一种基于表面开槽的小型化分形微带天线

本发明涉及无线信号与能量传输领域，更具体地，涉及一种基于表面开槽的小型化分形微带天线。

背景技术：

1、地磁场当代无线通信系统的快速发展，特别是通信速率的大幅提高，对天线工作性能的要求也越来越高，微带天线因其剖面低、小型化、成本低、易于与载体共形、方便集成等优点在现代通信的各个场合得到普遍应，并不断地发展壮大。微带天线可以在各种工作频率下使用，工作频率范围为100mhz～100ghz。根据设计者不同的需要，辐射金属片结构可被设计成多种形状，且不仅局限于单层设计，也可设计成多层微带天线结构。由于传统微带贴片天线因为增益低、带宽窄限制了它们的广泛使用，因此提高天线的增益和扩展天线带宽已经成为研究的热点，微带贴片天线的研究也在不断地创新和发展，目前已经提出了几种技术来提高增益、扩展天线带宽、进一步缩小微带天线尺寸，从而改善天线性能。

2、为达到微带天线小型化可使用左手材质。roman kubacki等使用分型结构来刻蚀人工电磁材料单元，该结构可以产生左手材料的特性，将其加载于微带贴片天线的上表面和底面，最终使得其工作频带达到4.1ghz～19.4ghz，并且工作频带内的增益范围从最小6db到最高10db。(muhammad bilal,faisal ahmad khan,faizullah khan,tayyabshabbir,a novelsemi-elliptical uwb antenna with parasitic sinusoids[c]//computing electronicand electrical enginering(ice cube)2018internationalconference on,pp.1-4,2018.)但这种方法提高了天线的设计成本和材料成本。

3、通过设计特殊的馈电结构也可以提高微带天线的带宽。w.sun提出了一种孔径耦合馈电结构的微带天线，相对带宽达41％。该天线通过在下层介质底面印刷微带馈线，接地面开矩形槽，微带馈线通过矩形槽对上层贴片进行耦合馈电，可有效展宽带宽。(w.sun,y.li,z.zhang,z.feng.broadband and low-profile microstrip antenna usingstrip-slot hybrid structure[j].ieee antennas and wireless propagation letters.2017,16:3118-3121.)p.prakash提出一个共面波导馈电的高增益单极子天线，天线下方的amc结构采用蚀刻了圆环形缝隙的方形贴片阵列，其增益可以达到10db。(p.prakash,m.p.abegaonkar,a.basu,s.k.koul.gain enhancement of a cpw-fedmonopole antennausing polarizationinsensitive amc structure[j].ieeeantennas wirelesspropag.lett.,2013,12,1315-1318.)但这种方法增加了天线设计制造的复杂性。

4、d.kim设计了一种小型化的射频识别标签天线，通过在平面偶极子天线下方放置一个加载金属过孔的改进型矩形贴片式amc，降低了天线的剖面并将其尺寸减小至0.1λ0×0.2λ0×0.01λ0，其中λ0为工作波长。(d.kim,j.yeo.low-profile rfid tagantenna usingcompact amc substratefor metallic objects[j].ieee antennaswirelesspropag.lett.,2008,7,718-720.)但这种方法导致天线厚度显著增加。

5、虽然已经提出了一些技术来提高微带天线增益和带宽，实现天线小型化，但是天线设计难度较大、结构复杂，对制作加工要求要高等问题依然存在。

技术实现思路

1、针对上述内容，本发明针对传统微带贴片天线因为增益低、带宽窄限制使用环境的不足，提出一种在915mhz情况下，基于表面开槽的小型化分形微带天线，以满足小型化微带天线使用需求。

2、本发明所要解决的技术问题是：在克服现有微带天线的增益低、带宽窄的同时，进一步实现天线小型化。提出一种在915mhz情况下，基于表面开槽的小型化分形微带天线，通过对矩形辐射贴片进行开槽和一次giuseppe peano分形来提高和改善天线的性能。

3、本发明所采用的技术方案是：一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，包括制备的平板状的介电常数为4.4的介质基板1、处于介质基板1上表面的一次分形并开矩形槽的金属辐射贴片2、处于介质基板1下表面的金属接底板3、同轴馈电探针4。

4、所述介质基板1上表面中心敷铜得到所述辐射贴片2。所述辐射贴片2为矩形结构，先在矩形贴片的每一条边上进行一次giuseppe peano分形，使分形后，曲线总体长度与初始状态的直线长度相等，并且一次分形后的四条长的水平直线长度相等，所有与水平直线垂直的竖直线长度相等。再在每条矩形长边上平行于短边的方向上开两条矩形槽，四条矩形槽关于x轴和y轴对称，各个开槽之间无接触。

5、所述天线介质基板1下表面中心敷铜得到所述金属接地板3，金属接地板的长宽和介质基板的长宽相同。

6、所述同轴馈电探针4的外芯连接介质基板1和金属接底板3，同轴馈电探针4的内芯连接辐射贴片2。

7、具体的：所述矩形辐射贴片尺寸为56×40mm，在其长边上开有上述矩形槽，矩形槽位于距离两条短边各10mm处，尺寸为17.94×2mm。在各边上进行一次giuseppe peano分形，就是在两条长边上各挖掉一个长为15mm、宽为3mm的小矩形，在两条短边上各挖掉一个长为11mm、宽为3mm的小矩形并各自移动至相对应的贴片边缘。

8、具体的：所述天线介质基板1的尺寸为70×60mm，所述金属接地板3的尺寸为70×60mm。

9、具体的：所述同轴馈电探针4的位置处于从辐射单元2的中心顺着矩形微带贴片的长边方向偏移4.6mm处，尺寸为内芯半径0.6mm，外芯半径为1.5mm。

10、介质基板1为玻璃纤维环氧树脂材料，厚度为3mm，辐射单元2为铜，金属接底板3材料为铜。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明通过在传统微带贴片天线上进行分形和开槽处理，实现了对增益的提高和带宽的增加并且大大简化了小型化天线的复杂结构，具有制备简单等优点；2.本发明天线工作中心频率为0.915ghz,增益为-2.13db，具有较大增益，带宽为3.65mhz，vswr＜2；3.本发明结构合理，有效解决了传统微带天线增益低、尺寸过大、结构复杂等技术问题，适用于无线通信场合。

技术特征：

1.一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：介质基板、设置在介质基板上表面的一次分形并开矩形槽的金属辐射贴片、设置在介质基板下表面的金属接底板、同轴馈电探针，所述辐射贴片为矩形结构，在矩形贴片的每一条边上进行一次giuseppepeano分形，分形后曲线总体长度与初始状态的直线长度相等，并且一次分形后的四条长的水平直线长度相等，所有与水平直线垂直的竖直线长度相等；每条矩形长边上平行于短边的方向上设置两条矩形槽，四条矩形槽关于x轴和y轴对称，各个开槽之间无接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：金属接地板的长宽和介质基板的长宽相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：所述同轴馈电探针的外芯连接介质基板和金属接底板，同轴馈电探针的内芯连接辐射贴片。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：介质基板为玻璃纤维环氧树脂材料，辐射单元为铜，金属接底板材料为铜。

5.根据权利要求3所述的一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，其特征在于：介质基板为玻璃纤维环氧树脂材料，辐射单元为铜，金属接底板材料为铜。

技术总结
本发明提供一种基于表面开槽的小型化分形微带天线，包括从上到下依次设置的辐射贴片2、天线介质基板1、金属接地面3、同轴馈电探针4。本发明利用对贴片的每一条边进行一次分形，同时在辐射贴片2上蚀刻四条矩形槽，以达到减小微带天线尺寸，降低天线工作频率的目的。本发明在克服现有微带天线的增益低、带宽窄的同时，进一步实现天线小型化。提出一种在915MHz情况下，基于表面开槽的小型化分形微带天线，通过对矩形辐射贴片进行开槽和一次Giuseppe Peano分形来提高和改善天线的性能。

技术研发人员：张晓峻,余磊,栾雯静,刘思雨,王锋
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12