CN109687112A - 一种小型化介质贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明小型化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板、金属反射地板、第二介质基板和介质贴片，第一介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，介质贴片远离天线的信号输入端的一个侧面贴敷有金属薄片，并且该金属薄片与金属反射地板短路连接。本发明为一种侧面被短路的半切介质贴片，用于设计小型化低剖面天线。根据主模TM101模的电场分布，通过将半波长的介质贴片的中心平面有效地接地形成短路，从而实现半切，得到一个四分之一波长的介质贴片。所得到的半切的四分之一波长介质贴片可以很好地被缝隙耦合激励，从而用于天线的设计。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于半切技术的小型化介质贴片天线。
背景技术
介质谐振器天线自1983年首次提出以来已被广泛研究。与金属天线相比，介质谐振器天线具有几个优越的特性，如低损耗，重量轻和容易被激励。随着通信系统的小型化，对小型天线的需求不断增加。为了满足这一需求，已经有专家提出了多种关于小型化介质谐振器天线的设计。介质谐振器天线的半切或四分之一切技术是实现小型化的有效方法。然而，半切或者四分之一切的介质谐振器仍然工作在介质谐振器的固有模式中，通过介质谐振器的多个面进行辐射，因此增益相对较低。除此之外，它们的高剖面将成为实际应用中的障碍。为了解决这个问题，2013年有专家发展了一种准平面介质贴片天线，该天线具有与微带贴片天线类似的特性。由于引入了贴片腔模式的辐射机制，该天线增益比传统介质谐振器天线提高了0.5到1dB。但是，到目前为止还没有发展出针对介质贴片天线的小型化设计方法。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的小型化介质贴片天线。通过使用缝隙耦合来激励半切四分之一波长介质贴片的主模TM101模，可以获得小型化低剖面介质贴片天线。
为了达到上述目的，本发明提出的小型化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板、金属反射地板、第二介质基板和介质贴片，所述第一介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，其特征在于：介质贴片远离天线的信号输入端的一个侧面贴敷有金属薄片，并且该金属薄片与金属反射地板短路连接。
本发明还具有进一步的特征：
1、所述第二介质基板的上表面设有与金属薄片相连的金属焊盘，所述第二介质基板开设有一排与金属焊盘相连的金属化通孔，所述金属化通孔的上端与金属焊盘相连，下端与金属反射地板相连，从而实现金属薄片的短路连接。
2、所述金属反射地板的垂直中分面上具有一缝隙，所述微带馈线在金属反射地板上的投影与该缝隙垂直相交。
本发明为一种侧面被短路的半切介质贴片，用于设计小型化低剖面天线。根据主模TM101模的电场分布，通过将半波长的介质贴片的中心平面有效地接地形成短路，从而实现半切，得到一个四分之一波长的介质贴片。所得到的半切的四分之一波长介质贴片可以很好地被缝隙耦合激励，从而用于天线的设计。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明小型化介质贴片天线的分解图。
图2是本发明小型化介质贴片天线的俯视图。
图3是本发明小型化介质贴片天线的侧视图。
图4是本发明小型化介质贴片天线仿真和测试的反射系数(S11)和增益曲线对比图。
图5是本发明小型化介质贴片天线在4.15GHz频率点下的仿真和测试的天线辐射E面方向图。
图6是本发明小型化介质贴片天线在4.15GHz频率点下的仿真和测试的天线辐射H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1-图3所示，本实施例小型化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板5、金属反射地板6、第二介质基板2和介质贴片1。介质贴片1为四分之一波长的矩形介质贴片，位于第二介质基板2的中心处。第一介质基板5为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板6，底层为用于耦合馈电的微带馈线7。介质贴片1远离天线的信号输入端的一个侧面贴敷有金属薄片8，并且该金属薄片8与金属反射地板6短路连接。具体的，第二介质基板2的上表面设有与金属薄片8相连的金属焊盘9，第二介质基板2开设有一排与金属焊盘9相连的金属化通孔3，金属化通孔3的上端与金属焊盘9相连，下端与金属反射地板6相连，从而实现金属薄片8与金属反射地板6短路连接。金属反射地板6的垂直中分面上具有一缝隙4，缝隙4与金属薄片8平行，并且缝隙4沿着微带馈线7的中心线对称设置，微带馈线7在金属反射地板6上的投影与该缝隙4垂直相交。
二分之一波长的介质贴片，其主模TM101模的电场分布在x轴方向上是奇对称的，因此通过将中心平面短路到金属反射地板，可以将二分之一波长的介质贴片切半并成功转换为四分之一波长的介质贴片。本实施例天线为一种侧面被短路的半切（四分之一波长）介质贴片。
在这种设计中，关键在于二分之一波长的介质贴片的中心平面有效地接地形成短路的过程，这可以实现所需的半切效果。通过实验发现，介质贴片侧面上的薄片高度t是最重要的参数。当t从0.1mm增加到h1（介质贴片的高度）时，半切的四分之一波长介质贴片的TM101模式频率会向下移动。当t=h1时，二分之一波长介质贴片和半切的四分之一波长介质贴片的TM101模频率非常接近，这表明该设计获得了有效的半切。
在天线设计中用如图1所示的缝隙耦合来激励半切的四分之一波长介质贴片的TM101模。通过优化良好的阻抗匹配，可以确定本实施例天线的参数，如下表所示。
| 参数 | G<sub>L</sub> | h<sub>2</sub> | l | W | L<sub>F</sub> |
| 值（mm） | 52 | 0.813 | 20 | 11 | 24 |
| 参数 | h<sub>1</sub> | S<sub>1</sub> | S<sub>W</sub> | t | W<sub>F</sub> |
| 值（mm） | 1.3 | 7 | 0.9 | 1.3 | 3.5 |
介质贴片1的介电常数εr2=100，损耗角为tanδ2=7×10-4；第一介质基板5和第二介质基板2的介电常数为εr1=3.38，损耗角为tanδ1=2.7×10-3，金属化通孔的半径为0.2mm。
对本实施例介质贴片滤波天线进行测试，测试结果与仿真相吻合，图5显示了模拟和测量的反射系数（S11）有良好的一致性。该天线在中心频率f0=4.15GHz处被测量到S11=-32dB，最大增益为5.8dBi，并且阻抗带宽（S11<-10dB）是1.43％。4.15GHz的E和H平面辐射图分别如图5和图6所示，测得的交叉极化比主极化低至少13dB。最后，从图5和图6可以观察到模拟和测量结果之间存在轻微的差异，这可以归因于制造和测量所产生的误差。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种小型化介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的第一介质基板（5）、金属反射地板（6）、第二介质基板（2）和介质贴片（1），所述第一介质基板（5）的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线（7），其特征在于：介质贴片（1）远离天线的信号输入端的一个侧面贴敷有金属薄片（8），并且该金属薄片（8）与金属反射地板（6）短路连接。
2.根据权利要求1所述的小型化介质贴片天线，其特征在于：所述第二介质基板（2）的上表面设有与金属薄片（8）相连的金属焊盘（9），所述第二介质基板（2）开设有一排与金属焊盘（9）相连的金属化通孔（3），所述金属化通孔（3）的上端与金属焊盘（9）相连，下端与金属反射地板（6）相连，从而实现金属薄片（8）的短路连接。
3.根据权利要求2所述的小型化介质贴片天线，其特征在于：所述金属反射地板（6）的垂直中分面上具有一缝隙（4），所述微带馈线（7）在金属反射地板（6）上的投影与该缝隙（4）垂直相交。
4.根据权利要求2所述的小型化介质贴片天线，其特征在于：所述缝隙（4）与金属薄片（8）平行，并且缝隙（4）沿着微带馈线（7）的中心线对称设置。
5.根据权利要求2所述的小型化介质贴片天线，其特征在于：所述金属薄片（8）贴敷在介质贴片（1）侧面。
6.根据权利要求1所述的小型化介质贴片天线，其特征在于：所述第一介质基板（5）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板（6），底层为所述的微带馈线（7）。
7.根据权利要求1所述的小型化介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）为四分之一波长的矩形介质贴片，位于第二介质基板（2）的中心处。
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