CN108879088A - 一种螺旋结构微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋结构微带贴片天线，包括层叠设置的金属地、基板和金属辐射层，其中，所述金属辐射层包括馈电结构和至少两个相互嵌套的金属材质的螺旋结构，所述螺旋结构的中心汇聚于所述馈电结构，其金属地上还设有互嵌套的、以所述馈电结构的中心为对称中心的螺旋形槽口。本发明的螺旋结构微带贴片天线，可通过调节上下两层螺旋结构的尺寸，包括各螺旋结构的宽度、旋转结构的直径、螺距、角度关系等，对天线参数进行宽频带的阻抗匹配。因此，本发明无需增加额外的匹配结构，结构本身的一致性较高，易于加工。且，由于螺旋结构对电长度的压缩，可通过较小的天线结构实现在更广频谱范围内的电磁信号收发。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种螺旋结构微带贴片天线。
背景技术
现有的微带贴片天线，凭借其平面结构，能够以较小的剖面、较小的体型、方便的集成化设计结构，在各类通信系统中的应用比例逐渐提高。但是，传统微带天线，由于其结构的限制，在增益、方向性、表面波、带宽等性能方面表现并不尽如人意。
针对上述缺陷，现有的技术，通常采用加载耦合腔以实现天线的小型化；通过在天线的适当位置加设匹配电阻、电抗改善天线电流分布，实现谐振频率的匹配。然而，无论是通过有源器件还是无源器件实现加载，其工程中，必然会由于工艺技术在加载端带来一定的误差和干扰，破坏天线整体结构的一致性，从而在一定程度上造成与设计参数的偏差。
出于上述考虑，目前急需一种结构一致性较高的微带贴片天线，以实现在更广频谱范围内的电磁信号接收。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种螺旋结构微带贴片天线，通过一致性的结构，实现良好的天线辐射方向图，提高天线增益，实现圆极化接收，并优化现有微带天线的方向性。
为实现上述目的，本发明提供的螺旋结构微带贴片天线，包括层叠设置的金属地、基板和金属辐射层，其特征在于，所述金属辐射层包括馈电结构和至少两个相互嵌套的螺旋结构，所述螺旋结构为金属，所述螺旋结构的中心汇聚于所述馈电结构；
所述金属地上至少包括两个相互嵌套的、以所述馈电结构的中心为对称中心的螺旋形槽口。
进一步，上述天线中，所述馈电结构为贯穿所述基板连接于所述金属地和所述金属辐射层之间的同轴探针。
再进一步，上述天线中，所述螺旋结构和所述螺旋形槽口数量相同，位置相对或相互交错，形状相似。
其中，所述相互嵌套的螺旋结构数目为4个，所述4个螺旋结构两两相对，以所述同轴探针为中心，均匀分布。
进一步，上述天线结构，所述金属辐射层的所述螺旋结构与所述同轴探针之间还包括金属圆盘或金属辐射线，所述螺旋结构通过所述金属圆盘或所述金属辐射线与所述同轴探针连接。
其中，所述金属圆盘的半径或所述金属辐射线的长度均不超过1/2 工作波长。所述金属圆盘的外缘还可设置凹槽用于阻抗匹配。
更进一步，上述的天线中，所述金属辐射层的外围还设有金属圈，所述金属圈包围所述螺旋结构，所述金属圈的宽度大于所述螺旋结构的宽度。
考虑到宽带应用场景下的阻抗匹配，上述天线中，所述金属圈与所述螺旋结构之间还设有槽隙。
本发明和现有方案相比具有如下技术效果:
1.本发明的螺旋结构微带贴片天线，可通过调节上下两层螺旋结构的尺寸，具体包括调节各螺旋结构的宽度、螺旋结构的直径、螺距、角度关系等，对天线参数进行宽频带的匹配，尤其是输入、输出阻抗的匹配。因此，本发明无需增加额外的匹配结构，结构本身的一致性较高，易于加工。且，由于螺旋结构对电长度的压缩，可通过较小的天线结构实现在更广频谱范围内的电磁信号收发。
2.进一步，为提高馈电效率，本发明中，所述螺旋结构与所述同轴探针之间还可通过括金属圆盘或金属辐射线进行馈电。将所述金属圆盘的半径或所述金属辐射线的长度设置在1/2 (或1/4，实际长度还需根据天线辐射特性进行匹配和调整) 工作波长附近，可进一步提高馈电效率：将所述圆盘外缘形成的表面波与螺旋结构进行耦合，可在实现馈电的同时，通过耦合作用(尤其，还可通过在耦合部位设置相应的凹槽结构)调节天线的阻抗特性，以匹配更宽带宽；所述螺旋结构相对应的金属辐射线，可等效为双极子结构，提高馈电效率。
3.再进一步，本发明所提供的天线金属辐射层外围还设有金属圈，由所述金属圈包围所述螺旋结构。由于金属圈与螺旋结构之间槽隙的设计，可在由所述螺旋结构压缩的第二电尺寸所对应的工作频段下，拓展天线的匹配带宽，进一步提高对较低频段信号的增益，拓展天线的有效工作带宽。而且，本发明设置所述螺旋结构和所述螺旋形槽口数量相同，位置相对或相互交错，形状相似。由此，可先根据天线基频设置其下层螺旋结构(即天线金属地上的螺旋形槽口)尺寸后再相应缩小至高频段设置相应的上层螺旋结构(即金属辐射层上的螺旋结构)，实现频带扩展，并通过上下两层螺旋结构之间的相互激励以及容性耦合，获得更平坦的宽频带增益特性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的螺旋结构微带贴片天线结构示意图；
图2为本发明天线结构的辐射方向分布示意图。
图3为本发明天线辐射方向工作频段增益示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明的螺旋结构微带贴片天线架构图，如图1所示，本发明的螺旋结构微带贴片天线，包括层叠设置的金属地1、基板2和金属辐射层3，其特征在于，所述金属辐射层3包括馈电结构 4和至少两个相互嵌套的螺旋结构31，所述螺旋结构为金属，所述螺旋结构的中心汇聚于所述馈电结构；
所述金属地1上至少包括两个相互嵌套的、以所述馈电结构的中心为对称中心的螺旋形槽口11。
进一步，上述天线中，所述馈电结构为贯穿所述基板2连接于所述金属地1和所述金属辐射层3之间的同轴探针。
进一步，为达到更佳的宽频辐射效果，本发明天线中，所述螺旋结构和所述螺旋形槽口数量相同，位置相对或相互交错，形状相似。
其中，所述相互嵌套的螺旋结构数目为4个，所述4个螺旋结构两两相对，以所述同轴探针为中心，均匀分布。
进一步，上述天线结构，所述金属辐射层3的所述螺旋结构与所述同轴探针之间还包括金属圆盘41或金属辐射线42，所述螺旋结构通过所述金属圆盘或所述金属辐射线与所述同轴探针连接。
其中，所述金属圆盘的半径或所述金属辐射线的长度均不超过1/2 工作波长。所述金属圆盘的外缘还可设置凹槽用于阻抗匹配。
更进一步，上述的天线中，所述金属辐射层3的外围还设有金属圈，所述金属圈包围所述螺旋结构，所述金属圈的宽度大于所述螺旋结构的宽度。
考虑到宽带应用场景下的阻抗匹配，上述天线中，所述金属圈与所述螺旋结构之间还设有槽隙。
下面举例说明本系统的工作过程：
本发明的螺旋结构微带贴片天线，设计时首先通过调节螺旋结构的尺寸，具体包括调节各螺旋结构的宽度、螺旋结构的直径、螺距、角度关系等，对天线参数进行工作频带的匹配，尤其是工作频带中心点附近输入、输出阻抗的匹配。由于本发明螺旋结构之间相互叠加有阻抗，因此无需增加额外的匹配结构，仅通过对天线结构本身进行设计，即可实现对工作频带的设计。在上层的金属辐射层结构确定后，本发明还可对照金属辐射层的螺旋结构设计所述金属地上的螺旋形槽口，使两者位置相对或相互交错，形状相似。由此，根据天线基频设置下层螺旋结构(即天线金属地上的螺旋形槽口)尺寸，容性后河匹配至结构相应缩小至高频段的上层螺旋结构(即金属辐射层上的螺旋结构)，可进一步实现对频带的平稳扩展，宽频带增益特性也更为平稳。由此，本发明的天线结构，一致性较高，易于加工。
之后，为进一步提高馈电效率，本发明还可在所述螺旋结构与所述同轴探针之间增设金属圆盘或金属辐射线进行馈电。将所述金属圆盘的半径或所述金属辐射线的长度设置在1/2(或1/4，实际长度还需根据天线辐射特性进行匹配和调整)工作波长附近，可进一步提高馈电效率：将所述圆盘外缘形成的表面波与螺旋结构进行耦合，可在实现馈电的同时，通过耦合作用(尤其，还可通过在耦合部位设置相应的凹槽结构)调节天线的阻抗特性，以匹配更宽带宽；所述螺旋结构相对应的金属辐射线，可等效为双极子结构，提高馈电及辐射效率。
最后，本发明还可在所述天线金属辐射层的外围增设金属圈，由所述金属圈包围所述螺旋结构。由于金属圈与螺旋结构之间槽隙的设计，可在由所述螺旋结构压缩的第二电尺寸所对应的工作频段下，拓展天线的匹配带宽，进一步提高对较低频段信号的增益，拓展天线的有效工作带宽。
值得注意的是，由于螺旋结构将天线的电长度进行了压缩，配合辐射馈电部分的金属圆盘或所述金属辐射线所形成的辐射馈电结构，本发明实际设计的工作频段包括有两个跨度较大的中心频点。并且，由于上层金属辐射层上的螺旋结构，其工作电流会相应耦合到下层的金属地，金属地上螺旋形槽口的感应电流与之相匹配，共同作用下，能够进一步增加天线的辐射效率，提高其宽频带的增益特性。因此，本发明可通过较小的天线结构实现在更广频谱范围内的电磁信号收发。尤其，参考图3，其增益在3.5GHz至6GHz频段平稳增强，达到9dB左右。参考图2所示，天线左右手圆极化特性均接近理想辐射方向分布。
本领域普通技术人员可以理解：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)
1.一种螺旋结构微带贴片天线，包括，层叠设置的金属地(1)、基板(2)和金属辐射层(3)，其特征在于，所述金属辐射层(3)包括馈电结构(4)和至少两个相互嵌套的螺旋结构(31)，所述螺旋结构为金属，所述螺旋结构的中心汇聚于所述馈电结构；
所述金属地(1)上至少包括两个相互嵌套的、以所述馈电结构的中心为对称中心的螺旋形槽口(11)。
2.如权利要求1所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述馈电结构为贯穿所述基板(2)连接于所述金属地(1)和所述金属辐射层(3)之间的同轴探针。
3.如权利要求2所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述螺旋结构和所述螺旋形槽口数量相同，位置相对或相互交错，形状相似。
4.如权利要求3所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述相互嵌套的螺旋结构数目为4个，所述4个螺旋结构两两相对，以所述同轴探针为中心，均匀分布。
5.如权利要求3所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述金属辐射层(3)的所述螺旋结构与所述同轴探针之间还包括金属圆盘(41)或金属辐射线(42)，所述螺旋结构通过所述金属圆盘或所述金属辐射线与所述同轴探针连接。
6.如权利要求5所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述金属圆盘的半径或所述金属辐射线的长度均不超过1/2工作波长。
7.如权利要求6所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述金属圆盘的外缘还设有凹槽。
8.如权利要求1至7任一所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述金属辐射层(3)的外围还设有金属圈(5)，所述金属圈包围所述螺旋结构，所述金属圈的宽度大于所述螺旋结构的宽度。
9.如权利要求8所述的螺旋结构微带贴片天线，其特征在于，所述金属圈与所述螺旋结构之间还设有槽隙。
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