CN105119043A - 一种新型缺陷地宽带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型缺陷地宽带贴片天线，设置有聚四氟乙烯玻璃布板的圆形介质基板，所述圆形介质基板的一面设置有驱动贴片和寄生贴片，另一面设置有缺陷接地板。本发明应用于贴片微带天线，提出了一种尺寸更小、重量轻，成本低，低剖面、且在3.78GHz-5.28GHZ的频带宽度上驻波、回波损耗、方向图稳定的要求。本发明使用新型的小型化技术降低了贴片天线整体尺寸，直径只有36mm，使其适合阵列使用；使用单层的聚四氟乙烯玻璃布板减轻了贴片天线的重量，制作比较容易；仿真和实测数据证明，本发明的贴片天线拥有很好的带宽。

Description

一种新型缺陷地宽带贴片天线
技术领域
本发明属于通讯天线技术领域，尤其涉及一种新型缺陷地宽带贴片天线。
背景技术
随着当前通信技术的不断演进，频谱效率、速率越来越高，带宽也不断增宽。无线通信网络综合一体化是一个趋势，各种无线技术都将在这一体化的网络中发挥自己的作用。从移动通信来看，4G乃至5G技术将成为主导，从而形成对全球的广泛无缝覆盖；而WLAN、WiMAX、UWB等宽带接入技术，将因其各自不同的技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，移动通信网络形成有效互补。随着无线通信和雷达系统的不断完善发展，对天线性能提出了体积小、重量轻、制作简单和宽频带等特性要求，超宽带天线技术应运而生。
现有同轴馈电贴片天线存在的尺寸过大、介质过厚、重量过重、制作复杂、频带较窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型缺陷地宽带贴片天线，旨在解决现有同轴馈电贴片天线存在的尺寸过大、介质过厚、重量过重、制作复杂、频带较窄的问题。
本发明是这样实现的，一种新型缺陷地宽带贴片天线，设置有聚四氟乙烯玻璃布板的圆形介质基板，所述圆形介质基板的一面设置有驱动贴片和寄生贴片，另一面设置有缺陷接地板。能与圆柱形载体很好的共形。
进一步，设置有一个驱动贴片和两个寄生贴片，通过耦合增加天线增益。
进一步，所述寄生贴片表面开槽引入微扰，产生多个谐振点。
进一步，所述缺陷接地板开有四个对称的哑铃形缝隙，哑铃缝隙的两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形。使天线的各个谐振点之间的驻波大于2的部分降至2以下，进一步展宽带宽。
本发明提供的新型缺陷地宽带贴片天线，应用于贴片微带天线，提出了一种尺寸更小、重量轻，成本低，低剖面、且在3.78GHz-5.28GHZ的频带宽度上驻波、回波损耗、方向图稳定的要求。
与现有技术相比，具有以下的优势：
(1)使用新型的小型化技术降低了贴片天线整体尺寸，直径只有36mm，使其适合阵列使用。
(2)使用单层的聚四氟乙烯玻璃布板减轻了贴片天线的重量，制作比较容易。
(3)仿真和实测数据证明，本发明设计的贴片天线拥有很好的带宽，天线仿真使用的是AnsoftHFSS15.0仿真软件有限元算法，天线实测使用的是矢量网络分析仪。
(4)本发明能与圆柱形载体很好的共形。
(5)本发明设置有一个驱动贴片和两个寄生贴片，通过耦合增加天线增益。
(6)本发明所述寄生贴片表面开槽引入微扰，产生多个谐振点。
(7)本发明的所述缺陷接地板开有四个对称的哑铃形缝隙，哑铃缝隙的两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形，使天线的各个谐振点之间的驻波大于2的部分降至2以下，进一步展宽带宽。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新型缺陷地宽带贴片天线的贴片结构示意图。
图2是本发明实施例提供的新型缺陷地宽带贴片天线的缺陷接地板结构示意图。
图中：1、缺陷接地板；2、驱动贴片；3、寄生贴片。
图3是本发明实施例提供的完整地宽带贴片天线的实际测试结果示意图。
图4是本发明实施例提供的完整地宽带贴片天线的仿真结果示意图。
图5是本发明实施例提供的新型缺陷地宽带贴片天线的天线驻波比仿真结果示意图。
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。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
天线的整体结构如图1图2所示，图1所示，驱动贴片与寄生贴片之间有一定的缝隙，能量从驱动贴片通过耦合传到两个寄生贴片。寄生贴片表面开槽引入微扰，改变表面电流路径，使电流绕槽边或缝边曲折流过路径变长，在等效电路中相当于引入了级联电感。当只加入两个圆环缝隙达到匹配时，天线不能产生多个谐振点，原因是圆环的形状和贴片电流的流径基本相同。在加载了枝节之后，发现天线产生了几个谐振点，主要是由于圆形天线工作的主模为TM11模，枝节又与表面电流方向近乎垂直，所以枝节对表面电流的路径影响最大，从而产生了微扰。因此，改变枝节的尺寸可以很好地改善谐振频率之间的相对位置。
“哑铃形”缺陷地技术可以使两个谐振点之间的S11下降，从而增加天线的带宽。具体方法如下：
(1)开了四个对称的哑铃形缝隙之后，通过调节哑铃的位置和尺寸，使哑铃缝隙的尺寸满足：两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形。
(2)改变哑铃缝隙的相对位置，让它向馈电点方向移动，距原点之间的距离为S，当S＝10mm时，在3.78GHz～5.28GHz的范围内，两个谐振点之间仅有一小部分频段的S11在-10dB以上，也由此得出S＝10mm是最合适的位置。
(3)通过对哑铃缝隙中间的长方形部分的尺寸参数仿真表明其对回波阻抗的影响并不是很大，随着其长度的增加，阻抗带宽也会有相应的增加，但是考虑到加工精度的需求，最终长方形部分的长定为7.5mm，宽定为1.5mm。
(4)再对哑铃缝隙的两边的两个正方形尺寸进行参数扫描，当边长尺寸从2.5mm增大到4.5mm时，对驻波比的影响比较大，再继续增加尺寸，四个哑铃缝隙就会有一部分交叉在一起，严重影响天线的驻波比带宽特性。因此考虑实际加工精度，通过参数扫描的方法，最终选择边长尺寸为4mm。
(5)最后对设计的天线进行仿真，得到理想天线的回波损耗和驻波比。得出的设计天线的带宽范围为3.78GHz～5.28GHz，如图5所示。相对于正常的接地板(如图4所示，带宽只能达到570MHz)带宽增加了将近1GHz。
下面结合具体实施例对本发明的结构作进一步的描述。
本发明实施例的新型缺陷地宽带贴片天线，包括驱动贴片、寄生贴片、缺陷接地板，其中贴片天线设置在材质为聚四氟乙烯玻璃布板、尺寸直径为36mm、厚度为2mm、相对介电常数εr＝3.64的圆形介质基板上；贴片天线印制在基板的一面，另一面是缺陷接地板。所述的接地面设置四个对称的哑铃形缝隙，其中哑铃缝隙的两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形。所述的寄生贴片为两个对称的半圆形贴片。所述的寄生贴片开槽结构在基板上的投影为两个对称的变形“工”字型。
本发明的新型缺陷地宽带贴片天线设置在一个材质是聚四氟乙烯玻璃布板直径尺寸为36mm，厚度为2mm，介电常数εr＝3.64的圆形介质基板上。且由一个驱动贴片、两个寄生贴片和缺陷接地板组成。贴片天线的结构印制在聚四氟乙烯玻璃布板基板的一面，另一面是缺陷接地板，对接地面做了四个对称的哑铃形缝隙处理，改善了天线的辐射方向特性，并增加了带宽。在接地面开四个对称的哑铃形缝隙(哑铃缝隙的两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形)，该设计的目标旨在低于-10dB的回波损耗(S11)和低于2的电压驻波比(VSWR)的情况下，天线能达到良好的性能和较好的带宽。为实现这一目标，恰当的天线几何尺寸是必需的。因此，为了获得最佳的回波损耗和阻抗带宽，将对该天线的设计参数，如缝隙、贴片形状和馈电点位置进行了研究和比较，使用AnsoftHFSS15.0仿真软件进行仿真优化，以使天线做到最佳尺寸。经过仿真分析，当寄生贴片的缝隙枝节长度为4mm时，能产生很好的双谐振点，不过，若是正常的接地板，带宽只能达到570MHz，相对带宽只有13％。加入四个对称的哑铃形缝隙之后，通过调节哑铃的位置和尺寸，使哑铃缝隙的尺寸满足：两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形。改变哑铃缝隙的相对位置，让它向着X轴正向移动，距原点之间的距离为S，当S＝10mm时，在阻抗带宽3.78GHz～5.28GHz的范围内，两个谐振点之间仅有一小部分频段的S11在-10dB以上，也由此得出S＝10mm是最合适的位置。研究表明哑铃缝隙中间的长方形部分的尺寸对回波阻抗的影响并不是很大，随着其长度的增加，阻抗带宽也会有相应的增加，但是考虑到加工精度的需求，最终长方形部分的长定为7.5mm，宽定为1.5mm。然后再对哑铃缝隙的两边的两个正方形进行观察测试，当边长尺寸从2.5mm增大到4.5mm时，对驻波比的影响比较大，再继续增加尺寸，四个哑铃缝隙就会有一部分交叉在一起，严重影响天线的驻波比带宽特性。因此考虑实际加工精度，通过参数扫描的方法，最终选择边长尺寸为4mm。对最后设计的天线进行仿真后，得到理想天线的回波损耗和驻波比。得出的设计天线的带宽范围为3.78GHz～5.28GHz。而且远场辐射表现出的辐射特性也比较好，所要求使用的频率为4.3GHz。
下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的说明。
测量结果如附图中所示。天线在“完整地”的情况下，实际测得的两个相同的天线电压驻波比如图3所示，仿真测得的天线电压驻波比如图4所示；而天线在“缺陷地”情况下，仿真测得的电压驻波比如图5所示，带宽比“完整地”天线增加了将近1GHz。
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 (6)

1.一种新型缺陷地宽带贴片天线，其特征在于，所述新型缺陷地宽带贴片天线包括驱动贴片、寄生贴片、缺陷接地板；所述贴片天线设置在聚四氟乙烯玻璃布板的圆形介质基板上，所述圆形介质基板的一面设置有驱动贴片和寄生贴片，所述圆形介质基板的另一面设置有缺陷接地板。
2.如权利要求1所述的新型缺陷地宽带贴片天线，其特征在于，所述寄生贴片表面开槽引入微扰。
3.如权利要求1所述的新型缺陷地宽带贴片天线，其特征在于，设置有一个驱动贴片和两个寄生贴片。
4.如权利要求1所述的新型缺陷地宽带贴片天线，其特征在于，所述缺陷接地板开有四个对称的哑铃形缝隙，哑铃缝隙的两头是边长为4mm的正方形，中间是长为7.5mm、宽是1.5mm的长方形。
5.如权利要求1所述的新型缺陷地宽带贴片天线，其特征在于，所述新型缺陷地宽带贴片天线的带宽为3.78GHz～5.28GHz。
6.一种使用权利要求1-5所述新型缺陷地宽带贴片天线的无线通信系统。
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