CN106816713A - 小型化宽带微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种小型化宽带微带天线，主要解决现有技术中微带天线尺寸大、带宽窄的问题。该天线包括辐射阵列(1)、上层介质基板(2)、金属地板(3)、下层介质基板(4)、微带馈线(5)和馈电点(6)。辐射阵列位于上层介质基板上表面，并通过上层介质板上的金属化过孔(21)与金属地板相连，金属地板位于两层介质基板之间，且辐射阵列、介质基板和金属地板的尺寸相同。微带馈线位于下层介质基板下表面，并与馈电点相连。金属地板上蚀刻有矩形缝隙(31)，通过该矩形缝隙将电磁能量从微带馈线耦合到辐射阵列，同时产生多个工作模式。本发明具有小型化、宽带、方向图特性好的特点，可用于无线通信及雷达系统。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及一种小型化宽带微带天线，可用于无线通信及雷达系统。
背景技术
随着无线通信系统的发展，人们对于天线功能的需求与日俱增。微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、易集成和制造成本低等优点，被广泛应用于无线通信和雷达系统等领域。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。
传统微带天线接地板的尺寸与介质层尺寸相同，都比辐射贴片尺寸大许多，因此小型化微带天线成为了天线研究的一个重要方向，通常减小微带天线尺寸可以采用以下方法：加载短路针；采用高介电常数的介质层；采取加载集总元件；在辐射贴片和导体接地板上开槽。但是，这些技术在实现小型化的同时，也限制了天线的工作带宽等辐射性能。
同时，传统微带天线由于品质因数过高，限制了其频带的扩展，天线带宽只能达到1％-5％左右，阻抗带宽小，限制了微带天线的实际应用范围。现阶段无线通讯设备体积逐渐向小型化发展，要求微带天线尺寸也尽可能小的同时，频带也要宽。展宽天线频带主要有以下几种：增加介质的厚度；采用低介电常数的厚介质层；贴片表面开槽；附加阻抗匹配网络；附加寄生贴片等。这些方法虽然能够展宽天线带宽，但是可能会导致天线辐射方向图恶化，并对馈电带来一些问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种小型化宽带微带天线，以提高微带天线的工作带宽，减小微带天线的尺寸，实现微带天线小型化。
为实现上述目的，本发明从天线本身的结构设计着手，整个天线包括：
辐射阵列、上层介质基板、金属地板、下层介质基板、微带馈线和馈电点，辐射阵列位于上层介质基板的上表面，金属地板位于上层介质基板和下层介质基板之间，微带馈线位于下层介质基板的下表面，微带馈线和馈电点相连，其特征在于：
所述的上层介质板上设有左右对称的两排金属化过孔，辐射阵列通过金属化过孔与金属地板相连；
所述的金属地板上蚀刻有矩形缝隙，用于激励辐射阵列；
所述的微带馈线同时激励辐射阵列和金属地板。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明由于辐射阵列和金属地板同时被激励，该天线工作在多个谐振模式，展宽了天线带宽。
第二，本发明由于加载金属化过孔和矩形缝隙，该天线工作在低频谐振模式，减小了天线的尺寸，实现了小型化。
第三，本发明由于该天线的工作模式与偶极子天线相似，具有与其类似的方向图特性，H面方向图全向性好，且辐射最大方向为边射方向，方向图性能良好。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明中上层介质基板的结构示意图；
图5为本发明中金属地板和微带馈线的结构示意图；
图6为本发明实施例1的回波损耗特性曲线；
图7为本发明实施例1的辐射方向图。
图8为本发明实施例2的回波损耗特性曲线；
图9为本发明实施例2的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
参照图1、图2、图3、图4和图5，本发明包括辐射阵列1、上层介质基板2、金属地板3、下层介质基板4、微带馈线5和馈电点6。上层介质基板2、金属地板3和下层介质基板4的尺寸相同，三者的长度均为L2，宽度均为W2。上层介质基板2和下层介质基板4的介电常数取值分别为：2≤ε1≤4，2≤ε2≤5，辐射阵列1通过光刻技术蚀刻在上层介质基板2的上表面，辐射阵列1由矩形贴片11、矩形贴片12和矩形贴片13等间距排列组成，相邻两个贴片的间距为S1，这些贴片的尺寸相同，长度均为L1，宽度均为W1。
金属地板3通过压合的方式连接在上层介质基板2和下层介质基板4之间，上层介质基板2和下层介质基板4的高度取值分别为H1和H2，上层介质板2上通过挖槽和镀金属的方式设有左右对称的两排金属化过孔21，左侧一排的金属化过孔将矩形贴片13与金属地板3相连，右侧一排的金属化过孔将矩形贴片11与金属地板3相连，每一排金属化过孔21均由N个金属通孔组成，N的取值为整数，且2≤N≤6，金属通孔直径均为D，相邻两个金属通孔中心间距为S2，左侧一排中第一个金属通孔的中心与上层介质基板2长边的距离为A1，其与上层介质基板2宽边的距离为A2。
金属地板3上蚀刻有矩形缝隙31，其长度为L3，宽度为W3，矩形缝隙31长边与金属地板3宽边的距离为A3，矩形缝隙31宽边与金属地板3长边的距离为A4，金属地板3由微带馈线5激励，并通过矩形缝隙31耦合电磁能量对辐射阵列1馈电。
微带馈线5通过光刻技术蚀刻在下层介质基板4的下表面，微带馈线5和馈电点6相连。微带馈线5的长度为L4，宽度为W4；微带馈线5宽边与下层介质基板4长边重合，其长边与下层介质基板4宽边的距离为A5。馈电点6与同轴探针相连，通过同轴探针馈电。
所述上层介质基板2和下层介质基板4的高度取值分别为：0.02×λ1≤H1≤0.04×λ2，0.01×λ1≤H2≤0.02×λ2，其中λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
所述相邻矩形贴片间距S1的取值为：0.1mm≤S1≤0.8mm；每个贴片的长度L1＝W2，宽度
所述上层介质基板2的长度L2取值为：0.3×λ1≤L2≤0.5×λ2，宽度W2的取值为：0.2×λ1≤W2≤0.4×λ2。每排金属化过孔中相邻的两个金属通孔中心的间距金属通孔直径D的取值为：0.15mm≤D≤4mm；第一个金属通孔的中心与上层介质基板2长边的距离其与上层介质基板2宽边的距离
所述矩形缝隙31的长度L3取值为：0.15×λ1≤L3≤0.28×λ2，宽度W3的取值为：0.01×λ1≤W3≤0.03×λ2。矩形缝隙31长边与金属地板3宽边的距离矩形缝隙31宽边与金属地板3长边的距离微带馈线5的长度L4取值为：宽度W4的取值为：0.01×λ1≤W4≤0.02×λ2，微带馈线5长边与下层介质基板4宽边的距离ε3是等效介电常数，取值为：
实施例1：工作频带为2.11GHz～3.87GHz的微带天线，各结构尺寸参数如下。
矩形贴片11、矩形贴片12和矩形贴片13的尺寸相同，其长度L1＝28mm，宽度W1＝13mm，相邻矩形贴片间距S1＝0.6mm。
上层介质基板2的介电常数ε1＝2.65，长度L2＝40.2，宽度W2＝28mm，高度H1＝3mm，下层介质基板4的介电常数ε2＝2.65，高度H2＝1mm。
每一排金属化过孔21均由4个等间距排列的金属通孔组成，相邻两个金属通孔中心的间距S2＝7mm，金属通孔直径D＝0.5mm，第一个金属通孔的中心与上层介质基板2长边的距离A1＝3.5mm，其与上层介质基板2宽边的距离A2＝6.5mm。
矩形缝隙31的长度L3＝24mm，宽度W3＝2mm，矩形缝隙31长边与金属地板3宽边的距离A3＝19.1mm，矩形缝隙31宽边与金属地板3长边的距离A4＝2mm。
微带馈线5的长度L4＝28.7mm，宽度W4＝2.4mm。
该天线的金属地板的尺寸与辐射阵列的尺寸相同，其长度仅为工作波长的0.4倍，宽度仅为中心工作频率波长的0.28倍，解决了现有技术中微带天线地板尺寸大的问题，实现了微带天线的小型化。
以下通过对上述实施例的仿真，进一步说明本发明的效果：
仿真1，在高频电磁仿真软件HFSS中，对上述实施例天线建立模型，在工作频带内对回波损耗特性进行仿真分析，仿真结果如图6，其横坐标为天线的工作频率，纵坐标为回波损耗强度。图6可见，该天线带宽约为58％，该天线的工作带宽大。
仿真2，在高频电磁仿真软件HFSS中，对上述实施例天线建立模型，在工作频带内对方向图特性进行仿真分析，仿真结果如图7，其中，7(a)为天线工作在2.2GHz的E面和H面方向图，图7(b)为天线工作在2.8GHz的E面和H面方向图，图7(c)天线工作在3.8GHz的E面和H面方向图。从图7可见，该天线的H面方向图全向性好，且该天线最大辐射方向为边射方向。
从以上实施例的仿真结果可见，设计的小型化宽带天线与现有技术相比，天线在实现小型化的同时，增大了天线的带宽，且天线的方向图特性良好。
实施例2：工作频带为19.7GHz～37.3GHz的微带天线，各结构尺寸参数如下。
矩形贴片11、矩形贴片12和矩形贴片13的尺寸相同，其长度L1＝3mm，宽度W1＝1.5mm，相邻矩形贴片间距S1＝0.1mm。
上层介质基板2的介电常数ε1＝2.65，长度L2＝4.7，宽度W2＝3mm，高度H1＝0.338mm，下层介质基板4的介电常数ε2＝3.66，高度H2＝0.254mm。
每一排金属化过孔21均由4个等间距排列的金属通孔组成，相邻两个金属通孔中心的间距S2＝0.75mm，金属通孔直径D＝0.2mm，第一个金属通孔的中心与上层介质基板2长边的距离A1＝0.375mm，其与上层介质基板2宽边的距离A2＝0.75mm。
矩形缝隙31的长度L3＝2.57mm，宽度W3＝0.22mm，矩形缝隙31长边与金属地板3宽边的距离A3＝2.24mm，矩形缝隙31宽边与金属地板3长边的距离A4＝0.215mm。
微带馈线5的长度L4＝3.29mm，宽度W4＝0.52mm。
该天线的金属地板的尺寸与辐射阵列的尺寸相同，其长度仅为波长的0.447倍，宽度仅为波长的0.285倍，解决了现有技术中微带天线地板尺寸大的问题，实现了微带天线的小型化。
以下通过对上述实施例的仿真，进一步说明本发明的效果：
仿真1，在高频电磁仿真软件HFSS中，对上述实施例天线建立模型，在工作频带内对回波损耗特性进行仿真分析，仿真结果如图8，其横坐标为天线的工作频率，纵坐标为回波损耗强度。图8可见，该天线带宽约为61％，该天线的工作带宽大。
仿真2，在高频电磁仿真软件HFSS中，对上述实施例天线建立模型，在工作频带内对方向图特性进行仿真分析，仿真结果如图9，其中，9(a)为天线工作在20GHz的E面和H面方向图，图9(b)为天线工作在28GHz的E面和H面方向图，图9(c)天线工作在37GHz的E面和H面方向图。从图9可见，该天线的H面方向图全向性好，且该天线最大辐射方向为边射方向。
从以上实施例的仿真结果可见，设计的小型化宽带天线与现有技术相比，天线在实现小型化的同时，增大了天线的带宽，且天线的方向图特性良好。
Claims (10)
1.小型化宽带微带天线，包括辐射阵列(1)、上层介质基板(2)、金属地板(3)、下层介质基板(4)、微带馈线(5)和馈电点(6)，辐射阵列(1)位于上层介质基板(2)的上表面，金属地板(3)位于上层介质基板(2)和下层介质基板(4)之间，微带馈线(5)位于下层介质基板(4)的下表面，微带馈线(5)与馈电点(6)相连，其特征在于：
所述的上层介质板(2)上设有左右对称的两排金属化过孔(21)，辐射阵列(1)通过金属化过孔(21)与金属地板(3)相连；
所述的金属地板(3)上蚀刻有矩形缝隙(31)，用于激励辐射阵列(1)；
所述的微带馈线(5)同时激励辐射阵列(1)和金属地板(3)。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的辐射阵列(1)由矩形贴片(11)、矩形贴片(12)和矩形贴片(13)等间距排列组成，相邻矩形贴片间距S1的取值为：0.1mm≤S1≤0.8mm；矩形贴片(11)、矩形贴片(12)和矩形贴片(13)的尺寸相同，其长度L1＝W2，宽度其中L2为上层介质基板(2)的长度，0.3×λ1≤L2≤0.5×λ2，W2为上层介质基板(2)的宽度，0.2×λ1≤W2≤0.4×λ2，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的上层介质基板(2)、金属地板(3)和下层介质基板(4)的尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述上层介质基板(2)的介电常数ε1取值为：2≤ε1≤4，高度H1的取值为：0.02×λ1≤H1≤0.04×λ2，其中λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每一排金属化过孔(21)均由N个等间距排列的金属通孔组成，N的取值为整数，且2≤N≤6，相邻两个金属通孔中心的间距金属通孔直径D的取值为：0.15mm≤D≤4mm，第一个金属通孔的中心与上层介质基板(2)长边的距离第一个金属通孔的中心与上层介质基板(2)宽边的距离L1为矩形贴片的长度，W1为矩形贴片的宽度。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述矩形缝隙(31)的长度L3取值为：0.15×λ1≤L3≤0.28×λ2，宽度W3的取值为：0.01×λ1≤W3≤0.03×λ2，其中λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述矩形缝隙(31)长边与金属地板(3)宽边的距离矩形缝隙(31)宽边与金属地板(3)长边的距离其中，L2为上层介质基板(2)的长度，W2为上层介质基板(2)的宽度。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述下层介质基板(4)的介电常数ε2取值为：2≤ε2≤5，高度H2的取值为：0.01×λ1≤H2≤0.02×λ2，其中λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述微带馈线(5)的长度L4取值为：宽度W4的取值为：0.01×λ1≤W4≤0.02×λ2，其中L2为上层介质基板(2)的长度，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长，ε3是等效介电常数，取值为：
式中ε2为下层介质基板(4)的介电常数，H2为下层介质基板(4)的高度，W4为微带馈线(5)的宽度。
10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述微带馈线(5)宽边与下层介质基板(4)长边重合，微带馈线(5)长边与下层介质基板(4)宽边的距离其中，L2为上层介质基板(2)的长度，W4为微带馈线(5)的宽度。
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