一种应用于WLAN的双频缝隙天线

一种应用于wlan的双频缝隙天线
技术领域
1.本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于wlan的双频缝隙天线。


背景技术：

2.微带天线的结构一般由介质基板、辐射体及接地板构成。在介质基板的正反面都敷上一定厚度的金属导体，并将它的一面作为天线的接地板，另一面作为天线的辐射贴片。微带天线常见的馈电方式有同轴线馈电和微带线馈电，其工作原理是：在天线的辐射贴片与接地板之间产生电磁场，并通过贴片与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可以看成一种缝隙天线。通常介质基板的厚度远小于波长，属于一种小型化天线。
3.无线局域网(简称wlan，wireless local area network)，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。随着移动互联网数据通信飞速发展，宽带无线接入技术得到快速发展及应用，高速率的宽带接入技术不断发展提速，移动通信设备仅工作在ieee802.11b(2.402ghz-2.4835ghz)频段无法满足无信通信设备对高速率通信的需求。因此，能够工作在ieee802.11b，同时兼顾更高频率资源的ieee8021.11a(5.15ghz-5.350ghz，5.725ghz-5.825ghz)协议将是无线通信设备发展的趋势。但是，无线通信设备若能同时工作于ieee802.11a和ieee802.11b两种协议，其内部使用两个单频天线将会占据设备内部大量的空间，增大设备的体积，这一点不符合移动通信设备小型化的发展趋势，这样就需要无线通信设备的发射机能够拥有工作于wlan的双频天线。但是现有的应用于wlan的双频缝隙天线尺寸大、结构复杂和生产制作成本高。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用于wlan的双频缝隙天线，解决了现有技术中应用于wlan网络的双频天线尺寸大、结构复杂和成本高的问题。
5.本发明实施例提供了一种应用于wlan的双频缝隙天线，该双频缝隙天线包括介质基板、设置在所述介质基板一面的l型微带馈电线以及设置在所述介质基板另一面的金属地面和辐射缝隙；所述辐射缝隙沿着介质基板的表面由介质基板的一边向内延伸，形成一端开口、另一端位于所述金属地面内的连续缝隙，所述辐射缝隙的宽度沿着所述延伸的方向以三级阶梯状逐渐减小。
6.优选地，所述l型微带馈电线的长边远离短边的一端与介质基板的一边对齐，所述l型微带馈电线的短边位于介质基板的表面内。
7.优选地，所述l型微带馈电线的长边远离短边的一端与所述辐射缝隙的位于所述金属地面内的一端朝向介质基板的同一个边。
8.优选地，所述辐射缝隙位于所述介质基板的中线上，所述l型微带馈电线的长边位于所述介质基板的中线的一侧，且l型微带馈电线的短边与辐射缝隙在介质基板的设置有l型微带馈电线的一面上的投影相交。
9.优选地，所述l型微带馈电线的短边与辐射缝隙的投影中的中间阶梯段相交。
第三阶梯段的宽；w2-第二阶梯段的宽；w3-第一阶梯段的宽；w4-第一阶梯段的边与距离其最近的介质基板的长边的距离；w5-l型微带馈电线的外侧长边与距离其最近的介质基板的长边之间的距离；wf-l型微带馈电线的长边和短边的宽。
具体实施方式
31.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
32.本发明的一个具体实施例提供了一种应用于wlan的双频缝隙天线，如图1-3所示，该双频缝隙天线包括介质基板1、设置在所述介质基板1一面的l型微带馈电线2以及设置在所述介质基板1另一面的金属地面3和辐射缝隙4；所述辐射缝隙4沿着介质基板1的表面由介质基板1的一边向内延伸，形成一端开口、另一端位于所述金属地面3内的连续缝隙，所述辐射缝隙4的宽度沿着所述延伸的方向以三级阶梯状逐渐减小。
33.可以理解的是，l型微带馈电线2设置在介质基板1的一面，金属地面3和辐射缝隙4设置在介质基板1的设置有l型微带馈电线2的相对面，若介质基板1设置l型微带馈电线2的一面定义为正面，则金属地面3和辐射缝隙4设置在介质基板1的背面，若介质基板1设置l型微带馈电线2的一面定义为背面，则金属地面3和辐射缝隙4设置在介质基板1的正面。
34.需要说明的是，为了清楚显示出本发明的双频缝隙天线的结构，图1中显示的l型微带馈电线2是l型微带馈电线2在金属地面3上的投影。所述“位于所述金属地面3内”是指周围被金属地面3包围。
35.与现有技术相比，本发明的双频缝隙天线结构简单、成本低、工作频带宽，本发明的l型微带馈电线2可以实现天线在工作频点输入阻抗的匹配，本发明的辐射缝隙4开口端为短路，在低频段可以视为电感元件，位于金属地面3内的一端为开路，在低频段可以视为电容元件，当谐振频率提升至2倍频以上时，元件的性质则正好互换，因此，天线能够存在两个谐振频率和相应的工作频带，同时，天线在低频和高频均为相同的驻波谐振模式，通过改变辐射缝隙4的长度和宽度改变表面的电流分布，进而达到改变调谐天线的工作频段；并且，辐射缝隙4的阶梯状缝隙能够切断金属地面3的电流分布，从而延长电流路径实现天线小型化。
36.本发明通过l型微带馈电线2和三级阶梯状的连续缝隙(辐射缝隙4)实现天线同时工作在2.45ghz和5.8ghz，天线端口回波损耗s
11
≤-10db以下工作带宽分别为2.4-2.49ghz和5.48-6.1ghz，满足ieee802.11b/g和ieee802.11a/n标准，且带内端口反射系数低。
37.本发明中，需要说明的是，如图1和图3所示，在介质基板1的设置有金属地面3的一面上，辐射缝隙4是金属地面3上的镂空部分，在制作该面结构时，先在介质基板1的该面上形成一层金属层，在对金属层进行蚀刻，蚀刻出辐射缝隙4，最终得到金属地面3和辐射缝隙4，即金属地面3覆盖该面上除辐射缝隙4之外的其他区域。
38.本发明中，将l型微带馈电线2中较长的一边记为长边，将较短的一边记为短边。值得注意的是，所述l型微带馈电线2的长边远离短边的一端与介质基板1的一边对齐，所述l型微带馈电线2的短边位于介质基板1的表面内。
39.本发明中，具体来说，所述l型微带馈电线2的长边远离短边的一端与所述辐射缝隙4的位于所述金属地面3内的一端朝向介质基板1的同一个边。
40.具体来说，l型微带馈电线2由长边段和短边段组成，长边段与辐射缝隙4的延伸方向平行，短边段与辐射缝隙4的延伸方向垂直。进一步地，l型微带馈电线2的短边段与辐射缝隙4的第二阶梯段垂直。
41.本发明中，进一步地，所述l型微带馈电线2的长边和辐射缝隙4的延伸方向垂直于介质基板1的同一个边。
42.本发明中，需要说明的是，所述辐射缝隙4位于所述介质基板1的中线上，所述l型微带馈电线2的长边位于所述介质基板1的中线的一侧，且l型微带馈电线2的短边与辐射缝隙4在介质基板1的设置有l型微带馈电线2的一面上的投影相交。
43.本发明中，所述中线是辐射缝隙4的开口端所在的边的中点与相对边的中点之间的连线。
44.本发明中，进一步优选地，所述辐射缝隙4关于所述中线对称。
45.本发明中，具体来说，所述l型微带馈电线2的短边与辐射缝隙4的投影中的中间阶梯段相交。
46.本发明中，如图2和3所示，将l型微带馈电线2的长边中远离内直角的一侧边称为外侧长边，记作l4；将l型微带馈电线2的短边中远离内直角的一侧边称为外侧短边，记作l5；将l型微带馈电线2的短边中靠近内直角的一侧边称为内侧短边，记作l6。
47.本发明中，需要说明的是，所述l型微带馈电线2的外侧长边l4和外侧短边l5通过斜边连接。所述斜边与所述外侧长边l4的夹角为135度，所述斜边与外侧短边l5的夹角为135度。本发明中，所述介质基板1为长方形，如图2和3所示，将介质基板1的长边记作l，将介质基板1的宽边记作w；所述辐射缝隙4沿着延伸的方向依次为第一阶梯段、第二阶梯段、第三阶梯段，将第三阶梯段的长记作l1，将第三阶梯段的宽记作w1，将第二阶梯段的长记作l2，将第二阶梯段的宽记作w2，将第一阶梯段的长记作l3，将第一阶梯段的宽记作w3，将第一阶梯段的边与距离其最近的介质基板1的长边的距离记作w4；将l型微带馈电线的外侧长边与距离其最近的介质基板的长边之间的距离记作w5，将l型微带馈电线的长边和短边的宽记作wf。
48.在一种优选的实施方式中，所述辐射缝隙4的第一阶梯段的长l3、第二阶梯段的长l2、第三阶梯段的长l1之间的关系为：l3＞l1＞l2，具体地，l3：l2：l1为7.39：5.90：6.99；所述辐射缝隙4的第一阶梯段的宽w3、第二阶梯段的宽w2、第三阶梯段的宽w1之间的关系为w3＞w2＞w1，具体地，w3：w2：w1为3.6：1.78：0.81。所述辐射缝隙4平行于介质基板1的长边l，介质基板1的长边l大于辐射缝隙4的总长度，具体地，l：(l1 l2 l3)的比值为21：20.28，介质基板1的宽边w与辐射缝隙4的第一阶梯段的宽w3的比值为20：3.60。
49.进一步地，介质基板1的长边l与l型微带馈电线2的外侧长边l4的比值为21：9.93，介质基板1的宽边w与l型微带馈电线2的长边和短边的宽wf的比值为20：1.95。更优选地，辐射缝隙4的总长度l1 l2 l3与l型微带馈电线2的外侧长边l4的比值为20.28：9.93，辐射缝隙4的第一阶梯段的宽w3大于l型微带馈电线2的长边和短边的宽wf，且辐射缝隙4的第二阶梯段的宽w2小于l型微带馈电线2的长边和短边的宽wf；具体地，辐射缝隙4的第一阶梯段的宽w3与l型微带馈电线2的长边和短边的宽wf的比值为3.60：1.95。
50.本发明中，需要说明的是，所述介质基板1为长方形环氧玻璃纤维板，所述介质基板1的长边l为21mm，宽边w为20mm，厚度为1mm。所述介质基板1的介电常数为4.4，损耗正切
角tanδ为0.02。
51.示例性地，所述l型微带馈电线2的外侧长边l4为9.93mm，外侧短边l5为5.49mm，内侧短边l6为4.51mm，长边和短边的宽wf为1.95mm。
52.具体来说，所述l型微带馈电线2的长边远离短边的一端与介质基板1的宽边对齐，所述l型微带馈电线2的外侧长边与距离其最近的介质基板1的长边之间的距离w5为6.77mm。
53.示例性地，所述辐射缝隙4的位于所述金属地面3内的一端朝向介质基板1的宽边，且所述辐射缝隙4关于介质基板1宽边的中线对称，其中，所述辐射缝隙4沿着延伸的方向，第一阶梯段的长l3为7.39mm，第一阶梯段的宽w3为3.60mm，第二阶梯段l2的长为5.90mm，第二阶梯段的宽w2为1.78mm，第三阶梯段的长l1为6.99mm，第三阶梯段的宽w1为0.81mm。
54.本发明中，所述金属地面3和l型微带馈电线2的材质为铜，所述金属地面3和l型微带馈电线2的厚度为0.035mm。
55.下面，通过具体实施例对本发明的双频缝隙天线及其性能效果进一步说明。
56.实施例1
57.双频缝隙天线的结构参数：介质基板的尺寸为21mm
×
20mm
×
1mm，其他结构参数见表1：
58.表1天线结构参数(单位：mm)
59.参数wlwfl1l2l3w1值20211.956.995.907.390.81参数w2w3w4w5l4l5l6值1.783.608.26.779.935.494.51
60.对实施例1的双频缝隙天线做如下测试：
61.(1)采用50ω的sma同轴连接器接头馈电，同时，采用安捷伦矢量网络分析仪e5071c对双频缝隙天线的回波损耗进行测量，使用电磁仿真hfss软件进行仿真测试。图4是双频缝隙天线的端口回波损耗测试和仿真对比结果。
62.从图4可以看出，仿真回波损耗s
11
≤-10db的带宽覆盖了从2.40ghz至2.49ghz共90mhz和从5.48ghz至6.10ghz共620mhz，分别覆盖ieee802.11b/g和ieee 802.11ac/n协议标准；实测双频缝隙天线的回波损耗s
11
≤-10db的带宽覆盖了从2.43ghz至2.50ghz共70mhz和从5.30ghz至6ghz共700mhz，相比仿真结果较优；并且，s
11
＝-10db对应的反射系数为0.316，可知带内反射系数均小于0.3。
63.结果表明，仿真测试结果中天线的谐振频率点分别为2.45ghz和5.80ghz，实测结果中天线的谐振频率点为2.46ghz和5.7ghz，谐振频率出现的最大偏差约为1.7％，在可以接受的范围内。存在偏差主要是由于天线加工时的精确度不够、介质基板介电常数不均匀、sma接头的焊接的离散性造成天线的结构发生细微变化等因素引起。但是，实测结果与仿真结果总体吻合良好，偏差在可接受的范围内，而且，天线的谐振工作频率仍属于双频wlan工作频段，满足双频wifi信号的信息传输需求。
64.(2)天线的增益和辐射方向图是衡量天线收发信号能力的重要指标。在微波暗室内对天线的辐射增益和辐射方向图进行测试，辐射方向图测试采用旋转天线法，天线增益采用比较法。图5是天线增益和辐射效率随频率变化的曲线图；图6-图9为天线工作在
2.45ghz和5.8ghz时的远场主极化和交叉极化增益方向图。
65.从图5可以看出，天线的增益测试结果相对于仿真结果有一定的下降，造成的差异是由介质基板的损耗特性参数的离散性引起的，但是，总体上，天线在两个谐振工作频率处均具备较好的增益特性，在高频段天线的辐射效率较低频段略高，达到90％以上。
66.从图6-图9可以看出，天线在e面和h面的主极化的方向图都接近圆形，具备全向辐射特性，且天线在高频工作谐振处辐射方向图的不圆度较好，主极化方向图的测试结果与仿真结果吻合得较好；同时，天线在e面的交叉极化水平处于很低的水平，低频谐振处交叉极化低于-20db左右，高频谐振处交叉极化低于-15db左右，天线在h面的交叉极化水平略高，但是，总体上，本发明的双频缝隙天线具备良好的交叉极化特性。
67.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。