本发明专利技术涉及一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的小型化低频段的印刷单极子天线。其中，新型开口谐振单元阵列是直接加载在下层接地面的3×2新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列，属于平面印刷结构。因其开口谐振单元结构中的梳状嵌套结构和中心缝隙的存在使得天线整体结构紧凑，并有利于与天线上层的印刷单极子结构耦合形成多个不同谐振模式，对应获得不同的谐振频率用来展宽天线频带。同时，加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列基本不影响天线本身的辐射特性。经仿真和实际测试分析，其实测频带为3.43‑4.54GHz和5.36‑5.73GHz，其频带宽度已经覆盖TDD‑LTE B42/43,WLAN 802.11a(5.470‑5.725GHz)。
A Planar Printed Monopole Antenna Loaded with a Novel Semicircular Comb Nested Open Resonant Element Array
The present invention relates to a miniaturized low frequency printed monopole antenna loaded with a novel semi-circular comb-shaped nested open resonant unit array. Among them, the new open resonant element array is a 3 *2 new semi-circular comb-like nested open resonant element array directly loaded on the lower ground surface, which belongs to the plane printing structure. Because of the comb-like nested structure and the central slot in the open resonant cell structure, the antenna has compact overall structure, and is conducive to couple with the printed monopole structure of the upper layer of the antenna to form a number of different resonant modes, corresponding to different resonant frequencies to broaden the antenna bandwidth. At the same time, the open resonant element array loaded with a semi-circular comb-like nested structure has little effect on the radiation characteristics of the antenna itself. Through simulation and actual test analysis, the measured frequency bands are 3.43 4.54 GHz and 5.36 5.73 GHz, and their bandwidth has covered TDD LTE B42/43, WLAN 802.11a (5.470 5.725 GHz).
【技术实现步骤摘要】
一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线
本专利技术提出了一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的低频段的平面印刷单极子天线，属于电磁波与接收
技术介绍
随着社会科技和制作工艺的提高，一些移动终端设备开始追求实物体积越来越小，覆盖频段范围越来越高及功能越来越多样化的特点。比如，手机中经常采用PIFA天线(PlanarInvertedFAntenna，平面倒F天线)来满足实际要求，但PIFA天线的辐射特性受天线高度的影响很大，往往导致天线频带变窄和辐射效率降低的结果。单极子天线是另一种被广泛应用的宽带天线种类。它具有成本低，易于制造，频带宽等特点。为了使单极子天线拥有更宽的频带及更好的辐射特性，通常采用在地面开槽或者添加寄生单元的方法达到要求。而现有提出的寄生单元结构都是一些简单的多边形，比如矩形或者弯曲的条带，大多只能产生一个特定的谐振频率。因此，本专利技术从开口谐振单元结构作为一种寄生单元结构的思路出发，设计出可以同时产生多个谐振频率的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元，加载至单极子天线结构中实现频带展宽。
技术实现思路
为设计在低频段实现小型化以及产生多个谐振频率点来拓展带宽，能够适应中国未来5G网络频段，本专利技术涉及一种基于半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元的平面印刷单极子天线。可使得单极子天线在类似一元硬币大小的体积下，达到频带为3.43-4.54GHz和5.36-5.73GHz，覆盖TDD-LTEB42/43,WLAN802.11a(5.470-5.725GHz)。1.本专利技术的具体实现措施基于新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线可应用在无线移动通信系统和中国未来的5G标准频段的目标，其实现方法为：该平面印刷单极子天线是包括辐射主体，馈电主体，半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和介质基板四个部分。其中，在天线的辐射面采用的是不对称的单极子结构，辐射主体和馈电主体上边缘相互连接，而辐射单元相对馈电主体宽度略微突出一部分，用来实现天线的阻抗匹配。接地面采用的是3×2的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和额外的一个金属印刷面组成。天线的介质基底采用相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02的FR4材料。所述的馈电主体和辐射主体均为矩形贴片，如图1(a)所示，其具体参数为(mm)：W＝31,L＝31.5,PW＝4.45,PL＝20,PL1＝10,MW＝3.2。所述的接地面是由3×2的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和一块金属印刷平面组成，如图1(b)所示，金属印刷面的具体尺寸为(mm)：GL＝27.5,GW＝6.6,LG＝2。所述的地面开口谐振单元阵列为3×2半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列。其中，一个嵌套结构的开口谐振单元由4个梳状结构组成，每一个梳状结构由7条细长矩形条带沿外圆环的内侧壁水平排列而成。半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元如图1(c)所示，其具体尺寸为(mm)：W1＝10.5,RO＝5,Ri＝3.8,LC＝3,WC＝0.2,S＝0.6,angle＝5°。2.本专利技术与现有的天线结构相比，优点如下：(1)本专利技术提出的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元，可产生多个电容特性并使得单元结构紧凑；与介质上层的单极子的相互耦合之下，能够形成多个谐振频率用来扩展天线的带宽。(2)本专利技术提出平面印刷单极子天线，其辐射性能在加载谐振单元阵列后基本保持不变，并可以通过调节接地面的圆形嵌套开口谐振单元阵列分布来调整频带范围；能够在小型化下实现低频段的目的，其带宽覆盖TDD-LTEB42/43,WLAN802.11a(5.470-5.725GHz)。(3)本专利技术的平面印刷单极子结构体积小，适用于便携设备；结构简单，易于加工，可以使用印制电路板进行大量制作。3.本专利技术的原理如下：对于平面印刷单极子天线，理论上可以采用传输线模型来分析。单极子的长度可近似为半波长，宽度为W，介质基片的厚度为h，其谐振频率的波长为λ。可以将辐射贴片，介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。由于单极子长度约为半波长，所以在两端的开路端的电场的垂直分量的方向相反，水平分量方向相同，在边缘形成辐射。同时，接地面上加载的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列，可以与介质上层的单极子印刷平面耦合形成微带传输线模型，其谐振单元多缝隙的特点耦合形成多个谐振频率，使得单极子天线的频带得以展宽。附图说明图1为提出的新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的结构示意图，其中图(a)为天线介质上层的平面印刷单极子结构图，图(b)为天线介质下层接地面的结构示意图，包括3×2的新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列和额外部分的金属印刷面，(c)为单个半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元的结构示意图。图2为未加载谐振单元阵列的平面印刷单极子天线结构示意图。其中图(a)为平面印刷单极子天线正面结构图，图(b)为平面印刷单极子天线的接地面结构示意图。图3为具有3×2排列的四种不同圆形谐振单元组成的接地面结构示意图，其单元结构由简单向半圆形梳状嵌套开口结构转变。图4为加载四种不同圆形谐振单元结构阵列的平面印刷单极子天线的反射系数结果对比图。从图中看出，加载圆环形谐振单元后的天线谐振频率明显下降，频段向低频移动；而加载具有梳状嵌套结构谐振单元的天线，其第二频带出现，且第一频带继续向低频移动；最后加载半圆环形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的天线，第一频带的带宽明显展宽并且其最小频点低至3.11GHz，第二频带宽度基本保持不变。图5为平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的增益和辐射效率对比图。从图中可以看出，加载单元阵列后的单极子天线的增益相比典型单极子天线的增益有所增加，辐射效率可维持在80％左右。图6为平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的单极子天线的辐射特性对比图。从图中可以看出，加载了半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的天线方向图与其原来相比没有发生明显变化。可以得出，半圆形嵌套开口谐振单元阵列可以在保持天线本身的辐射方向特性下，达到天线展宽的目的。图7是实际测试制作的平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的实物图。图8为平面印刷单极子天线和加载半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的平面印刷单极子天线的反射系数仿真值和实测值的对比图。从图中可以看出，仿真结果和测试结果相符，验证了仿真结果的正确性。具体实施方式通过下面具体的实施方式进一步阐明本专利技术的特点和显著进步。第一步，选择一款典型的平面印刷单极子天线作对比。获得典型的印刷单极子天线的频带，增益，方向图的基本特征，为进一步拓展天线的增益和带宽做分析和比较。选择制作工艺中最常用的FR4材料作为介质基底，对此天线的特性进行研究分析。如图1和图2结构，二者相应的尺寸参数均相同。第二步，设计半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列。其嵌套开口谐振单元应满足如下要求：单元结构要具有紧凑的特点，还要尽可能多和单极子结构耦合产生多个谐振频率。谐振单元从最简单的圆环结构开始，在圆环中添加梳状结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.提出一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的小型化低频段的平面印刷单极子天线。其特征在于：天线结构紧凑，一层介质板平面印刷结构，不需介质板打孔或者另添加衬底(如电磁带隙结构)等工序来扩展带宽；在整体结构小型化的情况下实现了3‑4GHz频带处和5GHz频率处的两个辐射频带。
【技术特征摘要】
1.提出一种加载新型半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元阵列的小型化低频段的平面印刷单极子天线。其特征在于：天线结构紧凑，一层介质板平面印刷结构，不需介质板打孔或者另添加衬底(如电磁带隙结构)等工序来扩展带宽；在整体结构小型化的情况下实现了3-4GHz频带处和5GHz频率处的两个辐射频带。2.根据权利要求1所述的半圆形梳状嵌套结构的开口谐振单元由两个半圆环形梳状结构组成。其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：田慧平，陈硕，杨二兵，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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