本发明属于无线通信领域，涉及一种加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线。
背景技术：
天线是无线移动通信系统必不可少的关键器件之一，天线的性能对整个无线通信系统的性能有至关重要的影响。经过研究和工程人员几十年的探索，天线的种类已经非常多。有抛物面天线、平面天线、喇叭天线、单极子天线等等。每一种天线都有自己的优点，也有自己的不足。比较而言，平面结构天线因具有低剖面特性，在无线移动通信系统中得到了广泛应用。同时，天线器件还有很多性能，比如；远场辐射方向图、远场辐射增益、辐射效率、端口参数、损耗参数等等。不同应用场合的天线其性能参数侧重点也不同。总之，如何提高天线的性能是多内外学者的研究焦点，但是在不同时期，聚焦的指标却不尽相同，有所侧重。
天线的功能是向指定方向辐射电磁波，而衡量一个天线向指定方向接受和发送电磁波能量的能力称为天线的增益，是描述天线性能的重要指标。提高了天线的增益，就是增大了信号在指定方向上的辐射能量，也就是拓展了电磁波在该方向上的传播距离。可见，天线的增益对无线通信系统的有效运行起着至关重要的作用。同时，增益和天线的远程辐射方向图有着紧密的联系，方向图的主瓣越窄，旁瓣越小，则天线的增益就越高。任何天线在应用于信号接收和发射时的新能是完全相同的，提高天线增益也可以减少接受与发送的增益余量。
随着移动通信技术的发展，尤其是个人移动通信技术的发展，小型化和多功能化是天线的两个主要优化方向。个人移动终端体积越小，智能终端的功能越强大，则留给天线的安装空间就越是有限，天线的小型化需求就越是强烈。除了缩小天线的体积之外，另一个解决上述矛盾的办法就是设计多功能天线，即一个天线能够完成多个不同的信号收发任务。多功能天线首先是一个多频天线，即能够在多个不同频点上发射无线信号。
微带天线因为其体积小、重量轻、可与载体共形、易于实现双频、多频、双极化、圆极化、剖面较低等众多的优点，在个人无线通信系统中得到了广泛的应用。但是微带天线也有本身的缺点，微带天线是一种谐振天线，带宽较小，而且只有两个缝隙辐射，所有效率也比较低，远程辐射增益比较小。除了高阶谐振模外，基模谐振微带天线一般都是单频天线。双层或者多层微带天线常用的是提高微带天线辐射频点的方法。与单层微带天线不同，多层微带天线一般主辐射结构置于上层介质基板表面，馈电结构位于下层，实现了馈电结构与辐射结构的分离。这样为天线的频点调节、特性优化提供了便利，可以在不影响馈电结构的情况是实现对天线特性的调节。因此多层结构是微带天线性能优化的一种有效的途径。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对平面低剖面结构天线的远程辐射增益太低以及能够承担的通信任务单一的问题，提供一种加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，利用一组形状相同的金属寄生贴片辐射，极大地提高天线的远程辐射增益，扩展天线的工作频点。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面刻蚀有两个三角形寄生结构，两个三角形寄生结构呈旋转对称，第二介质基板的上表面刻蚀有一个矩形金属贴片，第二介质基板的下表面刻蚀有一个矩形缝隙和一个非金属圆形结构，所述的矩形金属贴片上加工有一个馈电过孔，非金属圆形结构的半径大于馈电过孔且与馈电过孔的圆心重合；除矩形缝隙和非金属圆形结构以外的区域，所述第二介质基板的下表面全部覆盖金属形成天线接地板。
优选的，所述的第一介质基板和第二介质基板完全相同，且紧密结合在一起。
优选的，两个三角形寄生结构关于第一介质基板的上表面中心旋转对称，两个三角形寄生结构的底边与第一介质基板的上下两条边平行，斜边与第一介质基板的对角线平行。
优选的，两个三角形寄生结构关于第一介质基板的上表面左右侧边中心点连线轴对称，两个三角形寄生结构各自关于第一介质基板的上表面上下两条边中心点连线呈轴对称。
优选的，所述矩形金属贴片的两条长边与第二介质基板的上表面左右两条边平行且距离相等；矩形金属贴片的两条短边与第二介质基板的上表面上下两条边平行，两条短边中心点连线与第二介质基板的上表面上下两条边中心点连线重合，且矩形金属贴片的下边与第二介质基板上表面的下边距离较近，与上边距离较远。
优选的，所述的馈电过孔靠近矩形金属贴片的下边开设，馈电过孔位于第二介质基板的上表面上下两条边的中心点连线上。
优选的，所述矩形非金属结构的左右两个短边与第二介质基板下表面左右两边平行，且距离相等；矩形非金属结构的上下两个长边与第二介质基板下表面上下两个边平行。
优选的，矩形非金属结构的上下两长边中心点连线过第二介质基板的下表面中心。
优选的，矩形非金属结构和矩形金属贴片的长边相互正交。
优选的，所述非金属圆形结构的半径为馈电过孔半径的2倍。
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：利用第一介质基板上表面的两个三角形寄生结构进行辐射，利用简单的寄生结构扩展了天线的工作频点，提高了天线的远场辐射增益。实现了低剖面高增益双频微带缝隙天线结构的设计，极大的改善了微带缝隙天线的特性。
附图说明
图1本发明双频加载蝴蝶结型寄生结构双频高增益微带缝隙天线透视结构示意图：
图2本发明双频加载蝴蝶结型寄生结构双频高增益微带缝隙天线俯视结构示意图：
图3本发明双频加载蝴蝶结型寄生结构双频高增益微带缝隙天线剖面结构示意图：
图4本发明双频加载蝴蝶结型寄生结构双频高增益微带缝隙天线仰视结构示意图：
图5利用三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得端口散射参数随频率变化曲线图；
图6利用三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得3.74±2％ghz频点处远场辐射方向图；
图7利用三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得4.81±2％ghz频点处远场辐射方向图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了解决微带缝隙天线工作频点单一，远场辐射增益较低，寄生结构复杂难以优化的问题，本发明在微带缝隙天线结构基础上，增加了一个与微带缝隙天线介质基板几何结构、组成材料完全相同的介质基板，并且在上层介质基板上表面设置两个对称且结构完全相同的三角形寄生单元，将一个单频双向辐射微带缝隙天线优化为一个双频高增益单向辐射带有寄生结构的微带缝隙天线。
参见如图1-4，本发明设计的高增益双频微带缝隙天线有两块相同的介质基板，分别是上层的第一介质基板10和下层的第二介质基板18。第一介质基板10的上表面刻蚀两个三角形寄生结构，即第一寄生结构11和第二寄生结构12。第二介质基板18上表面刻蚀一个矩形金属贴片13，第二介质基板18加工一个圆形的馈电过孔15。第二介质基板18下表面刻蚀一个矩形缝隙14和一个半径大于馈电过孔15的非金属圆形结构17。除了上述矩形缝隙14和非金属圆形结构17外，第二介质基板18下表面全部覆盖金属，金属面形成天线接地板16。
第一寄生结构12和第二寄生结构11以第一介质基板10的上表面中心呈旋转对称，同时，第一寄生结构12以第一介质基板10的上表面上下边中心点连线为轴对称，第二寄生结构11同样以第一介质基板10的上表面上下边中心点连线为轴对称。第一寄生结构12和第二寄生结构11以第一介质基板10上表面左右两边中心点连线为轴对称。
矩形金属贴片13的两条长边与第二介质基板18上表面左右两条边平行，且距离相等。矩形金属贴片13的两条短边与第二介质基板18上表面上下两条边平行，两条短边中心点连线与第二介质基板18上下两条边中心点连线重合，且矩形金属贴片13的下边与第二介质基板18的下边距离较近，矩形金属贴片13的上边与第二介质基板18上边距离较远。
第二介质基板18的上下边中心点连线上，靠近矩形金属贴片13下边附近，在矩形金属贴片上，加工一个可金属化也可非金属化的馈电过孔15。
第二介质基板18下表面只有一个矩形缝隙14和非金属圆形结构17，其他的区域全部覆盖金属，形成本发明天线的接地板16。矩形缝隙14的左右两个短边与第二介质基板18下表面左右两边平行，且距离相等。矩形缝隙14的上下两个长边与第二介质基板18下表面上下两个边平行，距离可以相等，也可以不相等。即矩形缝隙14的中心与第二介质基板18的中心可以重合，也可以不重合。矩形缝隙14的上下两长边中心点连线过第二介质基板18的下表面中心。矩形缝隙14和矩形金属贴片13的长边形成正交关系。
第二介质基板18下表面的非金属圆形结构17的圆心与馈电过孔15的圆心重合，半径约为过孔15半径的2倍。非金属圆形结构17的圆心、馈电过孔15的圆心和第二介质基板18下表面中心的连线与第二介质基板18下表面上下边中心点连线正好重合。
本发明加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线一种实施例的制备方法包括：
首先选择两块长80±3％mm，宽80±3％mm，厚度1.6±1％mm的罗杰斯r04350介质板作为本发明天线的介质基板。第一介质基板10上表面刻蚀两个三角形寄生结构，平行于第一介质基板上表面下边的边长42±3％mm，两条边之间距离为18±3％mm。平行于第一介质基板10上表面对角线的两边长29±3％mm，该寄生结构为等腰三角形，两条相等的边交点距离第一介质基板10上表面中心1.4±1％mm。以第一介质基板10上表面左右两边中心点连线为对称轴，再刻蚀一个与上述的第一寄生结构11完全相同的一个三角形寄生结构，即第二寄生结构12。在第二介质基板18上表面刻蚀一个矩形金属结构。平行于第二介质基板18上表面左右两边的边长24.5±3％mm，且与左右两边距离相等，均为28±3％mm。平行于第二介质基板18上下两边的边长4±1％mm，距离第二介质基板18上表面上边36.5±3％mm，距离第二介质基板18上表面下边19±3％mm。第二介质基板18上加工一个直径为1.1±1％mm的馈电过孔15，馈电过孔15上表面中心距离矩形金属贴片13的下边2±1％mm，与矩形金属贴片13左右两边距离相等，都为2±1％mm，过孔高度等于第二介质基板18的厚度1.6±1％mm。第二介质基板18下表面全部覆盖金属，在金属表面上加工一个矩形缝隙14和一个非金属圆形结构17。矩形缝隙14中心与第二介质基板18下表面中心重合，平行于第二介质基板18下表面上下两边的边长18.4±5％mm，平行于第二介质基板18下表面左右两边的边长3±1％mm。非金属圆形结构17与馈电过孔15在第二介质基板18下表面的中心重合，直径为5±1％mm。
上述实施例中介质板表面的金属结构材质可以使用铜，也可以使用银等导电性较好的材料。采用印刷电路板技术或者电路板刻蚀技术，加工而成的金属贴片厚度极小，不会对天线的低剖面特性产生任何影响，所以上述实施例中并没有给出金属贴片的厚度描述。
将上述表面具有金属贴片结构的两个介质基板按照图1-4所示的方向紧密压合在一起，即完成了本发明天线的加工制作。
利用三维电磁仿真软件hfss对本发明加载蝴蝶结型寄生结构双频高增益微带缝隙天线进行仿真分析得知，如图5所示，该微带缝隙天线能够在两个不同频点处发生谐振，两个频点分别为3.7±2％ghz和4.8±2％ghz，即本发明天线是双频天线。在上述两个谐振频点处，天线的远程辐射增益都比较高，分别为8.14±2％dbi和5.62±2％dbi，其中第一个谐振频点处的远场辐射增益远远大于微带缝隙天线的增益。如图6和图7所示，本发明设计的天线远场辐射方向图是单向辐射，已经完全不同于微带缝隙天线，微带缝隙天线是向两个方向辐射。除此之外，本发明设计双频高增益天线只有两个结构简单的三角形寄生贴片，天线的加工误差较小。总之，本发明设计的天线是一个性能良好可大规模得到应用的微带缝隙天线。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入由权利要求所划定的保护范围之内。
1.一种加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：包括第一介质基板(10)和第二介质基板(18)，第一介质基板(10)的上表面刻蚀有两个三角形寄生结构，两个三角形寄生结构呈旋转对称，第二介质基板(18)的上表面刻蚀有一个矩形金属贴片(13)，第二介质基板(18)的下表面刻蚀有一个矩形缝隙(14)和一个非金属圆形结构(17)，矩形金属贴片(13)上加工有一个馈电过孔(15)，非金属圆形结构(17)的半径大于馈电过孔(15)且与馈电过孔(15)的圆心重合；除矩形缝隙(14)和非金属圆形结构(17)以外的区域，所述第二介质基板(18)的下表面全部覆盖金属形成天线接地板(16)。
2.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：所述的第一介质基板(10)和第二介质基板(18)完全相同，且紧密结合在一起。
3.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：两个三角形寄生结构关于第一介质基板(10)的上表面中心旋转对称，两个三角形寄生结构的底边与第一介质基板(10)的上下两条边平行，斜边与第一介质基板(10)的对角线平行。
4.根据权利要求3所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：两个三角形寄生结构关于第一介质基板(10)的上表面左右侧边中心点连线轴对称，两个三角形寄生结构各自关于第一介质基板(10)的上表面上下两条边中心点连线呈轴对称。
5.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：矩形金属贴片(13)的两条长边与第二介质基板(18)的上表面左右两条边平行且距离相等；矩形金属贴片(13)的两条短边与第二介质基板(18)的上表面上下两条边平行，两条短边中心点连线与第二介质基板(18)的上表面上下两条边中心点连线重合，且矩形金属贴片(13)的下边与第二介质基板(18)上表面的下边距离较近，与上边距离较远。
6.根据权利要求5所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：馈电过孔(15)靠近矩形金属贴片(13)的下边开设，馈电过孔(15)位于第二介质基板(18)的上表面上下两条边的中心点连线上。
7.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：矩形非金属结构(14)的左右两个短边与第二介质基板(18)下表面左右两边平行，且距离相等；矩形非金属结构(14)的上下两个长边与第二介质基板(18)下表面上下两个边平行。
8.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：矩形非金属结构(14)的上下两长边中心点连线过第二介质基板(18)的下表面中心。
9.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：矩形非金属结构(14)和矩形金属贴片(13)的长边相互正交。
10.根据权利要求1所述加载蝴蝶结型寄生结构的双频高增益微带缝隙天线，其特征在于：非金属圆形结构(17)的半径为馈电过孔(15)半径的2倍。
技术总结