CN103956571B - 一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线 - Google Patents

一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，属于天线技术领域。该天线包括辐射部分、寄生部分、介质基板、接地板和馈线，所述辐射部分包括金属辐射贴片；所述寄生部分包括矩形结构的金属寄生贴片和互补裂口谐振环，且在金属寄生贴片上设置有圆孔，所述互补裂口谐振环包围圆孔设置在金属寄生贴片上；且所述互补裂口谐振环与圆孔的圆心均处于金属寄生贴片的对称线上。本发明通过在辐射片与接地板间设置有互补裂口谐振环的寄生贴片，将天线的阻抗带宽提高了约四倍，并具有良好的阻抗匹配、辐射效率和边射峰值增益。

Description

一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线
技术领域
本发明涉及到天线技术领域，尤其涉及一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线。
背景技术
微带贴片天线是一种极有吸引力的天线类型，它具有成本低、重量轻、共形特征以及易于大规模生产的突出优点。然而，在应用中微带贴片天线最主要的障碍是极为有限的工作带宽。典型的微带贴片天线的阻抗带宽只有百分之几量级。因此，许多研究工作都集中于如何扩展微带贴片天线的频率带宽的技术上。比如目前较为流行的分层贴片技术、孔径耦合技术、E型贴片技术等。但是为了获得超过百分之二十的分数阻抗带宽，以上技术均需要较厚的介质基片或者空气层，从而增加了天线的剖面高度，严重影响天线的共形与集成性能。对新型电磁特异材料的研究为低剖面微带天线宽带化提供了新的解决方案。目前国际上利用特异材料结构实现微带天线的宽带化的方式主要有两类：一类是在天线上加载特异材料单元结构产生与辐射贴片基模频率相近的谐振，从而扩展天线工作频带；另一类是在天线的底部腐蚀周期性的磁性特异材料结构，降低天线的Q值，从而达到扩展阻抗带宽的目的。但是，在辐射贴片上加载特异材料单元将明显降低天线的辐射效率和增益；同时，在底部腐蚀特异材料结构将不可避免的增强后向辐射，降低辐射能量的前后比。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于裂口谐振环的宽频带低剖面微带天线，它利用两层薄介质基片，并在两层介质基片间设置有特异材料单元的寄生贴片，从而保证天线在低剖面的前提下，获得宽频带工作性能。本发明的目的是这样实现的：
一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，包括辐射部分、寄生部分、介质基板、接地板和馈线，所述辐射部分包括金属辐射贴片，所述金属辐射贴片为一特殊对称结构金属片，通过在矩形金属片的一侧外凸、另一侧内凹而形成；
所述寄生部分包括矩形结构的金属寄生贴片和互补裂口谐振环，且在金属寄生贴片上设置有圆孔，所述互补裂口谐振环包围圆孔设置在金属寄生贴片上；且所述互补裂口谐振环与圆孔的圆心均处于金属寄生贴片的对称线上；
所述介质基板为等厚的两层结构，上层位于金属辐射贴片与金属寄生贴片之间；下层位于金属寄生贴片与接地板之间；所述接地板设置在介质基板的正下方；
所述馈线包括内芯线和屏蔽层，其中馈线上端裸露的内芯线穿过接地板、下层介质基板、圆孔和上层介质基板后与金属辐射贴片连接。
进一步的，所述金属辐射贴片、金属寄生贴片、接地板的厚度均为0.01mm～0.05mm。
进一步的，所述金属辐射贴片的外凸和内凹部分均为矩形。
进一步的，所述金属辐射贴片的矩形部分的长L1为13mm～15mm，宽W1为12mm～14mm；且外凸矩形的长L2为2mm～2.5mm，宽W2为5mm～7mm；内凹矩形的长L3为0.5mm～1.5mm和宽W4为4mm～6mm。
进一步的，所述金属寄生贴片的长L4为16mm～18mm和宽W5为14mm～15mm。
进一步的，所述互补裂口谐振环外环半径R1为5mm～6mm，内环半径R2为3mm～3.5mm，裂口角度θ为30°～60°，且所述圆孔的半径R3为1mm～1.5mm。
进一步的，所述圆孔的圆心到金属寄生贴片宽边的距离L5为6mm～6.5mm；互补裂口谐振环到金属寄生贴片宽边的距离L6为8mm～9mm。
进一步的，所述介质基板的厚度H1为3mm～4mm；其相对介电常数εr在4～5之间。
相较于现有技术，本发明一种基于裂口谐振环的宽频带低剖面微带天线具有以下的显著优点：通过在辐射片与接地板间设置有互补裂口谐振环的寄生贴片，使天线在原有工作模式的基模频点附近产生了两个工作模式，将天线的阻抗带宽提高了约四倍，并具有良好的阻抗匹配、辐射效率和边射峰值增益。
并且，相对于现阶段的微带贴片天线各种加载形式，设有互补裂口谐振环的寄生贴片不仅具有显著的阻抗带宽扩展优势，而且没有严重牺牲天线的结构指标和性能，包括：1)没有增加天线的剖面高度；2)没有明显降低微带贴片天线的辐射性能，比如辐射能量前后比和峰值增益。该天线形式简单、结构紧凑、易于集成，可使其应用于多种有限的低尺寸安装平台，如无线传感器、超薄笔记本、智能手机等，且具有价格低廉、易于大规模批量生产的优势。
附图说明
图1是本发明一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线的整体示意图；
图2是本发明一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线的金属辐射贴片结构图；
图3是本发明一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线的寄生部分结构图；
图4是本发明一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线的侧视图；
图5是本发明一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线的频率与反射系数|S11|之间的关系图；
图6是本发明一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线在各个峰值频点中心处的增益方向图；
其中：1-金属辐射贴片、2-金属寄生贴片、3-介质基板、4-接地板、5-内芯线、6-屏蔽层、7-圆孔、8-互补裂口谐振环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2、图3和图4，本发明所示为公开的一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，包括辐射部分、寄生部分、介质基板、接地板和馈线，所述辐射部分包括金属辐射贴片，所述金属辐射贴片为一特殊对称结构金属片，通过在矩形金属片的一侧外凸、另一侧内凹而形成；
所述寄生部分包括矩形结构的金属寄生贴片和互补裂口谐振环，且在金属寄生贴片上设置有圆孔，所述互补裂口谐振环包围圆孔设置在金属寄生贴片上；且所述互补裂口谐振环与圆孔的圆心均处于金属寄生贴片的对称线上；
所述介质基板为等厚的两层结构，上层位于金属辐射贴片与金属寄生贴片之间；下层位于金属寄生贴片与接地板之间；所述接地板设置在介质基板的正下方；
所述馈线包括内芯线和屏蔽层，其中馈线上端裸露的内芯线穿过接地板、下层介质基板、圆孔和上层介质基板后与金属辐射贴片连接。
且所述金属辐射贴片、金属寄生贴片、接地板的厚度均为0.01mm～0.05mm。
且所述金属辐射贴片的外凸和内凹部分均为矩形。
且所述金属辐射贴片的矩形部分的长L1为13mm～15mm，宽W1为12mm～14mm；且外凸矩形的长L2为2mm～2.5mm，宽W2为5mm～7mm；内凹矩形的长L3为0.5mm～1.5mm和宽W4为4mm～6mm。
且所述金属寄生贴片的长L4为16mm～18mm和宽W5为14mm～15mm。
且所述互补裂口谐振环外环半径R1为5mm～6mm，内环半径R2为3mm～3.5mm，裂口角度θ为30°～60°，且所述圆孔的半径R3为1mm～1.5mm。
且所述圆孔的圆心到金属寄生贴片宽边的距离L5为6mm～6.5mm；互补裂口谐振环到金属寄生贴片宽边的距离L6为8mm～9mm。
且所述介质基板的厚度H1为3mm～4mm；其相对介电常数εr在4～5之间。
在具体实施中，辐射金属贴片由一个大的矩形金属片，通过在一侧设置外凸的小矩形金属片，另一侧设置内凹的小矩形槽而形成的特殊对称结构。其中外凸的小矩形金属片的作用是在不移动金属辐射贴片1馈电点的情况下，以优化辐射贴片的匹配性能；设置内凹的小矩形有助于调节辐射金属片1对寄生金属贴片2的耦合作用，优化寄生金属片2的阻抗匹配性能。寄生部分为一设置了圆孔7和互补裂口谐振环8的金属寄生贴片2。设置圆孔的作用在于能够给馈线内芯线5留下足够的空间，且可以调节圆孔的半径来调节寄生金属贴片2的容性耦合度；寄生金属贴片2中的互补裂口谐振环8能够使微带天线在原有工作基模频点附近增加两个工作模式：其中的一个模式来自金属寄生贴片2的金属边的寄生辐射；另一个模式来自互补裂口谐振环8的谐振。互补裂口谐振环8与圆孔7的圆心均处于金属寄生贴片2的对称线上，该举措的目的是使天线的辐射方向图保持良好的稳定性。
介质基板3的厚度为1.6mm的FR4板材，其介电常数εr＝4.4。其他参数：L1＝14.8mm，L2＝2.2mm，L3＝1mm，L4＝14.4mm，L5＝6.3mm，L6＝8.6mm，W1＝13mm，W2＝6mm，W3＝3.5mm，W4＝5mm，W5＝17mm，R1＝5.4mm，R2＝3.05mm，R3＝1.4mm，H1＝3.2mm。
参照图5可见天线具有3.96GHz-4.87GHz频率范围的-10dB阻抗带宽。参照图6，可见该天线具有良好、稳定的辐射性能。在4.06GHz，4.43GHz和4.78GHz三个谐振峰的峰值增益分别为4.89dBi，4.70dBi和2.85dBi，增益变化量小于3dB。需要提及的是，若去掉中间的寄生部分，此天线可视为传统的微带贴片天线，通过移动馈电点位置调节匹配至|S11|min＝-32.08dB，它的阻抗带宽仅为3.92GHz-4.11GHz。通过以上比较可见，在不改变微带贴片天线剖面高度的前提下，加载该形式的寄生贴片能够成倍地扩展微带天线阻抗带宽。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，包括辐射部分、寄生部分、介质基板、接地板和馈线，其特征在于：
所述辐射部分包括金属辐射贴片，所述金属辐射贴片为一特殊对称结构金属片，通过在矩形金属片的一侧外凸、另一侧内凹而形成；
所述寄生部分包括矩形结构的金属寄生贴片和互补裂口谐振环，且在金属寄生贴片上设置有圆孔，所述互补裂口谐振环包围圆孔设置在金属寄生贴片上；且所述互补裂口谐振环与圆孔的圆心均处于金属寄生贴片的对称线上；
所述介质基板为等厚的两层结构，上层位于金属辐射贴片与金属寄生贴片之间；下层位于金属寄生贴片与接地板之间；所述接地板设置在介质基板的正下方；
所述馈线包括内芯线和屏蔽层，其中馈线上端裸露的内芯线穿过接地板、下层介质基板、金属寄生贴片的圆孔和上层介质基板后与金属辐射贴片连接；
所述金属辐射贴片、金属寄生贴片、接地板的厚度均为0.01mm～0.05mm；
所述金属辐射贴片的外凸和内凹部分均为矩形；
所述金属辐射贴片的矩形部分的长L1为13mm～15mm，宽W1为12mm～14mm；且外凸矩形的长L2为2mm～2.5mm，宽W2为5mm～7mm；内凹矩形的长L3为0.5mm～1.5mm和宽W4为4mm～6mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，其特征在于：所述金属寄生贴片的长L4为16mm～18mm和宽W5为14mm～15mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，其特征在于：所述互补裂口谐振环外环半径R1为5mm～6mm，内环半径R2为3mm～3.5mm，裂口角度θ为30°～60°，且所述圆孔的半径R3为1mm～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，其特征在于：所述圆孔的圆心到金属寄生贴片宽边的距离L5为6mm～6.5mm；互补裂口谐振环到金属寄生贴片宽边的距离L6为8mm～9mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于互补裂口谐振环的宽带低剖面微带贴片天线，其特征在于：所述介质基板的厚度H1为3mm～4mm，其相对介电常数εr在4～5之间。
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