CN103531891B - 宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线。包括地板、底层介质层、探针、主振贴片、中间介质层、寄生贴片和顶层介质覆盖层，三层介质层依次叠加，地板位于底层介质层下，寄生贴片位于中间介质层的上表面，主振贴片位于底层介质层的上表面，探针与主振贴片相切构成馈电结构，探针顶端与主振贴片在同一平面，探针顶端圆面相切于主振贴片的长边，探针的中心轴与主振贴片的长边对称轴的距离等于馈电探针的中心轴与主振贴片的短边对称轴的距离，主振贴片与寄生贴片相互平行且二者的对称轴重合。本发明完全满足毫米波段宽频带高增益无线通信的要求，具有频带宽、增益高、馈电方式新颖、馈电结构简单、整体结构简单等优点。

Description

宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信用的层叠微带天线，具体地说是一种应用于毫米波段的宽频带高增益无线通信用的层叠微带天线。

背景技术

由于无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能化，小型化，超宽带，频率上移以及与周围环境友好协调的方向发展，这使得宽频带，小型化，高增益，毫米波段天线成为国内外研究的热点课题之一。它涉及到天线的宽带阻抗匹配技术，天线的加载技术，天线的电抗补偿技术等先进技术和工艺。

近几年，随着无线通信事业的大力发展及通信容量的增加，使天线的频段逐渐由低频段发展到高频段。目前已使用的Ku,K也越来越显得拥挤。故毫米波段及亚毫米波段的天线设计是天线发展的必然趋势。

毫米波微带天线发展至今已经有近三十年时间，它和其他波段的微带天线，如微波微带天线，几乎是同时出现的。在十九世纪七十年代初期，人们对微带天线产生了浓厚的兴趣。这是因为微带天线具有体积小、重量轻、剖面薄、造价低、易共形、易集成等诸多优点。结合毫米波的许多固有特性，如波长短、频带宽、在雾、雪、尘埃等中有良好的传播特性，毫米波微带天线也在同一时期受到了世界各国天线研究者的关注。

对于微带天线的频带，可以有多种途径来展宽，比如选择低的介电常数和厚的介质基板，以及对贴片适当的开槽等等。之前，已经提到采用增加寄生贴片来展宽频带以及提高增益，以及提出用双L型探针馈电的形式来提高天线的频带和增益。但这些方法比较不理想，比如结构复杂，设计繁琐，通用性差，加工成本高，且性能存在一定的缺陷，不宜推广，因此设计新型的毫米波段宽带高增益天线成为一个趋势。

申请号为201210363618.5的专利文件中公开的低剖面宽频带天线阵子和天线，采用至少三个贴片单元来达到高增益的性能，一个为主振贴片，余下为耦合贴片。其结构比较复杂，且应用于L频段。申请号为201310122359.1的专利文件中公开的一种双频高增益同轴馈电贴片天线，采用EBG结构来增加天线增益，实施比较复杂。申请号为201210495421.7的专利文件中公开的多频圆极化层叠式微带天线，通过采用多层贴片的耦合来达到多频和宽频带技术。申请号为200510123192.6的专利文件中公开的宽带宽波束微带天线单元，特征是采用小孔耦合与多层微带技术相结合，由四层长宽互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介质层构成，采用多层来达到宽频带。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于毫米波段，剖面较低、体积较小、结构简单、易加工、馈电结构简单的宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线。

本发明的目的是这样实现的：

包括地板、底层介质层、探针、主振贴片、中间介质层、寄生贴片和顶层介质覆盖层，底层介质层、中间介质层、顶层介质覆盖层依次叠加，地板位于底层介质层下，寄生贴片位于中间介质层的上表面，主振贴片位于底层介质层的上表面，探针与主振贴片相切构成馈电结构，探针顶端与主振贴片在同一平面，探针顶端圆面相切于主振贴片的长边，探针的中心轴与主振贴片的长边对称轴的距离等于馈电探针的中心轴与主振贴片的短边对称轴的距离，主振贴片与寄生贴片相互平行且二者的对称轴重合。

本发明还可以包括：

1、主振贴片和寄生贴片的长边与短边均成等比例，且比例为2:1，且主振贴片的长边与寄生贴片的长边比例的为2:1；主振贴片的短边与寄生贴片的短边的比例为2:1，主振贴片和寄生贴片上下成轴对称分布。

2、探针由良导体制成。

3、探针与主振贴片的相切点到主振贴片两短边的距离L和W以及主振贴片的边长P和2P与探针的半径r之间满足关系式：2P-L=2r;L-(P+W)=2r;L=3P/2+r;W=P/2-r;L+W=2P。

4、探针的中心到主振贴片长边与短边的对称轴的距离d满足关系式：d=P/2+r=L-P=P-W。

5、所述地板是良导体金属板。

6、地板、底层介质层、主振贴片、中间介质层、寄生贴片和顶层介质覆盖层的对称轴都重合。

本发明通过采用探针与贴片相切这种临近耦合馈电方式来达到宽频带，通过采用高介电常数的覆盖层和耦合贴片来达到高增益的性能。与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

（1）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线具有频带宽（仿真带宽31GHz-43GHz，绝对带宽达到12GHz）、增益高（仿真软件仿真30GHz-39GHz增益均在10dBi以上）、整体结构简单、馈电型式新颖、馈电结构简单等优点，本发明天线完全满足毫米波段宽频带高增益无线通信的要求。适用于无线通信设备、电磁场与微波技术、移动通信天线。

（2）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线可完全实用于星载、机载、弹载及地面毫米波段无线通信的需求；另外，在不改变天线结构的前提下，通过改变天线的尺寸可将该毫米波段天线应用在其它频段的无线通信的系统中,比如可以应用到Ku,K等以下的波段和亚毫米波段等以上的波段。

（3）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线还具有馈电方式新颖，馈电结构为探针与贴片相切的简单的馈电型式的优点，由于这种相切的馈电结构使得天线产生至少3个相近的谐振频点，从而使得天线的频带很宽，增益达到很高。

（4）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线由于探针与贴片相切的新型馈电型式，这种相切的馈电结构在探针的固有感性基础上引入了容性，从而抵消了探针的固有感性，使得天线具有频带宽，增益高的特点。

（5）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线相比于传统的微带天线，由于探针与贴片相切的馈电结构，使得天线易产生多频的效应；传统的微带天线辐射边是矩形贴片的一对长边；而探针与贴片相切的馈电方式天线，产生多个相近的频点，如边长L产生一个频点，边长2P产生一个频点，边长(W+P)产生一个频点，由于2P=L+2r;L=(W+P)+2r;故三个频点很相近，故在产生宽频带的同时增益也很高，比传统的馈电方式的微带天线频带更宽，增益更高。

（6）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线由于是三层的层叠结构，顶层寄生贴片的尺寸为底层主振贴片的尺寸的1/2，故当其距离达到一定时，顶层的寄生贴片起到电磁波引向的作用，起到传统的八木天线原理的作用，从而使天线增益提高。

（7）本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线还具有剖面低、结构简单、易加工、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线的立体图。

图2为本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线的俯视图。

图3为本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线中的探针与贴片相切馈电方式的平面图。

图4为本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线中的二贴片的平面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际应用形式并不仅限于图示的实施例。

如图1和图2所示，宽带高增益探针与贴片相切馈电方式天线包括上层介质板1、寄生贴片2、中层介质板3、主振贴片4、馈电探针5、下层介质板6和金属接地板7。

如图3所示，主振贴片4和馈电探针5相切构成探针与贴片相切馈电方式，馈电探针5的中心轴与主振贴片4的两个边的中心对称轴的距离相等且均为d；馈电探针5与主振贴片4的相切点到主振贴片4的两短边的距离L和W以及主振贴片4的短边长度P和长边长度2P与馈电探针5的半径r满足关系式：2P-L=2r;L-(P+W)=2r;L=3P/2+r;W=P/2-r;L+W=2P；馈电探针5的中心与主振贴片4的两边对称轴的距离d满足关系式：d=P/2+r=L-P=P-W。

如图4所示，寄生贴片2与主振贴片4成轴对称分布，寄生贴片2和主振贴片4的长边与短边成比例为2:1，寄生贴片2和主振贴片4各自的长边与短边成比例为2:1。

地板7由良导体制成，其在馈电点位置开圆孔，以方便馈电同轴电缆的信号线可以穿过，从而和馈电探针5相连。地板7和馈电同轴电缆的地线相连。

本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线达到了如下工作参数：工作带宽31GHz—43GHz；仿真软件仿真30GHz-39GHz增益均在10dBi以上；相切的馈电结构使得天线产生至少3个相近的谐振频点，如边长L产生一个频点，边长2P产生一个频点，边长(W+P)产生一个频点，由于2P=L+2r=(W+P)+2r+2r;L=(W+P)+2r，故三个频点很相近，从而使得天线的频带很宽，增益达到很高；同时相切的馈电结构在探针的固有感性基础上引入了容性，从而抵消了探针的固有感性，使得天线具有频带宽，增益高的特点；顶层覆盖层以及上层耦合贴片起到高增益的目的；馈电方式新颖，馈电结构简单。同时本发明宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线还具有剖面低、结构简单、易加工的特点。

虽然本发明以较佳实施实例公开如上，但它们并不是用来限定发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可做各种变化和润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (5)

1.一种宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线，包括地板、底层介质层、探针、主振贴片、中间介质层、寄生贴片和顶层介质覆盖层，底层介质层、中间介质层、顶层介质覆盖层依次叠加，地板位于底层介质层下，寄生贴片位于中间介质层的上表面，主振贴片位于底层介质层的上表面，其特征是：探针与主振贴片相切构成馈电结构，探针顶端与主振贴片在同一平面，探针顶端圆面相切于主振贴片的长边，探针的中心轴与主振贴片的长边对称轴的距离等于馈电探针的中心轴与主振贴片的短边对称轴的距离，主振贴片与寄生贴片相互平行且二者的对称轴重合；探针与主振贴片的相切点到主振贴片两短边的距离L和W以及主振贴片的边长P和2P与探针的半径r之间满足关系式：2P-L＝2r；L-(P+W)＝2r；L＝3P/2+r；W＝P/2-r；L+W＝2P。

2.根据权利要求1所述的宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线，其特征是：主振贴片和寄生贴片的长边与短边均成等比例，且比例为2:1，且主振贴片的长边与寄生贴片的长边比例的为2:1；主振贴片的短边与寄生贴片的短边的比例为2:1，主振贴片和寄生贴片上下成轴对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线，其特征是：探针的中心到主振贴片长边与短边的对称轴的距离d满足关系式：d＝P/2+r＝L-P＝P-W。

4.根据权利要求1或2所述的宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线，其特征是：地板、底层介质层、主振贴片、中间介质层、寄生贴片和顶层介质覆盖层的对称轴都重合。

5.根据权利要求3所述的宽带高增益探针与贴片相切层叠微带天线，其特征是：地板、底层介质层、主振贴片、中间介质层、寄生贴片和顶层介质覆盖层的对称轴都重合。