CN101447602A - 基于左右手复合传输线的零阶谐振天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，属于天线技术领域。所述天线由传输馈线、左右手复合传输线和介质基底构成；左右手复合传输线与介质基底连接，传输馈线与左右手复合传输线连接；左右手复合传输线由至少一个传输线单元串联构成；传输线单元由串联的左手传输线电容和右手传输线电感，以及并联的右手传输线电容和左手传输线电感构成。本发明通过左右手复合传输线代替传统微带天线上的金属导体薄片，实现了辐射效率高且损耗低的微带天线；同时，零阶谐振天线的辐射频率与传输线单元的物理尺寸无关，大大减小了谐振型微带天线的尺寸，实现了天线的微型化，方便了与微波单片集成接收机系统的集成。

Description

基于左右手复合传输线的零阶谐振天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于左右手复合传输线的零阶谐振天线。

背景技术

近50年来，微带天线技术已成为天线技术领域中发展最快的一项技术，尤其是在70年代，随着微波单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)的发展及各种微波低损耗介质的出现，使得微带天线技术广泛地吸引着全球学术界、工业界及政府相关部门的重视。在微波应用技术领域中，微带天线已经快速地由学术上新奇的事物演变为商业上的真实产品。随着个人通讯系统、全球定位系统、直播卫星、无线局域网和智能高速公路交通系统等应用市场的快速发展，微带天线与阵列天线将有着更加广阔的需求。

微带天线是在带有导体接地板的介质基底上1贴加金属导体薄片2而形成的天线，它利用微带线或同轴线3等馈线馈电，如图1所示。微带天线还可以被看作为一种缝隙天线。通常情况下，由于介质基底的厚度与传输波长相比是很小的，因而微带天线实现了一维小型化，属于小天线类别。其中，作为辐射单元的金属导体薄片一般是具有规则形状的面积单元，例如矩形、圆形、三角形或圆环形薄片等等，如图2所示。微带天线由于具有体积小、质量轻和低剖面等优点，并且它可以与微波单片集成电路整合在一起，可以轻易地附着在任意表面而不影响其内部结构与特性，因此被大量地应用在高速运行的载体上。

但是，由于微带天线采用谐振模式的工作方式，其工作频率为谐振频率，因此就要求微带天线贴片的长度为传输波长的一半，这样使得微带天线的面积尺寸受到了工作频率的限制，也给与MMIC集成制造了障碍；同时，由于微带天线本身结构的特性，主要表现在金属导体薄片的辐射单元频带窄，使得其在频宽上的表现不如其他种类的天线，难以同时满足发射/接收信号的频带宽度，并且发射效率低。

发明内容

为了减小微带谐振天线的面积尺寸，以及拓展微带谐振天线的带宽范围，本发明提供了一种基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，所述天线由传输馈线、左右手复合传输线和介质基底构成；所述左右手复合传输线与所述介质基底连接，所述传输馈线与所述左右手复合传输线连接。

所述左右手复合传输线由至少一个传输线单元串联构成；所述传输线单元由串联的左手传输线电容和右手传输线电感，以及并联的右手传输线电容和左手传输线电感构成。

所述并联的右手传输线电容和左手传输线电感用于确定所述天线的零阶谐振点的谐振频率。

所述天线的谐振点个数为(2N-1)个，其中N为所述传输线单元的个数。

所述(2N-1)个谐振点具体包括1个零阶谐振点、(N-1)个正谐振点和(N-1)个负谐振点；所述正谐振点和负谐振点以所述零阶谐振点为中心，对称地分布在所述零阶谐振点的两侧。

所述正谐振点的谐振频率大于所述零阶谐振点的谐振频率，所述负谐振点的谐振频率小于所述零阶谐振点的谐振频率。

所述传输馈线的阻抗值为50欧姆。

有益效果：本发明通过左右手复合传输线代替传统微带天线上的金属导体薄片，利用其零阶谐振特性发射/接收信号，实现了辐射效率高且损耗低的微带天线；同时，零阶谐振天线的辐射频率由传输线单元的电容和电感值决定，与传输线单元的物理尺寸无关，大大减小了谐振型微带天线的尺寸，实现了天线的微型化，方便了与微波单片集成接收机系统的集成。本发明还可以通过多个传输线单元串联构成左右手复合传输线，使得零阶谐振天线可以形成多个谐振点，从而覆盖多个工作频率。

附图说明

图1是现有技术中微带天线的结构示意图；

图2是现有技术中常见的金属导体薄片的形状示意图；

图3是本发明实施例提供的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线的电路原理示意图；

图4是本发明实施例单段式左右手复合传输线的S参数特性图；

图5是本发明实施例两段式左右手复合传输线的S参数特性图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图3，本发明实施例提出了一种基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，该天线由传输馈线、左右手复合传输线和介质基底构成。左右手复合传输线与介质基底连接，传输馈线与左右手复合传输线连接。其中，左右手复合传输线由至少一个传输线单元串联构成；传输线单元由串联的左手传输线电容C_L和右手传输线电感L_R，以及并联的右手传输线电容C_R和左手传输线电感L_L构成。在实际应用中，可以选取阻抗值为50欧姆的传输馈线来实现本发明实施例。

传统微带天线上贴加的金属导体薄片的长度为传输波长的一半，而本发明实施例提供的零阶谐振天线的辐射频率与作为辐射单元的左右手复合传输线的物理尺寸无关，辐射频率由构成左右手复合传输线的元件阻抗值(容抗和感抗)来决定。在实际应用中，可以通过选取合适的元件阻抗值来达到零阶谐振天线的辐射频率。零阶谐振天线的零阶谐振频率为：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{C_R\·L_L}}$

其中，C_R为右手传输线电容，L_L为左手传输线电感。

当零阶谐振天线的辐射频率为单一频率时，例如GSM(Global Systems for MobileCommunication，全球移动通信系统)的发射频率为915MHz，GSM的接收频率为960MHz，可以设定左右手复合传输线的并联电容及电感值，使零阶谐振天线谐振在给定频率(915MHz或960MHz)，如图4所示，此时左右手复合传输线由一个传输线单元构成，也即一个传输线单元就可以满足零阶谐振天线的需要。当零阶谐振天线需要工作在多个辐射频率时，例如GSM、DCS和PCS的工作频率分别为900MHz、1.8GHz和1.9GHz，此时左右手复合传输线由多个传输线单元串联构成，这样可以满足零阶谐振天线的使用要求，如图5所示，两个传输线单元构成的左右手复合传输线具有三个谐振点，使所需要的工作频率都在谐振频率范围内。通常情况下，当零阶谐振天线需要发射/接收多个频率的信号时，例如GSM、PCS(Personal Communication System，个人通信系统)、DCS(Digital Communication System，数字通信系统)、WCDMA(Wireless Code Division Multiple Access，无线码分多址接入)通信系统的工作频率各不相同，为满足多频率工作的需要，采用多个传输线单元串联的方式，以用来增加谐振点；通过设定传输线单元的元件值，以使零阶谐振天线的谐振频率满足实际通信的需要。

在实际应用中，当传输线单元的个数增加时，零阶谐振天线的谐振点也随之增加。假设左右手复合传输线由N个传输线单元构成，则零阶谐振天线有(2N-1)个谐振点，除了零阶谐振点ω₀之外，其它(2N-2)个谐振点分别分布在零阶谐振点两侧；在小于零阶谐振点的频率范围内分布了(N-1)个负谐振点，它们由左手传输特性产生；在大于零阶谐振点的频率范围内分布了(N-1)个正谐振点，它们由右手传输特性产生。负谐振点、正谐振点和零阶谐振点的关系表现为ω₀ ²＝ω_正谐振点●ω_负谐振点，其中ω_正谐振点和ω_负谐振点是以零阶谐振点ω₀为中心的对称谐振点。如图5所示，左右手复合传输线由两个传输线单元构成，则零阶谐振天线有3个(2×2—1＝3)谐振点，其具体分布为零阶谐振点居中，1个正谐振点和1个负谐振点分别位于零阶谐振点的左侧和右侧。此外，当左右手复合传输线由多个相同阻抗值(每个感抗都相等及每个容抗都相等)的传输线单元串联构成时，零阶谐振天线的谐振点会增加，但零阶谐振点的频率保持不变，即与由一个传输线单元构成的零阶谐振天线的零阶谐振点的频率相同；当左右手复合传输线由多个不同阻抗值的传输线单元串联构成时，若元件(电感或电容)的阻抗值相差小于40％，则零阶谐振天线的零阶谐振点偏移，其它的正负谐振点也随之移动，若元件的阻抗值相差大于40％，则零阶谐振天线的谐振点逐渐消失。

本发明实施例通过左右手复合传输线代替传统微带天线上的金属导体薄片，利用其零阶谐振特性发射/接收信号，实现了辐射效率高且损耗低的微带天线；同时，零阶谐振天线的辐射频率由传输线单元的电容和电感值决定，与传输线单元的物理尺寸无关，大大减小了谐振型微带天线的尺寸，实现了天线的微型化，方便了与微波单片集成接收机系统的集成。本发明实施例可以根据实际所需要的工作频率，来设定传输线单元的元件阻抗值以达到工作要求所需的辐射频率。本发明实施例可以通过多个传输线单元串联构成左右手复合传输线，使得零阶谐振天线可以形成多个谐振点，从而覆盖多个工作频率；左右手复合传输线作为零阶谐振天线的辐射单元，大大的减小了零阶谐振天线的面积，拓展了零阶谐振天线的带宽范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述天线由传输馈线、左右手复合传输线和介质基底构成；所述左右手复合传输线与所述介质基底连接，所述传输馈线与所述左右手复合传输线连接。

2.如权利要求1所述的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述左右手复合传输线由至少一个传输线单元串联构成；所述传输线单元由串联的左手传输线电容和右手传输线电感，以及并联的右手传输线电容和左手传输线电感构成。

3.如权利要求2所述的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述并联的右手传输线电容和左手传输线电感用于确定所述天线的零阶谐振点的谐振频率。

4.如权利要求2所述的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述天线的谐振点个数为(2N-1)个，其中N为所述传输线单元的个数。

5.如权利要求4所述的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述(2N-1)个谐振点具体包括1个零阶谐振点、(N-1)个正谐振点和(N-1)个负谐振点；所述正谐振点和负谐振点以所述零阶谐振点为中心，对称地分布在所述零阶谐振点的两侧。

6.如权利要求5所述的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述正谐振点的谐振频率大于所述零阶谐振点的谐振频率，所述负谐振点的谐振频率小于所述零阶谐振点的谐振频率。

7.如权利要求1所述的基于左右手复合传输线的零阶谐振天线，其特征在于，所述传输馈线的阻抗值为50欧姆。

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