CN107946751A - 一种多模贴片宽带天线及其设计方法 - Google Patents

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吕文俊
李晴
王生光
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces

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Abstract

本发明公开了一种多模贴片宽带天线及其设计方法，该多模贴片天线由扇形贴片辐射单元、反射板、馈电端口、传输线枝节构成，贴片辐射单元是具有一定角度范围的扇形贴片单元，在其内部或边缘引入一对终端开路或短路的传输线枝节来扰动扇形贴片单元的高阶谐振辐射模式，使之与低阶辐射模式共同工作，从而实现宽带工作特性。该组合天线即可以单独使用，也可以带有寄生单元组合使用。本发明所提出的组合天线利用贴片天线的多个模式来实现宽频带工作特性，具有结构简单，成本低廉，工艺易实现等特点，因此该设计方法可广泛应用到多个领域中。

Description

一种多模贴片宽带天线及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种多模贴片宽带天线及其设计方法，属于微波技术领域。
背景技术
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。虽然早在1953年就提出了微带天线的概念，在二十世纪50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代以后。
常用的一类微带天线是在一个薄介质基上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线。微带天线的宽带技术是无线通信领域的一个重要发展方向，已经成为了国内外通信界近年来的热点问题和研究方向之一。
常规的宽带微带天线设计方法主要包括：（1）采用介质损耗大的介质基板；（2）采用多层介质基片，这种展宽频带的方法匹配调节精度不高其结构复杂；（3）采用电抗补偿技术和阻抗匹配网络。以上三种方法，仅使用了贴片腔体中的一个谐振模式进行辐射。如果能同时激发单个贴片腔体中的多个谐振模式进行辐射，则可望以简单的天线结构，获得宽带工作特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术存在的问题，提供一种多模贴片宽带天线及其设计方法，由扇形贴片单元、反射板、馈电端口、一对传输线枝节构成组合天线，利用传输枝节扰动扇形贴片单元的多个谐振辐射模式，以实现宽带工作特性。该多模贴片天线具有结构简单，成本低廉，工艺易实现等特点，因此该方法可广泛应用到多个领域中。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种多模贴片宽带天线的设计方法，首先，在反射板的上方设置一个扇形贴片单元；然后，通过馈电端口激励扇形贴片单元；最后，在扇形贴片单元上引入一对传输线枝节，以扰动扇形贴片单元中的高阶谐振辐射模式，使之与低阶辐射模式聚合而实现宽带工作特性。
作为本发明的进一步技术方案，在所述扇形贴片单元的内部或者边缘引入一对终端开路或短路的传输线枝节。
作为本发明的进一步技术方案，一对传输线枝节的总长度为高阶谐振模式对应工作波长的1/10-1/2，传输线枝节的宽度为高阶谐振模式对应工作波长的1/8-1/20。
作为本发明的进一步技术方案，所述扇形贴片单元的激励方式为同轴线馈电或槽孔耦合馈电或微带线直接耦合馈电。
作为本发明的进一步技术方案，所述扇形贴片单元的圆心角角度范围是30度-350度。
作为本发明的进一步技术方案，所述扇形贴片单元与反射板之间加载有负载。
作为本发明的进一步技术方案，所述扇形贴片单元带有寄生单元。
另一方面，本发明还提供一种多模贴片宽带天线，由上述任一所述的方法制得。
作为本发明的进一步技术方案，该天线采用普通钣金工艺或印刷电路板工艺或三维打印工艺或半导体集成电路工艺或普通陶瓷工艺或低温共烧陶瓷工艺制作而成。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过在扇形贴片单元的内部或边缘引入一对终端开路或短路的传输线枝节来扰动扇形贴片单元的高阶谐振辐射模式，使之与低阶辐射模式共同工作，从而实现宽带工作特性。本发明的天线利用贴片天线的多个模式来实现宽频带工作特性，具有结构简单，成本低廉，工艺易实现等特点，因此该设计方法可广泛应用到多个领域中。
附图说明
图1是本发明天线的正面结构与参考坐标示意图。
图2是本发明天线的三维立体结构与参考坐标示意图。
其中，1是扇形贴片单元，2是反射板，3是馈电端口，41和42是一对终端开路的传输线枝节，5是扇形贴片单元的圆心角。
图3是利用IE3D软件计算的天线反射系数特性。
图4是利用IE3D软件计算的天线方向图，其中，（a）是zox平面，（b）是zoy 平面。
图5是利用IE3D软件计算的天线增益图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明的多模贴片天线设计方法为：通过在反射板上方的扇形贴片辐射单元的内部或边缘引入一对终端开路或短路的传输线枝节，来扰动扇形贴片单元的高阶谐振辐射模式，使之与低阶辐射模式共同工作，从而实现宽带工作特性。
对照附图1、图2，本发明设计一种多模贴片宽带天线，包括扇形贴片单元1、反射板2、馈电端口3、一对终端开路的传输线枝节41和42构成。扇形贴片单元1具有一定角度范围的圆心角5，其角度范围为30度到350度。反射板2既可以是一般的金属导体平板，也可以是任意立体结构的金属导体板，还可以是其他人工电磁结构（包括人工磁导体、超材料、频率选择性表面和其他周期性电磁结构）所构成的反射板。激励扇形贴片单元1的馈电端口3既可以是同轴线馈电、槽孔耦合馈电、微带线直接耦合馈电、或微带贴片天线常用的其他馈电方式，且馈电端口3的数目大于或等于1。扇形贴片单元1中引入的传输线枝节41和42在其内部或边缘上，终端为开路或短路，用以扰动扇形贴片单元的高阶谐振辐射模式。传输线枝节41和42的总长度范围为高阶谐振模式对应工作波长的1/10-1/2，宽度范围为高阶谐振模式对应工作波长的1/8-1/20。
扇形贴片单元1与反射板2之间可以加载各种常用负载元件或电路，所加载的负载元件种类包括（但不限于）：各种开关（如：MEMS开关、PIN管开关、干簧管）、电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、集成电路、传输线、金属化过孔或短路销钉、空气桥跳线等。
扇形贴片单元1不仅可以单独采用，而且还可以带有形状不同的寄生单元，寄生单元的数目大于或等于0。寄生单元与扇形贴片单元1可以排布在同一平面内，也可以平行排布在不同平面内。寄生单元与扇形贴片单元1可以互不接触，也可以通过金属导线或外加负载元件（包括但不仅限于：MEMS开关、PIN管开关、干簧管、电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、集成电路、传输线、金属化过孔或短路销钉、空气桥跳线等）进行连接。
对照图3，给出了圆心角5按照270度实施、反射板2按照金属导体平板实施、馈电端口3按照同轴线馈电方式实施、传输线枝节41和42的长度按照高阶谐振模式对应工作波长的1/4、宽度按照高阶谐振模式对应工作波长的1/10实施时，采用IE3D软件计算的天线反射系数特性。由图3可知，天线的阻抗带宽为3.05-3.51GHz,中心频率为3.28GHz，相对带宽为14.02%，阻抗带宽内具有两个谐振点，表明天线具有双模谐振特性。
按照上述实施方式，对照附图1中的参考坐标系，图4中的（a）和（b）分别给出了3.3GHz频率时两个主工作面（zox面与zoy面）的方向图。图4中的（a）中，实线为E θ 分量，虚线为E φ 分量，由图可知，zx面中E θ 分量占主导，呈现出交叉极化极低的单向辐射波束；图4中的（b）中，虚线为E θ 分量，实线为E φ 分量，仍是呈现出在z方向的单向辐射波束。图5给出了天线最大辐射方向（z轴方向）的增益特性，由图可知，在天线的工作频段内，其最大辐射方向的平均增益可达到10.4dBi。由图4和图5可知，本发明的天线具有较宽的工作频带，以及具有较高增益的定向辐射特性。
进一步，本发明的天线可以采用普通钣金工艺、印刷电路板工艺、三维打印工艺、半导体集成电路工艺、普通陶瓷工艺、低温共烧陶瓷工艺等常用微带天线制作工艺进行实现。
综上所述，一种多模贴片天线的设计与制作方法，由扇形贴片单元、反射板、馈电端口、一对终端开路的传输线枝节构成，该组合天线利用贴片天线的多个模式来实现宽频带工作特性，具有宽频带工作特性，结构简单、成本低廉、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现等特点，应用领域十分广泛。
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)

1.一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，首先，在反射板的上方设置一个扇形贴片单元；然后，通过馈电端口激励扇形贴片单元；最后，在扇形贴片单元上引入一对传输线枝节，以扰动扇形贴片单元中的高阶谐振辐射模式，使之与低阶辐射模式聚合而实现宽带工作特性。
2.根据权利要求1所述的一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，在所述扇形贴片单元的内部或者边缘引入一对终端开路或短路的传输线枝节。
3.根据权利要求1或2所述的一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，一对传输线枝节的总长度为高阶谐振模式对应工作波长的1/10-1/2，传输线枝节的宽度为高阶谐振模式对应工作波长的1/8-1/20。
4.根据权利要求1所述的一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，所述扇形贴片单元的激励方式为同轴线馈电或槽孔耦合馈电或微带线直接耦合馈电。
5.根据权利要求1所述的一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，所述扇形贴片单元的圆心角角度范围是30度-350度。
6.根据权利要求1所述的一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，所述扇形贴片单元与反射板之间加载有负载。
7.根据权利要求1所述的一种多模贴片宽带天线的设计方法，其特征在于，所述扇形贴片单元带有寄生单元。
8.一种多模贴片宽带天线，其特征在于，由权利要求1至7中任一所述的方法制得。
9.根据权利要求8所述的一种多模贴片宽带天线，其特征在于，该天线采用普通钣金工艺或印刷电路板工艺或三维打印工艺或半导体集成电路工艺或普通陶瓷工艺或低温共烧陶瓷工艺制作而成。
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