CN101038983A

CN101038983A - 用于宽频微带天线的可变频耦合馈电装置

Info

Publication number: CN101038983A
Application number: CN 200610057411
Authority: CN
Inventors: 柴雯雯; 张晓娟
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2026-03-13
Also published as: CN101038983B

Abstract

本发明一种用于宽频微带天线的可变频耦合馈电装置，包括共面波导以及其上的耦合缝，其还包括一变容装置，变容装置的两接脚固接在共面波导耦合缝中心的两侧，通过调节变容装置的电容来改变其馈电方式，当给天线馈电时，能在一个相当大的频段内转换天线的谐振频点，达到变频的效果；在天线尺寸和耦合缝隙形状固定的情况下，只需调节变容装置的电容值就可达到提高天线性能的目的，使天线获得更好的带宽和增益。本发明装置，适合于宽带或者多频无线通信领域。

Description

用于宽频微带天线的可变频耦合馈电装置

技术领域

本发明涉及变频馈电装置技术领域，是一种用于宽频微带天线的可变频耦合馈电装置，该装置可以通过调节变容器件，方便的与不同的天线结合，从而得到宽频带和高增益的天线。

技术背景

微带天线是二十世纪中后期逐渐发展起来的一种新型的天线。由于其既有尺寸小，成本低，结构牢固和工艺简单等优点，同时还可以方便的实现线极化或圆极化以及双频工作，因而被广泛应用于通信，广播和航空航天等领域。但是，由于微带天线本身是窄带的，要想得到宽频带特性通常采用口径耦合或者多层介质的结构等手段来实现。通常来讲，开口耦合会引入电极化或者磁极化或者同时引入两者。当能量通过缝隙耦合到微带天线时，此时的极化形式主要是磁极化。因为极化特性主要依赖于缝隙的形状以及大小，所以在天线尺寸固定的情况下，通过优化缝隙的形状和尺寸来获得好的极化特性，是提高天线性能的一种很理想的方法。然而，传统的口径耦合馈电的实现，是在天线贴片与馈电网络间加一带有缝隙的接地板，微带天线通过此口径对贴片馈电，这样就引入了多层介质，增加了设计的难度和复杂性。

另一方面，由C.W.Wen在1969年提出的共面波导日益受到人们的关注。这种传统的共面波导是由一个中心导带和分布于两侧的两个半无限延伸的共面接地板构成的。共面波导传输线相对于常规的传输线来说，具有辐射损耗小，易于和其它元器件实现串并连接，提高电路集成度等优点。然而至目前为止，大部分的报道集中在了共面波导矩形槽馈电的研究上，共面波导结构的特殊优势并没有得到充分发挥，使得天线的带宽和增益受到一定限制。

发明内容

本发明的目的之一是提出两种共面波导开槽馈电的耦合装置，这两种装置在共面波导上分别开出对称的双T型缝和H型缝。实验证明在缝隙面积相同的情况下，这两种耦合缝比矩形缝具有更大的耦合量，故为优化天线提供了更大的自由度。

本发明的另一目的是结合共面波导的结构优势以及不同馈电方式的共面波导双T型和H型缝隙槽的耦合原理，提出了一种共面波导耦合缝变频馈电的思想，并根据此思想设计出两种变频馈电装置，最后将这些装置应用在了宽频带的微带天线上。变频思想的基本内容是：在共面波导上开缝，缝的形状可以根据实际需要选择，在中心缝的两边跨接一变容装置，如变容二极管；利用此二极管调节电容值，可以在感性和容性间改变天线的馈电方式，使谐振频点随着电容值的变化而变化，从而达到变频的效果。实验证明，实际设计出的两种变频馈电装置可以简单的实现天线的优化，进一步提高天线的带宽和增益。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种用于宽频微带天线的可变频耦合馈电装置，包括共面波导以及其上的耦合缝，其还包括一变容装置，变容装置的两接脚固接在共面波导耦合缝中心的两侧，通过调节变容装置的电容来改变其馈电方式，当给天线馈电时，能在一个相当大的频段内转换天线的谐振频点，达到变频的效果；在天线尺寸和耦合缝隙形状固定的情况下，只需调节变容装置的电容值就可达到提高天线性能的目的，使天线获得更好的带宽和增益。

所述的可变频耦合馈电装置，其所述变容装置，为变容二极管。

所述的可变频耦合馈电装置，其所述共面波导耦合缝，形状为矩形缝或H形缝。

一种用所述的可变频耦合馈电装置进行馈电的宽频微带天线，包括无源贴片、馈电贴片、空气层、介质基板；其中，将馈电贴片和可变频耦合馈电装置的共面波导，分别固定在同种介质基板的两侧，介质基板和共面波导尺寸相同；馈电贴片的正上方为一无源贴片，两贴片之间为空气层。

所述的宽频微带天线，其所述介质基板，采用ε_r＝2.22的新型微波复合介质基片F₄B-1-2作为介质材料。

所述的宽频微带天线，其所述空气层，厚度为≤5mm。

所述的宽频微带天线，其所述可变频耦合馈电装置的共面波导，其上的耦合缝，形状为矩形缝或H形缝。

所述的可变频耦合馈电装置，其适用于两层以上的微带贴片天线。

本发明的有益效果是：其一，设计的共面波导双T型缝和H型缝耦合馈电装置，和共面波导矩形缝相比，具有更大的耦合量和设计自由度，用到天线上时可以提高天线的极化特性，增加带宽和增益，减小天线尺寸；其二，利用变频馈电思想设计的变频耦合装置，可以通过调节变容二极管来改变其馈电方式，给天线馈电时，能在一个相当大的频段内转换天线的谐振频点，达到变频的效果，在天线尺寸和缝隙形状固定的情况下，只需调节二极管的电容值就可达到提高天线性能的目的，既简单又有效，和普通的共面波导馈电装置相比，可以使天线获得更好的带宽和增益。为证明变频装置的实用性，给出了宽频带天线实际设计的两个例子：使用变频耦合装置为双层贴片天线馈电，当缝隙形状选为矩形缝时，得到了21％的阻抗带宽(驻波比＜2)，工作频带为4.35GHZ到5.35GHZ；当缝隙形状选为H形缝时，得到了26％的阻抗带宽(驻波比＜2)，工作频带为4.15GHZ到5.35GHZ(传统微带天线带宽仅有2％--5％，常用的共面波导矩形缝馈电的微带天线的带宽也只有百分之十几)，两者在工作范围内的增益均大于8dB，且其变化不超过1dB，其性能包括增益以及极化特性都很好，适合于宽带或者多频无线通信领域。

附图说明

图1是本发明的共面波导双T型耦合缝馈电装置；

图2是本发明的共面波导H型耦合缝馈电装置；

图3是本发明的共面波导矩形缝变频耦合馈电装置；

图4是本发明的共面波导H型缝变频耦合馈电装置；

图5是本发明的共面波导矩形缝变频耦合装置馈电的双层贴片天线的俯视图；

图6是本发明的共面波导H型缝变频耦合装置馈电的双层贴片天线的俯视图；

图7是图5，图6的侧视图。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案是：在共面波导上分别开出双T型缝和H型缝，将共面波导的引出线与信号源相连接，通过共面波导将能量馈到所开的耦合缝中，再通过耦合缝将能量耦合到天线上，故可以通过改变缝隙的大小来调节其耦合量。实验证明，双T型缝和H型缝与其它的耦合缝相比，具有面积小但耦合量大的特性，可以有效减小天线的后向辐射。故这两种馈电装置成为了提高天线带宽和减小天线尺寸的一种极好选择。

变频馈电的思想是在研究共面波导的结构特点以及上面两种馈电缝耦合原理的基础上提出的。共面波导两窄缝隙槽间有一中心导体，当用共面波导作为馈电结构使用时，若中心导体与接地板直接相连，则是一种短路结构，为感性馈电，在准静态场情况下，中心导体与接地板间等效为接一感性负载；若中心导体与接地板被耦合缝分开，则是一种开路结构，为容性馈电，在准静态场情况下，中心导体与接地板间等效为接一容性负载。另外，通过对传统的共面波导矩形缝以及本文提出的共面波导双T型缝和H型缝耦合原理的研究，我们知道，不同的馈电方式会使天线有不同的谐振频点。根据上述结构特点和缝隙的耦合特性，我们在共面波导上开缝，适当选择缝的形状，然后在缝的中心加入变容二极管，就可以通过调节电容值来改变共面波导的馈电方式。电容从零变到极大值的过程中，天线的谐振频点随之变化，不同的电容值对应不同的谐振点，故将这种变频耦合装置用到天线上时，可以简单的通过调节变容二极管来优化天线，使得天线获得更好的带宽和增益。为验证变频思想的正确性，文中利用变频馈电装置实际设计出了宽频带天线。

图1、图2、图3、图4为四种共面波导耦合缝馈电装置。共面波导是由一个宽度为w的中心导带3，分布于两侧的两个长宽为G×G共面接地板1以及中心导带3和接地板1之间宽度为d的窄缝隙槽2构成的。共面波导固定在介质基板10的一侧，其介电常数为ε_r，大小与共面波导相同。这些尺寸的具体值要根据馈电天线的大小和使用频段来确定。

图1，图2分别在共面波导上开出了对称的双T型缝4和H型缝5，其水平缝和垂直缝的宽度为ws，通过变化垂直缝的长度ld以及两对称垂直缝的水平距离ls来研究耦合缝的馈电特性。其中包括ls和ld分别取不同值时的return loss随着频率的变化规律，ls取不同值时谐振频率和天线的带宽(驻波比＜2)随着ld的变化规律，并利用天线近场分布来对这些规律进行分析。通过这些研究得到了两种馈电装置的耦合特性，并将其性能与传统的共面波导馈电装置进行了比较。

根据变频思想，实际设计出了两个变频装置。这两种装置分别选用矩形缝6和H型缝5作为耦合缝，如图3、图4所示，它们分别将变容二极管的两个接脚跨接在中心缝的A，B两点。下面用H型缝5变频装置为例说明其调节过程：当调节电容为0时，A，B两点相当于短路，对应的即是共面波导双T型缝4馈电；当调节电容为极大值时，A，B两点相当于开路，对应的即是共面波导H型缝5馈电。电容从0变到极大值的过程中，谐振频点在相当大的频段内变化，选择合适的电容值就可使耦合装置的馈电性能达到最优。

作为一设计实例，我们利用变频装置实际设计了两个C波段的双贴片宽频微带天线，如图5、图6、图7所示。其中，将馈电贴片8和共面波导分别固定在同种介质基板10的两侧，用ε_r＝2.22的新型微波复合介质基片F₄B-1-2作为介质材料，其和共面波导尺寸相同：长宽为G×G，G＝60mm，厚度h为1.58mm。共面波导缝隙槽2的宽度：d为0.06mm，两槽间的中心导带3的宽度：w为3mm。馈电贴片8长宽为a＝b＝18mm，馈电贴片8的正上方为一无源贴片7，其长宽为a1＝b1＝23.4mm，两贴片之间为厚度d0＝5mm的空气层9。我们分别调节图5、图6中A，B两点间的变容二极管，在驻波比＜2时，两天线分别获得21％和26％的阻抗带宽，工作频带内的增益均高达8dB，实用性很强，在工程上将会发挥很好的应用。此外，这些变频装置同样适用于两层以上的微带贴片天线，调节起来极其方便。

以上共面波导和贴片的尺寸以及介质材料的有关数据只是作为实际设计的例子给出的。对于不同频段以及不同类型的宽频带天线来讲，这些参量设置是不同的。

Claims

1、一种用于宽频微带天线的可变频耦合馈电装置，包括共面波导以及其上的耦合缝，其特征在于，还包括一变容装置，变容装置的两接脚固接在共面波导耦合缝中心的两侧，通过调节变容装置的电容来改变其馈电方式，当给天线馈电时，能在一个大频段内转换天线的谐振频点，达到变频的效果；在天线尺寸和耦合缝隙形状固定的情况下，只需调节变容装置的电容值就达到提高天线性能的目的，使天线获得更好的带宽和增益。

2、如权利要求1所述的可变频耦合馈电装置，其特征在于，所述变容装置，为变容二极管。

3、如权利要求1所述的可变频耦合馈电装置，其特征在于，所述共面波导耦合缝，形状为矩形缝或H形缝。

4、如权利要求1、2或3所述的可变频耦合馈电装置，其特征在于，其适用于两层以上的微带贴片天线。

5、一种用如权利要求1、2或3所述的可变频耦合馈电装置进行馈电的宽频微带天线，包括无源贴片、馈电贴片、空气层、介质基板；其特征在于，将馈电贴片和可变频耦合馈电装置的共面波导，分别固定在同种介质基板的两侧，介质基板和共面波导尺寸相同；馈电贴片的正上方为一无源贴片，两贴片之间为空气层。

6、如权利要求5所述的宽频微带天线，其特征在于，所述介质基板，采用ε_r＝2.22的新型微波复合介质基片F₄B-1-2作为介质材料。

7、如权利要求5所述的宽频微带天线，其特征在于，所述空气层，其厚度为≤5mm。

8、如权利要求5所述的宽频微带天线，其特征在于，所述可变频耦合馈电装置的共面波导，其上的耦合缝，形状为矩形缝或H形缝。