CN105244613B - 一种微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带天线，包括：基板、位于基板背面的参考地层和位于基板正面的折叠偶极子天线阵；折叠偶极子天线阵包括：通过阵子间阻抗变换线串联馈电的第一天线阵和第二天线阵；其中，第一天线阵包括第一折叠偶极子及与第一折叠偶极子连接的第一阻抗变换线；第二天线阵包括第二折叠偶极子及与第二折叠偶极子连接的第二阻抗变换线；第二阻抗变换线与阵子间阻抗变换线连接，第一阻抗变换线和阵子间阻抗变换线连接；第一阻抗变换线背离第二天线阵的一端连接有第一馈电微带线。采用了两个串联馈电的折叠偶极子天线阵，降低了天线宽度，提高了天线的增益，保持了天线的全向性以及得到较宽的驻波带宽。

Description

一种微带天线

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种微带天线。

背景技术

目前，无线通信技术飞速发展，天线作为通信行业不可或缺的一种元件，为了适应各种数据业务的需求，不断向着小型化、多频化和宽频带方向发展。

对于常用的PCB天线，通常采用微带方式、单极子、偶极子和共面波导等形式，对于微带天线，单振子的相对带宽较窄，大约5％左右，通常通过组成阵列天线或者增加介质厚度的形式来增加带宽，但是对于信号波长较长的频段，振子数量的增加会导致天线体积倍数增长，不利于天线的小型化，单极子PCB天线和普通的偶极子PCB天线实现简单，但难以组阵。共面波导天线可以实现比较大的驻波带宽，但是增益较小，方向图易受周围物体的影响，影响了其使用范围。

因此，如何解决现有PCB天线所具有的上述问题，使得天线具有较宽的驻波带宽、较大的增益及体积较小等优点，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微带天线，可以使得天线具有较宽的驻波带宽、较大的增益及体积较小等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种微带天线，包括：基板、位于所述基板背面的参考地层和位于所述基板正面的折叠偶极子天线阵；

所述折叠偶极子天线阵包括：通过阵子间阻抗变换线串联馈电的第一天线阵和第二天线阵；

其中，所述第一天线阵包括第一折叠偶极子及与所述第一折叠偶极子连接的第一阻抗变换线；

所述第二天线阵包括第二折叠偶极子及与所述第二折叠偶极子连接的第二阻抗变换线；

所述第二阻抗变换线与所述阵子间阻抗变换线连接，所述第一阻抗变换线和所述阵子间阻抗变换线连接；

所述第一阻抗变换线背离所述第二天线阵的一端连接有第一馈电微带线。

优选地，所述第一折叠偶极子以所述第一阻抗变换线为对称轴，所述第一折叠偶极子的一对称侧为长方形折叠导体，所述长方形折叠导体临近所述第一阻抗变换线的长边包括第一折叠边和第二折叠边，所述第一折叠边和所述第二折叠边之间包括预设大小的间隙，所述第一折叠边与所述第一阻抗变换线连接，所述第二折叠边通过设置在所述基板上的过孔与所述参考地层的一边连接。

优选地，所述第二折叠偶极子以所述第二阻抗变换线为对称轴，所述第二折叠偶极子的一对称侧为长方形折叠导体，所述长方形折叠导体临近所述第二阻抗变换线的长边包括第三折叠边和第四折叠边，所述第三折叠边和第四折叠边之间包括预设大小的间隙，所述第三折叠边与所述第二阻抗变换线连接，所述第四折叠边通过设置在所述基板上的过孔与所述参考地层的一边连接。

优选地，所述阵子间阻抗变换线包括：

与所述第一阻抗变换线连接的第三阻抗变换线；

与所述第三阻抗变换线及第二阻抗变换线连接的第二馈电微带线。

优选地，所述阵子间阻抗变换线为阻抗渐变线或高低阻抗线。

优选地，所述第一折叠边和所述第二折叠边之间预设大小的间隙的宽度为0.6mm～2mm，包括端点值；

所述第三折叠边和第四折叠边之间预设大小的间隙的宽度为0.6mm～2mm，包括端点值。

优选地，所述第一天线阵和第二天线阵的长方形折叠导体的折叠线总长度介于所述第一馈电微带线的导波波长的1.1倍到1.3倍之间。

优选地，所述第一天线阵和第二天线阵之间的间距值介于所述第一馈电微带线的导波波长的0.8倍到1.2倍之间。

优选地，所述第一阻抗变换线和所述第二阻抗变换线的长度之差小于所述第一馈电微带线的导波波长的0.05倍。

优选地，所述第一折叠偶极子的边缘与所述基板的边缘的距离小于或等于所述第一馈电微带线的导波波长的0.5倍；

所述第二折叠偶极子与基板边缘的距离小于或等于所述第一馈电微带线的导波波长的0.5倍。

优选地，所述第一阻抗变换线和所述第二阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换线。

优选地，所述第三阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换线。

优选地，还包括：

与所述第一馈电微带线连接的同轴线，所述同轴线的内芯焊接在所述第一馈电微带线上。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的微带天线，在基板上进行设计，形成微带天线，只包括两个天线阵，体积较小，采用第一天线阵和第二天线阵串联馈电，可以使天线的宽度大大降低，从而在保持小体积的条件下使天线增益提高，以及得到较宽的驻波带宽。由于该天线增益受第一天线阵和第二天线阵这两个阵子的中心之间的距离、阵子边缘与基板边缘的距离、第一阻抗变换线长度和第二阻抗变换线长度等多个因素影响，因此，可以通过多种因素来调节天线的增益，可以有效提高天线的增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线正面示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线背面示意图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线预设频段的驻波图；

图4为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线theta＝90°时的辐射方向图；

图5为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线phi＝0°和90°时的增益方向图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种微带天线，能够使得天线具有较宽的驻波带宽、较大的增益及体积较小等优点。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1和图2，图1为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线正面示意图；图2为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线背面示意图。

在本发明的一种具体实施方式中，所提供的微带天线，包括：基板1、位于所述基板1背面的参考地层2和位于所述基板正面的折叠偶极子天线阵。其中，优选所述基板1为矩形PCB板。参考地层2即为参考地，长度为基板的外形长度。折叠偶极子天线阵包括：通过阵子间阻抗变换线串联馈电的第一天线阵和第二天线阵；其中，第一天线阵包括第一折叠偶极子及与第一折叠偶极子连接的第一阻抗变换线15；第二天线阵包括第二折叠偶极子及与第二折叠偶极子连接的第二阻抗变换线19；第二阻抗变换线19与阵子间阻抗变换线连接，第一阻抗变换线15和阵子间阻抗变换线连接；第一阻抗变换线15背离第二天线阵的一端连接有第一馈电微带线14。

采用第一天线阵和第二天线阵串联馈电，可以使天线的宽度大大降低，从而在保持小体积的条件下使天线增益提高，以及得到较宽的驻波带宽。由于该天线增益受第一天线阵和第二天线阵这两个阵子的中心之间的距离、阵子边缘与基板边缘的距离、第一阻抗变换线长度和第二阻抗变换线长度等多个因素影响，因此，可以通过多种因素来调节天线的增益，可以有效提高天线的增益。

优选地，第一折叠偶极子以第一阻抗变换线15为对称轴，第一折叠偶极子的一对称侧为长方形折叠导体，长方形折叠导体临近第一阻抗变换线15的长边包括第一折叠边3和第二折叠边4，第一折叠边3和第二折叠边4之间包括预设大小的间隙，第一折叠边3与第一阻抗变换线15连接，第二折叠边4通过设置在基板1上的过孔24与参考地层2的一边连接。其中，第一折叠偶极子的一对称侧的长方形折叠导体包括一长边16，长边16即为第一折叠偶极子振子臂，该长边16的长度设为L4，该长边16的两端分别连接有一个折叠短边，每一个折叠短边的长度设为Wa。第一折叠边3和第二折叠边4之间的间隙的宽度为Wgap。由于第一折叠偶极子以第一阻抗变换线15为对称轴，因此第一折叠偶极子位于第一阻抗变换线15另一侧的结构与上述结构相同，在此不做赘述。

进一步地，第二折叠偶极子以第二阻抗变换线19为对称轴，第二折叠偶极子的一对称侧为长方形折叠导体，长方形折叠导体临近第二阻抗变换线19的长边包括第三折叠边5和第四折叠边6，第三折叠边5和第四折叠边6之间包括预设大小的间隙21，第三折叠边5与第二阻抗变换线19连接，第四折叠边6通过设置在基板1上的过孔25与参考地层2的一边连接。第二天线阵和第一天线阵的结构类似，第二折叠偶极子的一对称侧的长方形折叠导体包括一长边20，长边20即为第二折叠偶极子振子臂，该长边20的长度设为L5，该长边20的两端分别连接有一个折叠短边，每一个折叠短边的长度设为Wa1。第三折叠边5和第四折叠边6之间的间隙的宽度为Wgap1。由于第二折叠偶极子以第二阻抗变换线19为对称轴，因此第二折叠偶极子位于第二阻抗变换线19另一侧的结构与该侧结构相同，在此不做赘述。

其中，阵子间阻抗变换线包括：与第一阻抗变换线15连接的第三阻抗变换线17；与第三阻抗变换线17及第二阻抗变换线19连接的第二馈电微带线18。其中，第一阻抗变换线15的长度为L1，宽度为W1；第二阻抗变换线19的长度为L2，宽度为W2；第三阻抗变换线17的长度为L3，宽度为W3。

优选第一天线阵和第二天线阵的长方形折叠导体的长边宽度和折叠短边宽度相同。

在实际使用时，微带天线还包括：与第一馈电微带线14连接的同轴线，同轴线的内芯13焊接在第一馈电微带线14上，在内芯13外层还具有同轴线编织层12，在内芯13和同轴线编织层12之间还设有绝缘层29，在同轴线编织层12外还设有同轴线外被11，从而完成对整个天线的馈电。其中，第一馈电微带线14和上述的第二馈电微带线18均为和同轴线阻抗匹配的馈电微带线。

需要说明的是，在进行双阵子的串联馈电时，只是优选第三阻抗变换线和第二馈电微带线来连接第一天线阵和第二天线阵，也可以采用其他的阻抗渐变线或者高低阻抗线等方式来实现串联馈电，本实施方式对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，优选参考地层2为长方形，其宽度与第一天线阵上的两个过孔(第一过孔24，第二过孔27)之间的距离相同，与第二天线阵上的两个过孔(第三过孔25，第四过孔26)之间的距离也相同。参考地层也可以设置成不规则地板或者不对称地板，对此并不做限定，具体视情况而定。

为了根据实际情况达到指定的天线工作频率，首先对一个天线阵的尺寸进行设计，然后在此基础上，微调阵列上的天线各部分的尺寸。本实施方式所提供的微带天线，其谐振频率主要受L1-L5(即第一阻抗变换线长度L1、第二阻抗变换线长度L2、第三阻抗变换线长度L3、第一折叠偶极子振子臂长度L4、第二折叠偶极子振子臂长度L5)的影响，调整上述部件的长度值来达到指定的工作频率。

第一天线阵和第二天线阵的长方形折叠导体的折叠线总长度介于第一馈电微带线的导波波长的1.1倍到1.3倍之间。其中，第一折叠偶极子的一侧长方形折叠导体折叠线的总长度L＝2L4-Wgap+2Wa；第二折叠偶极子的一侧长方形折叠导体折叠线的总长度为L'＝2L5-Wgap1+2Wa1。在实际应用中，折叠线的长度会比计算值略长，这是由折叠线的边缘效应引起的。

在本发明的一个实施方式中，第一折叠边和第二折叠边之间预设大小的间隙的宽度为0.6mm～2mm，包括端点值；第三折叠边和第四折叠边之间预设大小的间隙的宽度为0.6mm～2mm，包括端点值。第一折叠边和第二折叠边之间的间隙、第三折叠边和第四折叠边之间的间隙过大或者过小都会导致天线不易谐振。

第一天线阵和第二天线阵之间的间距值介于第一馈电微带线的导波波长的0.8倍到1.2倍之间，第一天线阵和第二天线阵之间的间距值也会对天线的谐振频率有影响，间距过大或过小都不利于谐振频率的收敛。其中，第一天线阵和第二天线阵之间的间距指的是，第一天线阵和第二天线阵这两个阵子中心之间的距离，如图1所示，阵间距为D。

在天线的增益以及辐射方向图方面，不仅受两个阵子中心间距D和阵子边缘与基板的边缘距离的影响，还和第一阻抗变换线长度L1、第二阻抗变换线长度L2有关系，优选地，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的长度之差小于第一馈电微带线的导波波长的0.05倍。阵子边缘与基板的边缘距离指的是，第一天线阵背离第二天线阵的一端的折叠短边到基板的边缘距离，也就是第一折叠偶极子背离第二天线阵的一端折叠短边的边缘与基板的边缘的距离，这里的基板的边缘指的是基板在宽度上的一个边，且基板的该边临近第一折叠偶极子背离第二天线阵的一端折叠短边，如图1所示，该距离为D1；以及第二天线阵背离第一天线阵的一端的折叠短边到临近的基板的宽度上的边缘距离，如图1所示，该距离为D2。其中，D1和D2变大会提高天线的增益，但是D1和D2在大于0.5倍第一馈电微带线的导波波长后，天线增益提高的不明显，同时辐射方向图会发生改变，寄生出新的副瓣，因此，第一折叠偶极子的边缘与基板的边缘的距离小于或等于第一馈电微带线的导波波长的0.5倍，第二折叠偶极子与基板边缘的距离小于或等于第一馈电微带线的导波波长的0.5倍，阵间距D的值介于第一馈电微带线的导波波长的0.8倍到1.2倍之间较好，可以使两个阵子在theta＝90°时的增益正向叠加而增强，阵间距D过大或过小都会使增益降低，阵间距的增加会使垂直于PCB正面和背面的增益提高，而使垂直于基板侧面两边的增益降低。

在本发明一个实施方式中，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的长度之差小于第一馈电微带线的导波波长的0.05倍。当第一阻抗变换线长度L1和第二阻抗变换线长度L2的差值太大时，驻波带宽会提高，但会在theta＝90°时形成增益零点。因此，应使第一阻抗变换线长度L1和第二阻抗变换线长度L2的差值控制在第一馈电微带线的导波波长的0.05倍之内。

在本发明的一种实施方式中，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换线，第三阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换线。其中，为了使微带天线具有更好的信号传输效果，以减少信号传输时的损失，优选第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的长度大于第一馈电微带线的导波波长的四分之一，第三阻抗变换线的长度也大于第一馈电微带线的导波波长的四分之一，即第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和第三阻抗变换线的长度也不是刚好等于第一馈电微带线的导波波长的四分之一，而是比之略大。

驻波带宽主要受第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和第三阻抗变换线的宽度影响。

请参考图3、图4和图5，图3为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线预设频段的驻波图。；图3示出了频率和回波损耗特性S11的关系，其中，纵坐标为S11，横坐标为频率f，S11越小，表示信号传输效率越高。如图3所示，在m3处时两个阵列天线之间可达到较好的匹配。

图4为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线theta＝90°时的辐射方向图；图5为本发明一种具体实施方式所提供的微带天线phi＝0°和90°时的增益方向图。

由图3和图4可知，本发明实施方式所提供的微带天线，在theta＝90°时全向性较好，天线方向的不圆度仅为0.6dB左右，因此具有良好的全向特性。由图5可以看出，3dB波束宽度大约为60度左右。

综上，本发明所提供一种微带天线，在基板上进行设计，形成微带天线，体积较小，采用了两个串联馈电的背对背对称的折叠偶极子天线阵，即第一天线阵和第二天线阵，使得天线的宽度大大降低，从而在保持小体积的条件下使天线的增益提高，天线的全向性得到很好的保持以及得到较宽的驻波带宽。由于该天线增益受第一天线阵和第二天线阵这两个阵子的中心之间的距离、阵子边缘与基板边缘的距离、第一阻抗变换线长度和第二阻抗变换线长度等多个因素影响，因此，可以通过多种因素来调节天线的增益，可以有效提高天线的增益。

以上对本发明所提供一种微带天线进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种微带天线，其特征在于，包括：基板、位于所述基板背面的参考地层和位于所述基板正面的折叠偶极子天线阵；

所述折叠偶极子天线阵包括：通过阵子间阻抗变换线串联馈电的第一天线阵和第二天线阵；

其中，所述第一天线阵包括第一折叠偶极子及与所述第一折叠偶极子连接的第一阻抗变换线；

所述第二天线阵包括第二折叠偶极子及与所述第二折叠偶极子连接的第二阻抗变换线；

所述第二阻抗变换线与所述阵子间阻抗变换线连接，所述第一阻抗变换线和所述阵子间阻抗变换线连接；

所述第一阻抗变换线背离所述第二天线阵的一端连接有第一馈电微带线；

其中，第一折叠偶极子与第二折叠偶极子的结构相同，且所述第一折叠偶极子与第二折叠偶极子同向间隔设置。

2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第一折叠偶极子以所述第一阻抗变换线为对称轴，所述第一折叠偶极子的一对称侧为长方形折叠导体，所述长方形折叠导体临近所述第一阻抗变换线的长边包括第一折叠边和第二折叠边，所述第一折叠边和所述第二折叠边之间包括预设大小的间隙，所述第一折叠边与所述第一阻抗变换线连接，所述第二折叠边通过设置在所述基板上的过孔与所述参考地层的一边连接。

3.根据权利要求2所述的微带天线，其特征在于，所述第二折叠偶极子以所述第二阻抗变换线为对称轴，所述第二折叠偶极子的一对称侧为长方形折叠导体，所述长方形折叠导体临近所述第二阻抗变换线的长边包括第三折叠边和第四折叠边，所述第三折叠边和第四折叠边之间包括预设大小的间隙，所述第三折叠边与所述第二阻抗变换线连接，所述第四折叠边通过设置在所述基板上的过孔与所述参考地层的一边连接。

4.根据权利要求3所述的微带天线，其特征在于，所述阵子间阻抗变换线包括：

与所述第一阻抗变换线连接的第三阻抗变换线；

与所述第三阻抗变换线及第二阻抗变换线连接的第二馈电微带线。

5.根据权利要求3所述的微带天线，其特征在于，所述阵子间阻抗变换线为阻抗渐变线或高低阻抗线。

6.根据权利要求4或5所述的微带天线，其特征在于，所述第一折叠边和所述第二折叠边之间预设大小的间隙的宽度为0.6mm～2mm，包括端点值；

所述第三折叠边和第四折叠边之间预设大小的间隙的宽度为0.6mm～2mm，包括端点值。

7.根据权利要求6所述的微带天线，其特征在于，所述第一天线阵和所述第二天线阵的长方形折叠导体的折叠线总长度介于所述第一馈电微带线的导波波长的1.1倍到1.3倍之间。

8.根据权利要求7所述的微带天线，其特征在于，所述第一天线阵和第二天线阵之间的间距值介于所述第一馈电微带线的导波波长的0.8倍到1.2倍之间。

9.根据权利要求8所述的微带天线，其特征在于，所述第一阻抗变换线和所述第二阻抗变换线的长度之差小于所述第一馈电微带线的导波波长的0.05倍。

10.根据权利要求9所述的微带天线，其特征在于，所述第一折叠偶极子的边缘与所述基板的边缘的距离小于或等于所述第一馈电微带线的导波波长的0.5倍；

所述第二折叠偶极子与基板边缘的距离小于或等于所述第一馈电微带线的导波波长的0.5倍。

11.根据权利要求10所述的微带天线，其特征在于，所述第一阻抗变换线和所述第二阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换线。

12.根据权利要求11所述的微带天线，其特征在于，所述第三阻抗变换线为四分之一波长阻抗变换线。

13.根据权利要求12所述的微带天线，其特征在于，还包括：

与所述第一馈电微带线连接的同轴线，所述同轴线的内芯焊接在所述第一馈电微带线上。