CN105071047A - 一种拓展阻抗带宽的多频段微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种针对微带天线谐振点少以及阻抗带宽窄等问题，能够拓展微带天线的阻抗带宽并能够获得低频处的多频段工作带宽的拓展阻抗带宽的多频段微带天线。拓展阻抗带宽的多频段微带天线，包括一个金属地板，一个基板，基板位于金属地板的上方，与金属地板平行放置；第一分形长方形金属贴片放置在基板的表面，与基板平行放置；第二分形长方形金属贴片，放置在第一分形长方形金属贴片的正上方；馈电点位于金属地板上用来对外进行电连接，两个长方形金属贴片是微波天线的辐射板。本发明设计了一种能够得到三个谐振点且低频能达到十几MHz频点的微带天线，拓宽了微带天线的使用范围。

Description

一种拓展阻抗带宽的多频段微带天线

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种针对微带天线谐振点少以及阻抗带宽窄等问题，能够拓展微带天线的阻抗带宽并能够获得低频处的多频段工作带宽的拓展阻抗带宽的多频段微带天线。

背景技术

微带天线与常规的天线相比具有制作容易、理论上可以是任意的形状、体积小、成本低、重量轻、低剖面且能与载体共形等特点，除了在馈电点处要开出引线外还有不破坏载体的机械结构，电性能多样化，适合大规模生产等优点。虽然微带天线有综上所述的优点，但是它也存在频率带宽较窄、损耗较大且传输效率较低、单个微带天线的功率容量较小、介质基片对性能影响较大等缺点。

由于微带具有综上所述的优点，所以它的应用前景十分广阔，在飞行器上的应用十分具有优势，但是它的带宽窄(一般相对带宽小于5％)却限制了它的应用，所以要对常规的微带天线进行改进来提高微带天线的频率带宽。理论上微带天线的形状是任意的，但实际上能计算天线的辐射特性的形状却是有限的，多数是正方形、长方形、圆形、椭圆形以及三角形。传统的微带天线要实现双频或多频带通常要采用多个辐射单元、电抗负载等技术，这样会增加制作的难度以及成本，采用分形结构以及多层堆叠技术可以实现天线在低频处的多频段工作特性以及拓展天线的阻抗带宽且不增加天线的尺寸以及制作成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拓展阻抗带宽的多频段微带天线。

本发明的目的是这样实现的：

拓展阻抗带宽的多频段微带天线，包括一个金属地板1，一个基板2，基板位于金属地板的上方，与金属地板平行放置；第一分形长方形金属贴片3放置在基板的表面，与基板平行放置；第二分形长方形金属贴片4，放置在第一分形长方形金属贴片的正上方；馈电点位于金属地板上用来对外进行电连接，两个长方形金属贴片是微波天线的辐射板，基板的厚度为h，介电常数为ε_r，天线的工作频率为f_r，使用的宽度为：

$W=\frac{c}{2f_r}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

式中c为光速；长方形金属贴片的等效的介电常数ε_e和线伸长Δl为

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

$\mathrm{\Δ}l=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(W/h+0.8)}$

因此谐振单元长度为：

$L=\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\Δ}l.$

所述的长方形金属贴片是由一个尺寸为22.6mm*16mm的贴片T₁、一个直接耦合尺寸为24.4mm*40mm的贴片T₂、两个缝隙偶合的寄生贴片T₃和T₄组成，其中T₃的尺寸为26.47mm*10mm，T₄的尺寸为17mm*10mm；贴片T₂是通过一个长为l＝2mm宽为w＝0.2mm的导电带与贴片T₁的辐射边缘相联系的；T₃和T₄是缝隙耦合，其间隙s对T₁是无辐射边缘的。

本发明的有益效果在于：

本发明设计了一种能够得到三个谐振点且低频能达到十几MHz频点的微带天线，工作频段能从从十几MHz到几GHz，所以本发明得到的微带天线在不增加天线的尺寸以及制作成本的情况下得到了多谐振点且工作带宽较大的微带天线，拓宽了微带天线的使用范围。本发明综合了两种展宽微带天线带宽的方法，可以将带宽大大展宽，使相对带宽达到20％以上。

附图说明

图1是本发明所设计的微带天线的结构图。

图2是本发明所设计的微带天线的左视图。

图3是本发明所设计的微带天线结构的主视图。

图4是本发明所设计的微带天线结构的剖面图。

图5是本发明所设计的微带天线的天线方向图。

图6是本发明所设计的微带天线回波损耗曲线图。

图7是本发明所设计的微带天线的增益图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明是应用分形结构的思想对常规天线进行改进，在常规的矩形微带天线的基础上改进天线的结构以及使用多层堆叠技术来增加天线的谐振点以及拓展天线的阻抗带宽来提高天线的传输效率。为了获得多谐振点以及拓展阻抗带宽本发明在一次分形的基础上使用了缝隙加载技术在导体贴片上加载细小的缝隙，改变导体贴片上电流的分布，实现天线的多频段工作以及阻抗带宽的拓展，本发明中应用的多层堆叠设计也可以使微带天线获得多频段。在实际设计矩形贴片时，当介质基片的厚度为h，介电常数为ε_r，天线的工作频率为f_r，其使用的宽度为

$W=\frac{c}{2f_r}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中，c为光速。也可以选择其他的宽度，但是当宽度小于式(1)时，辐射的效率会相应的降低，当选用的宽度大于式(1)时，虽然辐射效率会提高但是会产生高次模，会引起场的畸变。当知道了W，则可以计算出等效的介电常数ε_e和线伸长Δl

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}l=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(W/h+0.8)}---\left(3\right)$

因此谐振单元的长度为

$L=\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\Δ}l---\left(4\right)$

在实际中由于谐振单元所固有的窄带宽，所以它的长度是一个临界参数，不同基片时L与f_r的关系曲线是存在的，频率低于2GHZ时，L随h的变化大致可以忽略。

本发明提出的矩形微带天线是带有两个直接耦合贴片的小矩形微带天线，它的结构更加紧凑，体积比较小、重量比较轻。根据上述公式可以计算出本发明所设计的矩形贴片的长度L和宽度W，本发明应用多层堆叠技术设计了一个双层的分形结构并且采用的是上、下层辐射贴片相同尺寸的结构，所设计的大矩形辐射贴片是由一个尺寸为22.6mm×16mm(x轴方向)的贴片T₁、一个直接耦合尺寸为24.4mm×40mm(x轴方向)的贴片T₂、两个缝隙偶合的寄生贴片T₃和T₄以及组成，其中T₃的尺寸为26.47mm×10mm(x轴方向)，T₄的尺寸为27mm×10mm(x轴方向)。贴片T₂是通过一个长为l＝2mm宽为w＝0.2mm的狭窄的导电带与贴片T₁的辐射边缘相联系的。T₃和T₄是缝隙耦合，其间隙s对T₁是无辐射边缘的。T₂、T₃、T₄中的长度L₂，L₃和L₄与T₁中的L₁的选择是不同的，这样的设计可以获得一个较宽的阻抗带宽。在连接的缝上沿Y轴放一个馈线柱可以获得一个很好的电阻匹配。

参考图1、图2、图3和图4，本发明的微带天线包括：一个金属地板1；一个基板2，其位于金属地板1的上方，与金属地板1是平行放置的；一个分形的长方形金属贴片3，其放置在基板2的表面上，与基板2是平行放置的；一个相同结构的分形长方形金属贴片4，放置在金属贴片3的正上方，与金属贴片3之间没有介质基板；馈电点位于y轴上用来对外进行电连接，来激励金属贴片，辐射电磁波。矩形的金属贴片是微波天线的辐射板，根据不同的需要可以进行不同的设置。

在本发明中使用了分形设计，因为分形结构的自相似性，可以使天线产生多个谐振点，实现微带天线的多频段工作特性。虽然分形技术有很多优点，但只使用分形结构不能完全达到本发明的设计需求，所以本发明在使用分形结构的基础上又使用了多层堆叠技术来实现天线多频段工作的特性以及拓展微带天线的阻抗带宽。

一般而言金属贴片3和金属贴片4之间多采用介电常数与空气接近的材料，在本设计中采用的是使用带支撑作用的连接器来解决固定和支撑的问题。

图5所示是本发明设计的微带天线的天线方向图，从图中可以清楚的看到其归一化阻抗约为1，达到了很好的匹配状态。

图6所示是本发明的微带天线的驻波测试曲线图，从图中可以清晰的看出本发明所设计的微带天线不仅有多个谐振点而且每个谐振频段的带宽得到显著的拓宽，并且它们在相对较低的频段内，除此之外微带天线的阻抗带宽也得到显著的拓宽。阻抗带宽是由-10dB的驻波比决定的，其算法为回波损耗为-10dB所对应的最高频率与最低频率之(中心频率是回波损耗为-10dB的最高频率f_H和最低频率f_L和的一半)。微带天线在0.06GHz处回波损耗到达最小值-31.8。

图7所示是本发明所设计的微带天线的增益图，由图可以看出本发明所设计的微带天线具有较宽的辐射模式且其在水平方向上是全向的。

本发明将多层堆叠技术与分形结构两种常见的改善微带天线性能的方法综合在一起，设计出了本发明所提出的微带天线，本发明所设计的微带天线除了能够获得多个谐振点使微带天线工作在多个频段内还可以拓展微带天线的阻抗带宽。

本发明最终设计了一种能够得到三个谐振点且低频能达到十几MHz频点的微带天线，工作频段从十几MHz到几GHz，所以本发明得到的微带天线在不增加天线的尺寸以及制作成本的情况下得到了谐振点多且工作带宽较大的微带天线，拓宽了微带天线的使用范围。

Claims (2)

1.一种拓展阻抗带宽的多频段微带天线，包括一个金属地板(1)，一个基板(2)，基板位于金属地板的上方，与金属地板平行放置；第一分形长方形金属贴片(3)放置在基板的表面，与基板平行放置；第二分形长方形金属贴片(4)，放置在第一分形长方形金属贴片的正上方；馈电点位于金属地板上用来对外进行电连接，两个长方形金属贴片是微波天线的辐射板，其特征在于：基板的厚度为h，介电常数为ε_r，天线的工作频率为f_r，使用的宽度为：

$W=\frac{c}{2f_r}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

式中c为光速；长方形金属贴片的等效的介电常数ε_e和线伸长Δl为

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

$\mathrm{\Δ}l=0.412h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(W/h+0.8)}$

因此谐振单元长度为：

$L=\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\Δ}l.$

2.根据权利要求1所述的一种拓展阻抗带宽的多频段微带天线，其特征在于：所述的长方形金属贴片是由一个尺寸为22.6mm*16mm的贴片T₁、一个直接耦合尺寸为24.4mm*40mm的贴片T₂、两个缝隙偶合的寄生贴片T₃和T₄组成，其中T₃的尺寸为26.47mm*10mm，T₄的尺寸为17mm*10mm；贴片T₂是通过一个长为l＝2mm宽为w＝0.2mm的导电带与贴片T₁的辐射边缘相联系的；T₃和T₄是缝隙耦合，其间隙s对T₁是无辐射边缘的。