专利名称：具有u形槽和折线槽的双波段平面倒f天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于无线通信的双波段平面倒F天线，属于谐 振式微带天线技术领域。
背景技术：
近年来，人们对信息和多媒体通信系统需求不断增加，通信网也 不断膨胀。当今，学术界和工程界在多波段樣i带天线领域进行了很多 探索和努力，主要方向是在减小天线尺寸的同时扩展其工作带宽。
到目前为止，已经有许多方法可用于实现小型化双频段微带天线 了，其中包括用短路销钉或短路带、槽口或缝隙、以及电容等加载贴 片的技术。各种形式的加载都是通过扰动其场分布和改变由各种模式 所构成的谐振频率而实现的。所需要的不同模式间的频率比可以通过 选取适当的加载位置和加载量来实现，而频率调谐可以通过改变矩形 贴片的尺寸来实现，其实现与频率比无关。
缝隙加载作为一种较为成熟的微带天线加载技术，被频繁地用于 实现双频和改变极化特性等方面；而电容加载则是一种较新型的可以 有效地减小天线尺寸的技术。
由缝隙产生的场扰动实质上是非常复杂的，无法用简单的微扰作 用进行描述。事实上，在某些情况下缝隙对输入阻抗的影响可以作为 引入电感来描述。根据具体设计要求的不同，缝隙可以开在贴片的边沿或者中间。而在贴片天线中实现缝隙的最简单的方法是利用印制电 路板工艺中的光刻技术在贴片上刻蚀出缝隙。
本次发明中的小型双频微带天线即是通过采用短路带加载技术、 改进的U形槽加载技术及电容加载技术等多种技术手段实现的。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于无线通信的双波段(即双频)平 面倒F天线。该装置在实现天线的双波段工作的同时，还具有以下特
点尺寸小，造价低，结构简单，易于与其他设备集成。
本发明的目的是这样实现的 一种双波^史平面倒F天线，包括有 一块金属贴片、 一块与金属贴片平行的金属接地板；其特征在于该 天线的金属贴片呈矩形，在矩形贴片上有一条U型缝隙和折线槽，贴 片 一端向下垂直弯折再向内垂直弯折。U型缝隙以天线中轴线为对称 轴，两条平行边与矩形贴片的中轴线保持平行，另一条边与此中轴线 垂直；折线槽和U型槽相通并垂直于中轴线。在金属贴片与金属接地 板之间垂直安装有 一块短路矩形金属片和一个馈电探针，矩形金属 片安装在金属贴片一角上，以激发多个离散的谐振频率，实现多波段 工作；金属贴片一端向下垂直弯折再向内垂直弯折，与接地板形成一 个电容，利用终端效应可以有效地减小天线的尺寸。馈电探针的安装 位置偏离金属贴片的水平中轴线，并远离金属贴片上安设短路金属片 的一端，以减少因短路金属片对输入阻抗的影响。金属贴片、与贴 片相连的金属片、金属接地板和短路金属片都是用金属铜制成，所述 馈电探针是用同轴电缆或微波接头制成。
所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在于所述的金属贴片 一端向下垂直弯折再向内垂直弯折；所述的U型缝隙以天线中轴线为 对称轴，两条平行边与矩形贴片的中轴线保持平行，另一条边与此中 轴线垂直；折线槽和U型槽相通并垂直于中轴线。
所述的短路矩形金属片垂直安装于金属贴片的一角，其上边沿与 金属贴片连接，下边沿与金属接地板连接；短路矩形金属片所在平面 与矩形金属贴片所在平面相垂直。
所述的馈电探针的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为 探针，从作为接地板的金属板上的通孔穿出，该通孔的孔径应略大于 该内导体直径，与内导体之间填充有绝缘材料，以保持两者绝缘；该 内导体探针垂直于接地板，向上延伸至与贴片平面平齐，该探针伸出 位置即为馈电点，在馈电点探针与贴片相连接；同轴电缆或微波接头 的外导体在该金属接地板下方与该金属接地板相连接。
所述的金属贴片呈矩形，其厚度为印制电路板工业标准的铜箔厚
度，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为 1
<formula>complex formula see original document page 7</formula>
式中^是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；e。是真空 介电常数；A是真空磁导率；^是介质的相对介电常数；M是等效 辐射缝隙宽度；《是有效介电常数；hl是金属接地板与金属贴片之间 绝缘介质的厚度，其数值为印制电路板工业标准中绝缘介质的厚度。
所述的金属接地板的厚度为印制电路板工业标准铜箔厚度，其长 度和宽度都应比所述的金属贴片至少大20腿。
所述的位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质，即印制 电路板的介质基片推荐使用相对介电常数小于5的绝缘介质。本设计 中采用空气作为介质，即相对介电常数为1。
本发明是一种结构新颖、简单、实用的双波段平面倒F天线，可 同时提供优良的带宽和辐射效率，该天线可以用于各种需要多波段天 线的无线通信设备中。其主要特点是采用单层金属贴片作为天线， 结构简单；而且，几何尺寸小、重量轻，易于集成在各种器件中；馈 电系统也非常简单，只有单个探针馈电。因此本发明与其他结构复杂 的天线相比较，制造成本低廉，具有较好的推广应用前景。
图1是本发明的一实施例-双波段微带贴片天线的俯视图。 图2是图1所示的一实施例的主视剖视图。 图3是图1所示的一实施例的侧视图。 图4是图1所示的一实施例的天线回波损耗图。 图5是图l所示的一实施例的天线在f01- 900MHz谐振频率处垂 直于天线贴片的两个正交平面内的天线增益方向图。
图6是图1所示的一实施例的天线在f 02 = 1800MHz谐振频率处 垂直于天线贴片的两个正交平面内的天线增益方向图。
具体实施例方式
参见图1~图3,下面结合图示的本发明的一实施例-双波段微 带贴片天线-进一步说明其组成结构。本发明是一种双波段平面倒F 天线，包括有 一块金属接地板l、 一块与金属接地板1平行的金属 贴片2和位于金属贴片2和金属接地板1之间的绝缘填充介质8;该 天线贴片一端向下垂直弯折再向内垂直弯折，向内弯折部分9与接地 板形成一个电容；该天线在金属接地板1与金属贴片2之间垂直安装 有一块短路矩形金属片6和一个馈电探针7;金属贴片上有一条U型 缝隙和折线缝隙3和折线槽4、 5，以激发多个离散的谐振频率，实 现双波段发射或接收。
在矩形贴片2上有一条U型缝隙3和折线缝隙4、 5， U型缝隙以 天线中轴线为对称轴，两条平行边与矩形贴片的中轴线保持平行，另 一条边与此中轴线垂直；贴片一端向下垂直弯折再向内垂直弯折，和 接地板构成一个电容，以减小天线的尺寸；矩形贴片一角垂直安装有 一块短路矩形金属片，其上边沿与金属贴片连接，下边沿与金属接地 板连接，并与贴片所在平面垂直;具有以上结构的激发多个离散的谐 振频率，实现多波段发射或接收。图1所示的U型缝隙3和折线缝隙 4、 5在金属贴片2的x-y二维平面(该坐标系是以金属贴片2的一 边的中点为原点，该边为x轴，垂直该边的中线为y轴)上，外沿水 平宽度为W-15mm,垂直长度为L-38mm，贴片一端向下垂直弯折并
向内弯折部分尺寸如图2所示W = 15mm， L2 = 4誦，U型缝隙水平部分 的缝宽I = 0. 5mm, U型缝隙水平宽度Ws=13mm,垂直长度为Ls = 26mm， 垂直部分的缝宽J = 0. 5mm,折线槽水平长度dl-6mm,垂直宽度I=lmm。
U型缝隙下端距离贴片左、右边沿的距离为dx = lmm， U型缝隙 下端距离贴片下边沿的距离为dY-10mm，折线槽水平缝隙间的距离 如图1所示，d2-18mm，贴片下边沿连接有宽度为M=2mm的垂直于x -y二维平面的矩形金属片6。
金属贴片2与金属接地板之间的距离h=10mm, 金属片9与地平 面1之间的3巨离dz=2mm。
本发明的金属接地板l、金属贴片2和金属片6的材料是高导电 率金属或者表面镀有高导电率金属的材料，该实施例中是使用金属 铜，馈电探针7是用具有外导体71、内绝缘层、内导体72和外绝缘 层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成，实施例中是用特性阻抗 5 0Q的同轴电缆将其末端一部分外导体和绝缘层剥除之后制成的。本 发明中各种金属元件之间的电连接都是釆用锡焊实现。
参见图2和图3,馈电探针7的安装是将同轴电缆或微波接头的 内导体72作为探针，从金属接地板2上的圓孔穿出，该圓孔的孔径 应略大于该内导体72直径，在内导体72与圆孔孔壁之间为空气介质， 以保持两者绝缘。该内导体探针72垂直于金属接地板1平面，向上 延伸至金属贴片2的下方与该金属贴片1相连接，该探针72与该金 属贴片2相连接处即为馈电点。同轴电缆或^t波接头的外导体72在 该金属接地板2的下方与该金属接地板2相连接。馈电点的安装位置
是根据设计要求决定的，其位置决定天线的工作频率范围和匹配问
题；若移动馈电点的位置，天线工作频率范围和回波损耗也将随之改
变。图l展示了馈电探针7在金属贴片1的x-y二维平面中的坐标 位置为(2. 5, 3) mm。
本发明的金属贴片1呈矩形，图1所示的实施例中其长1^38mm, 宽W= 15 mm;与金属接地板1平行；其厚度为印制电路板工业标准 的铜箔厚度，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为
<formula>complex formula see original document page 11</formula>
式中A是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；4是真 介电常数；^是真空磁导率；^是介质的相对介电常数；ai是等效 辐射缝隙宽度；^是有效介电常数；h是金属接地板与金属贴片之间 绝缘介质的厚度，其数值为印制电路板工业标准中绝缘介质的厚度。
所述的金属接地板1的厚度为印制电路板工业标准铜箔厚度，其 长度和宽度都应分别比金属贴片2的长度L和宽度W至少大20mm。 其它有关参数的计算公式是
<formula>complex formula see original document page 11</formula> 式中^是有效介电常数； 是介质的相对介电常数；az是等效辐射缝隙宽度；L是金属贴片的长度；W是金属贴片的宽度。图示的 实施例的高度h- 10mm。
本发明在金属贴片1和金属接地板2之间的填充介质为空气，相 对介电常数为1。
参见图4~图5,本发明通过对金属贴片的尺寸、贴片一端与之相 连的金属片的尺寸及位置、金属贴片与金属接地板的距离、U型缝隙 尺寸及位置和馈电点的安装位置进行计算和合理安排，使得在上述图 1 ~图3中展示的实施例天线具有两个离散的谐振频率f01 = 900MHz 和f02-180画Hz。图4说明了在上述两个谐振频率处的回波损耗均 小于-10dB，满足了多波段工作的要求。图5图6展示了 f01-90画Hz 谐振频率和f02 = 1800MHz谐振频率处的天线增益方向图，可以看出 天线在两个频段的方向性和辐射效率达到了实际的要求。
权利要求
1、设计的双波段平面倒F天线，包括有一块金属贴片、一块与金属贴片平行的金属接地板；其特征在于该天线的金属贴片呈矩形，在矩形贴片上有一条U形槽和折线槽，贴片一端向垂直于接地板方向弯折再向平行于接地板方向弯折。U形槽以金属贴片的中轴线为对称轴，两条平行边与贴片的中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直；U形槽两平行边内侧分别有一条缝隙与之相连并与之垂直，即为折线槽。在金属贴片与金属接地板之间垂直安装有一块短路矩形金属片和一个馈电探针，短路金属片安装在金属贴片边缘的一端，以激发多个离散的谐振频率，实现多波段工作；金属贴片一端向垂直于接地板方向弯折再向平行于接地板方向弯折，与接地板形成一个电容，利用终端效应可以有效地减小天线的尺寸。馈电探针的安装位置偏离金属贴片的水平中轴线，并远离金属贴片上安设短路金属片的一端，以减少因短路金属片对输入阻抗的影响。
2、 根据权利要求1所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在 于所述的金属贴片、金属贴片上的U形槽、折线槽、金属接地板 采用在铜片光刻技术实现。以上所述的馈电探针是用具有内导体、内 绝缘层、外导体和外绝缘层的同轴结构的同轴电缆或微波接头制成。
3、 根据权利要求1所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在 于所述的U形槽以天线中轴线为对称轴，两条平行边与矩形贴片 的中轴线保持平行，另一条边与此中轴线垂直；U形槽两平行边内侧 分别有一条缝隙与之相连并与之垂直，即为折线槽。
4、 根据权利要求1所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在 于所述的短路矩形金属片垂直安装于金属贴片的边缘的一端，其上 边沿与金属贴片连接，下边沿与金属接地板连接。
5、 根据权利要求1或4所述的一种双波段平面倒F天线，其特 征在于所述的短路矩形金属片所在平面与矩形金属贴片所在平面相 垂直。
6、 根据权利要求2所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在 于所述的馈电探针的安装是将同轴电缆或微波接头的内导体作为探 针，从作为接地板的金属板上的通孔穿出，该通孔的孔径应略大于该 内导体直径，与内导体之间填充有绝缘材料，以保持两者绝缘；该内 导体探针垂直于接地板，向上延伸至与贴片平面平齐，该探针伸出位置即为馈电点，在馈电点探针与贴片相连接；同轴电缆或微波接头的 外导体在该金属接地板下方与该金属接地板相连接。
7、 根据权利要求6所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在 于所述的馈电探针的安装位置偏离金属贴片的水平中轴线，并远离 金属贴片上安设短路金属片的一端，以减少因短路金属片对输入阻抗 的影响。
8、 根据权利要求1所述的一种多波段微带贴片天线，其特征在 于所述的金属贴片呈矩形，其厚度为印制电路板工业标准的铜箔厚 度，其长度L和宽度W的尺寸与天线谐振频率的设计参数为<formula>see original document page 4</formula>式中f。是天线的谐振频率或其工作频带的中心频率；ε0是真空介 电常数；u。是真空磁导率；εr是介质的相对介电常数；△L是等效辐 射缝隙宽度；εe是有效介电常数；h是金属接地板与金属贴片之间绝 缘介质的厚度，其数值为印制电路板工业标准中绝缘介质的厚度。
9、 根据权利要求1所述的一种双波段平面倒F天线，其特征在 于所述的金属接地板的厚度为印制电路板工业标准铜箔厚度，其长 度和宽度都应比所述的金属贴片至少大20mm。
10、 根据权利要求1或9所述的一种双波段平面倒F天线，其特 征在于所述的位于金属贴片和金属接地板之间的绝缘填充介质，推 荐使用相对介电常数小于5的绝缘介质。本设计中采用空气作为介 质，即相对介电常数为1。
全文摘要
设计的双波段平面倒F天线包括一块金属贴片、一块与金属贴片平行的接地板。该天线的金属贴片呈矩形，在矩形贴片上有一条U形槽和折线槽，贴片一端向垂直于接地板方向弯折再向平行于接地板方向弯折。U形槽以金属贴片的中轴线对称，两条平行边与贴片的中轴线平行，另一条边与中轴线垂直。U形槽两平行边内侧分别有一条与之相连并与之垂直的缝隙，即为折线槽。在金属贴片与接地板之间垂直安装有一块短路矩形金属片和一个馈电探针，短路金属片安装在金属贴片边缘的一端。馈电探针偏离金属贴片的中轴线和短路金属片。金属贴片、接地板和短路金属片的材料为铜。馈电探针是用同轴电缆或微波接头制成。该天线具有尺寸小，造价低，结构简单等优点。
文档编号H01Q13/10GK101345348SQ200810119550
公开日2009年1月14日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者炜 任, 刘元安, 吴利刚, 黎淑兰 申请人:北京邮电大学