CN107611581A

CN107611581A - 一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线

Info

Publication number: CN107611581A
Application number: CN201710714168.2A
Authority: CN
Inventors: 王昊; 丁增霞; 贺双
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2018-01-19

Abstract

本发明公开了一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，包括由上至下依次固定叠置的介质板、泡沫板和金属反射板，介质板上表面印制蝶形槽金属贴片，下表面印制一条微带线馈线，微带线馈线的扇形终端和蝶形槽矩形缝隙处耦合对天线进行馈电，由蝶形槽金属贴片两边的锥形渐变槽进行辐射。PCB介质板四个角上设置有贯穿PCB介质板、泡沫板和金属反射板的金属匹配圆柱。本发明的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线工作在1.18~3.22GHz，相对带宽达到92.7%，工作频带内增益均大于5dBi，最大增益可达9.56dBi，交叉极化水平低于‑30dBi。本发明的天线结构简单，易于加工，适用于宽带无线通信系统。

Description

一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线

技术领域

本发明涉及小型化超宽带天线领域，特别是一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，发展性能更优的天线成为必然。微带缝隙天线具有低副瓣、低剖面、良好的隔离、易于安装和易于集成到其他平面电路等优点，被广泛应用于无线通信、雷达等领域。但微带缝隙天线的窄带特性又限制了其应用。近几年来，蝴蝶结形缝隙天线因其宽频带和紧凑的结构而受到广泛关注。研究表明，当具有设计合理的馈电网络时，蝶形缝隙天线可以获得较好的宽带性能。

文献1(S.Mukherjee,Soumava,A.Biswas,and K.V.Srivastava,“BroadbandSubstrate Integrated Waveguide cavity-backed bow-tie slot antenna,”IEEEAntennas Wireless Propag Letters,vol.13,no.6,pp.1152-1155,June 2014.)提出了一种基于基片集成波导腔的蝶形缝隙天线，其中基片集成波导腔可以实现缝隙天线的定向辐射。蝶形缝隙通过改变基片集成波导腔中两种不同谐振模式的谐振频率，将其变为混合工作模式，有效地扩展天线工作带宽。但其带宽仍然相对较窄，难以达到某些宽带应用领域的要求。

文献2(Xu Lina,L.Li,and W.Zhang,“Study and design of broadband bow-tieslot antenna fed with asymmetric CPW,”IEEE Trans Antennas Propag,vol.63,no.2,pp.760-765,Feb.2015.)提出了一种共面波导(CPW)馈电的蝶形缝隙天线，采用非对称的共面波导，获得了良好的宽带效应，通过在蝶形槽内部加载三角形环形导带提高天线的低频增益，使天线在工作频带内的增益更平坦。

文献3(U.K.Deshmukh,Y.K Choukikar,and S.B.Naik,“Design of CPW fed bow-tie slot antenna for ground penetrating radar application,”IEEE InternationalConference on Recent Trends in Electronics,2016,pp.1820-1823.)提出了一种应用于超宽带探地雷达系统的碟形缝隙天线，通过改变蝶形缝隙的形状拓展了带宽，并加载铝背腔获得单向辐射，从而提高天线增益，在探地雷达系统中性能表现稳定良好，但相对尺寸仍然较大，无法适用于小型化的工作环境。

由上可知，蝶形缝隙天线克服以往带宽较窄的缺陷，却仍然存在增益不高、相对尺寸较大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带、高增益、单向辐射的耦合馈电蝶形缝隙天线，具有相对紧凑的尺寸并具有平坦的增益特性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，包括：PCB介质板、泡沫板、金属反射板和金属匹配圆柱，所述泡沫板位于PCB介质板下方，所述金属反射板位于泡沫板下方，所述金属匹配圆柱位于PCB介质板四个角上并贯穿PCB介质板、泡沫板和金属反射板，所述PCB介质板上表面印制蝶形槽金属贴片，PCB介质板下表面印制一条微带线馈线作为微带馈源，所述微带线馈线的一端通过波端口与蝶形槽金属贴片连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明提出的蝶形缝隙天线，通过微带线馈线的扇形终端和蝶形槽矩形缝隙处耦合对天线进行馈电，蝶形槽末端采用半圆形辐射槽，并加载4根金属匹配圆柱，改善了天线的阻抗匹配，提高了天线的带宽，使天线工作在1.18～3.22GHz，相对带宽达到92.7％。(2)本发明提出的蝶形缝隙天线，通过在辐射贴片下方附加金属反射板，获得了良好的单向辐射特性，并提高了天线增益，介质板与金属反射板之间加入泡沫板用以固定结构。天线在工作频带内增益均大于5dBi，最大增益可达9.56dBi，交叉极化水平低于-30dBi。(3)本发明提出的蝶形缝隙天线，整体尺寸为0.39λ_l*0.39λ_l*0.12λ_l，具有相对紧凑的小型化结构，易于加工，适用于宽带无线通信系统。

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线结构三维图。

图2为本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线结构俯视图。

图3为本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线结构侧视图。

图4为本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线的反射系数曲线。

图5为本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线的主极化和交叉极化增益曲线。

图6为本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线的辐射方向图，其中图6(a)为工作频率为1.2GHz时的辐射方向图，图6(b)为工作频率为2GHz时的辐射方向图，图6(c)为工作频率为3GHz时的辐射方向图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，包括：PCB介质板2、泡沫板3、金属反射板4和金属匹配圆柱6，泡沫板3位于PCB介质板2下方，金属反射板4位于泡沫板3下方，金属匹配圆柱6位于PCB介质板2四个角上并贯穿PCB介质板2、泡沫板3和金属反射板4，PCB介质板2上表面印制蝶形槽金属贴片1，PCB介质板2下表面印制一条微带线馈线5作为微带馈源,微带线馈线5的一端通过波端口与蝶形槽金属贴片1连接。

进一步的实施例中，蝶形槽金属贴片1印制在PCB介质板2上表面的中心，蝶形槽金属贴片1中心设有左右对称的蝶形槽，蝶形槽中心为矩形缝隙，尾端为半圆形辐射槽，蝶形槽的矩形缝隙与半圆形辐射槽通过锥形渐变槽连接。

进一步的实施例中，金属贴片长度L＝96mm，宽度W＝60mm，蝶形槽中心的矩形缝隙的长度L_s1＝3mm，宽度W_s1＝0.3mm，锥形渐变辐射槽的长度L_s＝31.9mm，半圆形辐射槽的直径W_s＝24.5mm。

进一步的实施例中，PCB板2为正方形的Arlon DiClad880介质板材，边长L₁＝0.39λ_l，介电常数ε_γ＝2.2，损耗正切角tanσ＝0.0009，厚度h₁＝0.508mm，其中，λ_l表示最低工作波长。

进一步的实施例中，微带线馈线5印制在PCB介质板2的下表面，微带线馈线5的另一端为扇形，扇形夹角θ＝80°，半径R＝20mm。

进一步的实施例中，泡沫板3为介电常数ε_γ＝1.07、厚度h₂＝29mm、损耗正切角tanσ＝0.031的泡沫板材。

进一步的实施例中，金属反射板4的厚度h₃＝0.5mm。

进一步的实施例中，金属匹配圆柱6数量为四根，直径d＝2.5mm，金属匹配圆柱6中心到PCB介质板2两边的距离分别为d₁＝5mm，d₂＝5mm。

进一步的实施例中，泡沫板3、PCB介质板2以及金属反射板4的边缘重合。

本发明的工作原理为：微带线馈线为多节匹配传输线，实现宽带工作，微带线作为馈源传输能量，在微带线末端能量一部分消耗在扇形枝节上，一部分通过蝶形槽贴片的矩形缝隙将能量耦合给蝶形槽金属贴片，由贴片两边的锥形渐变槽向外辐射信号。天线四周加载的四根金属匹配圆柱，改善天线的阻抗匹配，可以提高天线的带宽。在天线下方附加金属反射板，可获得单向辐射并提高天线增益。

下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。

实施例1

本发明耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线的整体结构尺寸为100mm*100mm*30.008mm。

结合图1，本发明的一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，包括：PCB介质板2、泡沫板3、金属反射板4和金属匹配圆柱6，泡沫板3位于PCB介质板2下方，金属反射板4位于泡沫板3下方，金属匹配圆柱6位于PCB介质板2四个角上并贯穿PCB介质板2、泡沫板3和金属反射板4，PCB介质板2上表面印制蝶形槽金属贴片1，PCB介质板2下表面印制一条微带线馈线5作为微带馈源,微带线馈线5的一端通过波端口与蝶形槽金属贴片1连接。蝶形槽金属贴片1印制在PCB介质板2上表面的中心，蝶形槽金属贴片1中心设有左右对称的蝶形槽，蝶形槽中心为矩形缝隙，尾端为半圆形辐射槽，蝶形槽的矩形缝隙与半圆形辐射槽通过锥形渐变槽连接。金属贴片长度L＝96mm，宽度W＝60mm，蝶形槽中心的矩形缝隙的长度L_s1＝3mm，宽度W_s1＝0.3mm，锥形渐变辐射槽的长度L_s＝31.9mm，半圆形辐射槽的直径W_s＝24.5mm。PCB板2为正方形的Arlon DiClad880介质板材，边长L₁＝100mm，介电常数ε_γ＝2.2，损耗正切角tanσ＝0.0009，厚度h₁＝0.508mm。微带线馈线5印制在PCB介质板2的下表面，微带线馈线5的另一端为扇形，扇形夹角θ＝80°，半径R＝20mm。泡沫板3为介电常数ε_γ＝1.07、厚度h₂＝29mm、损耗正切角tanσ＝0.031的泡沫板材。金属反射板4的厚度h₃＝0.5mm。金属匹配圆柱6数量为四根，直径d＝2.5mm，金属匹配圆柱6中心到PCB介质板2两边的距离分别为d₁＝5mm，d₂＝5mm。泡沫板3、PCB介质板2以及金属反射板4的边缘重合。

结合图2，本发明的一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，反射系数低于-10dB的工作频带为1.18GHz～3.22GHz，相对带宽92.7％。

结合图3，本发明的一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，天线在工作频带内增益均大于5dBi，最大增益可达9.56dBi，具有平坦的增益特性，且法向交叉极化水平低于-30dBi。

结合图4，本发明的一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，具有良好的单向辐射特性，天线单元工作在1.2GHz、2GHz和3GHz时的E面和H面方向图具有良好的对称性，且两个平面的交叉极化水平均低于-30dBi。

从而，本发明的一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线提高了天线的带宽，使天线工作在1.18～3.22GHz，相对带宽达到92.7％，获得了良好的单向辐射特性，并提高了天线增益，天线在工作频带内增益均大于5dBi，最大增益可达9.56dBi，交叉极化水平低于-30dBi。本发明提出的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，整体尺寸为0.39λ_l*0.39λ_l*0.12λ_l，具有相对紧凑的小型化结构，易于加工，适用于宽带无线通信系统。

Claims

1.一种耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，包括：PCB介质板[2]、泡沫板[3]、金属反射板[4]和金属匹配圆柱[6]，所述泡沫板[3]位于PCB介质板[2]下方，所述金属反射板[4]位于泡沫板[3]下方，所述金属匹配圆柱[6]位于PCB介质板[2]四个角上并贯穿PCB介质板[2]、泡沫板[3]和金属反射板[4]，所述PCB介质板[2]上表面印制蝶形槽金属贴片[1]，PCB介质板[2]下表面印制一条微带线馈线[5]作为微带馈源,所述微带线馈线[5]的一端通过波端口与蝶形槽金属贴片[1]连接。

2.根据权利1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述蝶形槽金属贴片[1]印制在PCB介质板[2]上表面的中心，所述蝶形槽金属贴片[1]中心设有左右对称的蝶形槽，所述蝶形槽中心为矩形缝隙，尾端为半圆形辐射槽，蝶形槽的矩形缝隙与半圆形辐射槽通过锥形渐变槽连接。

3.根据权利要求2所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，金属贴片长度L＝96mm，宽度W＝60mm，蝶形槽中心的矩形缝隙的长度L_s1＝3mm，宽度W_s1＝0.3mm，锥形渐变辐射槽的长度L_s＝31.9mm，半圆形辐射槽的直径W_s＝24.5mm。

4.根据权利要求1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述PCB板[2]为正方形的Arlon DiClad880介质板材，边长L₁＝0.39λ_l，介电常数ε_γ＝2.2，损耗正切角tanσ＝0.0009，厚度h₁＝0.508mm，其中，λ_l表示最低工作波长。

5.根据权利要求1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述微带线馈线[5]印制在PCB介质板[2]的下表面，所述微带线馈线[5]的另一端为扇形，扇形夹角θ＝80°，半径R＝20mm。

6.根据权利要求1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述泡沫板[3]为介电常数ε_γ＝1.07、厚度h₂＝29mm、损耗正切角tanσ＝0.031的泡沫板材。

7.根据权利要求1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述金属反射板[4]的厚度h₃＝0.5mm。

8.根据权利要求1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述金属匹配圆柱[6]数量为四根，直径d＝2.5mm，金属匹配圆柱[6]中心到PCB介质板[2]两边的距离分别为d₁＝5mm，d₂＝5mm。

9.根据权利要求1所述的耦合馈电的高增益蝶形缝隙天线，其特征在于，所述泡沫板[3]、PCB介质板[2]以及金属反射板[4]的边缘重合。