CN107749515A - 一种毫米波双频微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波双频微带天线，所述天线至少包含一个矩形贴片；所述矩形贴片的左上方和左下方各具有一个圆环形槽，其中一个环宽大于另一个环宽；上下边缘各具有一个矩形槽，两个矩形槽呈对称分布，所述矩形槽的中点与上下边缘的中点一致；贴片内还具有两个“L”型槽。本发明所提供毫米波双频微带天线，采用缝隙加载的方式，结合贴片开槽技术，通过对贴片采用对角圆环的开槽方式和L型的开槽方式实现带宽扩展，整个贴片开槽模型处于对称结构，通过调整对角圆环的大小达到阻抗匹配，有效地拓展了天线带宽。

Description

一种毫米波双频微带天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种毫米波双频微带天线。
背景技术
在无线通信技术领域，毫米波技术和空间技术促进了低剖面天线的发展。因毫米波具有分辨率高、频带宽等优点，故毫米波将广泛应用于未来5G通信系统。毫米波在通信系统中的应用方式之一，就是微带天线。相较于传统天线，微带天线以独特的优势在小型化、高集成度和低成本的无线通信系统得到了广泛应用。
微带天线具有如下优点：第一，剖面低，即天线尺寸小，便于集成在印刷线路板(Printed Circuit Board,PCB)上；第二，微带天线的性能非常多样化，不同形状的辐射贴片，不同的馈电方式以及不同的组阵方式，可以实现多种极化方式；第三，微带天线的常用材料一般价格低廉。但是，传统的微带天线也存在缺点，如频带窄、增益低、承受的功率小等。而应用毫米波技术可使微带天线具有更宽的可用带宽、更小的天线尺寸和更高的分辨率。毫米波微带天线不仅具有微带天线本身的性能优势，还继承了毫米波的特点。
在毫米波微带天线设计中，往往存在带宽严重不足的缺点，故宽频带和双频微带天线成为未来天线设计的一个趋势。目前尚未见将毫米波技术与双频技术相结合的报道。
发明内容
本发明为了解决现有技术中毫米波微带天线频带容量小的问题，提出了一种毫米波双频微带天线，通过贴片开槽的方式实现天线的双频模式，以拓展天线带宽。
根据本发明的一个方面，提供了一种毫米波双频微带天线，所述天线至少包含一个矩形贴片；
所述矩形贴片的左上方具有一个圆环形槽，为第一圆环槽；所述矩形贴片的左下方也具有一个圆环形槽，为第二圆环槽；所述第一圆环槽的环宽大于第二圆环槽的环宽；
所述矩形贴片的上下边缘各具有一个矩形槽，两个矩形槽呈对称分布，所述矩形槽的中点与所述矩形贴片的上下边缘的中点在一条垂直线上；
所述矩形贴片内还具有两个“L”型槽，第一“L”型槽的一边与所述矩形贴片的右侧边缘上部平行，第一“L”型槽的另一边沿所述矩形贴片的横向中线右半部；第二“L”型槽的一边与所述矩形贴片的左侧边缘的下部平行，第二“L”型槽另一边沿所述矩形贴片的横向中线的左半部，两个“L”型槽的两个沿横向中线的边在横向中线处有一个缝隙。
上述方案中，所述天线的馈电方式为同轴馈电天线，馈电端口为集总端口激励，端口平面为集总端口激励。
上述方案中，端口阻抗为50Ω。
上述方案中，所述天线的馈电点根据天线介质材料特性及所述第一圆环槽和第二圆环槽的位置和大小计算得到。
本发明具有如下有益效果：
本发明的毫米波双频微带天线，通过对贴片采用对角圆环的开槽方式和L型的开槽方式实现带宽扩展，整个贴片开槽模型处于对称结构，通过调整对角圆环的大小达到阻抗匹配，有效地拓展了天线带宽。
附图说明
图1为本发明实施例的毫米波双频微带天线空腔模型原理示意图；
图2为本发明实施例的毫米波双频微带天线结构示意图；
图3为本发明实施例的毫米波双频微带天线电流强度分布图；
图4为本发明实施例的毫米波双频微带天线S11扫频分析图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
微带天线的双频化技术主要有：采用多层贴片；在矩形片的辐射边附近刻蚀缝隙形成开槽天线；采用带有短路针和缝隙的矩形贴片；还有采用单一馈电、单层结构的双频技术。双频微带天线的实现一般采用多片法、多模单片法以及加载单片法。加载单片法的特点是两个谐振频率的距离可以调节得很近，可以获得相同的极化和方向图。这种方法可以通过加载微带支节和缝隙来实现。缝隙加载的优点是体积小，易于加工。本发明采用缝隙加载的方式，结合贴片开槽技术，通过对贴片采用对角圆环的开槽方式和L型的开槽方式实现带宽扩展，整个贴片开槽模型处于对称结构，通过调整对角圆环的大小达到阻抗匹配，有效地拓展了天线带宽，同时提高了天线的设计效率。
下面结合具体的实施例对本发明的毫米波双频微带天线作详细阐述。
本实施例提供了一种毫米波双频微带天线，所述天线至少包含一个矩形贴片。本实施例的馈电方式采用同轴馈电天线馈电端口使用集总端口激励，端口平面设置为集总端口激励，端口阻抗设置为t。
图1为本实施例的毫米波双频微带天线空腔模型原理示意图。如图1所示，本实施例的所述毫米波微带天线的贴片和接地板之间的场分布如下：
只存在对z的TM模式，即只有z方向电场分量，x方向、y方向磁场分量；场量不随z值而变化；贴片与接地板四周边缘处电流无法向分量，等同于边缘处磁场无切向分量，所以空腔四周可视为理想磁壁。
图2为本实施例所述毫米波双频微带天线的结构示意图。如图2所示，所述矩形贴片的左上方具有一个圆环形槽，为第一圆环槽；所述矩形贴片的左下方也具有一个圆环形槽，为第二圆环槽；所述第一圆环槽的环宽大于第二圆环槽的环宽。
同时，所述矩形贴片的上下边缘各具有一个矩形槽，两个矩形槽呈对称分布，与所述矩形贴片的上下边缘的中点在一条垂直线上。
同时，所述矩形贴片内还具有两个“L”型槽，第一“L”型槽的一边与所述矩形贴片的右侧边缘上部平行，第一“L”型槽的另一边沿所述矩形贴片的横向中线右半部；第二“L”型槽的一边与所述矩形贴片的左侧边缘的下部平行，第二“L”型槽另一边沿所述矩形贴片的横向中线的左半部，两个“L”型槽的两个沿横向中线的边在横向中线处有一个缝隙。
特别的，所述矩形贴片的长和宽分别为l和w。
所述第一圆环槽的环宽为R2-R1，其中R1是内圆半径，R2是外圆半径；所述第二圆环槽的环宽为R3-R4，其中R4是内圆半径，R3是外圆半径。R2-R1比R3-R4大
所述贴片上下边缘的矩形槽的矩形长为a1，宽为b1。
所述“L”型槽与边缘平行的边长为a2，沿横向中线的边长为b2，“L”型槽宽为c2。
优选的，本实施例中的馈电方式采用同轴馈电天线，馈电端口使用集总端口激励，端口平面设置为集总端口激励，端口阻抗设置为50Ω。
在本实施例中馈电点的位置通过天线介质材料和所设计的圆环开槽大小及理论计算来确定。
微带天线的终端(贴片宽为w的边)处因为呈现开路，将形成电压波腹。另一端(w边)也呈现电压波腹：
Ex＝E0cos(π·y/l)(1)
其中，E0是真空中的辐射场强；Ex是天线中的辐射场强；y是沿y轴的取值，l是微带天线的长。
天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效，等效的面磁流密度为：
其中， 是x方向的单位矢量；是缝隙表面(辐射口径)的外法线方向单位矢量。
在进行贴片开槽时，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流Jm的正镜像。由于微带天线介质层高度远小于波长，这个正镜像相当于将磁流MS加倍。因此，本实施例中通过贴片开槽改变磁流大小，相当于改变天线等效电长度，实现对毫米波天线带宽的拓展。
微带天线的微带贴片宽度w：
其中，c为常数，er为介质的介电常数。
考虑到边缘缩短效应，微带贴片的长度l：
其中，
馈电位置可由下式近似计算得到：
其中，pf为馈电位置。
图3为本实施例的毫米波双频微带天线的贴片电流强度分布图。
图4为本实施例的毫米波双频微带天线的S11扫频分析图。如图4所示，本实施例的天线双频位置分别位于29.20GHz和30.80GHz，-10dB带宽约1.1GHz。
由以上技术方案可以看出，本发明的毫米波双频微带天线，采用缝隙加载的方式，结合贴片开槽技术，通过对贴片采用对角圆环的开槽方式和L型的开槽方式实现带宽扩展，整个贴片开槽模型处于对称结构，通过调整对角圆环的大小达到阻抗匹配，有效地拓展了天线带宽。提高天线的设计效率，
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种毫米波双频微带天线，其特征在于，所述天线至少包含一个矩形贴片；
所述矩形贴片的左上方具有一个圆环形槽，为第一圆环槽；所述矩形贴片的左下方也具有一个圆环形槽，为第二圆环槽；所述第一圆环槽的环宽大于第二圆环槽的环宽；
所述矩形贴片的上下边缘各具有一个矩形槽，两个矩形槽呈对称分布，所述矩形槽的中点与所述矩形贴片的上下边缘的中点在一条垂直线上；
所述矩形贴片内还具有两个“L”型槽，第一“L”型槽的一边与所述矩形贴片的右侧边缘上部平行，第一“L”型槽的另一边沿所述矩形贴片的横向中线右半部；第二“L”型槽的一边与所述矩形贴片的左侧边缘的下部平行，第二“L”型槽另一边沿所述矩形贴片的横向中线的左半部，两个“L”型槽的两个沿横向中线的边在横向中线处有一个缝隙。
2.根据权利要求1所述的毫米波双频微带天线，其特征在于，所述天线的馈电方式为同轴馈电天线，馈电端口为集总端口激励，端口平面为集总端口激励。
3.根据权利要求2所述的毫米波双频微带天线，其特征在于，所述天线的端口阻抗为50Ω。
4.根据权利要求1至3任一项所述的毫米波双频微电天线，其特征在于，所述天线的馈电点根据天线介质材料特性及所述第一圆环槽和第二圆环槽的位置和大小计算得到。
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