū)域長dx = 1.05mm，寬dy = 10. 35mm，彎曲線和周圍銅層的間g = 0. 15，彎曲線的線寬wl = 0. 15mm，彎 曲線的彎曲間隙gl = 0. 15mm ;嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)陣列規(guī)模是13X2，單元排布周期沿刻蝕 區(qū)域長方向為1.2mm，沿刻蝕區(qū)域?qū)挿较驗?0. 5mm ;介質(zhì)基板的厚度為h = 1.43mm，相對介 電常數(shù)2. 65，輻射貼片和金屬地板的銅層厚度都是0. 035mm。
全文摘要
一種矩形微帶貼片天線，包括上層貼片層、下層金屬地板以及兩者之間的介質(zhì)基板，其特征是金屬地板上刻蝕有特定的圖案，整個刻蝕區(qū)域位于上層貼片層的輻射貼片正下方，與輻射貼片面積對應(yīng)，刻蝕圖案由基本平面單元在金屬地板內(nèi)的兩個正交方向上周期排列而成，基本單元是嵌入式彎曲線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有效展寬天線的工作頻帶。為了抑制天線背向輻射，金屬地板下方添置一塊金屬檔板。本發(fā)明能滿足無線通線領(lǐng)域?qū)μ炀€帶寬的要求，不影響天線的其他性能，制作工藝簡單且便于和系統(tǒng)其他部分集成，加工耗費也相對較低。
文檔編號H01Q13/08GK101764286SQ20101010840
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者周小陽, 崔鐵軍, 楊歆汩, 程強, 馬慧峰 申請人:東南大學(xué)