專利名稱：多層寬頻微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種雙導(dǎo)線微波傳輸線的輻射終端，特別涉及一種多層寬頻微帶天線。
背景技術(shù)：
無線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用無線技術(shù)，替代傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能，使局域網(wǎng)的組網(wǎng)和使用更加靈活、便利。IEEE802. 11是第一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和媒體訪問控制 (MAC)協(xié)議的規(guī)范，允許無線局域網(wǎng)及無線設(shè)備制造商在一定范圍內(nèi)建立互操作網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 該標(biāo)準(zhǔn)下有多個(gè)協(xié)議組，其中IEEE802. 11a、IEEE802. lln、IEEE802. Ilp等多個(gè)擴(kuò)展協(xié)議可工作在5GHz-6GHz的頻段上。隨著無線局域網(wǎng)與無線寬帶接入設(shè)備的普及，越來越多的無線通信終端或電子產(chǎn)品已經(jīng)不能缺少無線局域網(wǎng)技術(shù)的參與，這同時(shí)也對(duì)無線局域網(wǎng)設(shè)備(或模塊)提出了小型化、高性能等多方面的要求。作為無線輻射終端，天線的尺寸和性能很大程度上決定了通信設(shè)備的小型化和通信性能。目前廣泛應(yīng)用的各種天線中，微帶天線有體積小重量輕適合與載體共形等特點(diǎn)，但傳統(tǒng)微帶天線有著阻抗帶寬相對(duì)較窄的缺點(diǎn)。隨著近、現(xiàn)代微帶天線結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法上的創(chuàng)新，利用縫隙耦合技術(shù)、疊層技術(shù)等手段可以有效的提升天線的阻抗帶寬。但利用縫隙耦合技術(shù)、疊層技術(shù)勢(shì)必改變天線原有的輻射結(jié)構(gòu)，激起表面波等干擾因素，使方向圖上產(chǎn)生后瓣、旁瓣，帶來天線方向圖性能的下降，影響微帶天線在一些強(qiáng)指向性場(chǎng)景中的應(yīng)用。所以對(duì)天線方向圖的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得十分必要。電磁帶隙(Elec tromagnetic Bandgap, EBG)結(jié)構(gòu)是近年來研究的熱點(diǎn)之一。由于其形成的頻率帶隙能有效抑制天線的表面波，提高輻射效率，被廣泛地應(yīng)用于微帶天線的設(shè)計(jì)中。決定天線性能的參數(shù)指標(biāo)主要有工作帶寬(Working bandwidth)、輻射方向圖 (Radiation Pattern)、回波損耗(Return Loss)和天線增益(Antenna Gain)。天線方向圖決定了天線的發(fā)射接收性能，特定應(yīng)用場(chǎng)景的天線應(yīng)具有方向指向性好的特點(diǎn)，所以抑制方向圖后瓣和旁瓣是指向性天線一個(gè)重要的技術(shù)特點(diǎn)。EBG結(jié)構(gòu)反射板可以很好的抑制天線方向圖后瓣，改善方向圖特性。此外，對(duì)于后瓣和旁瓣的抑制也可以提升主輻射方向上的增益，有效提高天線的有效輻射，抑制干擾。本發(fā)明中所述的EBG結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)，利用PCB工藝很容易得到周期EBG結(jié)構(gòu)，制作EBG反射板。對(duì)于目前已有的EBG結(jié)構(gòu)，例如2009100366M. 9的專利申請(qǐng)發(fā)明方案所涉及的EBG結(jié)構(gòu)，實(shí)施本發(fā)明所述的EBG結(jié)構(gòu)可采用更簡(jiǎn)捷、更普遍的工藝流程，從而有效的降低天線成本，提高性能穩(wěn)定度，縮短產(chǎn)品周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種易于實(shí)現(xiàn)、加工生產(chǎn)成本低、工作頻帶寬、增益高、方向圖指向性好、可以使用在無線局域網(wǎng)通信設(shè)備、衛(wèi)星與地面通信、探測(cè)等領(lǐng)域的且兼容性好的多用途多層寬頻微帶天線。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
本發(fā)明是一種多層寬頻微帶天線，它包括上層介質(zhì)基板、中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板、上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層、下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層和饋電探針；所述的上層介質(zhì)基板的下表面附有作為輻射器的上層矩形金屬貼片，該上層矩形金屬貼片開設(shè)有U型槽； 中間層介質(zhì)基板上表面同樣附有作為耦合器的中間矩形金屬貼片，中間矩形金屬貼片開設(shè)有U型槽；所述的中間層介質(zhì)基板下表面整體附有金屬接地層，在金屬接地層中心設(shè)有小圓孔；在上層介質(zhì)基板與中間層介質(zhì)基板之間夾有上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層；緊貼著中間層介質(zhì)基板下表面為下層介質(zhì)基板，下層介質(zhì)基板的下表面為天線的饋電結(jié)構(gòu)；金屬探針垂直貫穿中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板且位于中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板中心位置，其長(zhǎng)度等于兩基板厚度和，其直徑略小于金屬接地層中心小圓孔，饋電探針與中間層介質(zhì)基板上表面中間矩形金屬貼片和下層介質(zhì)基板下表面的饋電微帶線分別焊接，形成饋電輻射通路；在下層介質(zhì)基板下表面緊貼下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層，下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層的下層為反射板；所述的反射板為帶有EBG結(jié)構(gòu)的反射板；所述的上層介質(zhì)基板下表面的上層矩形金屬貼片上的U型槽與中間層介質(zhì)基板上表面中間矩形金屬貼片上的U型槽槽口相對(duì)，為縫隙耦合方式。所述的附在最上層介質(zhì)基板下表面的上層矩形金屬貼片上的U型槽由兩條垂直矩形開槽和一條水平矩形開槽拼接而成，其拼接形狀類似英文大寫字母“U”;所述的中間層介質(zhì)基板上表面中間矩形金屬貼片上的U型槽由兩條垂直矩形開槽和一條水平矩形開槽拼接而成，其尺寸小于上層矩形金屬貼片上的U型槽。所述的帶有EBG結(jié)構(gòu)的反射板上有序的周期性排列著EBG孔，其中單個(gè)EBG孔由 15個(gè)固定排列、尺寸一致的矩形孔構(gòu)成，EBG孔與EBG孔之間在橫向和縱向上有著固定間隔，且EBG孔尺寸和EBG孔間隔應(yīng)使EBG結(jié)構(gòu)周期為四分之一至四分之三的截止波長(zhǎng)。本發(fā)明所有金屬貼片輻射器、EBG反射板、接地板、微帶饋線及其基板均采用印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)。介質(zhì)基板可采用微波介質(zhì)板或PCB板材實(shí)現(xiàn)，低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層可用懸空的方法(空氣層)或用泡沫或其他電性能相似材料實(shí)現(xiàn)?；迮c低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層的粘合可采用低介電常數(shù)粘膠溶劑，或外部緊固形式。采用上述方案后，由于本發(fā)明特殊的雙層倒置U型縫隙耦合饋電方式，可使天線的E面或H面方向圖對(duì)稱性更好，保證天線在更多方向上性能更加一致，無論作為探測(cè)還是通信天線更有現(xiàn)實(shí)意義。而EBG結(jié)構(gòu)的反射板在指定的頻率相對(duì)傳統(tǒng)金屬反射板可更好的抑制后向輻射，提升天線的指向性，進(jìn)一步提高天線增益。本發(fā)明特殊的EBG反射板平面結(jié)構(gòu)也為加工制作EBG結(jié)構(gòu)天線反射板提供了方便。本發(fā)明兼容IEEE802. 11標(biāo)準(zhǔn)下多種無線局域網(wǎng)協(xié)議，可作為其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備收發(fā)天線使用；本發(fā)明工作頻帶位于衛(wèi)星通信頻段，也可作為衛(wèi)星或地面通信天線或探測(cè)天線使用。應(yīng)用本發(fā)明可以有效的提高微帶天線帶寬，大幅改善天線方向圖特性，使天線指向性更強(qiáng)，增益更高，滿足通信、探測(cè)、測(cè)速、測(cè)距、成像等應(yīng)用。本發(fā)明實(shí)施簡(jiǎn)單，加工容易，工藝復(fù)雜度低，可有效降低生產(chǎn)成本，其應(yīng)用范圍較廣。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1是本發(fā)明一種實(shí)施方式的軸測(cè)圖； 圖2是本發(fā)明一種實(shí)施方式的側(cè)視圖3是本發(fā)明一種實(shí)施方式上層介質(zhì)基板的俯視圖4是本發(fā)明一種實(shí)施方式中間層介質(zhì)基板的俯視圖5是本發(fā)明一種實(shí)施方式金屬接地層的俯視圖6是本發(fā)明一種實(shí)施方式下層介質(zhì)基板下表面的仰視圖7是本發(fā)明一種實(shí)施方式金屬反射板的俯視圖8是本發(fā)明一種實(shí)施方式駐波比的測(cè)量數(shù)據(jù)圖9是本發(fā)明一種實(shí)施方式天線E面H面方向圖(工作頻率5. 55GHz)。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，本發(fā)明是一種多層寬頻微帶天線，它包括上層介質(zhì)基板1、中間層介質(zhì)基板2、下層介質(zhì)基板3、上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層4、下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層 5、饋電探針6、上層矩形金屬貼片7、中間矩形金屬貼片8、金屬接地層9、反射板10。所述的上層介質(zhì)基板1的下表面附有作為輻射器的上層矩形金屬貼片7，該上層矩形金屬貼片7開設(shè)有U型槽71 (如圖3所示)。中間層介質(zhì)基板2上表面同樣附有作為耦合器的中間矩形金屬貼片8，中間矩形金屬貼片8開設(shè)有U型槽81 (如圖4所示)，其尺寸與上層矩形金屬貼片7不同；所述的中間層介質(zhì)基板2下表面整體附有金屬接地層9，在金屬接地層9中心設(shè)有圓孔91 (如圖5所示);在上層介質(zhì)基板1與中間層介質(zhì)基板2之間夾有上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層4 ；緊貼著中間層介質(zhì)基板2下表面為下層介質(zhì)基板3，下層介質(zhì)基板3的下表面為天線的饋電結(jié)構(gòu)；金屬探針6垂直貫穿中間層介質(zhì)基板2、下層介質(zhì)基板3且位于中間層介質(zhì)基板2、下層介質(zhì)基板3中心位置，其長(zhǎng)度等于兩基板厚度和，其直徑略小于金屬接地層9中心小圓孔91，饋電探針6與中間矩形金屬貼片8和饋電微帶線 20分別焊接，形成饋電輻射通路。饋電探針6為表面光潔導(dǎo)電性良好的金屬圓柱。焊接時(shí)保證連接良好，焊點(diǎn)在金屬貼片內(nèi)并盡量平整小巧。所述的上層介質(zhì)基板1、中間層介質(zhì)基板2、下層介質(zhì)基板3厚度均為1.5mm。上層介質(zhì)基板1、下層介質(zhì)基板3介電常數(shù)為e = 2.2，中間層介質(zhì)基板2介電常數(shù)F = 2.9。上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層4、下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層5為介電常數(shù)F= 1.07的泡沫。所述的上層介質(zhì)基板1下表面的上層矩形金屬貼片7上的U型槽71與中間層介質(zhì)基板2上表面中間矩形金屬貼片8上的U型槽81槽口相對(duì)，為縫隙耦合方式，即，“U”型開槽方向相差180度，且從自頂向下的透視視角觀察，小“U”型槽在大“U”型槽內(nèi)部，其形式類似漢字中“回”字小“口 ”在大“口”內(nèi)部。所述的附在最上層介質(zhì)基板1下表面的上層矩形金屬貼片7上的U型槽71由兩條垂直矩形開槽711和一條水平矩形開槽712拼接而成，其拼接形狀類似英文大寫字母“U” ； 所述的中間層介質(zhì)基板2上表面中間矩形金屬貼片8上的U型槽81由兩條垂直矩形開槽 811和一條水平矩形開槽812拼接而成，其尺寸小于上層矩形金屬貼片7上的U型槽71。如圖3所示，附著在上層介質(zhì)基板1下表面的上層矩形金屬貼片7，厚度0. 043mm,W=17. 5，L=16. 5。上層矩形金屬貼片7上有“U”型孔槽71，槽孔暴露出上層介質(zhì)基板1的下表面局部(d=2mm，h=12mm, hl=2. 3mm, h2=5mm)，其中上層矩形金屬貼片7、U型槽71及上層介質(zhì)基板1部分采用印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，附著在中間層介質(zhì)基板2上表面的中間矩形金屬貼片8，厚度 0. 043mm,ff=8. 5，L=16。金屬貼片上有反U型槽81，槽孔暴露出中間層介質(zhì)基板2的上表面局部(d=l. lmm，h=7. 5mm，hl=5mm，h2=2mm，h3=7mm)。其中中間矩形金屬貼片8、反“U”型槽以及中間層介質(zhì)基板2采用印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)。在中間層介質(zhì)基板2中心處直徑為0. 5mm 的饋電探針6垂直貫穿中間層介質(zhì)基板2，與附著在中間層介質(zhì)基板2表面的中間矩形金屬貼片8焊接。如圖5所示，在中間層介質(zhì)基板2下表面上全部附著金屬接地層9，厚度0. 043mm。 在金屬接地層9中心處有直徑為Imm的小圓孔91，小圓孔91暴露出中間層介質(zhì)基板2的下表面局部。其中，中間層介質(zhì)基板2上、下表面的金屬貼片、接地層以及槽孔部分均采用印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)。參照?qǐng)D6，饋電微帶線20附著在下層介質(zhì)基板3下表面。所述的饋電微帶線20矩形焊盤和金屬微帶線拼接構(gòu)成。微帶饋電線由下層介質(zhì)基板3 —端延伸至基板中心位置， 在中心位置處呈矩形焊盤。其焊盤201的中心與下層介質(zhì)基板3中心重合。微帶饋電線20 各個(gè)部分尺寸參數(shù)為d=l. 4mm，dl=2. 6mm，11=25. 9mm, 12=4. 8mm。饋電探針6在下層介質(zhì)基板3中心處垂直貫穿下層介質(zhì)基板3與饋電微帶線20。饋電探針6與饋電微帶線20之間采用焊接連接，焊接工藝應(yīng)保證表面光潔導(dǎo)電性良好，保證連接良好焊點(diǎn)在金屬薄片內(nèi)部并盡量平整小巧。其中金屬貼片、饋電微帶線20、接地板、槽孔部分以及基板部分采用印制電路板工藝實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，所述的反射板10為帶有EBG結(jié)構(gòu)的反射板10，其應(yīng)具有周期性的EBG 孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在金屬反射板上有序的周期性排列著EBG孔，EBG孔與EBG孔之間在橫向和縱向上有著固定間隔，其中單個(gè)EBG孔由15個(gè)固定排列、尺寸一致的矩形孔構(gòu)成。其EBG孔尺寸和EBG孔間隔應(yīng)使EBG結(jié)構(gòu)周期為四分之一至四分之三的截止波長(zhǎng)，較佳值為二分之一的截止波長(zhǎng)。此EBG反射板具有PCB平面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很容易使用PCB工藝實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施例中，EBG孔101共有4X7個(gè)，橫向和縱向(自頂向下)的孔間隔分別為0. Imm和0. 2mm， 單個(gè)EBG孔101由15個(gè)邊長(zhǎng)分別為a、b的矩形孔構(gòu)成。結(jié)合圖1、圖2所示，下層介質(zhì)基板3與反射板10之間是下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層5 (泡沫)，介電常數(shù)F =1.07，厚度為6. 5mm。所有基板、泡沫、反射板長(zhǎng)寬一致，長(zhǎng)為 23. 7mm寬為16. 5mm。并且長(zhǎng)寬可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境要求任意放大或略微減小。只需保證中心位置一致，并延長(zhǎng)饋電微帶線20即可。此發(fā)明多層寬頻微帶天線有良好的阻抗帶寬及輻射特性。圖8為本發(fā)明一種較佳實(shí)施例的多層寬頻微帶天線的駐波比測(cè)量數(shù)據(jù)圖。當(dāng)天線工作中心頻率為5. 38GHz若以駐波比VSWR<2為基準(zhǔn)從4. 76GHz到6GHz達(dá)到了 1. MGHz，相對(duì)帶寬達(dá)到23%。圖9為本發(fā)明一種較佳實(shí)施例的多層寬頻微帶天線5. 38GHz方向圖。從圖中可得知，本發(fā)明一種多層寬頻微帶天線有相當(dāng)優(yōu)良的指向性輻射場(chǎng)和低后瓣特性，且增益相對(duì)較高，足以滿足使用者的需求。當(dāng)然，本發(fā)明還可以有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明實(shí)施各種相應(yīng)的變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多層寬頻微帶天線，它包括上層介質(zhì)基板、中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板、上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層、下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層和饋電探針；所述的上層介質(zhì)基板的下表面附有作為輻射器的上層矩形金屬貼片，該上層矩形金屬貼片開設(shè)有U型槽；中間層介質(zhì)基板上表面同樣附有作為耦合器的中間矩形金屬貼片，中間矩形金屬貼片開設(shè)有U 型槽；所述的中間層介質(zhì)基板下表面整體附有金屬接地層，在金屬接地層中心設(shè)有小圓孔； 在上層介質(zhì)基板與中間層介質(zhì)基板之間夾有上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層；緊貼著中間層介質(zhì)基板下表面為下層介質(zhì)基板，下層介質(zhì)基板的下表面為天線的饋電結(jié)構(gòu)；金屬探針垂直貫穿中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板且位于中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板中心位置，其長(zhǎng)度等于兩基板厚度和，其直徑略小于金屬接地層中心小圓孔，饋電探針與中間層介質(zhì)基板上表面中間矩形金屬貼片和下層介質(zhì)基板下表面的饋電微帶線分別焊接，形成饋電輻射通路；在下層介質(zhì)基板下表面緊貼下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層，下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層的下層為反射板；其特征在于所述的反射板為帶有EBG結(jié)構(gòu)的反射板；所述的上層介質(zhì)基板下表面的上層矩形金屬貼片上的U型槽與中間層介質(zhì)基板上表面中間矩形金屬貼片上的U型槽槽口相對(duì)，為縫隙耦合方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層寬頻微帶天線，其特征是所述的附在最上層介質(zhì)基板下表面的上層矩形金屬貼片上的U型槽由兩條垂直矩形開槽和一條水平矩形開槽拼接而成，其拼接形狀類似英文大寫字母“U” ；所述的中間層介質(zhì)基板上表面中間矩形金屬貼片上的U型槽由兩條垂直矩形開槽和一條水平矩形開槽拼接而成，其尺寸小于上層矩形金屬貼片上的U型槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層寬頻微帶天線，其特征是所述的帶有EBG結(jié)構(gòu)的反射板上有序的周期性排列著EBG孔，其中單個(gè)EBG孔由15個(gè)固定排列、尺寸一致的矩形孔構(gòu)成，EBG孔與EBG孔之間在橫向和縱向上有著固定間隔，且EBG孔尺寸和EBG孔間隔應(yīng)使EBG 結(jié)構(gòu)周期為四分之一至四分之三的截止波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層寬頻微帶天線，它包括上層介質(zhì)基板、中間層介質(zhì)基板、下層介質(zhì)基板、上層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層、下層低介電常數(shù)絕緣介質(zhì)層、反射板和饋電探針。其中上層介質(zhì)基板下表面和中間層介質(zhì)基板上表面附有金屬銅貼片矩形輻射器，輻射器分別具有大小不同的U型縫隙結(jié)構(gòu)。由于本發(fā)明特殊的雙層倒置U型縫隙耦合饋電方式，可使天線的E面或H面方向圖對(duì)稱性更好，保證天線在更多方向上性能更加一致，無論作為探測(cè)還是通信天線更有現(xiàn)實(shí)意義。而EBG結(jié)構(gòu)的反射板在指定的頻率相對(duì)傳統(tǒng)金屬反射板可更好的抑制后向輻射，提升天線的指向性，進(jìn)一步提高天線增益。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK102299418SQ20111016059
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者陳彭 申請(qǐng)人:集美大學(xué)