CN109037932A - 宽带多贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带多贴片天线，包括从上至下顺序设置的：第一层结构，包括顶层多贴片结构；第二层结构，包括基片集成谐振腔，基片集成谐振腔的顶部设置有顶部中间槽和两个边槽、底部设置有底部中间槽，两个边槽设置于顶部中间槽两侧且关于顶部中间槽对称；第三层结构，包括馈电结构，用于进行馈电并将信号通过底部中间槽耦合到基片集成谐振腔中，从而激励出模式信号，该模式信号通过两个边槽进行辐射并与顶层多贴片结构的第一个模式进行耦合，同时该模式信号还通过顶部中间槽与顶层多贴片结构的第一个模式和第二个模式进行耦合。本发明能产生三个有效辐射工作模式使天线工作带宽得进一步拓展，还可实现高效的背腔槽辐射以降低天线带内增益波动。

Description

宽带多贴片天线

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种宽带多贴片天线。

背景技术

贴片天线因其具有低剖面，小尺寸，易于与其他电路集成，低加工成本等特点而被广泛应用于无线通信系统中。传统的单贴片天线带宽较窄，增益不高，而采用槽耦合结构馈电的多贴片结构形成的天线能有效地拓展天线带宽，提高天线增益。

目前已有多种形式的槽耦合馈电的多贴片天线，例如槽耦合的4×4均匀多金属贴片构成的天线能激励两个模式，分别为TM₁₀模式与反相TM₂₀模式，相对带宽可达28％；由槽馈电的菱形开槽金属贴片形成的天线，同样能激励两个模式形成宽带，两个模式分别为准TM₃₀模式和馈电槽模，其天线带宽可被拓展到29％；由槽耦合馈电的非均匀2×4金属贴片天线，其由两种贴片尺寸混合而成，因此能产生两个不同频率的反相TM₂₀模式与一个馈电槽模达到增加带宽的效果，其相对匹配带宽为28.6％，但由于槽模对应频率的辐射效率不高，故其天线的有效辐射主要由两个反相TM₂₀模式产生，其对应的有效辐射带宽为24％。因此，槽耦合馈电的多贴片天线的带宽拓展有待进一步提高。

简而言之，传统单贴片天线带宽较窄，增益不高，多贴片天线能有效提高带宽，但现有多贴片天线对带宽的提升能力有限，带宽约29％，其原因在于有效工作模式的个数，要么只存在两个工作模式，要么三个模式中的一个模式辐射效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种宽带多贴片天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽带多贴片天线，包括从上至下顺序设置的以下多层结构：

第一层结构，包括顶层多贴片结构；

第二层结构，包括基片集成谐振腔，所述基片集成谐振腔的顶部设置有顶部中间槽和两个边槽，所述两个边槽设置于所述顶部中间槽两侧且关于所述顶部中间槽对称，所述基片集成谐振腔的底部设置有底部中间槽；

第三层结构，包括馈电结构，用于进行馈电并将信号通过所述底部中间槽耦合到所述基片集成谐振腔中，从而激励出模式信号，该模式信号通过所述两个边槽进行辐射并与所述顶层多贴片结构的第一个模式进行耦合，同时该模式信号还通过所述顶部中间槽与所述顶层多贴片结构的第一个模式和第二个模式进行耦合。

在本发明所述的宽带多贴片天线中，所述第一个模式为TM₁₀模式，所述第二个模式为反相TM₂₀模式。

在本发明所述的宽带多贴片天线中，所述第一层结构还包括顶面设置所述顶层多贴片结构的第一层介质基板，所述顶层多贴片结构包括四个矩形金属贴片，所述四个矩形金属贴片呈2×2的阵列形式排布于所述第一层介质基板的顶面中心位置，相邻的矩形金属贴片之间间隔一定距离，包括主体部和两个安装部，所述主体部用于安装所述四个矩形金属贴片，所述主体部的平面尺寸与所述四个矩形金属贴片整体尺寸相同，所述两个安装部垂直连接与所述主体部的两侧且关于所述主体部对称设置。

在本发明所述的宽带多贴片天线中，所述第二层结构包括平面尺寸相同的：第二层介质基板、设置于所述第二层介质基板顶面的顶层金属片和设置于所述第二层介质基板底面的底层金属片，所述基片集成谐振腔由多个金属孔、所述顶层金属片以及所述底层金属片围合形成，每一所述金属孔贯穿所述顶层金属片、第二层介质基板、底层金属片设置，且所述多个金属孔呈矩形状排布，所述顶部中间槽和两个边槽开设于所述顶层金属片上，且所述顶部中间槽和两个边槽位于所述多个金属孔在所述顶层金属片投影的中心，所述底部中间槽设于所述底层金属片上，且所述底部中间槽位于所述多个金属孔在所述底层金属片投影的中心，所述顶部中间槽、两个边槽、底部中间槽三者的延伸方向相同。

在本发明所述的宽带多贴片天线中，所述第三层结构还包括底面设置所述馈电结构的第三层介质基板，所述馈电结构包括微带馈线。

在本发明所述的宽带多贴片天线中，所述第三层结构下方还设置有金属屏蔽层结构。

本发明的宽带多贴片天线，具有以下有益效果：本发明利用开槽的基片集成腔中的腔模与顶层多贴片结构相互耦合，产生三个有效辐射工作模式使天线工作带宽得进一步拓展，基片集成谐振腔的顶部中间槽与对称设置的两个边槽可实现对顶层多贴片结构的两个模式进行有效馈电，同时两个边槽还可实现高效的背腔槽辐射以降低天线带内增益波动；进一步地，对2×2金属贴片所在介质基板进行切边，使第一层介质基板的宽度与所述四个矩形金属贴片整体的宽度相同，以便保持三种模式都能有效辐射，形成频带内稳定的高增益；与天线配对的金属屏蔽层结构能抑制背向的辐射，同时降低交叉极化信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明具体实施例中提供的天线的剖面结构示意图；

图2是本发明具体实施例中提供的天线的第一层结构的平面示意图；

图3是本发明具体实施例中提供的天线的第二层结构中的顶层金属片的平面示意图；

图4是本发明具体实施例中提供的天线的第二层结构中的底层金属片的平面示意图；

图5是本发明具体实施例中提供的天线的第三层结构的平面示意图；

图6是本发明具体实施例中提供的天线的仿真匹配和增益曲线示意图；

图7是本发明具体实施例中提供的天线的E面和H面辐射方向图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，本文所使用的术语“垂直”、“水平”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

参考图1-5，一个具体实施例中的宽带多贴片天线包括从上至下顺序设置的以下多层结构：

第一层结构1，参考图2，第一层结构1包括第一层介质基板12和设置于第一层介质基板12顶面的顶层多贴片结构。参考图2，具体的，第一层介质基板12的平面结构呈矩形，所述顶层多贴片结构包括四个矩形金属贴片11，所述四个矩形金属贴片11呈2×2的阵列形式排布于所述第一层介质基板12的顶面中心位置，相邻的矩形金属贴片11之间间隔一定距离。每一个矩形金属贴片11的设置方向与第一层介质基板12相同，即矩形金属贴片11的每一侧边都与第一层介质基板12的对应侧边平行。

第二层结构2，结合图1，参考图3-4，所述第二层结构2包括平面尺寸相同且均呈矩形的：第二层介质基板22、设置于所述第二层介质基板22顶面的顶层金属片21和设置于所述第二层介质基板22底面的底层金属片23，多个金属孔5、所述顶层金属片21以及所述底层金属片23围合形成基片集成谐振腔6，每一所述金属孔5贯穿所述顶层金属片21、第二层介质基板22、底层金属片23设置，且所述多个金属孔5呈矩形状排布，所述基片集成谐振腔6的顶部也即所述顶层金属片21上，设置有顶部中间槽212和两个边槽211，所述两个边槽211设置于所述顶部中间槽212两侧且关于所述顶部中间槽212对称，所述基片集成谐振腔6的底部也即所述底层金属片23上，设置有底部中间槽231。所述顶部中间槽212、两个边槽211、底部中间槽231三者的延伸方向相同且均与第二层介质基板22的一对侧边、所述多个金属孔5围成的矩形的一对侧边分别平行，所述顶部中间槽212和两个边槽211位于所述多个金属孔12在所述顶层金属片21投影的中心，所述底部中间槽231位于所述多个金属孔12在所述底层金属片23投影的中心。

第三层结构3，参考图5，包括第三层介质基板31和设置于所述第三层介质基板31底面的馈电结构，第三层介质基板31的平面尺寸与第二层介质基板22相同，平面结构均为矩形。第一层介质基板12、第二层介质基板22、第三层介质基板31三者的沿垂直方向的中心轴重合，馈电结构包括微带馈线32，其延伸方向与顶部中间槽212垂直。微带馈线32用于进行馈电并将信号通过所述底部中间槽231耦合到所述基片集成谐振腔6中，从而激励出模式信号，该模式信号通过所述两个边槽211进行辐射并与所述顶层多贴片结构的第一个模式进行耦合，同时该模式信号还通过所述顶部中间槽212与所述顶层多贴片结构的第一个模式和第二个模式进行耦合。其中，所述第一个模式为TM₁₀模式，所述第二个模式为反相TM₂₀模式。

优选的，参考图2，所述第一层介质基板12包括主体部和两个安装部，所述主体部用于安装所述四个矩形金属贴片，所述主体部的平面尺寸与四个矩形金属贴片11整体尺寸相同，且位于四个矩形金属贴片11正下方，以便保持三种模式都能有效辐射，形成频带内稳定的高增益。所述两个安装部呈矩形条状，安装部的延伸方向与顶部中间槽212相同，两个安装部垂直连接与所述主体部的两侧中间，且关于所述主体部对称设置，所述主体部和两个安装部在平行于所述顶部中间槽方向上的长度与第二层介质基板的长度相同，安装部用于固定整个第一层介质基板12。

优选的，参考图1，所述第三层结构3下方还设置有金属屏蔽层结构4，能抑制背向的辐射，同时降低交叉极化信号。

本实施例中的天线，其通过位于第三层结构3的微带馈线32进行馈电，并将信号通过底层金属片23上的底部中间槽231将信号耦合到基片集成谐振腔6中，从而激励出TE₂₁₀模式，该模式信号通过位于顶层金属片21上的两个边槽211进行辐射并与四个矩形金属贴片11的TM₁₀模式进行耦合，同时该模式信号通过顶层金属片21上的顶部中间槽212与四个矩形金属贴片11的TM₁₀模式与反相TM₂₀模式进行耦合，因此通过三个模式的耦合并同时参与有效辐射，使得天线带宽与增益得到较好的提升。优选的，位于底部的金属屏蔽层结构4则用于抑制天线背向辐射，同时抑制交叉极化信号效果比较明显。对于工作带宽与中心频率可通过位于顶层金属片21上的两个边槽211长度以及相邻矩形金属贴片11之间的间距来进行调控。

一个具体的实施例中，天线的仿真匹配和增益曲线如图6所示，可见该案例工作在9.8GHz，在中心频率处的增益为8dBi，10dB匹配带宽为33％，带宽内的增益起伏为1.5dB。图7是在9.8GHz处的天线仿真的方向图，左边的是E面辐射方向图，右边的是H面辐射方向图，可见天线的交叉极化小于-33dB，前后比为20dB。而现有设计的增益起伏与前后比分别为3dB与13dB。本案例中的介质基板均采用的是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板。

综上所述，本发明的宽带多贴片天线，具有以下有益效果：本发明利用开槽的基片集成腔中的腔模与顶层多贴片结构相互耦合，产生三个有效辐射工作模式使天线工作带宽得进一步拓展，基片集成谐振腔的顶部中间槽与对称设置的两个边槽可实现对顶层多贴片结构的两个模式进行有效馈电，同时两个边槽还可实现高效的背腔槽辐射以降低天线带内增益波动；进一步地，对2×2金属贴片所在介质基板进行切边，使第一层介质基板的宽度与所述四个矩形金属贴片整体的宽度相同，以便保持三种模式都能有效辐射，形成频带内稳定的高增益；与天线配对的金属屏蔽层结构能抑制背向的辐射，同时降低交叉极化信号。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种宽带多贴片天线，其特征在于，包括从上至下顺序设置的以下多层结构：

第一层结构，包括顶层多贴片结构；

第二层结构，包括基片集成谐振腔，所述基片集成谐振腔的顶部设置有顶部中间槽和两个边槽，所述两个边槽设置于所述顶部中间槽两侧且关于所述顶部中间槽对称，所述基片集成谐振腔的底部设置有底部中间槽；

第三层结构，包括馈电结构，用于进行馈电并将信号通过所述底部中间槽耦合到所述基片集成谐振腔中，从而激励出模式信号，该模式信号通过所述两个边槽进行辐射并与所述顶层多贴片结构的第一个模式进行耦合，同时该模式信号还通过所述顶部中间槽与所述顶层多贴片结构的第一个模式和第二个模式进行耦合。

2.根据权利要求1所述的宽带多贴片天线，其特征在于，所述第一个模式为TM₁₀模式，所述第二个模式为反相TM₂₀模式。

3.根据权利要求1所述的宽带多贴片天线，其特征在于，所述第一层结构还包括顶面设置所述顶层多贴片结构的第一层介质基板，所述顶层多贴片结构包括四个矩形金属贴片，所述四个矩形金属贴片呈2×2的阵列形式排布于所述第一层介质基板的顶面中心位置，相邻的矩形金属贴片之间间隔一定距离，所述第一层介质基板包括主体部和两个安装部，所述主体部用于安装所述四个矩形金属贴片，所述主体部的平面尺寸与所述四个矩形金属贴片整体尺寸相同，所述两个安装部垂直连接与所述主体部的两侧且关于所述主体部对称设置。

4.根据权利要求1所述的宽带多贴片天线，其特征在于，所述第二层结构包括平面尺寸相同的：第二层介质基板、设置于所述第二层介质基板顶面的顶层金属片和设置于所述第二层介质基板底面的底层金属片，所述基片集成谐振腔由多个金属孔、所述顶层金属片以及所述底层金属片围合形成，每一所述金属孔贯穿所述顶层金属片、第二层介质基板、底层金属片设置，且所述多个金属孔呈矩形状排布，所述顶部中间槽和两个边槽开设于所述顶层金属片上，且所述顶部中间槽和两个边槽位于所述多个金属孔在所述顶层金属片投影的中心，所述底部中间槽设于所述底层金属片上，且所述底部中间槽位于所述多个金属孔在所述底层金属片投影的中心，所述顶部中间槽、两个边槽、底部中间槽三者的延伸方向相同。

5.根据权利要求1所述的宽带多贴片天线，其特征在于，所述第三层结构还包括底面设置所述馈电结构的第三层介质基板，所述馈电结构包括微带馈线。

6.根据权利要求1所述的宽带多贴片天线，其特征在于，所述第三层结构下方还设置有金属屏蔽层结构。