[發(fā)明專利]基于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的電小尺寸天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910028700.0
• 申請日: 2009-01-05
• 公開（公告）號: CN101459283A
• 公開（公告）日: 2009-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔鐵軍;李孟;林先其;秦瑤
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H01Q13/00
• 分類號: H01Q13/00;H01Q13/08;H01Q1/38
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電小尺寸天線，尤其涉及一種基于諧振結(jié)構(gòu)的電小尺寸天 線，可集成印刷在微波電路板上，實現(xiàn)高效率輻射，并可應(yīng)用在小型集成化系統(tǒng) 的射頻前端。

背景技術(shù)

天線集成化和小型化是當(dāng)代無線通信射頻前端發(fā)展的一大瓶頸。對于傳統(tǒng)天 線，當(dāng)尺寸越小時，其輻射電抗越大，輻射電阻越小。這就會導(dǎo)致天線與饋線之 間的嚴重阻抗失配，從而導(dǎo)致天線性能惡化。傳統(tǒng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不僅會增 加系統(tǒng)的復(fù)雜性，還會極大的提高成本。新型人工電磁結(jié)構(gòu)的研究為小型化天線 的阻抗匹配問題提供了新的解決方案，國際上有學(xué)者提出用單負介電常數(shù)和單負 磁導(dǎo)率媒質(zhì)分層布置在電偶極子及磁環(huán)周圍，很好地完成了各向同性的小尺寸輻 射特性。根據(jù)此方案，有人直接利用開口諧振環(huán)的諧振特性，設(shè)計了三維結(jié)構(gòu)的 電小尺寸天線。開口諧振環(huán)作為人工電磁材料常用的一種單元結(jié)構(gòu)，具有很好的 電小特性，其諧振時的波長遠大于單元長度，因此可以被利用作為電小諧振天線 的輻射單元。現(xiàn)在通常采用的方案是通過同軸探針環(huán)形成磁耦合饋電，讓同軸探 針產(chǎn)生的磁場穿過開口諧振環(huán)所在的環(huán)面，進而激發(fā)起強諧振。該方案可實現(xiàn)天 線小型化但失去了集成化的要求。因此要真正將新型人工電磁材料的諧振電小特 性運用在天線小型化中，實用性和集成度是需要首要考慮的。基于此項考慮，我 們首次提出了基于介質(zhì)基板的開口諧振環(huán)電小尺寸天線。該項發(fā)明與當(dāng)前PCB 工藝結(jié)合，可以在天線尺寸大大減小的同時保持良好的輻射性能。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種基于開口諧振環(huán)的電小尺寸天線， 該天線具有小尺寸結(jié)構(gòu)緊湊的特點，成本低并且易于集成，具有良好的定向性和 線極化特性，同時具有較高的輻射效率。

技術(shù)方案：要將開口諧振環(huán)設(shè)計成平面電路結(jié)構(gòu)且具有良好的輻射特性， 有三個難點：一是饋電方式的選擇，對于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)強的電磁響應(yīng)必 須使得磁場穿過諧振環(huán)；二是電小尺寸開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，三維空間開口 諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中可將開口末端進行彎折來增加等效電容值，在平面結(jié)構(gòu)中如何在保 證足夠輻射面積的條件下實現(xiàn)等效的大電容或者電感值是一大關(guān)鍵；三是反射面 的集成問題，開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在其諧振時等效為一磁偶極子，而要增加磁偶極子 的輻射方向性，就必須加載反射面。基于三方面考慮，我們提出了該項基于介質(zhì) 基板的開口諧振環(huán)電小尺寸天線。介質(zhì)上表面為兩長方形金屬貼片，中間留有縫 隙形成等效電容，靠近縫隙處有對稱的兩排金屬化通孔連接金屬貼片和下地面孤 立金屬片上。由基片集成波導(dǎo)的相關(guān)研究可知當(dāng)金屬孔間足夠小時，周期孔陣可 等效為一電壁，對于該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在末端加載了等效的折彎金屬壁，由于增加了 末端等效電容值，天線尺寸會顯著降低。在上表面貼片周圍還有金屬化通孔連接 貼片和共面波導(dǎo)地面構(gòu)成一個諧振回路。該發(fā)明采用開路饋電方式，調(diào)節(jié)共面波 導(dǎo)末段距離下底面邊緣的距離d，可以控制饋線耦合的強度進而可以在較大范圍 內(nèi)滿足天線輻射阻抗的匹配要求，得到較小的能量反射。上表面金屬貼片的大小 也在很大程度上決定了天線工作頻率，當(dāng)貼片長度或者寬度增加時，天線的工作 頻率都會下降。

該天線的天線輻射單元、底面刻蝕共面波導(dǎo)、金屬化通孔集成在微波電路板 上，底面刻蝕共面波導(dǎo)通過金屬化通孔與天線單元連接；所述的天線輻射單元由 兩塊并排的金屬貼片組成，兩塊金屬貼片之間存在縫隙，實現(xiàn)電路中導(dǎo)行波到自 由空間中電磁波的能量轉(zhuǎn)換；所述的底面刻蝕共面波導(dǎo)包括共面波導(dǎo)饋線和孤立 金屬片；其中，共面波導(dǎo)饋線與四個孤立金屬片相互垂直設(shè)置集成在同一地平面 上，通過縫隙分開而相互獨立。所述的金屬化通孔包括與天線輻射單元外邊緣相 連的兩排外通孔和與天線輻射單元靠近縫隙的部分相連的兩排內(nèi)通孔；其中與天 線輻射單元外邊緣相連的內(nèi)通孔與共面波導(dǎo)地面相連，與靠近縫隙部分相連的外 通孔與孤立金屬片相連。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的優(yōu)點。普通電小尺寸天線若采 用基于介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)，則必須要求基板介電常數(shù)足夠大才能實現(xiàn)較短波長的導(dǎo)行 波，進而實現(xiàn)小尺寸天線。這樣做最大的問題就是高介電常數(shù)材料成本高，而我 們的發(fā)明采用目前常用的低介電常數(shù)材料F4B，成本大大降低。另外相比之現(xiàn) 有的三維空間結(jié)構(gòu)電小尺寸天線，該項發(fā)明又具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。