CN113422209B - 一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线技术领域，公开了一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用，所述小型化加载慢波单元的微带天线，包括一段印刷在上层介质基板顶部的微带馈电线、内嵌一段微带传输线的矩形辐射结构和在下层介质基板中的四个蘑菇型慢波单元。本发明为双层结构，利用微带线向矩形辐射结构馈电，通过在下层介质板上加入四个蘑菇型慢波单元实现天线的小型化设计，使微带天线尺寸减小。本发明的微带天线尺寸相比于同频率工作的常规微带天线，天线面积缩减了51.5%。相比于周期性超材料的加载方法，本发明在矩形微带辐射结构每个顶点下分别加载一慢波单元使天线设计更加简单，加工成本更低。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用。
背景技术
目前，在现代无线通信系统中，天线是不可或缺的器件。其中微带天线是最广泛使用的天线之一，它的优势是结构简单、体积小及制造方便。随着毫米波系统和器件的不断完善提高，系统及器件的小型化引起了人们的特别关注，而天线作为无线电接收和发射系统中的必要组件，其尺寸的缩减有着意义。例如，要求微带天线在其远场增益近似不变的前提下减小尺寸。使用高介电常数介质基板是最广泛使用的微带天线小型化技术。然而，介质基板材料的误差会引起材料成本的增加以及天线谐振频率的偏移，而且会使天线工作带宽变窄。短路金属壁和短路金属柱技术可以使微带天线的尺寸缩减到原来的一半，该技术被大量用在移动通信天线，特别是蜂窝电话单元中。然而，该技术会导致微带天线辐射方向图的不对称。折叠技术是另一种可以有效降低微带天线谐振频率的方法，然而，该技术会使微带天线的体积增大，天线的设计难度增加。因此，需要一种新的简单有效的方法可以在减小天线尺寸的同时对天线的辐射性能影响不大。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
（1）介质基板材料的误差会引起材料成本的增加以及天线谐振频率的偏移，而且会使天线工作带宽变窄。
（2）短路金属壁和短路金属柱技术会导致微带天线辐射方向图的不对称。
（3）折叠技术会使微带天线的体积增大，天线的设计难度增加。
解决以上问题及缺陷的难度为：除了以上方法，超材料和电磁禁带结构加载技术由于其自身慢波特性也在天线小型化领域中引起了广泛关注。在这些设计中，实际的天线尺寸仍然很大，因为天线的总面积是由所采用的电磁禁带结构决定的。它们确实需要一定数量的周期性单元才能使整个结构有效。因此，解决上述技术问题的难度在于，如何能在减少周期性单元数量的同时使微带天线尺寸减小。
解决上述技术问题的意义：通过在微带天线四个顶点下单独使用四个慢波单元，避开了周期性单元加载使天线实际尺寸过大的问题。通过调整四个蘑菇型慢波单元的位置及金属化通孔的相对位置使得能在有效减小天线尺寸的同时天线辐射性能没有明显变化，大幅降低了加载慢波结构的小型化微带天线设计过程的复杂度，节约了天线设计及加工成本，提供了一种新的简单有效的微带天线小型化技术。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用。
本发明是这样实现的，所述小型化加载慢波单元的微带天线，包括一段印刷在上层介质基板顶部的微带馈电线、内嵌一段微带传输线的矩形辐射结构和印刷在下层介质基板中的四个蘑菇型慢波单元。
进一步，所述微带线和矩形辐射结构的连接处采用一段内嵌的微带线，所述微带线连接到所述矩形辐射结构凹进去的长边中线，用于实现对矩形辐射单元的馈电。
进一步，所述矩形辐射结构靠近微带线的辐射长边凹进去的部分与外入的微带传输线之间隔有一定距离，用于改善天线的阻抗匹配。
进一步，所述微带天线采用两层介质基板，且下层介质基板介电常数高于上层介质基板，四个蘑菇型慢波单元加载在底层介质基板上，且位于矩形辐射结构四个角的下方。
进一步，所述蘑菇型慢波单元由小矩形贴片和位于小矩形贴片下面的金属化通孔组成。金属化通孔的孔径中心位置偏离小矩形印刷贴片的几何中心，向矩形辐射结构对应的四个顶点处偏移。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述小型化加载慢波单元的微带天线的通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述小型化加载慢波单元的微带天线的无线电接收和发射系统。
本发明的另一目的在于提供一种集成有所述无线电接收和发射系统的高频电子线路。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：与同频率工作的常规微带天线相比，本发明天线尺寸缩减了51.5%。相比于周期性超材料的加载方法，本发明通过在矩形微带辐射结构每个顶点下分别加载一慢波单元使天线设计更加简单，加工成本更低。
本发明利用微带线向矩形辐射结构馈电，通过在下层介质基板中加入四个蘑菇型慢波单元实现天线的小型化设计，使微带天线尺寸上减小。该设计整体尺寸小、设计方便及成本低，实现了微带天线的小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的小型化加载慢波单元的微带天线的整体结构示意图；
图中：1、微带馈电线；2、矩形辐射结构；3、蘑菇型慢波单元；4、地板。
图2是本发明实施例提供的小型化加载慢波单元的微带天线的整体结构正视图。
图3是本发明实施例提供的小型化加载慢波单元的微带天线的整体结构俯视图。
图4是本发明实施例提供的回波损耗曲线图。
图5是本发明实施例提供的增益图。
图6是本发明实施例提供的E面和H面的辐射方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用，本发明实施例提供的小型化加载慢波单元的微带天线，包括一段微带馈电线、内嵌一段微带传输线的矩形辐射结构和印刷在下层介质基板中的四个蘑菇型慢波单元。
所述微带天线采用两层介质基板，下层介质板印刷慢波单元。为了使电磁能量能更好地辐射出去，上层介质基板介电常数低于下层介质基板。所述微带馈电传输线印刷在上层介质基板顶部，采用内嵌式结构对矩形辐射结构进行馈电。为了改善天线的阻抗匹配，矩形辐射结构连接馈电线辐射边凹进去的部分与外入的微带传输线间隔一定距离。蘑菇型慢波单元由印刷的小矩形贴片和位于小贴片下的金属化通孔组成，四个小矩形贴片Z轴投影部分均包含于上层矩形辐射结构Z轴投影之中。四个小矩形贴片位于矩形辐射结构四个角下。下层介质板中的金属化通孔孔径中心位置正好处在矩形辐射结构四个角的角平分线上。由于微带天线在辐射边缘处具有场边缘效应，实际尺寸略小于理论尺寸。通过在矩形微带天线四个顶点下加载以上所描述的慢波单元，使得微带天线四个顶点处的场边缘效应得到加强，电容效应更强，天线实现了尺寸上的小型化。与同频率工作的常规微带天线相比，本发明天线尺寸缩减了51.5%。相比于周期性超材料的加载方法，本发明在矩形微带辐射单元四个顶点下仅加载一慢波单元使天线设计更加简单，加工成本更低。下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的小型化加载慢波单元的微带天线包括：微带馈电线1、矩形辐射结构2、四个蘑菇型慢波单元3、地板4。
如图2所示，本发明下层使用厚为1mm的罗杰斯RO4350，上层使用厚为0.5mm的罗杰斯RT5880的双层介质基板。本发明实施例使用的金属覆层厚度均为0.02mm。上层介质板顶部金属覆层有微带馈电线和矩形辐射结构，其中，微带馈电线金属层长20.8mm，宽3.7mm。矩形辐射结构长19.2mm，宽15mm，该矩形辐射结构在靠近微带馈电线的长边中部凹进一长7mm，宽4.3mm的矩形槽，宽3.7mm的微带馈电线与该矩形槽凹边中线对齐相连。四个形状尺寸完全一致的蘑菇型慢波单元中的小矩形贴片印刷在下层介质板的顶部。如图3所示，加载在下层罗杰斯RT5880介质板中的小贴片边长均为4mm，位于上层介质板顶部印刷的大矩形辐射结构下方。小矩形贴片每边与上层大矩形辐射结构邻边相距均为0.2mm。小矩形贴片下的金属化通孔直径为0.6mm，四个孔径中心位置横纵向均偏移小矩形贴片几何中心1.1mm，斜向矩形辐射结构的顶点处偏移。该矩形微带天线下层介质板底部全部覆盖金属层作馈电线及天线的地板。
如图4所示，为一种小型化加载慢波单元的微带天线的反射系数特性曲线图，由图可知，该天线中心频率3.88GHz，-10dB带宽为0.03GHz。如图5所示，为一种小型化加载慢波单元的微带天线在中心频点3.88GHz处的增益图。如图6所示，为一种小型化加载慢波单元的微带天线在3.88GHz频点处的辐射方向图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型化加载慢波单元的微带天线，其特征在于，所述小型化加载慢波单元的微带天线，包括一段印刷在上层介质基板顶部的微带馈电线、内嵌一段微带馈电线的矩形辐射结构和印刷在下层介质基板中的四个蘑菇型慢波单元；
所述蘑菇型慢波单元仅用四个，分别位于内嵌一段微带馈电线的大矩形辐射结构四个角的下方；
所述蘑菇型慢波单元由小矩形贴片和位于小矩形贴片下面的金属化通孔组成，金属化通孔的孔径中心位置偏离小矩形印刷贴片的几何中心，向矩形辐射结构对应的四个顶点处偏移。
2.如权利要求1所述小型化加载慢波单元的微带天线，其特征在于，所述微带馈电线和矩形辐射结构的连接处采用一段内嵌的微带馈电线，所述微带馈电线连接到所述矩形辐射结构凹进去的长边中线，用于实现对矩形辐射单元的馈电。
3.如权利要求1所述小型化加载慢波单元的微带天线，其特征在于，所述矩形辐射结构靠近微带馈电线的长边凹进去的部分与外入的微带馈电线之间隔一定距离，用于改善天线的阻抗匹配。
4.如权利要求1所述小型化加载慢波单元的微带天线，其特征在于，所述微带天线采用两层介质基板，且下层介质基板介电常数高于上层介质基板。
5.一种安装有如权利要求1～4任意一项所述小型化加载慢波单元的微带天线的通信系统。
6.一种安装有如权利要求1～4任意一项所述小型化加载慢波单元的微带天线的无线电接收和发射系统。
7.一种集成有如权利要求6所述无线电接收和发射系统的高频电子线路。
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