小型多频带宽带化天线.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910954245.0 (22)申请日 2019.10.09 (71)申请人 成都航空职业技术学院 地址 610106 四川省成都市龙泉驿区车城 东七路699号 (72)发明人 刘明鑫 (74)专利代理机构 成都正华专利代理事务所 (普通合伙) 51229 代理人 陈选中 (51)Int.Cl. H01Q 1/38(2006.01) H01Q 9/42(2006.01) H01Q 5/10(2015.01) H01Q 5/28(2015.01) H01Q 5/307(201。

2、5.01) (54)发明名称 一种小型多频带宽带化天线 (57)摘要 本发明公开了一种小型多频带宽带化天线， 包括： 介质基板、 正面金属层和背面金属层； 采用 了曲流技术来实现天线的小型化结构设计， 同时 将在天线上加载交指结构和金属化过孔， 实现了 天线复合左右手结构功能， 所设计的天线能够覆 盖频率包括WiFi、 WiMAX和WLAN三个频带， 弥补了 小型化、 多频带和宽带化天线的空白。 权利要求书2页 说明书5页 附图7页 CN 110661091 A 2020.01.07 CN 110661091 A 1.一种小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 包括： 介质基板、 正面金属层和背。

3、面金属 层； 所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合； 所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合； 所述正面金属层包括： 第一微带线(101)、 第二微带线(102)、 第三微带线(103)、 第四微 带线(104)、 第五微带线(105)、 第六微带线(106)、 第七微带线(107)、 第八微带线(108)、 第 九微带线(109)、 第十微带线(110)、 第十一微带线(111)、 第十二微带线(112)、 第十三微带 线(113)和过孔(201)； 所述背面金属层包括： 第十四微带线(114)、 第十五微带线(115)和第十六微带线 (116)； 所述第十三微带线(113)一端延伸至介。

4、质基板的边缘， 其另一端与第十二微带线(112) 一端的一侧连接； 所述第十二微带线(112)另一端的一侧与第十微带线(110)的一端连接； 所述第十微带线(110)的另一端与第七微带线(107)一端的一侧连接； 所述第四微带线(104)的一端、 第五微带线(105)的一端和第六微带线(106)的一端依 次与第七微带线(107)另一端的一侧连接， 且第四微带线(104)、 第五微带线(105)和第六微 带线(106)平行设置； 所述第二微带线(102)的一端和第三微带线(103)的一端依次与第一微带线(101)的一 侧连接， 且第二微带线(102)和第三微带线(103)且平行设置； 所述第二微。

5、带线(102)的另一端伸入第四微带线(104)和第五微带线(105)之间的间 隙； 所述第三微带线(103)的另一端伸入第五微带线(105)和第六微带线(106)之间的间 隙； 所述第十一微带线(111)的一端与第十微带线(110)的一侧连接， 其另一端与第九微带 线(109)的一端连接； 所述第八微带线(108)的一端与第七微带线(107)的一侧连接， 其另一端与第九微带线 (109)的一侧连接； 所述第十四微带线(114)的一侧和两端均延伸至介质基板的边缘； 所述第十五微带线(115)的一端与第十四微带线(114)的另一侧连接， 其另一端与第十 六微带线(116)连接； 所述过孔(201)。

6、穿过介质基板， 用于连接第十六微带线(116)和第一微带线(101)。 2.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述介质基板采用FR4 的介质基板， 其长宽均为30mm， 其厚度为1mm， 其相对介电常数为4.4， 其介质损耗角正切为 0.025。 3.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第一微带线(101) 的长度LP8.0mm， 其宽度WP6.0mm； 所述第二微带线(102)、 第三微带线(103)、 第四微带线(104)、 第五微带线(105)和第六 微带线(106)的长度W118.9mm， 其宽度W21.2mm。 所述第二微带线(102。

7、)和第三微带线(103)的间隔W31.8mm。 权利要求书 1/2 页 2 CN 110661091 A 2 4.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第七微带线(107) 的长度L326mm， 其宽度W44mm。 5.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第八微带线(108) 的长度L61.5mm， 其宽度W51mm。 6.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第九微带线(109) 的长度L712mm， 其宽度W66mm。 7.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第十微带线(110) 的长度L2。

8、16mm， 其宽度W82mm。 8.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第十一微带线 (1i1)的长度L81mm， 其宽度W71mm。 9.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第十二微带线 (112)的长度L913.2mm， 其宽度W92.5mm； 所述第十三微带线(113)的长度L111mm， 其宽 度W101.2mm。 10.根据权利要求1所述的小型多频带宽带化天线， 其特征在于， 所述第十四微带线 (114)的长度30mm， 其宽度L48mm； 第十五微带线(115)的长度L52mm， 其宽度W11mm； 所 述第十六微带线(116)的。

9、长度L1P6mm， 其宽度W1P6mm； 第十五微带线(115)距离介质基板 边缘的最近距离S5mm。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110661091 A 3 一种小型多频带宽带化天线 技术领域 0001 本发明属于微带天线技术领域， 具体涉及一种小型多频带宽带化天线。 背景技术 0002 随着现代化信息技术的不断发展， 微带天线的设计方向朝着小型化、 多频带和宽 带化发展。 因此， 设计一款能够在多个频带中实现辐射且体积较小的天线越来越受到广大 应用者的青睐。 目前， 复合左右手结构的传输线通过左手材料结合传统右手传输线实现， 成 为微波天线领域的一个研究领域。 同时， 复合左右手传输。

10、线结构被应用在多个微波无源和 有源的器件上面， 例如滤波器、 天线、 功分器和双工器等等。 本发明旨在利用复合左右手结 构进行多频带、 小型化天线的设计， 通过在天线上加载具有复合左右手结构的曲折线和交 指结构， 能够在传统的右手传输线上面加载左手特性， 实现天线的辐射频段覆盖Wifi/ WLAN/WiMAX等多个通信领域的频段上。 发明内容 0003 针对现有技术中的上述不足， 本发明提供的一种小型多频带宽带化天线实现一种 多频带、 小型化天线的设计。 0004 为了达到上述发明目的， 本发明采用的技术方案为： 一种小型多频带宽带化天线， 包括： 介质基板、 正面金属层和背面金属层； 000。

11、5 所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合； 0006 所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合； 0007 所述正面金属层包括： 第一微带线、 第二微带线、 第三微带线、 第四微带线、 第五微 带线、 第六微带线、 第七微带线、 第八微带线、 第九微带线、 第十微带线、 第十一微带线、 第十 二微带线、 第十三微带线和过孔； 0008 所述背面金属层包括： 第十四微带线、 第十五微带线和第十六微带线； 0009 所述第十三微带线一端延伸至介质基板的边缘， 其另一端与第十二微带线一端的 一侧连接； 0010 所述第十二微带线另一端的一侧与第十微带线的一端连接； 0011 所述第十微带线的另一端。

12、与第七微带线一端的一侧连接； 0012 所述第四微带线的一端、 第五微带线的一端和第六微带线的一端依次与第七微带 线另一端的一侧连接， 且第四微带线、 第五微带线和第六微带线平行设置； 0013 所述第二微带线的一端和第三微带线的一端依次与第一微带线的一侧连接， 且第 二微带线和第三微带线且平行设置； 0014 所述第二微带线的另一端伸入第四微带线和第五微带线之间的间隙； 0015 所述第三微带线的另一端伸入第五微带线和第六微带线之间的间隙； 0016 所述第十一微带线的一端与第十微带线的一侧连接， 其另一端与第九微带线的一 端连接； 说明书 1/5 页 4 CN 110661091 A 4 。

13、0017 所述第八微带线的一端与第七微带线的一侧连接， 其另一端与第九微带线的一侧 连接； 0018 所述第十四微带线的一侧和两端均延伸至介质基板的边缘； 0019 所述第十五微带线的一端与第十四微带线的另一侧连接， 其另一端与第十六微带 线连接； 0020 所述过孔穿过介质基板， 用于连接第十六微带线和第一微带线。 0021 进一步地： 介质基板采用FR4的介质基板， 其长宽均为30mm， 其厚度为1mm， 其相对 介电常数为4.4， 其介质损耗角正切为0.025。 0022 进一步地： 第一微带线的长度LP8.0mm， 其宽度WP6.0mm； 0023 所述第二微带线、 第三微带线、 第四。

14、微带线、 第五微带线和第六微带线的长度W11 8.9mm， 其宽度W21.2mm。 0024 所述第二微带线和第三微带线的间隔W31.8mm。 0025 上述进一步地有益效果为： 第二微带线、 第三微带线、 第四微带线、 第五微带线和 第六微带线构成交叉指型的微带线， 交叉指型的微带线的缝隙产生左手串联电容CL， 通过 过孔产生并联电感LL； 交叉指型的微带线与背面金属层构成电容Cg， 电容CL、 电感LL和电容Cg 共同构成复合左右手CRLH单元结构的左手部分； 右手并联电容CR由正面金属层和背面金属 层产成， 右手并联电感LR由电流流过细小的金属微带线产生。 本天线的复合左右手单元结 构，。

15、 包括： 左手串联电容CL、 左手接地电感LL、 右手电容CG和右手并联电感LR， 复合左右手单 元结构建立在FR-4介质基板上， 基板的厚度是1mm； 通过Ansoft HFSS建立矩形结构的单元 模型， 分析得到， 该复合左右手单元结构的色散特性； 该结构的左手区域的范围是1GHz 2.3GHz、 4.2GHz6.5GHz， 右手区域的范围是2.6GHz3.9GHz。 0026 进一步地： 第七微带线的长度L326mm， 其宽度W44mm。 0027 进一步地： 第八微带线的长度L61.5mm， 其宽度W51mm。 0028 进一步地： 第九微带线的长度L712mm， 其宽度W66mm。 。

16、0029 进一步地： 第十微带线的长度L216mm， 其宽度W82mm。 0030 进一步地： 第十一微带线的长度L81mm， 其宽度W71mm。 0031 进一步地： 第十二微带线的长度L913.2mm， 其宽度W92.5mm； 所述第十三微带线 的长度L111mm， 其宽度W101.2mm。 0032 进一步地： 第十四微带线的长度30mm， 其宽度L48mm； 第十五微带线的长度L5 2mm， 其宽度W11mm； 所述第十六微带线的长度L1P6mm， 其宽度W1P6mm； 第十五微带线距 离介质基板边缘的最近距离S5mm。 0033 上述进一步地有益效果为： 通过调节正面金属层和背面金属。

17、层的微带线的尺寸调 节复合左右手单元结构中电容电感值， 使得天线的-10dB测量的反射系数带宽是2.3GHz 2.6GHz， 3.1GHz4.5GHz， 5.1GHz5.9GHz， 工作带宽超过83； 上述尺寸参数及距离参数 均由有限元分析工具调节得到， 使天线性能最优。 0034 本发明的有益效果为： 采用了曲流技术来实现天线的小型化结构设计， 同时将在 天线上加载交指结构和金属化过孔， 实现了天线复合左右手结构功能， 所设计的天线能够 覆盖频率包括WiFi、 WiMAX和WLAN三个频带， 弥补了小型化、 多频带和宽带化天线的空白。 说明书 2/5 页 5 CN 110661091 A 5。

18、 附图说明 0035 图1为正面金属层的结构示意图； 0036 图2为背面金属层的结构示意图； 0037 图3为正面金属层的第一部分结构尺寸图； 0038 图4为正面金属层的第二部分结构尺寸图； 0039 图5为背面金属层的结构尺寸图； 0040 图6为复合左右手单元色散曲线图； 0041 图7为天线的测试结果图对比图； 0042 图8为天线2.4GHz表面电流分布图a和3D远场方图对比图b； 0043 图9为天线3.6GHz表面电流分布图a和3D远场方图对比图b； 0044 图10为天线5.2GHz表面电流分布图a和3D远场方图对比图b。 0045 其中： 101、 第一微带线； 102、 。

19、第二微带线； 103、 第三微带线； 104、 第四微带线； 105、 第五微带线； 106、 第六微带线； 107、 第七微带线； 108、 第八微带线； 109、 第九微带线； 110、 第 十微带线； 111、 第十一微带线； 112、 第十二微带线； 113、 第十三微带线； 201、 过孔； 114、 第十 四微带线； 115、 第十五微带线； 116、 第十六微带线。 具体实施方式 0046 下面对本发明的具体实施方式进行描述， 以便于本技术领域的技术人员理解本发 明， 但应该清楚， 本发明不限于具体实施方式的范围， 对本技术领域的普通技术人员来讲， 只要各种变化在所附的权利要求限。

20、定和确定的本发明的精神和范围内， 这些变化是显而易 见的， 一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 0047 一种小型多频带宽带化天线， 包括： 介质基板、 正面金属层和背面金属层； 0048 所述正面金属层与介质基板的一面紧密贴合； 0049 所述背面金属层与介质基板的另一面紧密贴合； 0050 如图1所示， 所述正面金属层包括： 第一微带线101、 第二微带线102、 第三微带线 103、 第四微带线104、 第五微带线105、 第六微带线106、 第七微带线107、 第八微带线108、 第 九微带线109、 第十微带线110、 第十一微带线111、 第十二微带线112、 第十三微带线。

21、113和过 孔201； 0051 如图2所示， 所述背面金属层包括： 第十四微带线114、 第十五微带线115和第十六 微带线116； 0052 所述第十三微带线113一端延伸至介质基板的边缘， 其另一端与第十二微带线112 一端的一侧连接； 0053 所述第十二微带线112另一端的一侧与第十微带线110的一端连接； 0054 所述第十微带线110的另一端与第七微带线107一端的一侧连接； 0055 所述第四微带线104的一端、 第五微带线105的一端和第六微带线106的一端依次 与第七微带线107另一端的一侧连接， 且第四微带线104、 第五微带线105和第六微带线106 平行设置； 005。

22、6 所述第二微带线102的一端和第三微带线103的一端依次与第一微带线101的一侧 连接， 且第二微带线102和第三微带线103平行设置； 说明书 3/5 页 6 CN 110661091 A 6 0057 所述第二微带线102的另一端伸入第四微带线104和第五微带线105之间的间隙； 0058 所述第三微带线103的另一端伸入第五微带线105和第六微带线106之间的间隙； 0059 所述第十一微带线111的一端与第十微带线110的一侧连接， 其另一端与第九微带 线109的一端连接； 0060 所述第八微带线108的一端与第七微带线107的一侧连接， 其另一端与第九微带线 109的一侧连接； 。

23、0061 所述第十四微带线114的一侧和两端均延伸至介质基板的边缘； 0062 所述第十五微带线115的一端与第十四微带线114的另一侧连接， 其另一端与第十 六微带线116连接； 0063 所述过孔201穿过介质基板， 用于连接第十六微带线116和第一微带线101。 0064 如图3所示； 介质基板采用FR4的介质基板， 其长宽均为30mm， 其厚度为1mm， 其相对 介电常数为4.4， 其介质损耗角正切为0.025。 0065 第一微带线101的长度LP8.0mm， 其宽度WP6.0mm； 0066 所述第二微带线102、 第三微带线103、 第四微带线104、 第五微带线105和第六微带。

24、 线106的长度W118.9mm， 其宽度W21.2mm。 0067 所述第二微带线102和第三微带线103的间隔W31.8mm。 0068 其中， 第二微带线102、 第三微带线103、 第四微带线104、 第五微带线105和第六微 带线106构成交叉指型的微带线， 交叉指型的微带线的缝隙产生左手串联电容CL， 通过过孔 201产生并联电感LL； 交叉指型的微带线与背面金属层构成电容Cg， 电容CL、 电感LL和电容Cg 共同构成复合左右手CRLH单元结构的左手部分； 右手并联电容CR由正面金属层和背面金属 层产成， 右手并联电感LR由电流流过细小的金属微带线产生。 本天线的复合左右手单元结。

25、 构， 包括： 左手串联电容CL、 左手接地电感LL、 右手电容Cg和右手并联电感LR， 复合左右手单 元结构建立在FR-4介质基板上， 基板的厚度是1mm； 通过Ansoft HFSS建立矩形结构的单元 模型， 分析得到， 该复合左右手单元结构的色散特性。 0069 如图4所示， 第七微带线107的长度L326mm， 其宽度W44mm。 0070 第八微带线108的长度L61.5mm， 其宽度W51mm。 0071 第九微带线109的长度L712mm， 其宽度W66mm。 0072 第十微带线110的长度L216mm， 其宽度W82mm。 0073 第十一微带线111的长度L81mm， 其宽。

26、度W71mm。 0074 第十二微带线112的长度L913.2mm， 其宽度W92.5mm； 所述第十三微带线113的 长度L111mm， 其宽度1101.2mm。 0075 如图5所示， 第十四微带线114的长度30mm， 其宽度L48mm； 第十五微带线115的长 度L52mm， 其宽度W11mm； 所述第十六微带线116的长度L1P6mm， 其宽度W1P6mm； 第十五 微带线115距离介质基板边缘的最近距离S5mm。 0076 通过调节正面金属层和背面金属层的微带线的尺寸调节复合左右手单元结构中 电容电感值， 使得天线的-10dB测量的反射系数带宽是2.3GHz2.6GHz， 3.1G。

27、Hz4.5GHz， 5.1GHz5.9GHz， 工作带宽超过83； 上述尺寸参数及距离参数均由有限元分析工具调节 得到， 使天线性能最优。 0077 如图6所示， 该结构的左手区域的范围是1GHz2.3GHz、 4.2GHz6.5GHz， 右手区 说明书 4/5 页 7 CN 110661091 A 7 域的范围是2.6GHz3.9GHz。 可见复合左右手天线在左手区域频带的辐射的方向图是后向 辐射， 在右手区域频带的辐射的方向图是前向辐射， 而在平衡区域辐射的方向图是垂直天 线轴向辐射。 0078 图7是天线在矢量网络分析仪器Agilent E8363C的测量反射系数S11的图像， 天线 的。

28、-10dB测量的反射系数带宽是2.3GHz2.6GHz， 3.1GHz4.5GHz， 5.1GHz5.9GHz， 工作 带宽超过83。 从仿真和测量的结果图来看， 加载复合左右手单元结构的天线带宽相对宽， 两者的结果较为吻合， 但是仍然有一些偏差， 在第二个和第三个谐振测量的谐振频点都比 仿真的谐振频点要高一些， 产生这种现象的原因可能是加工的介质基板的高度发生变化或 者是加工的精度存在问题。 0079 图810表示了本发明所设计的天线分别在各个谐振点上的电流分布和天线辐射 的远场方向图， 可以看出， 通过对天线的电流分析可以得到， 在天线的第一个谐振频点上， 电流分布主要是分布在单极子主体的。

29、水平方向上， 根据经典天线设计理论， 可知天线的辐 射方向图是 “苹果形状” 。 另外， 天线在水平方向上的电流幅度较大、 相位相同， 所以水平方 向上电流辐射出来的电场是主极化方向， 而垂直方向上的电流幅度较小、 相位相互抵消， 所 以垂直方向上的电流辐射出来的电场是交叉极化方向。 同理， 在天线的第二个和第三个谐 振频点上， 天线在垂直方向上的电流幅度较大、 相位相同， 所以垂直方向上的电流辐射出来 电场的是主极化方向， 而水平方向上的电流幅度较小、 相位相互抵消， 所以水平方向上的电 流辐射出来电场的是交叉极化方向， 这就说明了天线在第一个和第二、 三个谐振点的极化 方式不同的原因。 0。

30、080 本发明的有益效果为： 本发明通过曲流技术和复合左右手单元相结合， 设计出的 天线尺寸是30mm30mm1.6mm0.3 0.3 0.016 ， 相比于传统的微带天线(0.5 的长 度)， 本发明所设计的天线在尺寸上有明显的缩小； 本天线为一个基于复合左右手材料单元 的单极子曲折线构成的三频带的微带天线， 复合左右手结构加载到曲折线的微带天线上面 使得天线的谐振频点增加、 频带带宽增加和交叉极化减小。 说明书 5/5 页 8 CN 110661091 A 8 图1 说明书附图 1/7 页 9 CN 110661091 A 9 图2 说明书附图 2/7 页 10 CN 110661091 A 10 图3 说明书附图 3/7 页 11 CN 110661091 A 11 图4 说明书附图 4/7 页 12 CN 110661091 A 12 图5 图6 说明书附图 5/7 页 13 CN 110661091 A 13 图7 图8 说明书附图 6/7 页 14 CN 110661091 A 14 图9 图10 说明书附图 7/7 页 15 CN 110661091 A 15 。