專利名稱：基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信工程中的天線技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線。
背景技術(shù)：
雙頻系統(tǒng)是在兩個頻段上可同時工作的無線通信系統(tǒng)，是現(xiàn)有無線通信技術(shù)的重要組成部分?，F(xiàn)階段的雙頻工作被廣泛應(yīng)用于手機通訊、衛(wèi)星通訊、無線局域網(wǎng)、雙頻段雷達等重要場合，因此設(shè)計出能夠同時工作在雙頻段且性能優(yōu)良的天線對于雙頻系統(tǒng)至關(guān)重要。貼片天線以剖面低、體積小、重量輕、成本輕、易于共形化設(shè)計以及易于與有源器 件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點而倍受青睞。在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，雙頻方案中使用的傳統(tǒng)的貼片天線包括單層雙貼片、雙層雙貼片、無源元件加載等。其中
(I)無源元件加載常常會破壞原有貼片天線的優(yōu)良輻射特性，從而導致天線整體性能降低，比如輻射效率下降、方向圖畸變、交叉極化惡化等；同時，傳統(tǒng)無源元件加載技術(shù)中必然涉及到過孔、焊接、嵌入等額外加工工藝，從而使得其加工程序變得十分復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)加工。(2)單層雙貼片和雙層雙貼片為了保證性能，往往會增加天線的橫向或者剖面尺寸，使得天線的整體尺寸變大，以至于這種天線難以滿足當今社會天線小型化的需求。綜上所述，目前出現(xiàn)的雙頻天線在尺寸和性能兩方面難以實現(xiàn)兼顧，難以滿足市場的實際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)雙頻貼片天線技術(shù)中普遍存在的尺寸增大、方向圖畸變等不足，提供一種既能夠完全保持天線原有尺寸、又能夠在雙頻段保持高輻射效率和優(yōu)良輻射方向圖的基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，包括由金屬貼片層、介質(zhì)基片層、金屬地平面層依次層疊為一體結(jié)構(gòu)的雙面覆銅PCB板，所述金屬貼片層的數(shù)量為一層，且其上表面上刻蝕有一組用于在雙頻段保持高輻射效率和優(yōu)良輻射方向圖的諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列。以上述思路為基礎(chǔ)，本發(fā)明提供了以下兩種諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的實現(xiàn)方案 方案一
所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為CELC陣列，該CELC陣列包括四個成矩形排列的輻射單元；每個輻射單元包括兩個分別由條形凹槽圍成的矩形結(jié)構(gòu)，該兩個矩形結(jié)構(gòu)之間相互平行且相鄰的兩條邊中部設(shè)置有開口，而在兩個矩形結(jié)構(gòu)上與該兩條邊平行的另外兩條邊之間則設(shè)置有穿過該開口的連接槽。所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列刻蝕于金屬貼片層的左側(cè)或右側(cè)。
方案二
所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為CSRR陣列，該CSRR陣列包括九個成矩形排列的輻射單元；每個輻射單元包括一個由條形凹槽圍成的矩形結(jié)構(gòu)，該矩形結(jié)構(gòu)的一條邊從中部斷開形成兩個斷裂口，且該兩個斷裂口均向矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)部彎折90度并平行延伸至少1mm。在上述兩種方案的基礎(chǔ)上，所述介質(zhì)基片層為長方體，其長度為Ltj:入/2. I彡Lg彡A/I. 7,寬度為Wg :入/4. 5彡Wg彡A/4. 9,厚度為h A /200彡h彡人/150，其中X為貼片天線低頻段中心工作頻率對應(yīng)的真空波長。同時，所述金屬地平面層為長方形，其長和寬分別與介質(zhì)基片層的長和寬相同。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(I)本發(fā)明設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)簡單，解決了現(xiàn)有技術(shù)中雙頻天線經(jīng)常使用兩個貼片分別作為高低頻段的輻射源而導致尺寸大、成本高的缺陷，保證了天線小型化的要求。(2)本發(fā)明通過在金屬貼片層上刻蝕諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列，并利用該諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列使其正下方部分的介質(zhì)基片的兩個電磁本構(gòu)參數(shù)之一即等效介電常數(shù)或等效磁導率具有洛侖茲色散特性。介質(zhì)基片層的這一本構(gòu)參數(shù)在低頻工作頻點大于1，而在高頻工作頻點介于0 I之間甚至小于0,這就使得該貼片天線在高頻工作頻點f2的工作模式得到了改造，貼片兩個輻射邊緣上的電場大致保持等幅反向的特點，這與天線在低頻工作頻點fi上的模式非常相近，從而也具有了相似的遠場邊射輻射特性。由此可見，本發(fā)明中雙頻貼片天線在f i和f2上均能保持高輻射效率和優(yōu)良邊射輻射，并且使該優(yōu)良特性在單一貼片上即得到了實現(xiàn)。(3)本發(fā)明只用單層單個金屬貼片便實現(xiàn)了雙頻功能，不僅避免了天線尺寸的增大，節(jié)約了成本，而且防止了天線輻射特性被破壞，保證了貼片天線原有的優(yōu)良輻射特性，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中輻射方向容易畸變、交叉極化惡化等問題。(4)本發(fā)明提出的新型雙頻天線在加工工藝方面與普通貼片天線完全相同，其諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列只需先在現(xiàn)有PCB板上洗出金屬貼片層，而后刻蝕出來即可，無需傳統(tǒng)無源元件加載技術(shù)中所必需的過孔、焊接、嵌入等額外加工工藝，加工非常簡單，非常便于流水線的大規(guī)模加工、制造。(5)本發(fā)明中諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為對稱結(jié)構(gòu)，這種對稱結(jié)構(gòu)有效地減小了兩個主平面上的交叉極化，保證了輻射的優(yōu)良特性。(6)本發(fā)明主要提供了一種在單一貼片上實現(xiàn)雙頻的設(shè)計思路，突破了傳統(tǒng)的雙頻天線設(shè)計固有理念，在設(shè)計思想上實現(xiàn)了重大創(chuàng)新，拓展出雙頻天線技術(shù)發(fā)展的一個新平臺，極大地促進了雙頻天線小型化高性能的技術(shù)進步。(7)本發(fā)明中諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的選擇和設(shè)計，與實際應(yīng)用中所需要的高低頻率比密切相關(guān)。例如當高低頻率比較小時適宜采用能使介質(zhì)基片中磁導率呈洛侖茲色散的CELC陣列，而當高低頻率比較大時適宜采用能使介質(zhì)基片中介電常數(shù)呈洛侖茲色散的CSRR陣列。另一方面，諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的諸多尺寸參數(shù)例如陣元數(shù)目，單元周期尺寸、單元開槽寬度等也可根據(jù)實際需求設(shè)計和優(yōu)化；因此，本發(fā)明具有很高的設(shè)計靈活性，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，適用范圍廣泛。


圖I為本發(fā)明一實施例I俯視圖。圖2為本發(fā)明一實施例I的正視圖。圖3為本發(fā)明一實施例I中CELC單元的結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明一實施例I中仿真和實測的反射系數(shù)圖。圖5為本發(fā)明一實施例I中低頻段I. 71GHz的實測輻射方向圖。
圖6為本發(fā)明一實施例I中高頻段2. 75GHz的實測輻射方向圖。圖7為本發(fā)明一實施例I中CELC陣列下方部分介質(zhì)基片的等效磁導率變化圖。圖8為本發(fā)明一實施例2中CSRR單環(huán)單元的結(jié)構(gòu)圖。圖9為本發(fā)明一實施例2的俯視圖。圖10為本發(fā)明一實施例3中CSRR雙環(huán)單元的結(jié)構(gòu)圖。圖11為本發(fā)明一實施例3的俯視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。實施例I
如圖I所示的雙面覆銅PCB板俯視圖，和圖2所示的雙面覆銅PCB板正視圖，其中金屬貼片層位于最上方且面積小于介質(zhì)基片層，該金屬貼片層的數(shù)量為一層，且由銅制成；介質(zhì)基片層位于金屬貼片層下方，其長、寬、高分別為
Wg=入 /I. 2Lg=入 /I. 7h=入/170
其中X為該貼片天線低頻段中心工作頻率對應(yīng)的真空波長；所述介質(zhì)基片層下方還固定有金屬地平面層，所述金屬地平面層的長和寬與介質(zhì)基片層相同，其中在金屬貼片層上還安裝有一個饋電點，且該饋電點距離金屬貼片層左邊的直線距離fp=A /16. 8
本發(fā)明中的雙頻天線內(nèi)只需要單個單層金屬貼片層即可，因為該貼片天線中的金屬貼片層上右側(cè)刻蝕有2X2的用于在雙頻段保持高輻射效率和優(yōu)良輻射方向圖的諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列，該諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為CELC陣列，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，每個CELC單元包括兩個分別由條形凹槽圍成的矩形結(jié)構(gòu)，該兩個矩形結(jié)構(gòu)之間相互平行且相鄰的兩條邊中部設(shè)置有開口，而在兩個矩形結(jié)構(gòu)上與該兩條邊平行的另外兩條邊之間則設(shè)置有穿過該開口的連接槽。整個CELC單元關(guān)于該連接槽對稱。該連接槽的寬度為
Wstrip=A/1169. 3
兩個矩形結(jié)構(gòu)相互平行且相鄰的兩條邊的間距
Wcap= A/1754
這兩條相鄰邊除去中間開口后的半長度
Lcap= A/134. 9
并且該CELC單元整體寬度為W=入 /17. 9
該CELC單元整體長度為
L=入/50. I
該CELC陣列在貼片天線的高頻工作頻段能夠改變基板中的電場分布，從而使得在高頻工作頻段具有和低頻工作頻段相同的遠場輻射特性。按照如上所述的結(jié)構(gòu)對貼片天線進行仿真和實測得到的反射系數(shù)曲線如圖4所示。從圖中可以看出，貼片天線在I. 71GHz的低頻段中心頻率和在2. 75GHz高頻段中心頻率時，其反射系數(shù)均小于-10dB，因此無論是高頻段還是低頻段，均能得到非常好的匹配。所述貼片天線在低頻段I. 71GHz和高頻段2. 75GHz兩個頻率上的實測輻射方向圖 分別如圖5和圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，該貼片天線在兩個頻段都保持了經(jīng)典的邊射輻射，同時兩個主平面上的交叉極化也很小。圖7顯示了 CELC陣列下方部分介質(zhì)基片的等效磁導率變化情況，其中CELC陣列下方部分也就是圖2中陰影部分的介質(zhì)基片的等效磁導率具有洛侖茲色散特性，即在低頻工作頻點大于1，而在高頻工作頻點f2介于0 1，這就使得該貼片天線在高頻工作頻點4的工作模式得到了改造，貼片兩個輻射邊緣上的電場大致保持等幅反向的特點，這與天線在低頻工作頻點上的模式非常相近，從而也具有了相似的遠場邊射輻射特性。由此可見，本發(fā)明中雙頻貼片天線在和f2上均能保持高輻射效率和優(yōu)良邊射輻射，并且使該優(yōu)良特性在單一貼片上即得到了實現(xiàn)。實施例2
如圖9所示的貼片天線俯視圖，與實施例I的區(qū)別在于，所述輻射單元采用如圖8所示的CSRR單環(huán)單元，該CSRR單環(huán)單元為由四條凹槽圍成的正方形，其中一條邊從中部斷開形成兩個斷裂口，且該兩個斷裂口均向正方形內(nèi)部彎折90度后相互平行地延伸一小段，如Icm0其中兩個斷裂口之間的距離
Wcap=入/1713該斷裂口的長度為
Lcap=入 /144. 3。所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為3 X 3共9個刻蝕于金屬貼片層上CSRR單環(huán)單元排列而成。由于整個陣列共有9個CSRR單環(huán)單元，使得介質(zhì)基片的介電常數(shù)能受到CSRR影響的面積比實例一中的CELC更大,可以進一步增大雙頻天線系統(tǒng)的高低頻率比。其余實現(xiàn)方式與實施例I相同。實施例3
與實施例I的區(qū)別在于，本實施例中諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列由圖11所示的4個CSRR雙環(huán)單元排列而成。如圖10所示的CSRR雙環(huán)單元，共有兩個分別由條形凹槽圍成的內(nèi)矩形
和外矩形。其中內(nèi)矩形位于外矩形內(nèi)部，外矩形的一條長邊中部設(shè)置有開口，該開口的寬度為WMP= A /1754 ;同時，在內(nèi)矩形上與外矩形設(shè)置開口的長邊平行且遠離該長邊的一條邊中部也設(shè)置有開口，該開口的長度同樣為WMP。其余實現(xiàn)方式與實施例I相同。
按照上述實施例，便可很好的實現(xiàn)本發(fā)明。上述實施例僅僅為實現(xiàn)本發(fā)明目的與效果的較優(yōu) 實施例，并非全部實施方式，本發(fā)明的實施方式可以根據(jù)實際情況而改變，在此無法一一窮舉，本發(fā)明的保護范圍也并不局限于上述實施例，凡是基于本發(fā)明設(shè)計原理而進行的無創(chuàng)造性變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，包括由金屬貼片層、介質(zhì)基片層、金屬地平面層依次層疊為一體結(jié)構(gòu)的雙面覆銅PCB板，其特征在于，所述金屬貼片層的數(shù)量為一層，且其上表面上刻蝕有一組用于在雙頻段保持高輻射效率和優(yōu)良輻射方向圖的諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，其特征在于，所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為CELC陣列，該CELC陣列包括四個成矩形排列的輻射單元；每個輻射單元包括兩個分別由條形凹槽圍成的矩形結(jié)構(gòu)，該兩個矩形結(jié)構(gòu)之間相互平行且相鄰的兩條邊中部設(shè)置有開口，而在兩個矩形結(jié)構(gòu)上與該兩條邊平行的另外兩條邊之間則設(shè)置有穿過該開口的連接槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，其特征在于，所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列刻蝕于金屬貼片層的左側(cè)或右側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，其特征在于，所述諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列為CSRR陣列，該CSRR陣列包括九個成矩形排列的輻射單元；每個輻射單元包括一個由條形凹槽圍成的矩形結(jié)構(gòu)，該矩形結(jié)構(gòu)的一條邊從中部斷開形成兩個斷裂口，且該兩個斷裂口均向矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)部彎折90度并平行延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意一項所述的基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，其特征在于，所述介質(zhì)基片層為長方體，其長度為Ltj : X /2. I彡U彡X /I. 7，寬度為% 入/4. 5彡We彡A/4. 9,厚度為h A /200彡h彡X /150，其中\(zhòng)為貼片天線低頻段中心工作頻率對應(yīng)的真空波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，其特征在于，所述金屬地平面層為長方形，其長和寬分別與介質(zhì)基片層的長和寬相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)陣列的新型雙頻貼片天線，屬于通信工程領(lǐng)域，包括由金屬貼片層、介質(zhì)基片層、金屬地平面層依次層疊為一體結(jié)構(gòu)的雙面覆銅PCB板，所述金屬貼片層的數(shù)量為一層，且其上表面上刻蝕有一個用于在雙頻段保持高輻射效率和優(yōu)良輻射方向圖的輻射陣列。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中使用的雙頻貼片天線占用面積大或者輻射方向容易受到畸變并且輻射強度減少、交叉極化惡化的缺陷，在確保小型化的同時實現(xiàn)了高輻射效率和優(yōu)良輻射方向圖，而且，本發(fā)明無須過孔、焊接、嵌入等加工工藝，非常適合大規(guī)模制造、加工與生產(chǎn)。
文檔編號H01Q5/01GK102780086SQ20121027096
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者林先其, 熊江, 王秉中 申請人:電子科技大學