CN113471684A - 一种贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域，公开了一种贴片天线，包括：介质基板、导电接地板和导电贴片。所述导电贴片和导电接地板分别位于介质基板的第一表面和第二表面；所述贴片天线开设有多个通孔，所述多个通孔都依次贯穿导电贴片、介质基板和导电接地板。多个通孔都为金属化通孔或者多个通孔内分别设置多个短路柱并且每个所述短路柱的两端分别连接导电贴片和导电接地板，所述多个通孔分布在半径为R1的圆周上。贴片天线通过调节R1和多个通孔的个数N，使得所述第一谐振模式的谐振频率和第二谐振模式的谐振频率相互靠近。由此采用双模辐射实现两个谐振模式，实现低剖面和宽带宽的同时，实现天线的高增益。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种贴片天线。
背景技术
近几十年来，随着无线通信技术的快速发展，个人通信、无线局域网等系统对无线终端设备的便携性提出了更高的要求。天线作为系统终端必不可少的组成部分，被赋予了多频带、多功能的性能重任。当各种多媒体业务进入无线通信系统时，移动终端设备上可以容纳天线的空间将越来越有限。在军事上，为了加强装备在未来电子对抗战争中的机动性和隐蔽性，高性能多功能的小型一体化天线将成为天线技术的发展趋势。在此背景下，多频多模多极化天线应运而生。多频多模多极化天线的意义在于，通过设计新的天线模型，使得多个工作频段、多种工作模式、甚至多种极化方式集合于一个简单的天线，以避免使用多个不同的天线。这样将大大降低终端设备的成本，也节省了系统空间。
微带天线因其体积小、重量轻、低剖面、易共形、成本低且易与电路集成等诸多优点而广泛应用于无线通信、远程遥感、航空航天等民用和军事通信领域。目前国内外已经有不少利用微带天线实现多频多模多极化的报道。但是这些方法在增大天线尺寸、破坏天线低剖面特性、工作在有限主模频段整数倍频以及结构复杂不易调控等方面仍需要改善。此外这些多功能天线大多只具备单一的多频、多模或多极化特性，未形成完善的理论体系。
全向天线的特点是广播式，能够覆盖全方位的角度，在很多场合下会使用全向天线。在飞机、导弹、高铁以及民用通信中应用广泛。随着民用通信设备日趋集成化、共性化；飞行器速度越来越快传统的天线外形突兀，难以满足高速气动外形的要求。
传统的全向天线主要由两种形式实现，一类是微带天线，采用一个辐射模的双层悬置结构，或通过改善馈电结构(电磁耦合馈电)、添加寄生单元(枝节或加载)等技术展宽其阻抗，其优点是低剖面，但存在结构复杂和方向图容易畸变的问题。另一类是单极子天线，采用顶部加载或有耗加载，实现天线的低剖面，有耗匹配是以牺牲增益为代价的，采用顶部加载难以实现真正的低剖面，优点是带宽宽，缺点是剖面高。难以同时实现低剖面和宽带宽的同时，实现天线的高增益。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种贴片天线，可以实现低剖面和宽带宽的同时，实现天线的高增益。
根据本发明提供的一种贴片天线，所述贴片天线工作于第一谐振模式和第二谐振模式并且包括：
介质基板；
导电接地板；
导电贴片，所述导电贴片和导电接地板分别位于介质基板的第一表面和第二表面；所述贴片天线开设有多个通孔，所述多个通孔都依次贯穿导电贴片、介质基板和导电接地板；
所述多个通孔都为金属化通孔或者所述多个通孔内分别设置多个短路柱并且每个所述短路柱的两端分别连接导电贴片和导电接地板，所述多个通孔分布在半径为R1的圆周上；
所述贴片天线通过调节R1和多个通孔的个数N，使得所述第一谐振模式的谐振频率和第二谐振模式的谐振频率相互靠近。
优选地，所述第一谐振模式为TM01模式，所述第二谐振模式为TM02模式。
优选地，所述第一谐振模式的谐振频率根据R1和多个通孔的个数N来确定。
优选地，所述导电贴片的形状为圆形，所述第二谐振模式的谐振频率根据R1、所述导电贴片的半径R2和所述介质基板的介电常数εr来确定。
优选地，所述半径为R1的圆周的圆心和导电贴片的圆心相同，所述导电贴片的半径R2大于R1。
优选地，每个所述通孔的截面形状为圆形或多边形。
优选地，所述导电接地板的形状为圆形，所述介质基板的形状为圆形，所述导电接地板的直径与所述介质基板的直径相等。
优选地，所述贴片天线的剖面高度为0.024λ，其中λ为所述贴片天线工作频带的中心频点对应的自由空间波长。
优选地，所述导电接地板远离介质基板的表面设置有射频接头，所述射频接头用于给贴片天线馈电；所述射频接头的内导体连接导电贴片，所述射频接头的外导体连接导电接地板。
优选地，每个所述通孔的截面形状为圆形或多边形，所述介质基板的截面形状为圆形或多边形。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的贴片天线中辐射贴片选择圆形金属贴片和通过金属化通孔或加载共形金属柱的方式，实现双模辐射两个谐振模式，通过模式选择和巧妙的激励，实现方向图的稳定，同时其结构简单，且能满足天线覆盖空域和极化的要求；
2、本发明中贴片天线的高度为0.024f，具有小型化、低剖面的优点；
3、天线采用单层的介质基板通过蚀刻工艺获得，结构简单可靠，易于批量生产制造；
4、本发明采用双模辐射的圆形贴片天线，有效拓宽了天线的带宽，同时可通过同轴谐振腔体模型、扇形模型计算加载通孔中心连线所在圆周的半径R1及多个通孔的数量N，创新型强，拓宽了基于双模辐射的贴片天线的应用范围。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1是根据本发明实施例提供的贴片天线的立体图。
图2是图1所示贴片天线的俯视图。
图3是图1所示贴片天线的侧视图。
图4示出图1中贴片天线在TM02模式的水平方向的辐射增益图。
图5示出图1中贴片天线的金属贴片结构示意图。
图6示出图5中贴片天线以角度φ切分的扇形结构示意图。
图7示出图1中贴片天线的电压驻波比的曲线图。
图8示出图1中贴片天线在Phi＝90°/270°，频率为0.9f0时的增益曲线图。
图9示出图1中贴片天线在Phi＝0°/180°，频率为0.9f0时的增益曲线图。
图10示出图1中贴片天线在Phi＝90°/270°，频率为1.12f0时的增益曲线图。
图11示出图1中贴片天线在Phi＝0°/180°，频率为1.12f0时的增益曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面，参照附图对本发明进行详细说明。
图1是根据本发明实施例提供的贴片天线的立体图，图2是图1所示贴片天线的俯视图，图3是图1所示贴片天线的侧视图。
请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种贴片天线100，其包括：导电贴片10、介质基板20和导电接地板30。导电贴片10为金属贴片，导电接地板30为金属接地板。
导电贴片10和导电接地板30分别位于介质基板20的第一表面和第二表面。导电贴片10关于介质基板20的中心轴线呈中心对称，导电接地板30与导电贴片10同轴设置。
贴片天线100开设有多个通孔50，多个通孔50都依次贯穿导电贴片10、介质基板20和导电接地板30。
在第一种可选的实施例中，多个通孔50都为金属化通孔。
或者在第二种可选的实施例中，多个通孔50内分别设置多个短路柱并且每个所述短路柱的两端分别连接导电贴片10和导电接地板30。每个所述短路柱为金属柱。
多个通孔50分布在半径为R1的圆周上。在本发明的具体实施例中，多个通孔50均匀分布在半径为R1的圆周上。
贴片天线100工作于第一谐振模式和第二谐振模式。在本发明实施例中，所述第一谐振模式为TM01模式，所述第二谐振模式为TM02模式。
贴片天线100通过调节R1和多个通孔的个数N，使得第一谐振模式(例如TM01模式)的谐振频率和第二谐振模式(例如TM02模式)的谐振频率相互靠近。在本实施例中，第一谐振模式的谐振频率和第二谐振模式的谐振频率相互靠近例如可以是指第一谐振模式的谐振频率和第二谐振模式的谐振频率之间的差值较小，例如所述差值为0.01Hz、0.001Hz或者0.0001Hz等等。
第一谐振模式(例如TM01模式)的谐振频率根据R1和多个通孔的个数N来确定。其中，多个通孔50均匀分布在半径为R1的圆周上。
导电贴片10的形状为圆形。第二谐振模式(例如TM02模式)的谐振频率根据R1、导电贴片10的半径R2和介质基板20的介电常数εr来确定。由于贴片天线100具有两个谐振模式(TM01模式和TM02模式)，因此有效的增加了贴片天线100的带宽。
其中，通孔50内的短路柱(例如金属柱)或者金属化通孔50的引入使得天线的等效电感发生变化并激励出TM01模式。并且由于多个通孔50分布在半径为R1的圆周上，圆形导电贴片10的半径为R2；半径R1和半径R2形成的圆环导电结构，改变了天线的电容分布，从而激励出了新的谐振模式TM02，拓宽了天线频带。
在本发明实施例中，所述半径为R1的圆周的圆心和导电贴片10的圆心相同，导电贴片10的半径R2大于R1。
具体地，导电接地板30的形状为圆形，介质基板20的形状为圆形，导电接地板30的直径与介质基板20的直径相等。
在本发明实施例中，每个通孔50的截面形状为圆形。在其他实施例中，每个通孔50的截面形状为多边形。
在本发明实施例中，介质基板20的截面形状为圆形。在其他实施例中，介质基板20的截面形状为多边形。
导电接地板30远离介质基板20的表面设置有射频接头40，射频接头40用于给贴片天线100馈电；射频接头40的内导体连接导电贴片10，射频接头40的外导体连接导电接地板30。
在本发明实施例中，贴片天线100的剖面高度为0.024λ，其中λ为所述贴片天线100工作频带的中心频点对应的自由空间波长。作为对比，现有技术中的常规天线的剖面高度为0.23λ；相对于该常规天线，本发明实施例中的贴片天线100具有低剖面。
在本实施例中，采用圆形导电贴片10，使贴片天线100选择TM02模式，其方向图呈苹果形，覆盖空域大，在水平方向具有良好的全向性，如图4所示，可满足天线覆盖空域和极化的要求。
可知的，全向天线要求方位面实现360°的覆盖，即电场、磁场绕在法线方向对称，矩形贴片天线难以同时找到两种模式电场、磁场绕在法线方向对称，本发明设计的圆形贴片天线100选择TM02模式可以达到电场、磁场在法线方向对称，满足方向图的要求。
可知的，天线传输线上传播的导行波根据截止波数kc的不同，一般分为3种情形：
在后两种情形中，前者意味着该导行波既无纵向电场又无纵向磁场，只有横向电场和磁场，称为横电磁波，这是一种不可能在金属波导中存在的模式；后者则只存在于某种阻抗壁(比如在介质波导)才可能出现的模式，在光滑导体构成的金属波导中不可能存在。而对于
的情形，又分为两种情况：Ez≠0，而Hz＝0的波称为磁场纯横向波，简称TM波；Ez＝0，而Hz≠0磁场分量不为0的波称为电场纯横向波，简称TE波。
对于圆波导中关于场的横向分布规律为：沿径向R是贝塞尔函数或其导数分布；沿角向φ是三角函数分布，对于TMnm模式，n表示场沿圆周(φ从0到2π)变化的周期数或场沿圆周分布的半波数，m表示场沿半径(R从0到a)经历的除0根之外的零点数(或最大值数)。在圆波导中对于TMnm模式的截止波长λcTMnm可由下面的公式求得：
公式(1)中vnm为m阶贝塞尔函数的一阶导数的第n个根，a为圆波导纵向截面的半径。
在本实施例中，与圆形导电贴片10的中心轴线同轴设置的通孔50通过金属化或加载共形金属柱的短路方式，使天线导电接地板上的分布电感发生变化，以TM01模式对贴片天线30进行激励，有效的增加了带宽。如上所述，圆形导电贴片10的中心轴线同轴设置的多个呈对称的通孔50，与位于介质基板20第一表面的导电贴片10和位于介质基板20第二表面的导电接地板30形成圆形同轴谐振腔，对TM01模式进行激励，形成双谐振点，有效的增加了带宽，本发明通过双模辐射的圆形贴片天线实现了天线垂直全向特性的设计要求，同时比现有的单一TM11模式获得更低的Q值(品质因数)，因而具有良好的带宽，且本申请天线采用的两种模式均属于中心位置馈电，相较于偏向馈电方式的天线，其方向图更稳定，不圆度更好。
在本实施例中，介质基板20为圆形，其直径小于或等于0.62λ，如图2所示，该贴片天线100的剖面高度小于或等于0.024λ，如图3所示，其中λ为所述天线工作频带的中心频点对应的自由空间波长。故该贴片天线100具有小型化、低剖面的优点。
圆形贴片天线的辐射模式较为复杂，包括：TE11，TE01，TM11和TM01等。传统的圆形贴片天线一般采用TM11模式，TE11模式，其Q值(品质因数)较高，带宽较窄，而且需要偏向馈电，难以实现宽带宽。因为是全向方向图，要求电场、磁场绕法线方向对称，TM01和TM02模式的电场与磁场特性可满足设计要求，故本发明设计的贴片天线100工作于TM01和TM02模式。
TM02模式的谐振频率可以通过与圆形导电贴片10的半径R2、所述半径R1，以及介质基板20的介电常数εr计算，具体如下：
(一)R1和R2值的初值确定
通孔50的截面形状为圆形，多个通孔50均匀分布在半径为R1的圆周上。
R2＝3.8117/k02 (2)
公式(2)中的3.8117是TM02模式场分量的一阶贝塞尔函数的导数函数成为零的变量值，也叫做TM02模式的本征值，k02是TM02模式下的截止波数，k02的值可根据以下公式(3)进行计算：
其中，c＝3*108(m/s)，f1为TM02模式下的谐振频率，εr为介质基板20的介电常数。
TM02模式的电场在沿着圆形金属贴片的径向方向出现有短路面，而在出现短路面的位置采用金属化通孔或加载共形金属柱的方式形成的天线结构，在不影响TM02模式导行波的电场和磁场情况下，能激励天线的TM01模式，增加阻抗带宽。各个金属化通孔或短路柱(例如金属柱)的加载位置中心所在圆周的半径即R1的值，具体为：
R1＝2.4048/k02 (4)
公式(4)中的2.4048是TM01模式场分量的一阶贝塞尔函数成为原点之后的零的变量值，也叫做TM01模式的本征值。
(二)R1和R2值的优化
在该同轴腔体模型中，由于金属化通孔或加载短路柱(例如金属柱)的位置在TM02模式的短路面处，故其个数对TM02模式几乎无影响。结合公式(2)、(3)和公式(4)可知在R2不变时，随着R1的增加，TM02模式的谐振频率f1会下降。
具体的，在TM02模式的谐振频率计算公式(3)中：
其中，f1为TM02模式下的谐振频率；公式(6)中的J(χ)是第一类贝塞尔函数，J'(χ)是其导数函数；由于贝塞尔函数具有：J'0(χ)+J1(χ)＝0的性质，所以一阶贝塞尔函数的根和零阶贝塞尔函数导数的根相等，故用以求取第一类贝塞尔函数的零点值。Y(χ)是第二类贝塞尔函数，Y'(χ)是其导数函数；用以求取第二类贝塞尔函数的零点值。J'0(χ)和Y′0(χ)是各自函数的零阶函数的导数，可用以分别求取其一阶函数曲线的零点值，χ02是其一阶函数的第二个零点值，即本征方程(6)的第二个根。
需要说明的是，上述TM02模式中第一类贝塞尔函数和第二类贝塞尔函数及其函数导数与零点值定义的内容可参考Pozar D M著.微波工程(第三版).北京:电子工业出版社,2007.271-273，在此不做赘述。
(三)多个金属化通孔50的个数N或者多个短路柱(例如多个金属柱)的个数N对两个模式谐振频率的影响
对于圆形贴片天线TM01模式的的谐振频率可以看成是半径为R1的N个夹角为
的扇形模型计算，其中，
或
扇形的上下表面为理想电导体(PEC，PerfectElectric Conductor)面，扇形的前后以及右表面为理想磁导体(PMC，perfect magneticconductor)面，如图5和图6所示。在此PEC和PMC相当于对称边界条件，在本实施例中，金属贴片10和介质基板20的截面形状都是圆形，正入射时光源(某个偏振)也满足对称性，此时相当于周期边界。
对于TM01模式的谐振频率f2具体为：
公式(7)中的k01是TM01模式下的截止波数，所述k01的值由以下公式(8)和(9)获得：
k01＝χ01*R1 (8)
J'v(χ01)＝0 (9)
公式(9)中，J(χ)是第一类赛贝尔函数，J'(χ)是其导数函数；χ01是所述函数第(v+1)阶函数曲线的第一零点值，即圆扇形的本征方程(9)的第一个根，且本征方程(9)中变量v的值根据以下公式(10)和(11)获得：
φ＝2π/N (11)
其中，N为多个通孔50的个数，且N为2的整数倍的数。
结合公式(7)、(8)、(9)、(10)和公式(11)即可得到TM01模式下的谐振频率f2的值，且随着通孔个数N的增加，TM01模式下的有效电路路径减小，谐振频率f2增加。
需要说明的是，上述TM01模式中第一类贝塞尔函数及其函数导数与零点值定义的内容可参考Pozar D M著.微波工程(第三版).北京:电子工业出版社,2007.271-273，在此不做赘述。
在本发明提供的圆形贴片天线100中，可通过调整多个通孔50的中心连线所在圆周的半径R1和通孔个数N，使TM01模式和TM02模式的谐振频率相互靠近，进一步的使TM01模式的谐振频率f2和TM02模式的谐振频率f1之间的差值较小，例如所述差值为0.01Hz、0.001Hz或者0.0001Hz等等。从而展宽贴片天线100的带宽(也即从而形成宽带)，以满足贴片天线100在工作带宽中的阻抗特性需求。
通过上述同轴谐振腔体模型、扇形模型计算加载通孔的位置，以参数优化获得稳定增益效果和带宽的天线结构，不仅达到减少仿真数据量的目的，同时拓宽了基于双模辐射的贴片天线的应用范围。
需要说明的是，本发明中的贴片天线可应用在多个频段的通信系统中，可通过天线结构中各参数(如R1、R2、N和εr)的选择优化，可在相应工作带宽内获得良好的阻抗匹配和方向增益。
图7示出图1中贴片天线的电压驻波比的曲线图，如图7所示，该天线的中心频率为f0，在0.9f0～1.12f0的频率范围，天线的电压驻波比均不大于2。
图8和图9分别示出图1中贴片天线100在Phi＝90°/270°和Phi＝0°/180°，频率为0.9f0时的增益曲线图，在图8中，贴片天线100在频率为0.9f0时，在Phi＝90°/270°的方向上，即XOZ面内，其主瓣辐射功率为最大值达到3.56dB，其方向为Theta＝37°，主瓣宽度为48.3°，旁瓣电平为-7.4dB，在图9中，贴片天线100在频率为0.9f0时，在Phi＝0°/180°的方向上，即YOZ面内，其主瓣辐射功率为最大值达到3.37dB，其方向为Theta＝37°，主瓣宽度为48.3°，旁瓣电平为-7.3dB。
图10和图11分别示出图1中贴片天线在Phi＝90°/270°和Phi＝0°/180°，频率为1.12f0时的增益曲线图，在图10中，贴片天线在频率为1.12f0时，在Phi＝90°/270°的方向上，即XOZ面内，其主瓣辐射功率为最大值达到5.21dB，其方向为Theta＝34°，主瓣宽度为43.8°，旁瓣电平为-10.3dB，在图9中，贴片天线在频率为1.12f0时，在Phi＝0°/180°的方向上，即YOZ面内，其主瓣辐射功率为最大值达到5.13dB，其方向为Theta＝34°，主瓣宽度为43.8°，旁瓣电平为-10.3dB。
以上仿真结果说明，实施例1的贴片天线100的频率带宽为20.2％，在整个带宽内最大增益达到5.21dB，在带宽内有稳定边射方向图，E面和H面交叉极化水平都比较低。
此外，本发明实施例提供的贴片天线100采用单层的介质基板，工艺采用蚀刻以及金属化通孔或者加载短路柱，结构简单可靠，易于批量生产制造。
应当说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种贴片天线，其特征在于，包括：
介质基板；
导电接地板；
导电贴片，所述导电贴片和导电接地板分别位于介质基板的第一表面和第二表面；所述贴片天线开设有多个通孔，所述多个通孔都依次贯穿导电贴片、介质基板和导电接地板；
所述多个通孔都为金属化通孔或者所述多个通孔内分别设置多个短路柱并且每个所述短路柱的两端分别连接导电贴片和导电接地板，所述多个通孔分布在半径为R1的圆周上；
所述贴片天线通过调节R1和多个通孔的个数N，使得贴片天线的第一谐振模式的谐振频率和贴片天线的第二谐振模式的谐振频率相互靠近。
2.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：所述第一谐振模式为TM01模式，所述第二谐振模式为TM02模式。
3.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：所述第一谐振模式的谐振频率根据R1和多个通孔的个数N来确定。
4.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：所述导电贴片的形状为圆形，所述第二谐振模式的谐振频率根据R1、所述导电贴片的半径R2和所述介质基板的介电常数εr来确定。
5.根据权利要求4所述的贴片天线，其特征在于：所述半径为R1的圆周的圆心和导电贴片的圆心相同，所述导电贴片的半径R2大于R1。
6.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：每个所述通孔的截面形状为圆形或多边形。
7.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：所述导电接地板的形状为圆形，所述介质基板的形状为圆形，所述导电接地板的直径与所述介质基板的直径相等。
8.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：所述贴片天线的剖面高度为0.024λ，其中λ为所述贴片天线工作频带的中心频点对应的自由空间波长。
9.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：所述导电接地板远离介质基板的表面设置有射频接头，所述射频接头用于给贴片天线馈电；所述射频接头的内导体连接导电贴片，所述射频接头的外导体连接导电接地板。
10.根据权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：每个所述通孔的截面形状为圆形或多边形，所述介质基板的截面形状为圆形或多边形。
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