CN105680172A - 一种基于共面波导馈电的宽带天线 - Google Patents

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张强
李茜
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Abstract

本发明公开了一种基于共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板，所述介质基板的厚度为0.5mm，所述介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，所述辐射贴片包括一体形成的上部分和下部分，上部分由设置有切角的矩形构成，下部分为“凸”字型结构；所述辐射贴片的下端与馈电网络相连接，所述接地板设置在辐射贴片和馈电网络的四周，所述接地板的中部设有矩形缺陷，接地板的下部设有用于馈电网络通过的矩形开口。本发明宽带天线工作频带覆盖3.55-6.75GHz。在有效带宽内，天线均达到良好的阻抗匹配。该天线结构简单、尺寸小巧、易于制作，适用于无线通信系统，有广泛的应用前景。

Description

一种基于共面波导馈电的宽带天线
技术领域
本发明涉及一种宽带天线，更具体的说，是涉及一种新型的基于共面波导馈电的宽带天线。
背景技术
近几年，新型的宽带天线，发展迅速，其重要的特性是宽频带、大范围覆盖。该种天线主要用来弥补窄带天线带宽较窄的问题而得以提出和发展的，在无线通信系统中，为了实现与其他通信设备的集成、使天线可同时工作于多种情形，因此天线的小型化和宽频带成为了研究的热点。天线的抗干扰特性决定了天线必须具备宽频带、体积小等特点，以降低干扰，提高通讯质量。
应用于无线通信的宽带天线设计应根据实际需要满足相应的要求。在宽带通信系统中，天线的小型化、低成本、制作难度小、易于集成等特点也成为评价天线实用性和性价比的重要指标。
共面波导馈电的馈电方式使得天线的辐射贴片和接地板在同一平面内，这样可以有效降低天线的尺寸。共面波导馈电的宽带天线，其具有比微带天线更宽的带宽、较为稳定的方向性等优点。而且，共面波导馈电的天线加工和调试方便、易于集成，使得其成为宽带天线研究与应用中不错的选择。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种新型的共面波导馈电的宽带天线，其工作频带覆盖3.55-6.75GHz。在有效带宽内，天线均达到良好的阻抗匹配。该天线结构简单、尺寸小巧、易于制作，适用于无线通信系统，有广泛的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板，所述介质基板的厚度为0.5mm，所述介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，所述辐射贴片包括一体形成的上部分和下部分，上部分由设置有切角的矩形构成，下部分为“凸”字型结构；所述辐射贴片的下端与馈电网络相连接，所述接地板设置在辐射贴片和馈电网络的四周，所述接地板的中部设有矩形缺陷，接地板的下部设有用于馈电网络通过的矩形开口。
所述接地板与馈电网络之间的距离为0.8mm。
所述矩形开口的高度为6mm。所述馈电网络的长度为7mm。
所述介质基板为环氧树脂板。所述介质基板的相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。
所述介质基板的规格尺寸为28mm×26mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明天线中介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，辐射贴片包括一体形成的上部分和下部分，上部分由设置有切角的矩形构成，下部分为“凸”字型结构，接地板设置在辐射贴片和馈电网络的四周，接地板的中部设有矩形缺陷，接地板的下部设有用于馈电网络通过的矩形开口，以上设置使得该天线带宽为3.55-6.75GHz，天线在有效带宽内的反射系数小于-10dB，且电压驻波比小于2；可覆盖部分WiMAX频段、C波段、大容量微波通信频段及WLAN频段等多个频段，能应用于多种情形，实用性强。
2.本发明天线中对辐射贴片上部分的矩形结构进行了切角处理，改善了天线的阻抗匹配情况，使天线能够应用于多种场合，增加了实用性。
3.本发明天线中各个部件及结构的尺寸均是通过仿真实验后精确设计得到，改变任何其中一个尺寸大小均会对本发明天线的性能产生影响，其中接地板距离馈电网络的距离为0.8mm，矩形开口的高度为6mm时，天线性能最为优异，整体设计合理，结构简单。
4.本发明天线具有良好的辐射性能和阻抗匹配，满足了宽带天线的设计要求。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图。
图2是本发明的侧视结构示意图。
图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。
图4本发明中辐射单元有、无切角处理的天线的反射系数仿真结果。
图5是仅接地板中矩形开口的高度(H)不同时的天线的反射系数仿真结果。
图6是仅接地板与馈电网络之间的距离(S)不同时的天线的反射系数仿真结果。
图7(a)、图7(b)和图7(c)为本发明天线分别在4.5GHz、5.5GHz和6.5GHz三个频率处的辐射方向图。
附图标记：1-介质基板2-辐射贴片3-馈电网络4-接地板5-矩形缺陷6-矩形开口
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1和图2所示，一种基于共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板1，介质基板1由环氧树脂(FR4Epoxy)制成，其相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。
本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在规格尺寸为28mm×26mm的介质基板1上，介质基板1的厚度为0.5mm，辐射贴片2、馈电网络3和接地板4分别印刷在介质基板1的一侧，辐射贴片2包括一体形成的上部分和下部分，上部分由经过切角处理的矩形结构构成，下部分为“凸”字型结构；辐射贴片2的下端与馈电网络3相连接，馈电网络3的长度为7mm，馈电方式采用共面波导馈电，输入阻抗为50Ω，接地板4设置在辐射贴片2和馈电网络3的四周，接地板4的中部设有矩形缺陷，接地板4的下部设有用于馈电网络3通过的矩形开口6。
如图3所示：该图表示的是本发明天线经过优化设计后的具体尺寸参数，单位均为毫米，其中介质基板1的厚度为0.5mm。
为了研究天线的相关特性，利用全波三维电磁仿真软件，对具有不同结构或参数的天线进行仿真及优化，得到天线的反射系数，并进行对比分析。对天线在4.5GHz、5.5GHz和6.5GHz频点处进行仿真，得到天线在该频点处的辐射方向图，并对仿真结果进行了分析。图4、图5和图6是设计的不同结构或参数的天线的反射系数仿真结果。图7中(a)、(b)、(c)分别为天线在4.5GHz、5.5GHz和6.5GHz频点处的辐射方向图仿真结果。
由图4可以看出：当天线的辐射贴片进行切角处理时，天线的带宽覆盖3.55-6.75GHz；当天线的辐射贴片无切角处理时，天线带宽仍为3.55-6.75GHz，但此时天线在该带宽内的阻抗匹配变差。可见，对天线的矩形辐射单元进行切角处理时，可以一定程度上改善天线的阻抗匹配情况，这样做可以使天线能够应用于多种场合，增加其实用性。
由图3和5可以看出：天线辐射贴片2和接地板4的间隔大小，即矩形开口6所对应的接地板4下部的高度(H)对天线的性能会造成一定的影响。仅对天线的参数H进行优化，得到优化结果。本实施例中的H为6mm，天线的带宽覆盖3.55-6.75GHz；当H由6mm减小到5.5mm时，天线带宽减为3.6-6.5GHz，且阻抗匹配程度变差，变化较大；当H由6mm增加到6.5mm时，天线带宽基本不变，但阻抗匹配程度较差。可见，当天线的参数H取合适的值，即6mm时，天线有良好的带宽及阻抗匹配。
由图3和图6可以看出：接地板4与馈电网络3之间的距离(S)的大小也会影响天线的具体性能。仅对天线的参数S进行优化，得到优化结果。本实施例中的S为0.8mm，天线的带宽覆盖3.55-6.75GHz；当S由0.8mm减小到0.6mm时，天线带宽变化很小，但阻抗匹配程度变得较差；当S由0.8mm增加到1.1mm时，天线带宽变窄，即带宽为3.4-5.6GHz。可见，要得到良好的天线性能，参数S的大小也至关重要，这里取S为0.8mm。
通过以上几种不同结构和参数的天线的回波损耗仿真结果可以看出：辐射贴片、馈电网络和接地板的结构及相应参数都能够对天线的带宽及阻抗匹配程度产生作用，想要得到理想的天线，就必须设定合适的天线结构和参数，类似地，对天线其他参数进行优化，最终得到本发明的最优化尺寸(见图3)。
由图7(a)-(c)可知，天线在E面和H面的辐射方向图分别呈近似的倒“8”字形及圆形，且天线在4.5GHz、5.5GHz和6.5GHz三个频点处呈现出稳定的辐射方向特性。其中E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面。
综上：本发明天线在3.55-6.75GHz频段内的反射系数小于-10dB，阻抗匹配程度良好，并且具有良好的辐射性能，满足宽带天线设计的要求。

Claims (7)

1.一种基于共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.5mm，所述介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，所述辐射贴片包括一体形成的上部分和下部分，上部分由设置有切角的矩形构成，下部分为“凸”字型结构；所述辐射贴片的下端与馈电网络相连接，所述接地板设置在辐射贴片和馈电网络的四周，所述接地板的中部设有矩形缺陷，接地板的下部设有用于馈电网络通过的矩形开口。
2.根据权利要求1所述的一种基于共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述接地板与馈电网络之间的距离为0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述矩形开口的高度为6mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述介质基板为环氧树脂板。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。
6.根据权利要求1或4所述的一种基于共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为28mm×26mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述馈电网络的长度为7mm。
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