CN106067598A - 一种串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线 - Google Patents

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徐军
杜明
董宇亮
丁霄
李桂萍
喻梦霞
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Abstract

本发明涉及天线领域，尤其是基于多层电路技术的宽频带高集成度天线,具体涉及一种串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线。该天线的贴片为正方形，由一多层堆叠金属化通孔形成的探针馈电。探针垂直于地，分为上、下两部分，且通过圆形平行板电容耦合相连，探针上部与贴片相连，下部与50Ω平面传输线相连，整个天线由探针通过50Ω平面传输线馈电。该贴片天线实现了40.6％的阻抗匹配带宽(VSWR≤2)，并且其十分适合采用LTCC、多层PCB等多层电路加工技术实现，具有集成度高、频带宽的优点。

Description

一种串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其是基于多层电路技术的宽频带高集成度天线,具体涉及一种串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线。
技术背景
天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文以及电子对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一。
近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活的日益现代化和社会化，对电子技术的应用提出了更高的要求。在许多应用领域中，如电视、广播、遥测技术、宇航和卫星通讯等，不仅要求高质量地传输信息，还要求设备的宽带化。为此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。
与此同时，作为众多天线类型之一的贴片天线，以其低成本、低剖面、高集成度等优点一直是天线设计者研究的热点。但是传统贴片天线的带宽很窄，通常10％以下，为此，国内外许多研究者做出了巨大的努力。
1984年，GIRISH KUMAR和KULDIP C.GUPTA，提出了采用多个寄生贴片多谐振技术，实现了较宽的阻抗匹配带宽(G.Kumar and K.C.Gupta,“Broad-band microstripantennas usingadditional resonatorsgap-coupled to the radiating edges,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.AP-32,no.12,pp.1375–1379,Dec.1984.)。1991年，Frederic Crop和Albert Papiernik设计了一款缝隙馈电的多层堆叠贴片天线，实现了宽带阻抗匹配特性(F.Croq and A.Papiernik,“Stacked slot-coupled printed antenna,”IEEE Microw.Guided Wave Lett.,vol.1,no.10,pp.288–290,Oct.1991.)。1995年，T.Huynh和K.F.Lee提出了在贴片上刻蚀U型槽实现宽带阻抗匹配，此贴片天线可以达到40％的阻抗匹配带宽，并且体积小、结构紧凑，无需寄生贴片(T.Huynh and K.F.Lee,“Single-layer single-patch wideband microstripantenna,”Electron.Lett.,vol.31,no.16,pp.1310–1312,Aug.1995.)。2000年，Miguel A.González de Aza、Juan Zapata和JoséA.Encinar提出了一款带有背腔的贴片天线，该天线由容性探针间接馈电，实现了较宽的阻抗匹配带宽(M.A.Gonzalez de Aza,J.Zapata,and J.A.Encinar,“Broad-bandcavity-backed and capacitively probe-fed microstrip patch arrays,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.50,no.9,pp.1266–1273,Sep.2002.)。2000年，C.L.Mak、K.M.Luk、K.F.Lee和Y.L.Chow提出了，采用L型探针对单一贴片进行馈电，实现了36％的阻抗匹配带宽(VSWR≤2)(C.L.Mak,K.M.Luk,K.-F.Lee,andY.-L.Chow,“Experimentalstudyof a microstrip patch antenna with an L-shaped probe,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.48,no.5,pp.777–783,May 2000.)。
由上可见，传统实现宽带贴片天线主要手段有：寄生贴片技术、天线刻蚀技术、电容馈电技术等。寄生贴片技术会大大增加天线面积，不利于天线的小型化。天线刻蚀技术会导致天线交叉极化增大。电容馈电技术设计变量多，设计难度大。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为实现在不增加天线面积，无需刻蚀贴片的前提下，设计变量少，设计简单。本发明提供了一种串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线。
该串联电容加载的探针馈电宽频带，包括贴片、探针和50Ω平面传输线。
探针(3)垂直于地，分为上、下两部分，且通过圆形平行板电容(2)耦合相连；探针(3)上部与贴片(1)相连，连接在距贴片中心线且距边缘0.05～0.05λ处；下部通过地(5)的圆形缺口(4)连接到50Ω平面传输线完成馈电。
50Ω平面传输线(6)位于最下方，带有地板。
贴片(1)为正方形位于最上方，边长为：0.4～0.5λ(λ为中心频率处电磁波在介质中的波长)，距离地0.2～0.3λ。圆形平行板电容(2)分为上下相同两块，直径为0.05～0.1λ，两平行板间距为0.02～0.04λ，下板距离地0.06～0.1λ。50Ω平面传输线(6)位于最下方。
该贴片天线实现了40.6％的阻抗匹配带宽(VSWR≤2)，并且其十分适合采用LTCC、多层PCB等多层电路加工技术实现，具有集成度高、频带宽的优点。
本发明与传统宽带贴片天线的区别在于：与传统寄生贴片宽频带贴片天线相比，本发明无需寄生贴片。与传统直接馈电宽频带贴片天线相比，本发明无需对贴片天线进行刻蚀。
综上所述，本发明的有益效果是：频带宽，结构简单，变量少，便于设计；无需刻蚀贴片，交叉极化小，加工简单，无寄生贴片，面积小，十分适合多层电路加工技术实现，集成度高，实现了40.6％的阻抗匹配带宽(VSWR≤2)。
附图说明
图1是实施例的立体图；
图2是实施例的俯视图；
图3是实施例的侧视图；
图4是实施例的|S11|仿真结果；
图5是实施例26.5GHz的方向图仿真结果；
图6是实施例35GHz的方向图仿真结果；
图7是实施例40GHz的方向图仿真结果；
图5、6、7中，a为E面方向图，b为H面方向图，实线代表主极化方向图，虚线代表交叉极化方向图；
附图标记：w1为贴片(1)宽度，w2为馈电微带线(6)线宽，d1为内层地圆形缺口(4)直径，d2为馈电探针(3)直径，d3为平行板电容(2)直径，d4为馈电探针(3)附加圆盘直径，h1为整体天线厚度，h2为贴片距内层地距离，h3为平行板电容(2)上板距贴片距离，h4为平行板电容(2)下板距贴片距离。
具体实施方案
下面结合附图说明和实例对本发明作详细说明。
本实例采用LTCC多层电路加工技术实现，基板材料为FerroA6M，介电常数为5.9，每层基板厚度为0.094mm，每层金属厚度为0.01mm，表层金属为金，内层金属为银。天线工作频段为Ka频段。
本发明串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线共10层，即h1＝0.094mm×10＝0.94mm。其中，贴片(1)位于第一层介质正面即最上方。探针(3)分为上、下两部分，均为多层堆叠的金属化过孔，上部贯通一到五层介质，下部贯通七到十层介质并通过内层地(5)中的圆形缺口(4)连接到50Ω微带线(6)，两部分通过圆形平行板电容(2)相连。内层地(5)位于第九层介质正面。馈电微带线(6)位于第十层背面，即最下方。整体立体结构如图1所示。
由于探针中间圆形平行板电容的加入，中和了探针产生的感性阻抗，因此增加了阻抗匹配带宽。本发明可实现40.6％的阻抗匹配带宽(VSWR≤2)。
结合图2、3，本发明串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线的具体尺寸如下表所示(单位：mm)：
表1
其具体效果测试对比图参见图4-7。

Claims (5)

1.一种串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线，包括贴片、探针和50Ω平面传输线，其特征在于：
贴片位于最上方，距离地0.2～0.3λ；
探针垂直于地，分为上、下两部分，且通过圆形平行板电容耦合相连；探针上部与贴片相连，下部通过地的圆形缺口连接到50Ω平面传输线完成馈电；探针连接在距贴片中心线且距边缘0.05～0.05λ处，其中λ为中心频率处电磁波在介质中的波长；
50Ω平面传输线位于最下方，带有地板；
圆形平行板电容分为上下相同两块，直径为0.05～0.1λ，两平行板间距为0.02～0.04λ，下板距离地0.06～0.1λ。
2.如权利要求1所述串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线，其特征在于：所述贴片为正方形，边长0.4～0.5λ。
3.如权利要求1所述串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线，其特征在于：所述探针由金属化过孔形成。
4.如权利要求1所述串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线，其特征在于：所述50Ω平面传输线为50Ω微带线。
5.如权利要求1所述串联电容加载的探针馈电宽频带贴片天线，其特征在于：该贴片天线阻抗匹配带宽VSWR≤2，采用LTCC、多层电路加工技术实现，垂直部分采用多层堆叠金属化过孔实现，水平部分采用印刷金属实现。
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