CN105337029B - 微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带天线，该微带天线包括基板、分别设置于所述基板两侧的辐射贴片和接地面以及设置于所述微带天线的几何中心的馈电点；其中，所述微带天线还包括一短路探针排布结构，所述辐射贴片经由所述短路探针排布结构连接至所述接地面。本发明实施例中的微带天线中，短路探针排布结构不仅能够减小微带天线的尺寸，还能展宽微带天线的阻抗带宽，并能够使微带天线实现全方位的覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及微带天线，及车辆间通信。
背景技术
微带天线(microstrip antenna)是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分为：贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线；贴片是一个面积单元时，则为微带天线；如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中的微带天线存在如下不足：
天线尺寸较大，使得所需空间大，安装成本高；且阻抗带宽较窄，不能提供全方位的覆盖。
发明内容
本发明实施例提供一种微带天线，用以减小天线尺寸，展宽阻抗带宽，并实现全方位的覆盖，该微带天线包括基板、分别设置于所述基板两侧的辐射贴片和接地面以及设置于所述微带天线的几何中心的馈电点；其中，所述微带天线还包括一短路探针排布结构，所述辐射贴片经由所述短路探针排布结构连接至所述接地面；
所述短路探针排布结构包括围绕所述辐射贴片的几何中心、与所述辐射贴片的几何中心相距不同距离、按圆形轨迹排布的多组短路探针；
所述多组短路探针中的每一组短路探针的数量与其他组短路探针的数量不同；和/或，所述多组短路探针中的每一组短路探针的半径与其他组短路探针的半径不同。
一个实施例中，所述辐射贴片的几何中心和所述接地面的几何中心均与所述微带天线的几何中心重合。
一个实施例中，所述辐射贴片为中心对称或轴对称的多边形或圆形。
一个实施例中，所述接地面为中心对称或轴对称的多边形或圆形。
一个实施例中，所述微带天线上围绕几何中心处还设有一不连续的槽。
一个实施例中，所述槽为V形槽或U形槽。
一个实施例中，所述微带天线下方还设有一反射板。
一个实施例中，所述辐射贴片包括多个叠置的不同类型的辐射贴片。
本发明实施例中的微带天线包括短路探针排布结构，辐射贴片和接地面经由该短路探针排布结构进行连接，该短路探针排布结构不仅能够减小微带天线的尺寸，还能展宽微带天线的阻抗带宽，并能够使微带天线实现全方位的覆盖。
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，下面描述中的附图仅仅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。在附图中：
图1为本发明实施例中微带天线的示例图；
图2为本发明实施例中具有不同数量的短路探针的微带天线的输入阻抗示意图；
图3为本发明实施例中H场的示意图；
图4为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图；
图5为本发明实施例中微带天线的增益示意图；
图6为本发明实施例中微带天线的辐射方向图；
图7为本发明实施例中具有V形槽的微带天线的示例图；
图8为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图；
图9为本发明实施例中微带天线的增益示意图；
图10为本发明实施例中微带天线的辐射方向图；
图11为本发明实施例中微带天线的示例图；
图12为本发明实施例中微带天线的示例图；
图13为本发明实施例中微带天线的示例图；
图14为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图；
图15为本发明实施例中微带天线的增益示意图；
图16为本发明实施例中微带天线的辐射方向图；
图17为本发明实施例中微带天线的辐射方向图；
图18为本发明实施例中具有圆形堆叠式辐射贴片的微带天线的示例图；
图19为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图；
图20为本发明实施例中微带天线的增益示意图；
图21为本发明实施例中微带天线的辐射方向图；
图22为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图；
图23为本发明实施例中微带天线的增益示意图；
图24为本发明实施例中微带天线的辐射方向图；
图25为本发明实施例中微带天线的示例图；
图26为本发明实施例中微带天线的示例图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了减小天线尺寸，展宽阻抗带宽，并实现全方位的覆盖，本发明实施例中提供一种微带天线，该微带天线包括基板、分别设置于基板两侧的辐射贴片和接地面以及设置于微带天线的几何中心的馈电点；其中，该微带天线还包括一短路探针排布结构，辐射贴片经由该短路探针排布结构连接至接地面。
具体实施时，微带天线可以采用双面PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)作为基板，该双面PCB的一侧设置辐射贴片，另一侧设置接地面。微带天线中的短路探针排布结构例如可以包括一组短路探针，也可以包括围绕辐射贴片的几何中心、与辐射贴片的几何中心相距不同距离、按圆形轨迹排布的多组短路探针。
下面举一例说明本发明实施例中微带天线的结构。图1为本例中微带天线的结构示例图。如图1所示，在微带天线中，基板的两侧分别设置辐射贴片和接地面，辐射贴片经由短路探针排布结构连接至接地面，微带天线的几何中心设馈电点。短路探针排布结构包括围绕辐射贴片的几何中心、与辐射贴片的几何中心相距不同距离、按圆形轨迹排布的两组短路探针。其中一组短路探针与辐射贴片的几何中心相距a1，另一组短路探针与辐射贴片的几何中心相距a2，a1≠a2。
具体实施时，多组短路探针中的每一组短路探针的数量与其他组短路探针的数量可以相同，也可以不同；多组短路探针中的每一组短路探针的半径与其他组短路探针的半径可以相同，也可以不同。例如图1所示的微带天线中，两组短路探针的数量分别为N1、N2，从图1中可以看出N1＝N2＝3；两组短路探针的半径分别为r1、r2，从图1可以看出r1＞r2。
具体实施时，辐射贴片的几何中心和接地面的几何中心均可以与微带天线的几何中心重合。例如图1所示的微带天线中，辐射贴片的几何中心和接地面的几何中心均与微带天线的几何中心重合。
具体实施时，辐射贴片可以按需设置形状，例如辐射贴片可以为中心对称或轴对称的多边形或圆形；接地面也可以按需设置形状，例如接地面可以为中心对称或轴对称的多边形或圆形。例如图1所示的微带天线中，辐射贴片为等边三角形，接地面为圆形。辐射贴片为等边三角形，使得微带天线能够被安装于汽车的鲨鱼鳍上。图1中，辐射贴片的半径为L1，接地面的半径为Rg，L1＜Rg；辐射贴片与接地面的形状对称，φ可设置为60°。此外，图1所示微带天线具有0.058λ0的低剖面(λ0是在自由空间下，工作在5.5GHz时天线的波长)。表一中提供微带天线的详细尺寸示例。
表一
| 参数 | Rg | L1 | r1 | r2 | a1 | a2 | h |
| 数值/mm | 35 | 24.3 | 1.5 | 0.25 | 14.9 | 11.7 | 3.17 |
| 数值/λ0 | 0.642 | 0.445 | 0.028 | 0.005 | 0.273 | 0.214 | 0.058 |
具体实施时，在微带天线的几何中心设置馈电点，该馈电点可以是由50Ω的SMA接头进行馈电。以图1中所示微带天线结构为例，微带天线由位于几何中心的50Ω的SMA接头进行馈电，设置图1所示的短路探针排布结构后，可以得知在辐射贴片上的电流通路的长度不同，将出现调谐模式TM01和TM02，使微带天线具备较宽的阻抗带宽。因此，可以认为，短路探针排布结构在展宽阻抗带宽方面起着重要的作用，使微带天线具备了宽频带的特征。事实上，如果没有短路探针排布结构，微带天线将在单一的TM02调谐模式下工作，即阻抗带宽很窄的模式。为了改善阻抗带宽，通过短路探针排布结构引入TM01调谐模式来耦合TM02调谐模式。
实施例中，可以通过调整短路探针排布结构中短路探针的数量和半径以及短路探针与馈电点之间的距离，获得更宽的阻抗带宽。图2为本发明实施例中具有不同数量的短路探针的微带天线的输入阻抗示意图。假设短路探针只有一组，数量为N，如图2中(a)、(b)、(c)所示。当N＝1时，辐射贴片与接地面连接，此时只有一个短路探针被设置在微带天线的几何中心处，以便生成单极辐射方向图，此时TM01调谐模式和TM02调谐模式由于太近而不能增加阻抗带宽。当N＝3和N＝6时，微带天线分别在TM02调谐模式和TM01调谐模式其中一种调谐模式下工作，两种阻抗带宽均较窄。当短路探针如图1所示设有两组且当N1＝N2＝3时，如图2中(d)所示，微带天线将会分别以5.0GHz和6.0GHz在TM01调谐模式和TM02调谐模式下工作。TM01调谐模式和TM02调谐模式相耦合，以便扩展阻抗带宽。
此外，微带天线由位于几何中心的50Ω的SMA接头进行馈电，以获得一单极化的辐射方向图，其辐射模式类似于单极子天线，并且最大增益为5.89dBi。图3为本发明实施例中H场的示意图。图3中示出了6.0GHz的H场。可以看出，H场是圆形的，微带天线在TM02模式下工作。
实施例中采用安捷伦科技有限公司(Agilent Technologies)的N5230A型矢量网络分析器对本发明实施例中微带天线的反射系数(S11)进行测量。图4为本发明实施例中微带天线的反射系数的示意图，图4中示出了相对于频率的仿真与实际测量的反射系数。可以看出，在4.41GHz至6.11GHz的频率范围内，本发明实施例的微带天线阻抗带宽为32.32％。此外，测得的反射系数略有向低频带偏移。
图5为本发明实施例中微带天线的增益的示意图。图5中示出了相对于频率的仿真与实际测量的增益。由于本发明实施例的微带天线的极化是垂直的，因此给出了φ＝0°的平面中θ为30°的方向上的增益，φ,θ见图26所示。如图5所示，在工作频带中，实际测量到的天线增益比仿真的天线增益低约1.5dBi。原因可能是微波消音室中的环境并不理想，以及实测天线在制造上有误差。在WLAN和车辆间的工作频率中测量到的最大增益在3.84dBi至5.89dBi的范围内。
图6为本发明实施例中微带天线的辐射方向图。图6中示出了在频率f＝5.0GHz、5.45GHz和5.9GHz时的实测的和仿真的辐射方向图。在方位面中，可以看出获得了全方位方向图，这对于水平方向的汽车来说，车辆间的通信将会很便利。另外，除了在频率为5.0GHz时的情况以外，φ＝90°的平面上交叉极化小于-15dB。
具体实施时，微带天线上围绕几何中心处还可以设置一不连续的槽。具体的，该不连续的槽例如可以是V形槽或U形槽。图7为本发明实施例中具有V形槽的微带天线的结构图。图7中V形槽的宽度用Ws表示，该V形槽能够改变电路长度，从而进一步增加阻抗带宽。表II中提供具有V形槽的微带天线的详细尺寸示例。
表二
| 参数 | Rg | L1 | r1 | r2 | a1 | a2 | h | Ws | d1 | d2 | d3 |
| 数值/mm | 36 | 22.2 | 1.17 | 0.25 | 13.6 | 10.65 | 3.17 | 0.5 | 0.3 | 11 | 4.45 |
| 数值/λ0 | 0.660 | 0.407 | 0.021 | 0.005 | 0.249 | 0.195 | 0.058 | 0.009 | 0.006 | 0.202 | 0.082 |
图8为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图。图8中示出了具有V形槽和不具有V形槽的微带天线相对于频率的仿真的反射系数。可以看出，对于4.45GHz至6.54GHz范围内的频率，当反射系数S11≤-10dB时，得到的阻抗带宽为38.03％。
图9为本发明实施例中具有V形槽的微带天线的增益示意图。图9中示出具有V形槽的微带天线相对于频率的仿真的增益。如图9所示，对于5GHz WLAN和车辆间通信，增益在4.30dBi至6.53dBi之间变化。通过高增益，能够改善车辆间的通信质量。
图10为本发明实施例中具有V形槽的微带天线的辐射方向图。图10中示出了在频率f＝4.5GHz、5.0GHz、5.45GHz、5.9GHz和6.4GHz时，本发明实施例中具有V形槽的微带天线仿真的辐射方向图。当θ＝90°时，辐射方向图是全方位的。另外，当φ＝90o时，交叉极化小于-29dBi。但是，在频率为5.45GHz时，辐射方向图是不对称的。这是因为在频率为5.45GHz时，辐射贴片和V形槽都产生了辐射。
如前所述，微带天线中辐射贴片和接地面也可以是其他形状。图11为本发明实施例中微带天线具备不同形状的辐射贴片和接地面的示意图。图11中的微带天线也具有对称的结构。图11中的附图标记，1为馈电点；2-4为辐射贴片的形状；5-7为接地面的形状；8-14为不同的短路探针；15-21为短路探针和馈电点之间的距离。
如前所述，为了扩展阻抗带宽，可以增加辐射贴片上的槽。例如V形槽和U形槽。图12为本发明实施例中微带天线辐射贴片上具有不同形状的槽的示意图。图12中示出了具有不同的槽的天线的对称结构。图12中附图标记，22为V形槽；23为U形槽，其余标记含义与图11相同。
具体实施时，为了进一步改善微带天线的辐射方向图，可以在微带天线下方设一反射板(reflector)。例如，为了进一步改善在低频率时(例如4.5GHz)的辐射方向图，在具有V形槽的天线下方的高度H处增加一个反射板。图13为本发明实施例中微带天线与反射板的示意图。如图13所示，天线和反射板之间的距离H是13.6毫米，大约为0.25λ0。反射板的存在显著影响了辐射方向图，但是对阻抗匹配(impedance match)的改变不大。表三提供位于反射板上方的具有V形槽的微带天线的详细尺寸示例。
表三
图14为本发明实施例中微带天线的反射系数示意图。图14中示出了针对不同dx1的相对于频率的仿真的反射系数。可以看出，参数dx1仅仅轻微地改变了阻抗匹配(impedancematch)。但是，在整个工作频率范围内，都能改善增益。图15为本发明实施例中微带天线的增益示意图。如图15所示，当dx1增大时，在较高频率时的增益也增加了。
图16为本发明实施例中具有位于反射板上方的V形槽的微带天线的仿真的辐射方向图。图16中示出了当频率f＝4.5GHz、5.45GHz、6.4GHz时，具有位于反射板上方的V形槽的天线的仿真的辐射方向图。如图16所示，当dx1增大时，在频率为4.5GHz时，后向辐射变小。当频率较高时，例如频率为6.4GHz时，明显获得了较大增益。
图17为本发明实施例中具有位于反射板上方的V形槽的微带天线的仿真的辐射方向图。图17示出了当dx1＝14mm，频率f＝4.5GHz、5.0GHz、5.45GHz、5.9GHz、6.4GHz时，具有位于反射板上方的V形槽的天线的仿真的辐射方向图。可以看出，反射板能够有效改善低频率时的辐射方向图。另外，反射板还能获得较高增益。
具体实施时，辐射贴片可以包括多个叠置的不同类型的辐射贴片。例如，尽管具有V形槽的微带天线能够增加阻抗带宽，但是位于微带天线下方的高度为0.25λ0时的反射板能够改善低频带时的辐射方向图。但是，由于辐射贴片和V形槽都产生辐射，在频率为5.45GHz时的方向图仍然不对称。因此可以采用了具有圆形堆叠式辐射贴片的微带天线。图18为具有圆形堆叠式辐射贴片的微带天线的示意图。如图18所示，这种微带天线不仅能够扩展阻抗带宽，还能使得辐射方向图对称。如前所述，可以使用一组相同的短路探针，以便使TM01模式耦合TM02模式。短路探针的数量设置为N＝6，围绕中心呈圆形布置。该微带天线由位于中心的50Ω的SMA接头馈电。表四提供堆叠式天线的详细尺寸示例。
表四
| 参数 | Rg | Rp1 | Rp2 | r1 | a | h |
| 数值/mm | 44 | 19.6 | 15.5 | 1.4 | 15.5 | 3.17 |
| 数值/λ0 | 0.807 | 0.359 | 0.284 | 0.026 | 0.0284 | 0.058 |
如前所述，短路探针排布结构在增大阻抗带宽方面发挥了重要作用。这里讨论堆叠的辐射贴片。图19、20分别展示了在不同的Rp2时相对于频率的仿真的反射系数和增益。可以看出，参数Rp2显著影响反射系数和增益。同时，由于堆叠的辐射贴片的存在，引入了能够增加阻抗带宽的谐振频率。
图21为本发明实施例中具备堆叠的辐射贴片的微带天线的辐射方向图。图21中示出了当频率f＝4.5GHz、5.45GHz、6.4GHz时堆叠的辐射贴片的辐射方向图。可以看出，当频率为5.45GHz时，图案是对称的。另外，当θ＝90°时，微带天线保持了全方位的特性。当Rp2增加、频率为6.4GHz时，半功率波束宽度变窄。
图22、图23示出了当Rp2＝15.5mm时相对于频率的反射系数和增益。在频率为4.41GHz至6.49GHz时，堆叠的辐射贴片的阻抗带宽为38.31％。在低频率时以及φ＝0°、θ＝30°时，增益在4dBi至4.5dBi之间变化。因此，在频率约为6.0GHz时，由于主要辐射功率集中在宽边附近，增益变低了。
图24示出了当频率f＝4.5GHz、5.0GHz、5.45GHz、5.9GHz、6.4GHz以及Rp2＝14mm时的辐射方向图。可以看出，在整个工作频率范围内，交叉极化小于-30dB。另外，在方位面中，天线提供了全方位覆盖。
图25示出了具有不同的堆叠辐射贴片的天线。它们可用于车辆间和WLAN通信。附图标记中：24-25为接地面的形状；26-27为辐射贴片的形状；28为短路探针和馈电点之间的距离；29-32为堆叠的辐射贴片的形状。
综上所述，本发明实施例中的微带天线包括短路探针排布结构，辐射贴片和接地面经由该短路探针排布结构进行连接，该短路探针排布结构能够减小微带天线的尺寸，与传统的圆锥形辐射方向图是由具有四分之一波长高度的单极子天线实现相比，本发明实施例的微带天线的高度可以仅为波长的5.81％，具备结构紧凑的特点，能够节约空间，减少安装成本。
本发明实施例的微带天线还能展宽微带天线的阻抗带宽，使微带天线具备宽频带的特征；并且本发明实施例的微带天线的辐射方向图是锥形的，极化方式是垂直极化，能够提供全方位的辐射方向图，使微带天线实现全方位的覆盖。此外，本发明实施例中的微带天线还具有低剖面及高增益的特点。
因本发明实施例中的微带天线的上述特点，该微带天线能够应用于车辆间通信，增强交通控制管理和安全；该微带天线还能够应用于5GHz WLAN或专用短程通信(DSRC)。本发明实施例中的微带天线能够在宽频带下工作，并且能够覆盖上述车辆间通信、5GHzWLAN及专用短程通信三种无线系统的两种或三种频带。该微带天线应用于车辆间通信时，由于体积小、质量轻、低剖面，因而能够被安装在汽车的鲨鱼鳍或者后视镜上；且由于具有较宽的阻抗带宽，能够减少汽车中天线的数量、允许较大的制造误差，并且降低成本。
对本发明实施例的微带天线进行测量，测量结果显示：本发明实施例的微带天线的阻抗带宽为32.32％，工作频率为4.41-6.11GHz。在WLAN和车辆间工作频率下，本发明实施例的微带天线的增益为3.84-5.89dBi。因此，本发明实施例的微带天线能够用于现有的车辆间和WLAN相关产品。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微带天线，其特征在于，该微带天线包括基板、分别设置于所述基板两侧的辐射贴片和接地面以及设置于所述微带天线的几何中心的馈电点；
其中，所述微带天线还包括一短路探针排布结构，所述辐射贴片经由所述短路探针排布结构连接至所述接地面；
所述短路探针排布结构包括围绕所述辐射贴片的几何中心、与所述辐射贴片的几何中心相距不同距离、按圆形轨迹排布的多组短路探针；
所述多组短路探针中的每一组短路探针的数量与其他组短路探针的数量不同；和/或，所述多组短路探针中的每一组短路探针的半径与其他组短路探针的半径不同。
2.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辐射贴片的几何中心和所述接地面的几何中心均与所述微带天线的几何中心重合。
3.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辐射贴片为中心对称或轴对称的多边形或圆形。
4.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述接地面为中心对称或轴对称的多边形或圆形。
5.如权利要求1至4中任一项所述的微带天线，其特征在于，所述微带天线上围绕几何中心处还设有一不连续的槽。
6.如权利要求5所述的微带天线，其特征在于，所述槽为V形槽或U形槽。
7.如权利要求5所述的微带天线，其特征在于，所述微带天线下方还设有一反射板。
8.如权利要求1至4中任一项所述的微带天线，其特征在于，所述辐射贴片包括多个叠置的不同类型的辐射贴片。
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