CN107369895A - 一种定向高增益微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种定向高增益微带天线，主要解决现有技术增益小和方向性差的问题。辐射单元由三个矩形贴片组成，印制在上层介质基板上表面，其左右两侧矩形贴片通过第一金属化过孔与地板相连，地板印制在下层介质基板上表面，其中心位置设有矩形缝隙，用于激励辐射单元，T形微带线印制在下层介质基板下表面并与馈电单元相连，实现信号传输，地板通过第二金属化过孔与第一金属焊盘和第二金属焊盘连接，上下层介质基板形成层叠结构，其下方设有反射板，并通过馈电单元和寄生单元支撑，抑制后向辐射，馈电单元与第一金属焊盘相连，传输射频信号，寄生单元与第二金属焊盘相连，抑制交叉极化。本发明天线增益高且方向性好，可用于卫星通信及雷达系统。

Description

一种定向高增益微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及一种定向高增益微带天线，可运用于卫星通信以及雷达系统。
背景技术
随着无线通信技术的发展，人们对天线功能的需求与日俱增。按照天线的辐射种类划分为全向辐射天线和定向辐射天线。全向辐射天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大，全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜，增益一般在9dB以下；定向辐射天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大，定向辐射天线在通信系统中一般应用通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高，有通过阵列合成而成的定向天线，但是，成本太高，且设计比较复杂。
而微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、易集成、电性能多样化、可以与各种载体共形等优点，被广泛运用于卫星通信及雷达系统等领域。微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，利用微带线、同轴探针或者耦合馈电，在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周和接地板之间的缝隙向外辐射能量。天线作为卫星通信系统的关键部件之一，为了能在高速运动的载体上实现实时的数据传输，要求天线具有高增益，低剖面，并且可以实现定向辐射。然而，微带贴片天线本身所固有的带宽窄、增益低等缺点使其应用受到了一些限制，且微带天线多采用微带线来对其进行馈电，馈线的能量损耗使得天线增益无法进一步提高；若使用波导来馈电，整个天线结构将显得十分笨重；若增加介质板厚度，降低介质的介电常数，则会产生大量表面波影响天线辐射效率。
为了解决上述问题，研究人员提出不少解决方法。例如申请公开号为CN106450719A，名称为“高增益定向型十角不等微带天线”的专利申请，公开了一种高增益定向型十角不等微带天线，包括由上到下尺寸一致且相互贴合的介质覆盖层、介质基板和接地板，其中与介质覆盖层贴合一侧的介质基板上贴附有金属天线贴片，介质基板的中部设有垂直贯穿介质基板的圆柱形金属导体，接地板上设有三条环形缺口及与圆柱形金属导体底面同心的圆孔，虽然该天线可以实现定向辐射并且有较高的增益，但是，工作带宽仅为1.6％(中心频率为2.45GHz)，在实际应用中，受到了一定的限制。综上所述，设计一种新型的定向高增益微带天线是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种定向高增益微带天线，用于解决现有微带天线存在的增益小，方向性差等技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种定向高增益微带天线，包括辐射单元1、上层介质基板2、第一金属化过孔3、地板4、下层介质基板5、第二金属化过孔6、T形微带线7、第一金属焊盘8和第二金属焊盘9；所述上层介质基板2与下层介质基板5形成上下层叠结构，辐射单元1由依次排列的三个矩形贴片组成，印制在上层介质基板2的上表面，地板4印制在下层介质基板5的上表面，其中心位置设置有矩形缝隙41，T形微带线7印制在下层介质基板5下表面的中心位置，第一金属焊盘8和第二金属焊盘9分别印制在T形微带线7的两侧，辐射单元1左右两侧的矩形贴片分别通过第一金属化过孔3与地板4相连，地板4通过第二金属化过孔6与第一金属焊盘8和第二金属焊盘9相连；其特征在于：所述层叠结构的下方设置有反射板12，并通过馈电单元10和寄生单元11支撑，用于抑制后向辐射；所述馈电单元10与第一金属焊盘8相连，用于传输射频信号，寄生单元11与第二金属焊盘9连接，用于抑制交叉极化。
上述的一种定向高增益微带天线，所述依次排列的三个矩形贴片，其相邻贴片之间的距离均为S1，0.1mm≤S1≤0.8mm，各矩形贴片的尺寸相同，长边尺寸L1＝W2，宽边尺寸其中，W2和L2分别为上层介质基板2横截面的宽边尺寸和长边尺寸。
上述的一种定向高增益微带天线，所述上层介质基板2，其横截面尺寸与下层介质基板5相同，横截面长边尺寸为L2，0.3×λ1≤L2≤0.5×λ2，宽边尺寸为W2，0.2×λ1≤W2≤0.4×λ2，上层介质基板2的厚度为H1，0.02×λ1≤H1≤0.04×λ2，下层介质基板5的厚度为H2，0.01×λ1≤H2≤0.02×λ2，该两个介质基板的介电常数均为ε1，2≤ε1≤5，其中，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
上述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述地板4，其尺寸与上层介质基板2的横截面尺寸相同。
上述的一种定向高增益微带天线，所述第一金属化过孔3，由线性排列的N个金属通孔组成，2≤N≤6，相邻两个金属通孔中心的间距W2为上层介质基板2的横截面的宽边尺寸。
上述的一种定向高增益微带天线，所述矩形缝隙41，其长边与地板4的宽边平行，长边尺寸为L3，0.15×λ1≤L3≤0.28×λ2，宽边尺寸为W3，0.01×λ1≤W3≤0.03×λ2，其中，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
上述的一种定向高增益微带天线，所述T型微带线7，其小阻抗微带线与地板4上设置的矩形缝隙41垂直放置，小阻抗微带线的宽度为W4，0.03×λ1≤W4≤0.02×λ2，长度为L4+L5，大阻抗微带线靠近设置在层叠结构下方的寄生单元11，大阻抗微带线的宽度为W5，0.008×λ1≤W5≤0.005×λ2，长度为L6，其中，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长，ε2是等效介电常数，取值为，ε1为下层介质基板5的介电常数，H2为下层介质基板5的厚度。
上述的一种定向高增益微带天线，所述馈电单元10，包括第一金属转换接头101、馈电同轴102和射频连接器103，第一金属转换接头101用于实现馈电同轴102与第一金属焊盘8的连接，射频连接器103用于实现馈电同轴102与反射板12的连接。
上述的一种定向高增益微带天线，所述寄生单元11，包括第二金属转换接头111和寄生同轴112，第二金属转换接头111用于实现寄生同轴112与第二金属焊盘9的连接，寄生同轴112的下端与反射板12相连。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，本发明由于在层叠结构的下方设置有反射板，并通过馈电单元和寄生单元进行支撑，从而抑制了该天线的后向辐射，提高了天线的增益，并且在天线工作带宽没有变差的情况下，实现定向辐射。
第二，本发明由于采用类似于巴伦的馈电单元给天线进行馈电，当射频信号从馈电点经由射频连接器传输至馈电同轴时，该馈电单元结构可以把流入馈电同轴电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，从而改善了辐射方向图，使辐射方向图具有良好的对称性；
第三，本发明由于采用与馈电单元镜像放置的寄生单元，抑制了交叉极化，使得该天线的水平极化分量不会受到干扰，从而提高了天线性能；
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的侧视剖面图；
图3为本发明T形微带线、第一金属焊盘、第二金属焊盘、馈电单元、寄生单元以及反射板的位置关系示意图；
图4为本发明第一金属焊盘和第二金属化过孔的结构示意图；
图5为本发明辐射单元的结构示意图；
图6为本发明上层介质基板结构示意图；
图7为本发明T形微带线和地板的结构示意图；
图8为本发明实施例1回波损耗特性曲线图；
图9为本发明实施例1的E面和H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
参照图1：一种定向高增益微带天线，包括辐射单元1、上层介质基板2、第一金属化过孔3、地板4、下层介质基板5、第二金属化过孔6、T形微带线7、第一金属焊盘8和第二金属焊盘9；上层介质基板2与下层介质基板5形成上下层叠结构，辐射单元1由依次排列的三个矩形贴片组成，印制在上层介质基板2的上表面，地板4印制在下层介质基板5的上表面，其中心位置设置有矩形缝隙41，T形微带线7印制在下层介质基板5下表面的中心位置，用于传输射频信号，并通过矩形缝隙41向外辐射电磁能量，同时激励辐射单元1和地板4，使该天线工作在多个谐振模式，展宽了天线工作带宽，第一金属焊盘8和第二金属焊盘9分别印制在T形微带线7的两侧，辐射单元1中左右两侧矩形贴片分别通过第一金属化过孔3与地板4相连，使该天线工作在低频模式，减小天线尺寸，实现小型化，地板4通过第二金属化过孔6与第一金属焊盘8和第二金属焊盘9连接，使馈电单元和寄生单元接地，从而减小馈电单元和寄生单元之间的相互耦合，层叠结构的下方设置有反射板12，并通过馈电单元10和寄生单元11支撑，用于抑制后向辐射，提高增益，并使该天线实现定向辐射，馈电单元10与第一金属焊盘8相连，馈电同轴的中心导体与T形微带线进行连接，射频信号经由馈电单元10传输至T形微带线7，寄生单元11与第二金属焊盘9连接，并与馈电单元10镜像放置，为了抑制交叉极化，馈电单元10和寄生单元11之间的最短距离要尽可能短，但同时考虑到馈电单元10和寄生单元11之间的相互耦合问题，设置两者之间的最短距离时，要综合考虑两方面的影响，从而使天线的水平极化分量不会受到干扰或影响较小。
参照图2：上层介质基板2的厚度H1＝3mm，下层介质基板5的厚度H2＝1mm，上层介质基板2和下层介质基板5的横截面尺寸与地板4的尺寸相同，上层介质基板2和下层介质基板5的介电常数均为ε1＝2.65；反射板12的下底的长度L0＝100mm，斜边与水平面夹角垂直高度H0＝10mm，W0＝15mm。
参照图3：馈电单元10，包括第一金属转换接头101、馈电同轴102和射频连接器103，第一金属转换接头101用于实现馈电同轴102与第一金属焊盘8的连接，射频连接器103用于实现馈电同轴102与反射板12的连接，馈电同轴102的中心导体与T形微带线7的小阻抗微带线的宽边连接在一起；寄生单元11，包括第二金属转换接头接头111和寄生同轴112，第二金属转换接头111用于实现寄生同轴112与第二金属焊盘9的连接，寄生同轴112的下端与反射板12相连。射频连接器103选择SMA连接器；第一金属转换接头101和第二金属转换接头111均选取SMP接头，第一金属焊盘8和第二金属焊盘9的尺寸与形状的选取根据实际情况中选取的金属接头来确定，两者尺寸和形状相同；馈电同轴102的中心导体要与T形微带线进行连接；反射板12采用导电性良好，材质轻薄的金属材料。
参照图4：第一金属焊盘8长边尺寸L＝7mm，宽边尺寸W＝6.2mm，其中心挖空，挖空形状为直径D2＝4mm的圆，并在其与小阻抗微带线的宽边平行的一侧开矩形口，开口长D4＝2mm，宽D5＝0.87mm，开口宽边到第一金属焊盘8长边的距离D6＝2.5mm；第二金属化过孔6，其中一圈金属通孔数量的取值N1＝11，并沿圆的弧线进行排布，金属通孔的直径均为D1＝0.2mm，最上方两个金属通孔中心之间的距离D3＝3.47mm，其他相邻两个金属通孔中心的距离均为A0，A0＝1.3mm，另一圈金属通孔也做同样的操作。
参照图5：依次排列的三个矩形贴片，其相邻贴片之间的距离均为S1＝0.6mm，各矩形贴片的尺寸相同，长边尺寸L1＝28mm，宽边尺寸W1＝13mm。
参照图6：左右两排金属通孔数量取值均为N＝4，相邻两个金属通孔中心的间距S2＝7mm，金属通孔直径D＝0.5mm，右侧一排第二个金属通孔的中心与上层介质基板2宽边的距离A1＝6.5mm，右侧第一排第四个金属通孔的中心与上层介质基板2长边的距离A2＝3.5mm。
参照图7：地板4长边尺寸L2＝40.2mm，宽边尺寸W2＝28mm，矩形缝隙41，其长边尺寸L3＝24mm，宽边尺寸W3＝2mm；T型微带线7，其小阻抗微带线的长边与矩形缝隙41长边垂直放置，小阻抗微带线的宽度W4＝2.4mm，长度L4＝4mm，L5＝2.65mm，T型微带线7小阻抗微带线的宽边与地板4的宽边距离A3＝16.1mm，T型微带线7小阻抗微带线的长边与地板4的长边的距离A4＝12.8mm；大阻抗微带线的宽度取值W5＝0.7mm，长度取值为L6＝12mm，大阻抗微带线的长边与地板2的宽边的距离A5＝16.75mm，大阻抗微带线的宽边与地板4的长边的距离A6＝8mm。
实施例2，本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：
依次排列的三个矩形贴片，其相邻贴片之间的距离均为S1＝0.2mm，各矩形贴片的尺寸相同，长边尺寸L1＝15mm，宽边尺寸W1＝7.2mm；地板4长边尺寸L2＝22mm，宽边尺寸W2＝15mm，矩形缝隙41，其长边尺寸L3＝11mm，宽边尺寸W3＝0.75mm；T型微带线7，小阻抗微带线的宽度W4＝2.2mm，长度L4＝3.7mm，L5＝1.85mm；大阻抗微带线的宽度取值W5＝0.58mm，长度取值为L6＝8mm。
实施例3的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：
依次排列的三个矩形贴片，其相邻贴片之间的距离均为S1＝0.75mm，各矩形贴片的尺寸相同，长边尺寸L1＝60mm，宽边尺寸W1＝24.5mm地板4长边尺寸L2＝75mm，宽边尺寸W2＝60mm，矩形缝隙41，其长边尺寸L3＝42mm，宽边尺寸W3＝4.5mm；T型微带线7，小阻抗微带线的宽度W4＝3mm，长度L4＝6.65mm，L5＝2.85mm；大阻抗微带线的宽度取值W5＝0.75mm，长度取值为L6＝16mm。
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
1、仿真内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的回波损耗参数进行仿真计算，结果如图8所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图9所示，其中：图9(a)为实施例1天线在2.1GHz的E面和H面辐射方向图，图9(b)为实施例1天线在2.8GHz的E面和H面辐射方向图，图9(c)为实施例1天线在3.8GHz的E面和H面辐射方向图。
2、仿真结果：
参照图8，以回波损耗≤-10dB为标准，实施例1中天线的工作带宽为2.075GHz～3.935GHz，相对带宽61％(中心频率为3GHz)。
参照图9，图9(a)为实施例1在2.1GHz的E面和H面辐射方向图，图9(b)为实施例1在2.8GHz的E面和H面辐射方向图，图9(c)为实施例1天线在3.8GHz的E面和H面辐射方向图。实施例1中的后向辐射得到了明显抑制，最大辐射方向增益能够达到10.08dB，且辐射方向图对称性较好。
以上仿真结果说明，本发明天线在保证工作带宽良好的情况下，方向性较好，最大辐射方向增益也得到了明显提高。

Claims (9)

1.一种定向高增益微带天线，包括辐射单元(1)、上层介质基板(2)、第一金属化过孔(3)、地板(4)、下层介质基板(5)、第二金属化过孔(6)、T形微带线(7)、第一金属焊盘(8)和第二金属焊盘(9)；所述上层介质基板(2)与下层介质基板(5)形成上下层叠结构，辐射单元(1)由依次排列的三个矩形贴片组成，印制在上层介质基板(2)的上表面，地板(4)印制在下层介质基板(5)的上表面，其中心位置设置有矩形缝隙(41)，T形微带线(7)印制在下层介质基板(5)下表面的中心位置，第一金属焊盘(8)和第二金属焊盘(9)分别印制在T形微带线(7)的两侧，辐射单元(1)左右两侧的矩形贴片分别通过第一金属化过孔(3)与地板(4)相连，地板(4)通过第二金属化过孔(6)与第一金属焊盘(8)和第二金属焊盘(9)相连；
其特征在于：所述层叠结构的下方设置有反射板(12)，并通过馈电单元(10)和寄生单元(11)支撑，用于抑制后向辐射；所述馈电单元(10)与第一金属焊盘(8)相连，用于传输射频信号，寄生单元(11)与第二金属焊盘(9)连接，用于抑制交叉极化。
2.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述依次排列的三个矩形贴片，其相邻贴片之间的距离均为S1，0.1mm≤S1≤0.8mm，各矩形贴片的尺寸相同，长边尺寸L1＝W2，宽边尺寸其中，W2和L2分别为上层介质基板(2)横截面的宽边尺寸和长边尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述上层介质基板(2)，其横截面尺寸与下层介质基板(5)相同，横截面长边尺寸为L2，0.3×λ1≤L2≤0.5×λ2，宽边尺寸为W2，0.2×λ1≤W2≤0.4×λ2，上层介质基板(2)的厚度为H1，0.02×λ1≤H1≤0.04×λ2，下层介质基板(5)的厚度为H2，0.01×λ1≤H2≤0.02×λ2，该两个介质基板的介电常数均为ε1，2≤ε1≤5，其中，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
4.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述地板(4)，其尺寸与上层介质基板(2)的横截面尺寸相同。
5.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述第一金属化过孔(3)，由线性排列的N个金属通孔组成，2≤N≤6，相邻两个金属通孔中心的间距W2为上层介质基板(2)的横截面的宽边尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述矩形缝隙(41)，其长边与地板(4)的宽边平行，长边尺寸为L3，0.15×λ1≤L3≤0.28×λ2，宽边尺寸为W3，0.01×λ1≤W3≤0.03×λ2，其中，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长。
7.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述T型微带线(7)，其小阻抗微带线与地板(4)上设置的矩形缝隙(41)垂直放置，小阻抗微带线的宽度为W4，0.03×λ1≤W4≤0.02×λ2，长度为L4+L5， 大阻抗微带线靠近设置在层叠结构下方的寄生单元(11)，大阻抗微带线的宽度为W5，0.008×λ1≤W5≤0.005×λ2，长度为L6，其中，λ1为天线工作频带内最高频率对应的波长，λ2为天线工作频带内最低频率对应的波长，ε2是等效介电常数，取值为，ε1为下层介质基板(5)的介电常数，H2为下层介质基板(5)的厚度。
8.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述馈电单元(10)，包括第一金属转换接头(101)、馈电同轴(102)和射频连接器(103)，第一金属转换接头(101)用于实现馈电同轴(102)与第一金属焊盘(8)的连接，射频连接器(103)用于实现馈电同轴(102)与反射板(12)的连接。
9.根据权利要求1所述的一种定向高增益微带天线，其特征在于，所述寄生单元(11)，包括第二金属转换接头(111)和寄生同轴(112)，第二金属转换接头(111)用于实现寄生同轴(112)与第二金属焊盘(9)的连接，寄生同轴(112)的下端与反射板(12)相连。
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