[发明专利]基于开口谐振环结构的电小尺寸天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种电小尺寸天线，尤其涉及一种基于谐振结构的电小尺寸天 线，可集成印刷在微波电路板上，实现高效率辐射，并可应用在小型集成化系统 的射频前端。

背景技术

天线集成化和小型化是当代无线通信射频前端发展的一大瓶颈。对于传统天 线，当尺寸越小时，其辐射电抗越大，辐射电阻越小。这就会导致天线与馈线之 间的严重阻抗失配，从而导致天线性能恶化。传统的天线匹配网络设计不仅会增 加系统的复杂性，还会极大的提高成本。新型人工电磁结构的研究为小型化天线 的阻抗匹配问题提供了新的解决方案，国际上有学者提出用单负介电常数和单负 磁导率媒质分层布置在电偶极子及磁环周围，很好地完成了各向同性的小尺寸辐 射特性。根据此方案，有人直接利用开口谐振环的谐振特性，设计了三维结构的 电小尺寸天线。开口谐振环作为人工电磁材料常用的一种单元结构，具有很好的 电小特性，其谐振时的波长远大于单元长度，因此可以被利用作为电小谐振天线 的辐射单元。现在通常采用的方案是通过同轴探针环形成磁耦合馈电，让同轴探 针产生的磁场穿过开口谐振环所在的环面，进而激发起强谐振。该方案可实现天 线小型化但失去了集成化的要求。因此要真正将新型人工电磁材料的谐振电小特 性运用在天线小型化中，实用性和集成度是需要首要考虑的。基于此项考虑，我 们首次提出了基于介质基板的开口谐振环电小尺寸天线。该项发明与当前PCB 工艺结合，可以在天线尺寸大大减小的同时保持良好的辐射性能。

发明内容

技术问题：本发明的发明目的是提供一种基于开口谐振环的电小尺寸天线， 该天线具有小尺寸结构紧凑的特点，成本低并且易于集成，具有良好的定向性和 线极化特性，同时具有较高的辐射效率。

技术方案：要将开口谐振环设计成平面电路结构且具有良好的辐射特性， 有三个难点：一是馈电方式的选择，对于开口谐振环结构要实现强的电磁响应必 须使得磁场穿过谐振环；二是电小尺寸开口谐振环结构的设计，三维空间开口 谐振环结构中可将开口末端进行弯折来增加等效电容值，在平面结构中如何在保 证足够辐射面积的条件下实现等效的大电容或者电感值是一大关键；三是反射面 的集成问题，开口谐振环结构在其谐振时等效为一磁偶极子，而要增加磁偶极子 的辐射方向性，就必须加载反射面。基于三方面考虑，我们提出了该项基于介质 基板的开口谐振环电小尺寸天线。介质上表面为两长方形金属贴片，中间留有缝 隙形成等效电容，靠近缝隙处有对称的两排金属化通孔连接金属贴片和下地面孤 立金属片上。由基片集成波导的相关研究可知当金属孔间足够小时，周期孔阵可 等效为一电壁，对于该结构相当于在末端加载了等效的折弯金属壁，由于增加了 末端等效电容值，天线尺寸会显著降低。在上表面贴片周围还有金属化通孔连接 贴片和共面波导地面构成一个谐振回路。该发明采用开路馈电方式，调节共面波 导末段距离下底面边缘的距离d，可以控制馈线耦合的强度进而可以在较大范围 内满足天线辐射阻抗的匹配要求，得到较小的能量反射。上表面金属贴片的大小 也在很大程度上决定了天线工作频率，当贴片长度或者宽度增加时，天线的工作 频率都会下降。

该天线的天线辐射单元、底面刻蚀共面波导、金属化通孔集成在微波电路板 上，底面刻蚀共面波导通过金属化通孔与天线单元连接；所述的天线辐射单元由 两块并排的金属贴片组成，两块金属贴片之间存在缝隙，实现电路中导行波到自 由空间中电磁波的能量转换；所述的底面刻蚀共面波导包括共面波导馈线和孤立 金属片；其中，共面波导馈线与四个孤立金属片相互垂直设置集成在同一地平面 上，通过缝隙分开而相互独立。所述的金属化通孔包括与天线辐射单元外边缘相 连的两排外通孔和与天线辐射单元靠近缝隙的部分相连的两排内通孔；其中与天 线辐射单元外边缘相连的内通孔与共面波导地面相连，与靠近缝隙部分相连的外 通孔与孤立金属片相连。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明具有尺寸小、结构紧凑、成本低的优点。普通电小尺寸天线若采 用基于介质基板结构，则必须要求基板介电常数足够大才能实现较短波长的导行 波，进而实现小尺寸天线。这样做最大的问题就是高介电常数材料成本高，而我 们的发明采用目前常用的低介电常数材料F4B，成本大大降低。另外相比之现 有的三维空间结构电小尺寸天线，该项发明又具有结构紧凑的优势。