CN107508039A - 贴片天线单元及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种贴片天线单元及阵列，涉及天线技术领域，所述贴片天线单元包括辐射单元以及馈电单元，所述辐射单元与所述馈电单元耦合，所述馈电单元用于与发射机或接收机耦合。所述辐射单元包括中间贴片导体、第一寄生贴片以及第二寄生贴片，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片分别设置于所述中间贴片导体的两端，且分别与所述中间贴片导体耦合；所述第一寄生贴片与中间贴片导体之间设置有第一缝隙，所述第二寄生贴片与所述中间贴片导体之间设置有第二缝隙。本发明的贴片天线单元及阵列提高了贴片天线的带宽。

Description

贴片天线单元及阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种贴片天线单元及阵列。

背景技术

天线是无线通信的关键组成部分之一。未来的通信的高容量，高传输速率的发展需求需要更多的频率资源来支撑。毫米波段拥有丰富的频率资源，可以满足未来的发展需求。

微带贴片天线的带宽往往比较窄，尤其当微带贴片天线只有单层介质，而且介质厚度很薄时，喇叭天线虽然在微波毫米段的性能优越，但是加工难度大，且加工成本高。因此，获得带宽较宽的微带贴片天线成为一个急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种贴片天线单元及阵列，以解决上述问题。

第一方面，本发明提供了一种贴片天线单元，所述贴片天线单元包括辐射单元以及馈电单元，所述辐射单元与所述馈电单元耦合，所述馈电单元用于与发射机或接收机耦合。所述辐射单元包括中间贴片导体、第一寄生贴片以及第二寄生贴片，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片分别设置于所述中间贴片导体的两端，且分别与所述中间贴片导体耦合；所述第一寄生贴片与中间贴片导体之间设置有第一缝隙，所述第二寄生贴片与所述中间贴片导体之间设置有第二缝隙。

在本发明较佳的实施例中，上述馈电单元包括第一馈电线以及第一馈电点，所述第一馈电点与所述第一馈电线耦合，所述第一馈电线与所述中间贴片导体耦合。

在本发明较佳的实施例中，上述馈电单元包括第二馈电线、第二馈电点、第三馈电线以及第三馈电点。所述第二馈电线的一端与所述中间贴片导体的一端耦合，所述第三馈电线的一端与所述中间贴片导体的另一端耦合。所述第二馈电线与所述第二馈电点耦合，所述第三馈电线与所述第三馈电点耦合。

在本发明较佳的实施例中，上述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片为形状、大小均相同的半矩形环贴片。

在本发明较佳的实施例中，上述第一寄生贴片的长度为第一预设值，所述第二寄生贴片的长度为第二预设值，所述中间贴片导体的长度的为第三预设值，所述第一预设值与第三预设值的、所述第二预设值与第三预设值的差均小于所述贴片天线单元的八分之一的工作波长。另外，半矩形的寄生贴片的宽度应小于所述贴片天线单元的八分之一的工作波长。

第二方面，本发明较佳实施例提供一种贴片天线阵列，所述贴片天线阵列包括馈电点以及第一阵列辐射单元，所述第一阵列辐射单元包括馈电电路以及上述的辐射单元，所述馈电电路分别与两个所述辐射单元的中间贴片导体耦合，所述馈电点设置于所述馈电电路上。

第三方面，本发明较佳实施例提供一种贴片天线阵列，所述贴片天线阵列包括馈电点以及第二阵列辐射单元，所述第二阵列辐射单元包括第一传输线、第二传输线、两个上述的第一阵列辐射单元，所述第一传输线分别与两个所述第一阵列辐射单元的所述馈电电路耦合，以使两个所述第一阵列辐射单元耦合，所述第二传输线与所述第一传输线耦合，所述馈电点与所述第二传输线耦合。

第四方面，本发明较佳实施例提供一种贴片天线阵列，所述贴片天线阵列包括第三阵列辐射单元、第一阻抗匹配单元以及馈电点。所述第三阵列辐射单元包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元、第四辐射单元、第三传输线、第四传输线、馈电电路。所述第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元以及第四辐射单元均为上述的辐射单元。所述第三传输线的一端与所述第一辐射单元耦合，另一端与所述第二辐射单元的一端耦合，所述第二辐射单元的另一端与所述馈电电路的一端耦合，所述馈电电路的另一端与所述第三辐射单元的一端耦合，所述第三辐射单元的另一端与所述第四传输线的一端耦合，所述第四传输线的另一端与所述第四辐射单元耦合；所述第一阻抗匹配单元与所述馈电电路耦合，所述馈电点与所述第一阻抗匹配单元耦合。

第五方面，本发明较佳实施例提供一种贴片天线阵列，所述贴片天线阵列包括馈电点、第二阻抗匹配单元以及第四阵列辐射单元。所述第四阵列辐射单元包括第五传输线以及两个上述的第三阵列辐射单元，所述第五传输线分别与所述第三阵列辐射单元的馈电电路耦合，用于连接两个所述第三阵列辐射单元的中间贴片导体，所述阻抗匹配传输线与所述第五传输线耦合，所述馈电点与所述阻抗匹配传输线耦合。

第六方面，本发明较佳实施例提供一种贴片天线阵列，所述贴片天线阵列包括馈电点、第三阻抗匹配单元以及第五阵列辐射单元。所述第五阵列辐射单元包括第六传输线以及两个上述的第四阵列辐射单元，所述第六传输线分别与两个所述第四阵列辐射单元的馈电电路耦合，所述第三阻抗匹配单元与所述第五传输线耦合，所述馈电点与所述第三阻抗匹配单元耦合。

本发明实施例的有益效果是：

本实施例提供的贴片天线单元及阵列，辐射单元包括中间贴片导体、第一寄生贴片以及第二寄生贴片。第一寄生贴片、第二寄生贴片与中间贴片导体耦合，且分别设置于中间贴片导体的两端，本发明提供的贴片天线单元及阵列，提高了贴片天线的带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有的贴片天线单元的一种视角的结构示意图；

图2为现有的贴片天线单元的另一种视角的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提到的贴片天线单元的一种结构示意图；

图4为本发明第一实施例提供的贴片天线单元的另一种结构示意图；

图5为本发明第一实施例提供的贴片天线单元与现有的贴片天线单元的阻抗匹配的结果图；

图6为现有的双端口贴片天线单元的结构示意图；

图7为本发明第一实施例提供的贴片天线单元的又一种结构示意图；

图8为本发明第二实施例提供的贴片天线阵列的结构示意图；

图9为本发明第三实施例提供的贴片天线阵列的结构示意图；

图10为现有的1*4贴片天线阵列的结构示意图；

图11为本发明第四实施例提供的贴片天线阵列的结构示意图；

图12为本发明第五实施例提供的贴片天线阵列的结构示意图；

图13为本发明第六实施例提供的贴片天线阵列的结构示意图；

图14为本发明第四实施例提供的贴片天线阵列与现有的1*4贴片天线阵列的阻抗匹配的结果图；

图标：100-贴片天线单元；200-贴片天线单元；210-辐射单元；211-中间贴片导体；212-第一寄生贴片；213-第二寄生贴片；214-第一缝隙；215-第二缝隙；220-馈电单元；221-第一馈电线；222-第一馈电点；223-第二馈电线；224-第三馈电线；225-第二馈电点；226-第三馈电点；300-贴片天线阵列；310-第一阵列辐射单元；312-馈电电路；400-贴片天线阵列；410-第二阵列辐射单元；411-第一传输线；412-第二传输线；500-贴片天线阵列；600-贴片天线阵列；700-贴片天线阵列。

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，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

天线是无线通信的关键组成部分之一。未来的通信的高容量，高传输速率的发展需求，需要更多的频率资源来支撑。毫米波段拥有丰富的频率资源，可以满足未来的发展需求。

微波毫米波的微带贴片天线的带宽往往比较窄，而且在毫米波段的辐射效率偏低。而喇叭天线在微波毫米波段的性能虽然优越，但是其加工难度大，成本较高。

新一代的微波毫米波系统往往使用半波长组阵实现自适应波束形成技术，以获得较好的辐射波束特性和较高的天线增益。因此寻求一种低成本，高性能，易加工，易互联的宽带微波毫米波天线就非常有意义。

如图1以及图2所示，现有的贴片天线单元100包括贴片导体，接地导体、从贴片导体上延伸出来的馈电线以及设置于馈电线上的馈电点。其中，馈电点用于连接天线与接收机、发射机。贴片导体位于介质层的上表面，接地导体位于介质层的下表面。

贴片天线单元100的性能，例如阻抗匹配以及辐射方向等由贴片以及馈电线的几何尺寸、介质的材料特性以及接地导体的几何尺寸决定。现有的贴片天线单元100由于受到馈电线的几何尺寸、介质的材料特性以及接地导体的几何尺寸的影响，带宽较窄，不能更好的满足需求。

有鉴于此，发明人经过长期的研究与不断的探索，提出本发明实施例提供的贴片天线单元及阵列。

第一实施例

请参见图3，为本发明第一实施例提供的贴片天线单元200的一种结构示意图。

所述贴片天线单元200包括辐射单元以及馈电单元220，所述辐射单元与所述馈电单元220直接物理连接，所述馈电单元220与发射机或接收机连接。所述辐射单元包括中间贴片导体211、第一寄生贴片212以及第二寄生贴片213，所述第一寄生贴片212与所述第二寄生贴片213分别设置于所述中间贴片导体211的两端，且分别与所述中间贴片导体211直接物理连接；所述第一寄生贴片212与中间贴片导体211之间设置有第一缝隙214，所述第二寄生贴片213与所述中间贴片导体211之间设置有第二缝隙215。

作为一种实施方式，所述中间贴片导体211为矩形导体。所述第一寄生贴片212与所述第二寄生贴片213为形状、大小均相同的半矩形环贴片。所述第一寄生贴片212的长度为第一预设值W1，所述第二寄生贴片213的长度为第二预设值W2，所述中间贴片导体211的长度的为第三预设值W，宽度为L。为了确保所述第一寄生贴片212、第二寄生贴片213分别与所述中间贴片导体211有相近的谐振频率，所述第一预设值W1与第三预设值W的差、所述第二预设值W2与第三预设值W的差均小于所述贴片天线单元200的八分之一的工作波长。所述第一缝隙214的长度与第二缝隙215的长度均为X1，且X1与W的差也小于贴片天线单元200的八分之一的工作波长。

需要说明的是，在其他实施方式中，所述第一寄生贴片212与所述第二寄生贴片213还可以为形状、大小相似的半矩形环贴片。

本发明的贴片结构可支持多个谐振模式。频率较低时，矩形贴片的谐振模式占主导地位，半矩形环寄生贴片的作用可忽略不计，当频率较高时，天线工作在混合的谐振模式，半矩形环贴片与中间贴片导体211一起组成新的谐振结构。

所述第一寄生贴片212与所述第二寄生贴片213的半矩形环贴片的最外层边长为d。通过调整第一寄生贴片212、第二寄生贴片213或者矩形中间贴片导体211的几何尺寸，可以使得贴片天线单元200的不同的谐振频率相互靠近，从而提高了带宽。

在一种实施方式中，如图3所示，所述第一寄生贴片212与所述第二寄生贴片213的长度均小于所述中间贴片导体211的长度，即W1与W2均小于W。

在另一种实施方式中，请参见图4，所述第一寄生贴片212与所述第二寄生贴片213的长度均大于所述中间贴片导体211的长度，即W1与W2均大于W。

在以上两种实施方式中，为了得到宽带性能，第一寄生贴片212与第二寄生贴片213的长度不论是大于矩形导体的长度还是小于矩形导体的长度，需要其与中间矩形贴片导体的长度的差小于贴片天线单元200的工作波长的八分之一。

传输线的损耗随频率的升高而增加，特别是在毫米波段。在设计毫米波阵列天线时，串行馈电够能减少阵列天线馈电电路的损耗。双端口的微带贴片天线单元200用于设计串行馈电的天线阵列。现有的双端口的贴片单元结构示意图请参见图5，现有的单端口贴片天线单元请参见图1。本实施例提供的贴片天线单元200可以设计为单端口贴片天线单元以及双端口贴片天线单元。

请继续参见图3，所述单端口天线单元的馈电单元220包括第一馈电线221以及第一馈电点222，所述第一馈电点222与所述第一馈电线221耦合，所述第一馈电线221与所述中间贴片导体211电连接。

双端口贴片天线单元的辐射单元与单端口贴片天线单元的结构相同，区别在于馈电单元220。请参见图6，双端口贴片天线单元的馈电单元220包括第二馈电线223、第二馈电点225、第三馈电线224以及第三馈电点226。所述第二馈电线223的一端与所述中间贴片导体211的一端电连接，所述第三馈电线224的一端与所述中间贴片导体211的另一端电连接。所述第二馈电线223与所述第二馈电点225耦合，所述第三馈电线224与所述第三馈电点226电连接。

图7为本实施例的单端口贴片天线单元的阻抗的仿真结果，本发明的贴片天线单元200的带宽是常规贴片天线单元100的两倍多。

现有的单端口贴片天线单元以及双端口贴片天线单元可以用于组成各种贴片天线阵列。现有的贴片天线单元100可以用于组成1X2贴片天线阵列、2X2贴片天线阵列、1X4贴片天线阵列、2X4贴片天线阵列以及4X4贴片天线阵列。本发明第一实施例提供的贴片天线单元200同样用于组成1X2贴片天线阵列、2X2贴片天线阵列、1X4贴片天线阵列、2X4贴片天线阵列以及4X4贴片天线阵列。

第二实施例

请参见图8，为本发明第二实施例提供的贴片天线阵列300，第二实施例提供的贴片天线阵列300为1X2贴片天线阵列。所述贴片天线阵列300包括馈电点以及第一阵列辐射单元310，所述第一阵列辐射单元310包括馈电电路312以及两个第一实施例提供的贴片天线单元200所述的辐射单元，所述馈电电路312分别与两个所述辐射单元的中间贴片导体210电连接。所述馈电点设置于所述馈电电路312上。用于连接发射机与接收机。

辐射单元的具体结构与第一实施例相同，这里不再赘述。

第三实施例

请参见图9，为本发明实施例贴片天线阵列400，第三实施例提供的贴片天线阵列400为2X2贴片天线阵列，包括馈电点以及第二阵列辐射单元410.所述第二阵列辐射单元410包括第一传输线411、第二传输线412、两个第二实施例提供的第一阵列辐射单元310。所述第一传输线411分别与两个所述第一阵列辐射单元310的所述馈电电路312电连接，以使两个所述第一阵列辐射单元310电连接，所述第二传输线412与所述第一传输线411电连接，所述馈电点与所述第二传输线412电连接。

第一阵列辐射单元310的具体结构请参见第一实施例以及第二实施例，这里不再赘述。

现有的1X4贴片天线阵列、2X4贴片天线阵列以及4X4贴片天线阵列可设计为低副瓣线性阵列，其中既包含单端口贴片天线单元也包含双端口贴片天线单元。如图10所示，为现有的1X4贴片天线阵列，包括两个单端口贴片天线单元，两个双端口贴片天线单元，馈电电路312、天线阻抗匹配电路以及馈电点。馈电电路312有功率分配与相位反转两个功能。单端口贴片天线单元与双端口贴片天线单元通过传输线实现串行馈电。适当选择中间贴片导体的贴片长度，可以形成特定的阵列口径分布，从而实现低副瓣的辐射方向图。

第四实施例

请参见图11，为本发明实施例贴片天线阵列500，第四实施例提供的贴片天线阵列500为1X4贴片天线阵列，包括第三阵列辐射单元、第一阻抗匹配单元以及馈电点。所述第三阵列辐射单元包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元、第四辐射单元、第三传输线、第四传输线、馈电电路312。所述第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元以及第四辐射单元均为第一实施例所述的辐射单元。辐射单元的具体结构与第一实施例相同这里不再赘述。

所述第三传输线的一端与所述第一辐射单元电连接，另一端与所述第二辐射单元的一端电连接，所述第二辐射单元的另一端与所述馈电电路312的一端电连接，所述馈电电路312的另一端与所述第三辐射单元的一端电连接，所述第三辐射单元的另一端与所述第四传输线的一端电连接，所述第四传输线的另一端与所述第四辐射单元电连接；所述第一阻抗匹配单元与所述馈电电路312电连接，所述馈电点与所述第一阻抗匹配单元电连接。

第五实施例

请参见图12，为本发明实施例的贴片天线阵列600，第五实施例提供的贴片天线阵列600为2X4贴片天线阵列，贴片天线阵列600包括馈电点、第二阻抗匹配单元以及第四阵列辐射单元。所述第四阵列辐射单元包括第五传输线以及两个第四实施例所述的第三阵列辐射单元，所述第五传输线分别与所述第三阵列辐射单元的馈电电路312电连接，用于连接两个所述第三阵列辐射单元的中间贴片导体211，所述阻抗匹配传输线与所述第五传输线电连接，所述馈电点与所述阻抗匹配传输线电连接。

第六实施例

请参见图13，为本发明实施例的贴片天线阵列700，第六实施例提供的贴片天线阵列700为4X4贴片天线阵列，所述贴片天线阵列700包括馈电点、第三阻抗匹配单元以及第五阵列辐射单元。所述第五阵列辐射单元包括第六传输线以及两个第五实施例所述的第四阵列辐射单元，所述第六传输线分别与两个所述第四阵列辐射单元的馈电电路312电连接，所述第三阻抗匹配单元与所述第五传输线电连接，所述馈电点与所述第三阻抗匹配单元电连接。

同样地，本发明的贴片天线阵列提高了带宽。图14为本实施例的1X4贴片天线阵列的阻抗的仿真结果，本发明的贴片天线阵列的带宽是常规贴片天线阵列的三倍多。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种贴片天线单元，其特征在于，所述贴片天线单元包括辐射单元以及馈电单元，所述辐射单元与所述馈电单元耦合，所述馈电单元用于与发射机或接收机耦合；

所述辐射单元包括中间贴片导体、第一寄生贴片以及第二寄生贴片，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片分别设置于所述中间贴片导体的两端，且分别与所述中间贴片导体耦合；所述第一寄生贴片与中间贴片导体之间设置有第一缝隙，所述第二寄生贴片与所述中间贴片导体之间设置有第二缝隙。

2.根据权利要求1所述的贴片天线单元，其特征在于，所述馈电单元包括第一馈电线以及第一馈电点，所述第一馈电点与所述第一馈电线耦合，所述第一馈电线与所述中间贴片导体耦合。

3.根据权利要求1所述的贴片天线单元，其特征在于，所述馈电单元包括第二馈电线、第二馈电点、第三馈电线以及第三馈电点；

所述第二馈电线的一端与所述中间贴片导体的一端耦合，所述第三馈电线的一端与所述中间贴片导体的另一端耦合；

所述第二馈电线与所述第二馈电点耦合，第三馈电线与所述第三馈电点耦合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的贴片天线单元，其特征在于，所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片为形状、大小均相同的半矩形环贴片。

5.根据权利要求4所述的贴片天线单元，其特征在于，所述第一寄生贴片的长度为第一预设值，所述第二寄生贴片的长度为第二预设值，所述中间贴片导体的长度的为第三预设值，所述第一预设值与第三预设值的、所述第二预设值与第三预设值的差均小于所述贴片天线单元的八分之一的工作波长。

6.一种贴片天线阵列，其特征在于，所述贴片天线阵列包括馈电点以及第一阵列辐射单元，所述第一阵列辐射单元包括馈电电路以及两个权利要求1所述的辐射单元，所述馈电电路分别与两个所述辐射单元的中间贴片导体耦合，所述馈电点设置于所述馈电电路上。

7.一种贴片天线阵列，其特征在于，所述贴片天线阵列包括馈电点以及第二阵列辐射单元，所述第二阵列辐射单元包括第一传输线、第二传输线、两个权利要求6所述的第一阵列辐射单元，所述第一传输线分别与两个所述第一阵列辐射单元的所述馈电电路耦合，以使两个所述第一阵列辐射单元耦合，所述第二传输线与所述第一传输线耦合，所述馈电点与所述第二传输线耦合。

8.一种贴片天线阵列，其特征在于，所述贴片天线阵列包括第三阵列辐射单元、第一阻抗匹配单元以及馈电点；

所述第三阵列辐射单元包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元、第四辐射单元、第三传输线、第四传输线、馈电电路；

所述第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元以及第四辐射单元均为权利要求1所述的辐射单元；

所述第三传输线的一端与所述第一辐射单元耦合，另一端与所述第二辐射单元的一端耦合，所述第二辐射单元的另一端与所述馈电电路的一端耦合，所述馈电电路的另一端与所述第三辐射单元的一端耦合，所述第三辐射单元的另一端与所述第四传输线的一端耦合，所述第四传输线的另一端与所述第四辐射单元耦合；所述第一阻抗匹配单元与所述馈电电路耦合，所述馈电点与所述第一阻抗匹配单元耦合。

9.一种贴片天线阵列，其特征在于，所述贴片天线阵列包括馈电点、第二阻抗匹配单元以及第四阵列辐射单元；

所述第四阵列辐射单元包括第五传输线以及两个权利要求8所述的第三阵列辐射单元，所述第五传输线分别与所述第三阵列辐射单元的馈电电路耦合，用于连接两个所述第三阵列辐射单元的中间贴片导体，所述阻抗匹配传输线与所述第五传输线耦合，所述馈电点与所述阻抗匹配传输线耦合。

10.一种贴片天线阵列，其特征在于，所述贴片天线阵列包括馈电点、第三阻抗匹配单元以及第五阵列辐射单元；

所述第五阵列辐射单元包括第六传输线以及两个权利要求9所述的第四阵列辐射单元，所述第六传输线分别与两个所述第四阵列辐射单元的馈电电路耦合，所述第三阻抗匹配单元与所述第五传输线耦合，所述馈电点与所述第三阻抗匹配单元耦合。