CN103259086A - 一种超宽带平面小型化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带平面小型微带天线，包括：介质板、辐射贴片单元、接地板、微带馈线；所述辐射贴片单元和微带馈线设置在所述介质板的正面，所述接地板设置在所述介质板的背面。本发明通过采用规则的矩形辐射贴片单元相比和矩形渐进切角辐射贴片上开两堆叠的凸形槽的方法，改变宽带天线电流的流向，实现宽带天线的宽带化及小型化，宽带天线低频段带宽得到了展宽，减小了宽带天线的体积，实现了宽带天线在3GHz-19GHz内满足超宽带特性，且宽带天线结构特别简单，剖面低，易于安装及集成，结构简单，易于加工，宽带天线在3GHz-19GHz的频带范围内反射损耗小于-10dB。此外，本发明操作方便，结构简单，有着很好的应用价值。

Description

一种超宽带平面小型化微带天线

技术领域

本发明属于微带天线制造领域，尤其涉及一种超宽带平面小型化微带天线。

背景技术

超宽带天线是现代战争电子侦察系统和电子干扰等系统的主要设备，在电子侦察方面，由于调频技术的广泛应用，要求电子侦察系统的工作带宽越来越宽，高频段要求扩展到40GHz-110GHz，以色列Elistra公司研制的CR2740A雷达情报侦查系统其频率覆盖范围达0.5GHz-40GHz，在电子干扰方面，雷达的隐身技术和反隐身技术主要是针对1-20GHz的微波频段，雷声公司的AN/ALQ.142综合射频干扰系统一直为美海军的SH.60B“海鹰”提供2GHz-25GHz的射频覆盖，新型的海鹰直升机已装备洛克希德一马丁公司的AN/ALQ.210，可覆盖的频域更宽。

民用方面，特别是自2002年美国联邦通信委员会批准超宽带技术可以应用于民用领域以来，超宽带相关技术的研究得到了突飞猛进的发展，关于超宽带微带天线的小型化设计已经作为一个研究课题被业界广泛关注。

宽带天线基本上有以下几种形式：频率无关天线(螺旋天线，对数周期天线)、双锥天线、V一锥天线、TEM喇叭天线、波纹喇叭天线、加载天线及其多种变形天线等，虽然这些天线在实际工程中广泛使用，由于他们自身结构的限制，如尺寸过大、结构复杂、安装不便等，人们还是倾向于尺寸更小、加工和安装更方便的新型超宽带天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带平面小型化微带天线，旨在解决现有宽带天线存在的尺寸过大、结构复杂、安装不便的问题。

本发明是这样实现的，一种超宽带平面小型微带天线，所述超宽带平面小型微带天线包括：介质板、辐射贴片单元、接地板、微带馈线；

所述辐射贴片单元和微带馈线设置在所述介质板的正面，所述接地板设置在所述介质板的背面。

进一步、所述辐射贴片单元靠近微带线终端沿辐射贴片纵向轴对称渐变两级切角，形成第一切角体、第二切角体、第三切角体和第四切角体。

进一步、所述辐射贴片单元中间位置沿辐射贴片纵向轴对称开挖出第一渐变槽体、第二渐变槽体和第三渐变槽体。

进一步、所述介质板采用FR4介质，体积为32mm×27mm×1.6mm。

进一步、所述辐射贴片单元边缘的两级切角尺寸渐变，第一切角体和第三切角体面积为1.5mm*1.5mm，第二切角体和第四切角体面积为1.5mm*1mm。

进一步、所述辐射贴片单元上两个堆叠的凸形槽第一渐变槽体、第二渐变槽体和第三渐变槽体尺寸是渐变的，第一渐变槽体的面积为6mm*3.25mm，第二渐变槽体的面积为4.8mm*2mm，第三渐变槽体的面积为4mm*1.5mm。

进一步、所述接地板采用规则矩形，面积为11.5mm×27mm。

进一步、所述辐射贴片单元距离介质板的左边距为4.5mm，右边距为7.5mm，上边距为5mm，下边距为12.5mm；

辐射贴片单元实际长度计算参考公式：

$L=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\ξ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ξ}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\ξ}}_e=\frac{{\mathrm{\ξ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ξ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

辐射贴片单元宽度的计算公式为：

$W=\frac{c{\mathrm{\λ}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

进一步、所述馈电端口处微带馈线采用50Ω的特性阻抗，宽度计算可参考下列公式：

$\frac{W}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{8e^A}{e^{2A}-2}& W/h<2\\ \frac{2[B-1-\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)]}{\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2{\mathrm{\&xi;}}_r}[\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)-\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r}+0.39]& W/h>2\end{array}\right.$

$A=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}(0.23+\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r})+\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}}$

其中ξ_r为介质相对介电常数；h为介质层厚度；W为辐射贴片单元宽度。

进一步、所述超宽带平面小型微带天线通过调节第一切角体、第二切角体、第三切角体、第四切角体和第一渐变槽体、第二渐变槽体、第三渐变槽体的面积改变辐射贴片中电流的流向以及与接地板之间的电流耦合来增加电流的有效路径，从而展宽带宽实现超宽带。

本发明通过采用规则的矩形辐射贴片单元相比和矩形渐进切角辐射贴片上开两堆叠的凸形槽的方法，改变宽带天线电流的流向，实现宽带天线的宽带化及小型化，宽带天线低频段带宽得到了展宽，减小了宽带天线的体积，实现了宽带天线在3GHz-19GHz内满足超宽带特性，且宽带天线结构特别简单，剖面低，易于安装及集成，结构简单，易于加工，宽带天线在3GHz-19GHz的频带范围内反射损耗小于-10dB。此外，本发明操作方便，结构简单，有着很好的应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的超宽带平面小型微带天线的结构示意图；

图2是本发明提供的超宽带平面小型化微带天线的回波损耗曲线图

图3是本发明提供的超宽带平面小型化微带天线的电压驻波比曲线图；

图4是本发明提供的超宽带平面小型化微带天线在3.68GHz的EH面辐射方向图特性图；

图5是本发明提供的超宽带平面小型化微带天线在7.42GHz的EH面辐射方向图特性图；

图6是本发明提供的超宽带平面小型化微带天线在17.72GHz的EH面辐射方向图特性图。

图中：1、介质板；2、辐射贴片单元；3、第一切角体；4、第二切角体；5、接地板；6、第一渐变槽体；7、第二渐变槽体；8、第三渐变槽体；9、第三切角体；10、第四切角体；11、微带馈线。

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。

图1示出了本发明提供的超宽带平面小型微带天线结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的超宽带平面小型微带天线，包括：介质板、辐射贴片单元、接地板、微带馈线；

辐射贴片单元和微带馈线设置在介质板的正面，接地板设置在介质板的背面。

作为本发明实施例的一优化方案，辐射贴片单元靠近微带线终端沿辐射贴片纵向轴对称渐变两级切角，形成第一切角体、第二切角体、第三切角体和第四切角体。

作为本发明实施例的一优化方案，辐射贴片单元中间位置沿辐射贴片纵向轴对称开挖出第一渐变槽体、第二渐变槽体和第三渐变槽体。

作为本发明实施例的一优化方案，介质板采用FR4介质，体积为32mm×27mm×1.6mm。

作为本发明实施例的一优化方案，辐射贴片单元边缘的两级切角尺寸渐变，第一切角体和第三切角体面积为1.5mm*1.5mm，第二切角体和第四切角体面积为1.5mm*1mm。

作为本发明实施例的一优化方案，辐射贴片单元上两个堆叠的凸形槽第一渐变槽体、第二渐变槽体和第三渐变槽体尺寸是渐变的，第一渐变槽体的面积为6mm*3.25mm，第二渐变槽体的面积为4.8mm*2mm，第三渐变槽体的面积为4mm*1.5mm。

作为本发明实施例的一优化方案，接地板采用规则矩形，面积为11.5mm×27mm。

作为本发明实施例的一优化方案，辐射贴片单元距离介质板的左边距为4.5mm，右边距为7.5mm，上边距为5mm，下边距为12.5mm；

辐射贴片单元实际长度计算参考公式：

$L=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\&xi;}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\&xi;}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\&xi;}}_e=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

辐射贴片单元宽度的计算公式为：

$W=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

作为本发明实施例的一优化方案，馈电端口处微带馈线采用50Ω的特性阻抗，宽度计算可参考下列公式：

$\frac{W}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{8e^A}{e^{2A}-2}& W/h<2\\ \frac{2[B-1-\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)]}{\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2{\mathrm{\&xi;}}_r}[\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)-\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r}+0.39]& W/h>2\end{array}\right.$

$A=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}(0.23+\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r})+\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}}$

其中ξ_r为介质相对介电常数；h为介质层厚度；W为辐射贴片单元宽度。

作为本发明实施例的一优化方案，超宽带平面小型微带天线通过调节第一切角体、第二切角体、第三切角体、第四切角体和第一渐变槽体、第二渐变槽体、第三渐变槽体的面积改变辐射贴片中电流的流向以及与接地板之间的电流耦合来增加电流的有效路径，从而展宽带宽实现超宽带。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的超宽带平面小型微带天线主要包括：接地板5、介质板1、辐射贴片单元2及微带馈线11，其中辐射贴片单元2及微带馈线11在介质板1的正面，接地板5在介质板1的背面。

本发明以矩形微带天线作为基础，对矩形辐射贴片单元2靠近微带线终端沿辐射贴片纵向轴对称渐变两级切角，形成第一切角体3、第二切角体4、第三切角体9、第四切角体10；同时在贴片上中间位置沿辐射贴片纵向轴对称开挖出第一渐变槽体6、第二渐变槽体7、第三渐变槽体8，形成两个凸形槽，通过调节切角和槽体面积改变辐射贴片中电流的流向以及与接地板5之间的电流耦合来增加电流的有效路径，从而展宽带宽实现超宽带。

本发明天线的介质板1采用FR4介质，体积为32mm×27mm×1.6mm，俯视下矩形辐射贴片单元2距离介质板1的左边距为4.5mm，右边距为7.5mm，上边距为5mm，下边距为12.5mm。

辐射贴片单元2实际长度计算参考公式：

$L=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\&xi;}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\&xi;}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\&xi;}}_e=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

辐射贴片单元2宽度的计算公式为：

$W=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

馈电端口处微带馈线11采用50Ω的特性阻抗，宽度计算可参考下列公式：

$\frac{W}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{8e^A}{e^{2A}-2}& W/h<2\\ \frac{2[B-1-\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)]}{\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2{\mathrm{\&xi;}}_r}[\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)-\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r}+0.39]& W/h>2\end{array}\right.$

$A=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}(0.23+\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r})+\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}}$

其中ξ_r为介质相对介电常数；h为介质层厚度；W为辐射贴片单元2宽度。

辐射贴片单元2面积、第一切角体3、第二切角体4、第三切角体9、第四切角体10大小及槽体面积第一渐变槽体6、第二渐变槽体7、第三渐变槽体8通过公示计算及HFSS11软件仿真优化如下：辐射贴片单元2为14.5mm×15mm；第一切角体3和第三切角体9的面积为1.5mm×1.5mm；第二切角体4和第四切角体10的面积为1.5mm×1mm；两堆叠的凸形槽体面积分别为第一渐变槽体6为4mm×1.5mm，第二渐变槽体7为4.8mm×2mm，第三渐变槽体8为6mm×3.25mm，介质板1的反面采用规则接地板5与微带馈线11形成电场耦合，接地板5的面积为27mm×11.5mm。

如图2和图3所示，本发明利用HFSS11软件对上诉天线进行仿真优化，如图2所示，横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)，该天线在3GHz-19GHz内天线的回波损耗参数S11＜-10dB，满足了超宽带特性，图3横轴为频率(GHz)，纵轴为电压驻波比VSWR数值，显示天线在3GHz-20GHz内电压驻波比VSWR＜2，满足工程要求。

图4-图6为本发明天线单元在涉及低频及高频的三个谐振点3.68GHz、7.42GHz、17.62GHz所对应的辐射特性EH面辐射方向图，其中圆表示一个固定的增益值，直线表示一个固定的方位值，该图表明，频谱在3.68GHz时，天线在H面(XOZ面)保持良好的全向辐射特性，随着频率的增大，H面辐射图在±X(90度和270度)方向略微衰减，但仍保持较好的全向辐射特性；当频率增加到17.62GHz时，由于天线尺寸相对于波长变大，导致方向图出现旁瓣，辐射图在个别方向出现了明显的衰减，主要在40度和330度附近，观察E面(YOZ面)辐射图随频率的变化情况：在频率点3.68GHz时，远区辐射场呈∞型分布，在±Z方向辐射最强，在±Y方向辐射最弱，即主要向其法线方向辐射电磁波；当频带增加到7.42GHz时，辐射场最大辐射方向偏离±Z方向，最小辐射方向也偏离了±Y方向；随着频率的升高(9GHz)，天线同样产生了旁瓣效应，尤其辐射场在70度方向上产生了明显的衰减，最大辐射方向在270度附近，同样偏离了±Z方向。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述超宽带平面小型微带天线包括：介质板、辐射贴片单元、接地板、微带馈线；

所述辐射贴片单元和微带馈线设置在所述介质板的正面，所述接地板设置在所述介质板的背面。

2.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述辐射贴片单元靠近微带线终端沿辐射贴片纵向轴对称渐变两级切角，形成第一切角体、第二切角体、第三切角体和第四切角体。

3.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述辐射贴片单元中间位置沿辐射贴片纵向轴对称开挖出第一渐变槽体、第二渐变槽体和第三渐变槽体。

4.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述介质板采用FR4介质，体积为32mm×27mm×1.6mm。

5.如权利要求2所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述辐射贴片单元边缘的两级切角尺寸渐变，第一切角体和第三切角体面积为1.5mm*1.5mm，第二切角体和第四切角体面积为1.5mm*1mm。

6.如权利要求3所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述辐射贴片单元上两个堆叠的凸形槽第一渐变槽体、第二渐变槽体和第三渐变槽体尺寸是渐变的，第一渐变槽体的面积为6mm*3.25mm，第二渐变槽体的面积为4.8mm*2mm，第三渐变槽体的面积为4mm*1.5mm。

7.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述接地板采用规则矩形，面积为11.5mm×27mm。

8.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述辐射贴片单元距离介质板的左边距为4.5mm，右边距为7.5mm，上边距为5mm，下边距为12.5mm；

辐射贴片单元实际长度计算参考公式：

$L=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\&xi;}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\&xi;}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\&xi;}}_e=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

辐射贴片单元宽度的计算公式为：

$W=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

9.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述馈电端口处微带馈线采用50Ω的特性阻抗，宽度计算可参考下列公式：

$\frac{W}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{8e^A}{e^{2A}-2}& W/h<2\\ \frac{2[B-1-\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)]}{\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2{\mathrm{\&xi;}}_r}[\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)-\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r}+0.39]& W/h>2\end{array}\right.$

$A=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}(0.23+\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r})+\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}}$

其中ξ_r为介质相对介电常数；h为介质层厚度；W为辐射贴片单元宽度。

10.如权利要求1所述的超宽带平面小型微带天线，其特征在于，所述超宽带平面小型微带天线通过调节第一切角体、第二切角体、第三切角体、第四切角体和第一渐变槽体、第二渐变槽体、第三渐变槽体的面积改变辐射贴片中电流的流向以及与接地板之间的电流耦合来增加电流的有效路径，从而展宽带宽实现超宽带。

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