CN107799888A - 一种双频高增益贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双频高增益贴片天线，包含一个介质基片，位于所述介质基片一个表面的圆形金属贴片，位于所述介质基片另一表面的金属地板，和穿透所述介质基片并与所述金属贴片及金属地板连接的若干个短路部件；所述金属贴片，其中心含一个矩形槽，槽内无金属；所述槽的中心与所述金属贴片的中心重合，且所述槽的长度不大于所述金属贴片的半径；所述短路部件关于矩形槽的两组边的中线对称，各自到所述金属贴片中心的距离大约为所述金属贴片半径的2/3附近。本发明的双频高增益贴片天线，具有增益高、方向图稳定、剖面低、重量轻和加工简单等特点。

Description

一种双频高增益贴片天线
技术领域
本发明属于微波通信领域，具体涉及一种双频高增益贴片天线。
背景技术
随着无线通信的不断发展，日渐复杂的应用场合，对无线通信系统中天线的性能要求越来越高。首先，同一个通信系统常常工作在两个或者多个频段，例如，双频WLAN路由器一般工作在2.4GHz和5.8GHz两个频段，为节省成本和空间，需要天线具有双频特性。其次，系统的信号覆盖范围和距离受天线的增益影响，为对抗传输损耗，在中远距离通信中要求天线具有较高增益。此外，为了让通信系统在两个不同的频段具有接近的覆盖效果，天线在两个独立的工作频段里应该具有近似相同的辐射特性，如增益和波束宽度。最后，从市场产品角度考虑，实用的天线还应该具有剖面低、重量轻和加工容易等特点。
然而，在同一个天线单元上实现双频高增益的设计通常是极其困难的。一方面，天线的增益和波束宽度受天线口径的电尺寸影响，随着频率变化；当两个频段相隔较远时，对应的天线电尺寸差别也大，因而很难得到接近的双频增益。在这种情况下，如果充分提高低频段的增益，高频段的方向图会出现严重的副瓣，因为此时天线的电尺寸过大。为了避免高频段的副瓣，往往需要对天线作小型化设计，但这又会明显降低低频段的增益。因此，具有低剖面、辐射特性近似相同双频高增益天线，在无线通信领域具有着较大的实用意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种新型的双频高增益贴片天线，通过在贴片上开槽和加载短路部件，改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，使得低频段的增益大大被提高而高频段的副瓣得到有效抑制，从而在两个相隔较远的频段上同时实现了高增益。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种双频高增益贴片天线，包含：一个厚度远小于工作频点的波长的介质基片1；位于所述介质基片1一个表面的圆形金属贴片元件2，其中心含一个窄长状矩形槽3，槽内区域无金属；位于所述基片1另一个表面的金属地板4；穿透所述介质基片1的若干个短路部件5，将所述圆形金属贴片2及金属地板4连接起来。
作为本发明的进一步优化方案，所述矩形槽(3)的中心与所述圆形金属贴片(2)的中心重合；
作为本发明的进一步优化方案，所述矩形槽(3)的长度小于或者等于所述金属贴片(2)的半径。
作为本发明的进一步优化方案，所述的若干个短路部件(5)与所述金属贴片(2)的短接点对称地位于所述的金属贴片(2)的圆周内部，且关于所述金属贴片的中心对称。
作为本发明的进一步优化方案，所述短路部件(5)各自到所述圆形贴片(2)中心的距离大约为圆形贴片(2)半径的2/3左右。
作为本发明的进一步优化方案，所述若干个短路部件(5)与所述金属贴片的短接点，关于所述矩形槽(3)的两组边的中线对称。
作为本发明的进一步优化方案，所述短路部件(5)可以是通过印刷电路板工艺实现的金属化过孔，也可以是其他形式的柱状金属。
作为本发明的进一步优化方案，本天线工作于两个独立的频段，所述两个频段的中心频点的比例关系受短路部件的位置、数量、大小及矩形槽的长度影响。
作为本发明的进一步优化方案，采用一对同轴接头进行差分馈电，其中，所述同轴接头的内导体(7a，8a)与所述金属贴片(2)连接，所述同轴接头的外导体(7b，8b)与所述的金属地板(4)连接。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明提出的双频高增益贴片天线，具有剖面低、成本低、制作简单等特点。
2、本发明提出的双频高增益贴片天线，能同时在低频段和高频段实现近似相等的增益和波束宽度，有益于改善双频信号的覆盖。
附图说明
图1是本发明双频高增益天线的立体图。
图2是本发明双频高增益天线的俯视图。
图3是本发明双频高增益天线沿A-A’剖面的侧视图。
图4是本发明双频高增益天线的输入端差分反射系数。
图5是本发明双频高增益天线在低频段和高频段的辐射方向图，其中，
(a)是E面方向图，(b)是H面方向图。
图6是本发明双频高增益天线的增益和效率。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：
对照附图1、图2和图3，本发明一种双频高增益贴片天线，包括介质基片1，位于基片一个表面的圆形金属贴片2，位于基片另一个表面的金属地板4，以及连接金属贴片2和金属地板4的若干个短路部件5。其中，金属贴片中心含一个窄长的矩形槽3，且矩形槽3的中心与金属贴片2的中心重合。优选地，在本实施例中，短路部件5的数量为六，且该短路部件关于槽3的两组边的中线对称布置，以便降低天线的交叉极化。一对关于金属贴片2中心对称的同轴接头对天线进行差分馈电(即两个馈电点的输入信号幅度相等相位相反)，用以抑制不需要的偶次谐振模。具体地，同轴接头的内导体7a、8a与贴片2连接，同轴接头的外导体7b、8b与金属地板4连接。
为实现双频辐射特性和法向辐射的方向图，圆形贴片天线低频段工作于谐振模式TM11模，高频段工作于谐振模式TM12模。在不加载槽和短路部件的情况下，这两个模式的谐振频率比大约是2.9，且高频段的方向图出现了严重的副瓣。通过短路部件，TM11模的谐振频率被大大提高，天线对应的电尺寸增大，因此增益可以被明显提高。同时，短路部件到贴片中心的距离约为贴片半径的2/3左右，TM12模的电场在该处极弱，因此短路部件对TM12模的谐振频率影响很小。此外，在贴片中心的矩形槽能重塑TM12模的电流分布，使得副瓣被充分抑制，而增益得到提高。优选地，当矩形槽的长度不大于金属贴片的半径时，它主要影响TM12模而对M11模的影响较小。因此，通过综合优化短路部件的大小、位置和矩形槽的长度，可以调整两个模式的谐振频率，以及两个频段内的增益和波束宽度。
附图4所示的是天线随频率变化的反射系数，可以发现，天线在3.6GHz和5.9GHz这两个WLAN频段内匹配良好，反射系数小于-10dB。需要注意的是，天线不限于工作在上述两个频段，根据需要，可以通过调节贴片、短路部件和矩形槽，让天线工作在其他频段。
附图5(a)和(b)分别是天线在两个频段中心的E面和H面的方向图，可见，在上述两个观察平面内，天线的高频和低频方向图的主波束非常吻合，波束宽度和增益极其接近。因此，该天线能在两个频段提供相似的信号覆盖。
附图6是该天线的增益和效率随频率变化特性，可见，该天线在两个频段内的最大增益均超过了10dBi，远大于普通贴片天线的增益(一般小于8dBi)。同时，天线在两个频段内的最大效率均大于90％，说明天线的辐射是高效的。
综上所述，本发明双频高增益贴片天线能基于简单的结构，在两个独立的频段内同时实现高增益和相似的辐射波束，有利于改善无线通信系统的信号覆盖问题。同时，本发明具有剖面低、重量轻、加工简单和价格低廉等特点。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种双频高增益贴片天线，其特征在于，包含：一个厚度小于工作频点的波长的介质基片(1)；位于所述介质基片(1)一个表面的圆形金属贴片元件(2)，其中心含一个窄长状矩形槽(3)，槽内区域无金属；位于所述基片(1)另一个表面的金属地板(4)；穿透所述介质基片(1)的若干个短路部件(5)，将所述圆形金属贴片(2)及金属地板(4)连接起来。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述矩形槽(3)的中心与所述圆形金属贴片(2)的中心重合。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述矩形槽(3)的长度小于或者等于所述金属贴片(2)的半径。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的若干个短路部件(5)与所述金属贴片(2)的短接点对称地位于所述的金属贴片(2)的圆周内部，且关于所述金属贴片的中心对称。
5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述短路部件(5)各自到所述圆形贴片(2)中心的距离大约为圆形贴片(2)半径的2/3左右。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述若干个短路部件(5)与所述金属贴片的短接点，关于所述矩形槽(3)的两组边的中线对称。
7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述短路部件(5)可以是通过印刷电路板工艺实现的金属化过孔，也可以是其他形式的柱状金属。
8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，本天线工作于两个独立的频段，所述两个频段的中心频点的比例关系受短路部件的位置、数量、大小及矩形槽的长度影响。
9.如权利要求1所述的天线，其特征在于，采用一对同轴接头进行差分馈电，其中，所述同轴接头的内导体(7a，8a)与所述金属贴片(2)连接，所述同轴接头的外导体(7b，8b)与所述的金属地板(4)连接。
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