CN106469848B - 一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线 - Google Patents

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本发明公开了一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，包括介质基板、矩形辐射贴片、金属接地板、四个短路柱和两个差分馈电探针，其中矩形辐射贴片、金属接地板分别设置于介质基板上、下表面，短路柱和差分馈电探针均连接矩形辐射贴片和金属接地板；所述四个短路柱分布于矩形辐射贴片四个角，第一、二差分馈电探针分别设置于矩形辐射贴片相对两条边的边沿；等幅差分电磁信号从两个差分馈电探针进入天线，由于等幅差分信号的激励，偶次模式被抑制、奇次模式不受影响；通过四个短路柱调整各个奇次模式的谐振频点，使两个或多个谐振模式靠近形成一个通带，从而实现具有双谐振模式的宽带差分贴片天线。本发明具有尺寸小、电路结构简单、交叉极化水平低的优点。

Description

一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线。
背景技术
差分贴片天线(differentially-driven patch antenna)既具备微带贴片天线的体积小、剖面低、结构简单和易集成的特点。而且由于引入差分馈电的技术，相比单端的贴片天线，差分贴片天线既能拥有更高的辐射效率，又能获得谐波抑制、降低交叉极化水平等性能。随着后端差分型芯片越来越成为主流，基于单端馈电实现的天线往往需要引入巴伦元件才能实现与差分型芯片的互联，这大大增加了损耗和结构尺寸。而差分贴片天线能够实现与差分芯片的无缝对接，实现低损耗和小型化。基于这一背景，我们采用差分馈电，并引入辐射模式谐振频点控制技术实现了一种具有双辐射模式、尺寸小、较低交叉极化水平的宽带差分微带贴片天线。
已有文献报道了差分贴片天线的结构：
文献1(Yue Ping Zhang,Design and experiment on differentially-drivenmicrostrip antennas,IEEE Transactions on antenna and propagation,2007,55,(10),pp:2701-2708)中的差分贴片天线利用开槽的方式拓展电流路径，从而实现拓展带宽的目的，然而该设计中天线结构剖面高，并且只利用了天线的基础模式，只实现了一定程度的宽带宽特性。
文献2(Quan Xue,Xiu Yin Zhang,and Ching-Hong K.Chin,A noveldifferential-fed patch antenna,IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.,2006,5,pp:471-474)中结合差分馈电和拓宽带宽的技术，在辐射贴片上开H型槽实现宽带特性。然而该天线剖面高，不便于实现集成。
文献3(Liping Han,Wenmei Zhang,Xinwei Chen,Guorui Han,and Runbo Ma,Design of compact differential dual-frequency antenna with stacked patches,IEEE Transactions on antenna and propagation,2010,58,(4):1387-1392)中的差分贴片天线通过采用多层结构，并引入短路柱实现了拓宽带宽的目的。但是由于该天线设计结构复杂增加了设计和加工的难度，使得剖面增高。
综上所述，(1)文献1和2中设计的差分贴片天线通过在辐射贴片挖槽来扩展天线表面电流路径从而实现宽带宽，然而设计中只使用了单个模式且天线的剖面高，不方便实现集成。(2)文献3中设计的差分贴片天线采用多层结构实现，结构较为复杂，且带宽并不能达到宽带宽的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小、电路结构简单、交叉极化水平低的基于双谐振模式的宽带差分贴片天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，包括介质基板、矩形辐射贴片、金属接地板、四个短路柱和两个差分馈电探针，其中矩形辐射贴片设置于介质基板上表面，金属接地板设置于介质基板下表面，四个短路柱和两个差分馈电探针均垂直贯穿介质基板连接矩形辐射贴片和金属接地板；所述四个短路柱分布于矩形辐射贴片的四个角，第一差分馈电探针、第二差分馈电探针分别设置于矩形辐射贴片相对两条边的边沿；
等幅差分电磁信号从两个差分馈电探针进入天线，由于等幅差分信号的激励，偶次模式被抑制、奇次模式不受影响；通过四个短路柱调整各个奇次模式的谐振频点，使两个或多个谐振模式靠近形成一个通带，从而实现具有双谐振模式的宽带差分贴片天线。
进一步地，所述四个短路柱分布于矩形辐射贴片的四个角，该四个短路柱关于矩形辐射贴片的中心点对称。
进一步地，所述第一差分馈电探针、第二差分馈电探针对称设置于矩形辐射贴片两条长边的边缘，且第一差分馈电探针、第二差分馈电探针至矩形辐射贴片两条短边的距离相等。
进一步地，所述第一差分馈电探针、第二差分馈电探针的金属接地板一侧连接有SMA接头，且两个差分馈电探针的直径与SMA接头内径相同。
进一步地，所述四个短路柱的直径为3mm。
进一步地，所述介质基板的介电常数为2.2，厚度为3.175mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)结构简单，可在单片PCB板上实现，便与加工，生产成本低；(2)具有差分信号提供激励的特性，能够实现与越来越成为主流的差分型芯片互联，而不需要引入巴伦元件实现平衡/不平衡信号的转换，减小系统占用空间，简化电路设计；(3)尺寸小、工作频带宽(从1.78MHz至2.51GHz)、交叉极化水平低、能够利用两个辐射贴片的谐振模式、辐射特性优良等特性。
附图说明
图1是本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的结构示意图。
图2是本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的侧视结构图。
图3是本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的实施例的结构尺寸示意图。
图4是本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的实施例的回波损耗示意图。
图5是本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的实施例的三个频点的方向图，其中(a)为1.8GHz频点的方向图，(b)为2.15GHz频点的方向图，(c)为2.5GHz频点的方向图。
图6是本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的实施例的增益示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，通过在普通贴片天线的基础上引入差分馈电技术和辐射模式谐振频点控制，实现低的交叉极化水平、对称的辐射特性，更能够同时利用辐射贴片多个谐振模式，改善天线的性能。
结合图1～2，本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，包括介质基板3、矩形辐射贴片4、金属接地板6、四个短路柱1和两个差分馈电探针2、5，其中矩形辐射贴片4设置于介质基板3上表面，金属接地板6设置于介质基板3下表面，四个短路柱1和两个差分馈电探针2、5均垂直贯穿介质基板3连接矩形辐射贴片4和金属接地板6；所述四个短路柱1分布于矩形辐射贴片4的四个角，第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5分别设置于矩形辐射贴片4相对两条边的边沿；
工作原理为：等幅差分电磁信号从两个差分馈电探针2、5进入天线，由于等幅差分信号的激励，偶次模式被抑制、奇次模式不受影响；通过四个短路柱1调整各个奇次模式的谐振频点，使两个或多个谐振模式靠近形成一个通带，从而实现具有双谐振模式的宽带差分贴片天线。
进一步地，所述四个短路柱1分布于矩形辐射贴片4的四个角，该四个短路柱1关于矩形辐射贴片4的中心点对称。
进一步地，所述第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5对称设置于矩形辐射贴片4两条长边的边缘，且第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5至矩形辐射贴片4两条短边的距离相等。
进一步地，所述第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5的金属接地板6一侧连接有SMA接头7，且两个差分馈电探针2、5的直径与SMA接头7内径相同。
进一步地，所述四个短路柱1的直径为3mm。
进一步地，所述介质基板3的介电常数为2.2，厚度为3.175mm。
结合图1～2，介质基板3在图中为浅灰色阴影填充，矩形辐射贴片4在图1中为深灰色阴影填充，位于介质基板3的上表面。金属接地板6在图2中为深灰色线条表示，位于介质基板3的下表面，金属接地板6与SMA接头7的外导体相连接。第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5作为差分电磁波信号馈入源，一端连接矩形辐射贴片4，另一端与SMA接头7的内导体相连。
本发明立足于无线通信向宽带、小型化发展背景，是基于双谐振模式的宽带差分贴片天线。介质基板3、金属接地板6、矩形辐射贴片4、四个居于对称位置的短路柱1、两个对称排布的差分馈电探针2、5。矩形辐射贴片4位于介质基板3正面，矩形辐射贴片4边缘距离介质基板3边缘有一定距离。两个差分馈电探针2、5沿矩形辐射贴片4较长边对称分布，用于对矩形辐射贴片4馈电。介质基板3的反面贴有金属接地板6。四个短路柱1对称分布于介质基板3中特定位置，连接矩形辐射贴片4和金属接地板6。
实施例1
结合图3，本实施例基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的结构尺寸如下：介质基板3的尺寸为W×L＝70mm×80mm，高度h为3.175mm，介质基板3的相对介电常数为2.2，在介质基板3的上表面蚀刻有尺寸为W1×L1＝52mm×62mm的矩形辐射贴片4。介质基板3的下表面贴有相同尺寸的金属接地板6。第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5的直径均为1.3mm，位于介质基板3较窄边的中心线上，馈电探针中心距离介质基板3的较窄边的边缘距离L3＝10mm。四个圆形金属短路柱1的直径为3mm，对称分布于介质基板3中，短路柱1的中心距离矩形辐射贴片4的较长边的边缘的距离W2＝4mm，距离矩形辐射贴片4的较短边的边缘的距离L2＝14mm。
本实施例中的天线激励采用差分激励，即激励信号为一对幅度相等，相位相差180度的等幅差分信号，通过两个对称分布的金属馈电探针2和5馈电。
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，可将介质基板3的相对介电常数设定为其他值，可将辐射贴片4的尺寸设定为其他值，可将四个圆形金属柱1的位置设定为其他数值，这些改进也将视为本发明的保护范围。
本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的工作过程如下：等幅差分电磁信号从第一差分馈电探针2、第二差分馈电探针5进入天线，由于等幅差分信号的激励，不需要的偶次模式(如TM02、TM12模式)被抑制，奇次模式(如TM01、TM03模式)不受影响，通过引入四个金属短路柱1，可以改变保留下来的各个奇次模式的谐振频点，通过合适的调整可以使两个和多个谐振模式靠近形成一个通带，并具有相似的辐射特性。从而实现尺寸小、交叉极化水平低的具有双谐振模式的宽带差分贴片天线。
在制造上，通过印制电路板制造工艺对电路基板正面电路及背面的电路加工形成所需的金属图案。本实例超宽带巴伦是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。
结合图4，本实施例基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的回波损耗示意图。从图中可以看出，天线的S参数在1.78-2.51GHz的范围内是小于-10dB的，具有宽带的特点。
结合图5，为本实施例基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的三个具有代表性频点的方向图。其中图5(a)为1.8GHz频点的方向图，图5(b)为2.15GHz频点的方向图，图5(c)为2.5GHz频点的方向图，从图中可以看出，带宽范围内天线的辐射方向图稳定，三个频点的交叉极化均低于-40dB，交叉极化水平低。
结合图6，本实施例基于双谐振模式的宽带差分贴片天线的增益示意图。从图中可以看出，天线的增益在通带范围内大于5.7dB，最高增益达到8dB。
综上所述，本发明基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，利用两种不同类型的宽带互联结构实现了超宽带巴伦，该超宽带具有尺寸小、插入损耗低、两输出端口匹配特性优异等优点。

Claims (5)

1.一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，其特征在于，包括介质基板(3)、矩形辐射贴片(4)、金属接地板(6)、四个短路柱(1)和两个差分馈电探针，其中矩形辐射贴片(4)设置于介质基板(3)上表面，金属接地板(6)设置于介质基板(3)下表面，四个短路柱(1)和两个差分馈电探针均垂直贯穿介质基板(3)连接矩形辐射贴片(4)和金属接地板(6)；所述第一差分馈电探针(2)、第二差分馈电探针(5)分别设置于矩形辐射贴片(4)相对两条边的边沿；
等幅差分电磁信号从两个差分馈电探针进入天线，由于等幅差分信号的激励，偶次模式被抑制、奇次模式不受影响；通过四个短路柱(1)调整各个奇次模式的谐振频点，使两个或多个谐振模式靠近形成一个通带，从而实现具有双谐振模式的宽带差分贴片天线；
所述四个短路柱(1)分布于矩形辐射贴片(4)的四个角，该四个短路柱(1)关于矩形辐射贴片(4)的中心点对称。
2.根据权利要求1所述的基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，其特征在于：所述第一差分馈电探针(2)、第二差分馈电探针(5)对称设置于矩形辐射贴片(4)两条长边的边缘，且第一差分馈电探针(2)、第二差分馈电探针(5)至矩形辐射贴片(4)两条短边的距离相等。
3.根据权利要求2所述的基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，其特征在于：所述第一差分馈电探针(2)、第二差分馈电探针(5)的金属接地板(6)一侧连接有SMA接头(7)，且两个差分馈电探针的直径与SMA接头(7)内径相同。
4.根据权利要求2所述的基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，其特征在于：所述四个短路柱(1)的直径为3mm。
5.根据权利要求2所述的基于双谐振模式的宽带差分贴片天线，其特征在于：所述介质基板(3)的介电常数为2.2，厚度为3.175mm。
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