CN109216904B - 一种宽带低剖面微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种宽带低剖面微带天线，旨在保证低剖面特性的同时，拓宽微带天线的工作带宽，包括上下层叠形状为矩形的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面印制有辐射单元，该辐射单元包括N个并行排布的矩形贴片，其上蚀刻有与该矩形贴片长边平行的两排第二矩形缝隙，每排第二矩形缝隙的数量为M个，第一介质基板下表面印制有金属地板，该金属地板上蚀刻有第一矩形缝隙，矩形贴片通过M个金属化过孔与金属地板连接，第二介质基板的下表面印制有微带馈线；本发明在保证微带天线低剖面特性的同时，拓宽了微带天线的工作带宽，可用于无线通信系统。

Description

一种宽带低剖面微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽带低剖面微带天线，可运用于无线通信系统。

背景技术

随着无线通信系统的发展，人们对于天线功能的需求与日俱增。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线由于具有体积小、重量轻、易集成和制造成本低等优点，被广泛应用于无线通信系统等领域。

传统微带天线，其剖面高度越低，品质因数就会越大，导致天线的阻抗带宽越窄，只能达到1％～5％左右。随着无线通信系统的不断发展，天线的工作带宽是非常重要的一项技术指标。为适应当前高速大容量通信的需求，微带天线具有低剖面宽频带特性是发展趋势。目前，微带天线的带宽展宽方法主要通过增加介质板厚度、添加寄生单元、加载短路针、加载集总元件等实现。然而上述方法会导致天线的剖面增加、效率降低、方向图不稳定。

为了解决上述问题，研究人员提出不少解决方法。例如授权公告号为CN206370497U，名称为“一种宽带天线”的专利，公开了一种新型宽带天线，包括介质基板、设置在介质基板正面的周期性金属贴片单元以及设置在介质基板反面的地平面，所述周期性金属贴片单元由多个金属贴片周期性间隔排列而成，构成所述宽带天线的辐射体，所述地平面上开有耦合缝隙和共面波导馈线，构成所述宽带天线的馈电网路，所述耦合分析以共面波导馈线为轴中心对称。该天线工作带宽为10％，剖面高度为3.124mm，即0.1λ_ε(λ_ε为介质波长)，虽然体积较小，剖面较低，但是带宽较窄，在实际应用中受到了一定的限制。所以，设计一种新型的宽带低剖面微带天线是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种宽带低剖面微带天线，旨在保证低剖面特性的同时，拓宽微带天线的工作带宽。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽带低剖面微带天线为，包括上下层叠的第一介质基板1和第二介质基板2；所述第一介质基板1的上表面印制有辐射单元3，下表面印制有金属地板4，该金属地板2上蚀刻有第一矩形缝隙41；所述第二介质基板2的下表面印制有微带馈线5；所述第一介质基板1和第二介质基板2的板面形状为矩形；所述辐射单元3，包括N个并行排布的矩形贴片31，所述矩形贴片31上蚀刻有与该矩形贴片31长边平行的两排第二矩形缝隙，每排第二矩形缝隙的数量为M个，所述矩形贴片31通过M个金属化过孔与金属地板4连接，其中N，M为整数，且2≤N≤8，3≤M≤8。

上述一种宽带低剖面微带天线，所述辐射单元3，其中心位于第一介质基板1两条对角线的交点处，且该辐射单元3的两组对边与第一介质基板1的两组对边平行，所述辐射单元3中相邻矩形贴片31之间的距离为S1，0.01×λ₀≤S1≤0.04×λ₀。

上述一种宽带低剖面微带天线，所述矩形贴片31，其上蚀刻的两排第二矩形缝隙关于该矩形贴片31宽边的中垂线对称，每排中的M个第二矩形缝隙关于该矩形贴片31的长边中垂线对称，且所有第二矩形缝隙的大小相等。

上述一种宽带低剖面微带天线，所述金属地板4，其上蚀刻的第一矩形缝隙41的中心位于第一介质基板1两条对角线的交点处，且该第一矩形缝隙41的两组对边与第一介质基板1的两组对边平行，第一矩形缝隙41宽边尺寸为W1，长边尺寸为L1，且0.02×λ₀≤W1≤0.07×λ₀，0.3×λ₀≤L1≤0.7×λ₀，其中,λ₀为中心频率对应的波长。

上述一种宽带低剖面微带天线，所述第一介质基板1和第二介质基板2的介电常数分别为ε₁和ε₂，且1＜ε₁＜8，1＜ε₂＜8，两块介质基板横截面尺寸相同，横截面宽边尺寸为W2，长边尺寸为L2，且1.5×λ₀≤W2≤2.5×λ₀，2.0×λ₀≤L2≤2.8×λ₀,第一介质基板(1)的厚度为H1,0.03×λ₀≤H1≤0.06×λ₀,第二介质基板2的厚度为H2,0.015×λ₀≤H2≤0.035×λ₀，其中，λ₀为中心频率对应的波长。

上述一种宽带低剖面微带天线，所述微带馈线5，由宽边中垂线与第二介质基板2的宽边中垂线重合的第一微带线51和第二微带线52拼接而成，第一微带线51的宽边尺寸为W3，长边尺寸为L3，且0.04×λ₀≤W3≤0.06×λ₀，

第二微带线52宽边尺寸为W4，长边尺寸为L4，0.015×λ₀≤W4≤0.03×λ₀，ε_e1和ε_e2是等效介电常数，且

ε₂为第二介质基板(2)的介电常数，λ₀为中心频率对应的波长。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明辐射单元中的多个并行排布的矩形贴片上蚀刻有与该矩形贴片长边平行的两排第二矩形缝隙，金属地板上蚀刻有第一矩形缝隙，辐射单元和金属地板通过金属化过孔连接，辐射单元上的第二矩形缝隙可等效为加载串联电容，金属化过孔可等效为加载并联电感，二者形成谐振回路，从而产生了多个频率谐振点，拓宽了天线的带宽，同时，第二矩形缝隙的电容特性使得天线的品质因数降低，有利于降低天线的剖面，与现有技术相比，有效提升了天线的综合性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1第一介质板上表面的结构示意图；

图3为本发明金属地板的结构示意图；

图4为本发明第二介质基板和微带馈线的结构示意图；

图5为本发明实施例1回波损耗特性曲线图；

图6为本发明实施例1在频点为26GHz处的H面的辐射方向图；

图7为本发明实施例1在频点为29GHz处的H面的辐射方向图；

图8为本发明实施例1在频点为31GHz处的H面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

参照图1，一种宽带低剖面微带天线，包括上下层叠的第一介质基板1和第二介质基板2，第一介质基板1的厚度H1＝0.508mm，介电常数ε₁＝3.48，第二介质基板2的厚度H2＝0.254mm，介电常数ε₂＝3.48；第一介质基板1的上表面印制有辐射单元3，其结构如图2所示，下表面印制有金属地板4，该金属地板4上蚀刻有第一矩形缝隙41，其结构如图3所示；第二介质基板2的下表面印制有微带馈线5，其结构如图4所示；天线的剖面高度为0.762mm。

参照图2，第一介质基板1的板面形状为矩形，其宽边尺寸为W2＝20mm，长边尺寸为L2＝24mm，第一介质基板1的上表面印制有辐射单元3，辐射单元3包含N个并行放置的矩形贴片31，本实例取N＝6，相邻矩形贴片31的距离为S1＝0.2mm，矩形贴片31的宽边尺寸为W5＝1.45mm，长边尺寸为L5＝7.25mm，相邻矩形贴片31之间存在电容性缝隙，大大降低了微带天线的品质因数，有利于降低天线剖面；

所述6个矩形贴片31构成辐射单元3，辐射单元3的板面为矩形，其中心位于第一介质基板1两条对角线的交点处，且该辐射单元3的两组对边与第一介质基板1的两组对边平行，有利于提高天线辐射方向图的对称性，辐射单元3的宽边尺寸为L5＝7.25mm，长边尺寸为W6＝N×W5+(N-1)×S1，本实例取W6＝9.7mm；

矩形贴片31上蚀刻的两排第二矩形缝隙关于该矩形贴片31宽边的中垂线对称，每排中的M个第二矩形缝隙关于该矩形贴片31的长边中垂线对称，且所有第二矩形缝隙的大小相等，本实例取M＝5；该对称结构使得天线的辐射方向图具有对称性，同时交叉极化电平低，第二矩形缝隙相当于电路中的串联电容，金属化过孔相当于加载并联电感，二者形成谐振回路，从而天线的频率谐振点增多，天线带宽增大，同时，第二矩形缝隙的电容特性使得微带天线的品质因数降低，有利于降低天线的剖面。第二矩形缝隙宽边尺寸为W7＝0.2mm,长边尺寸为L7＝5.5mm，沿着矩形贴片31长边方向两个第二矩形缝隙中心点之间的距离为

本实例取S2＝1.45mm，最靠近矩形贴片31宽边的第二矩形缝隙中心点与矩形贴片31宽边的距离为S3＝0.725mm，第二矩形缝隙中心点与矩形贴片31长边之间的距离为S4＝0.425mm；

矩形贴片31通过M个金属化过孔与金属地板4连接，本实例取M＝5，该金属化过孔为圆柱体，其高度与第一介质基板1厚度H1相同，底面直径为R1＝0.2mm，且其上底面圆心位于矩形贴片31宽边中垂线上，沿着矩形贴片31长边方向两个金属化过孔中心点之间的距离为最靠近矩形贴片31宽边的金属化过孔的中心点与矩形贴片31宽边的距离为S3＝0.725mm，所述金属化过孔相当于加载并联电感，矩形贴片31上的第二矩形缝隙相当于串联电容，二者形成谐振回路，从而天线的频率谐振点增多，天线带宽增大。

参照图3：金属地板4的尺寸与第一介质基板1和第二介质基板2的横截面尺寸相同；金属地板4上蚀刻的第一矩形缝隙41，其中心位于第一介质基板1两条对角线的交点处，且该第一矩形缝隙的两组对边与第一介质基板1的两组对边平行，第一矩形缝隙宽边尺寸为W1＝0.5mm，长边尺寸为L1＝5.5mm；第一矩形缝隙与金属地板4长边的距离为S4＝5.5mm，与金属地板4宽边的距离为S5＝11.75mm；电磁能量从微带馈线5耦合至第一矩形缝隙，接着耦合到辐射单元3，第一矩形缝隙的对称性保证了电磁能量在辐射单元3上的对称性，从而保证了辐射方向图的对称性以及低交叉极化特性。

参照图4：所述微带馈线5，由宽边中垂线与第二介质基板2的宽边中垂线重合的第一微带线51和第二微带线52拼接而成，第一微带线51的宽边尺寸为W3＝0.52mm，长边尺寸为L3＝3.16mm，第二微带线52宽边尺寸为W4＝0.22mm，长边尺寸为L4＝2.93mm；第一微带线51宽边W3与第二介质基板2下边缘的距离为S6＝7.4mm，与第二介质基板2左边缘的距离为S7＝2.803mm，该微带馈线5将外部电磁能量传输给天线，对上层金属地板4以及辐射单元3进行馈电。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对部分参数做了调整；

矩形贴片31的数量为N＝3，相邻矩形贴片31间距S1＝0.1mm，每排第二矩形缝隙的数量M＝3；

第一矩形缝隙41的宽边为W1＝0.3mm，长边L1＝4mm；

第一介质基板1的宽边为W2＝17mm，长边为L2＝22mm，厚度为H1＝0.4mm，介电常数ε₁＝2，第二介质基板2的厚度H2＝0.2mm，介电常数ε₂＝2；

第一微带线51的宽边为W3＝0.4mm，长边L3＝2.8mm，第二微带线52的宽边W4＝0.16mm，长边L4＝2.5mm。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对部分参数做了调整；

矩形贴片31的数量为N＝8，相邻矩形贴片31间距S1＝0.3mm，每排第二矩形缝隙的数量M＝8；

第一矩形缝隙41的宽边为W1＝0.6mm，长边L1＝6mm；

第一介质基板1的宽边为W2＝23mm，长边为L2＝26mm，厚度为H1＝0.6mm，介电常数ε₁＝6，第二介质基板2的厚度H2＝0.3mm，介电常数ε₂＝6；

第一微带线51的宽边为W3＝0.6mm，长边L3＝3.5mm，第二微带线52的宽边W4＝0.3mm，长边L4＝3.2mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件及内容：

1.1利用商业仿真软件CST STUDIO SUITE对上述实施例1的回波损耗参数进行仿真计算，结果如图5所示。

1.2利用商业仿真软件CST STUDIO SUITE对上述实施例1的多个频点处的远场辐射方向图进行仿真计算，其中：实施例1在26GHz的H面辐射方向图如图6所示，实施例1在29GHz的H面辐射方向图如图7所示，实施例1在31GHz的H面辐射方向图如图8所示。

2、仿真结果：

参照图5，横坐标为频率，纵坐标为回波损耗，以回波损耗≤-10dB为标准，实施例1中，天线的中心频率为29GHz，天线的工作带宽为26GHz～31GHz，相对带宽17.2％，其中λ₀为中心频率对应的波长。

参照图6，实施例1在工作频率为26GHz时，H面辐射方向图的最大增益为9.64dB，3dB主瓣张角为69.9度，副瓣电平为-14.4dB。

参照图7，实施例1在工作频率为29GHz时，H面辐射方向图的最大增益为9.64dB，3dB主瓣张角为55度，副瓣电平为-14.1dB。

参照图8，实施例1在工作频率为31GHz时，H面辐射方向图的最大增益为7.58dB，3dB主瓣张角为45.2度，副瓣电平为-6.5dB。

图6、7、8说明天线在26～31GHz的频段范围内H面方向图的变化很小，因此天线辐射性能稳定。

以上结果说明，天线工作频段在26GHz～31GHz时，天线的相对阻抗带宽为17.2％，天线的剖面高度为0.762mm，即0.0762λ₀，同时该频段内辐射方向图的增益及波瓣宽度性能稳定，说明该频段内天线的辐射性能良好，与现有技术相比，该天线在具有低剖面的结构特点的基础上，大大拓宽了天线的带宽，且辐射性能良好。

Claims (6)

1.一种宽带低剖面微带天线，包括上下层叠形状为矩形的第一介质基板(1)和第二介质基板(2)；所述第一介质基板(1)的上表面印制有辐射单元(3)，下表面印制有金属地板(4)，该金属地板(4)上蚀刻有第一矩形缝隙(41)；所述第二介质基板(2)的下表面印制有微带馈线(5)；

其特征在于：所述辐射单元(3)，包括N个并行排布的矩形贴片(31)，所述矩形贴片(31)上蚀刻有与该矩形贴片(31)长边平行的两排第二矩形缝隙，每排第二矩形缝隙的数量为M个，且两排第二矩形缝隙中上下两个第二矩形缝隙之间各设置一个金属化过孔，所述矩形贴片(31)通过M个金属化过孔与金属地板(4)连接，其中N，M为整数，且2≤N≤8，3≤M≤8。

2.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面微带天线，其特征在于，所述辐射单元(3)，其中心位于第一介质基板(1)两条对角线的交点处，且该辐射单元(3)的两组对边与第一介质基板(1)的两组对边平行，所述辐射单元(3)中相邻矩形贴片(31)之间的距离为S1，0.01×λ₀≤S1≤0.04×λ₀，其中,λ₀为中心频率对应的波长。

3.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面微带天线，其特征在于，所述矩形贴片(31)，其上蚀刻的两排第二矩形缝隙关于该矩形贴片(31)宽边的中垂线对称，每排中的M个第二矩形缝隙关于该矩形贴片(31)的长边中垂线对称，且所有第二矩形缝隙的大小相等。

4.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面微带天线，其特征在于，所述金属地板(4)，其上蚀刻的第一矩形缝隙(41)的中心位于第一介质基板(1)两条对角线的交点处，且该第一矩形缝隙(41)的两组对边与第一介质基板(1)的两组对边平行，第一矩形缝隙(41)宽边尺寸为W1，长边尺寸为L1，且0.02×λ₀≤W1≤0.07×λ₀，0.3×λ₀≤L1≤0.7×λ₀，其中,λ₀为中心频率对应的波长。

5.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面微带天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)的介电常数分别为ε₁和ε₂，且1＜ε₁＜8，1＜ε₂＜8，两块介质基板横截面尺寸相同，横截面宽边尺寸为W2，长边尺寸为L2，且1.5×λ₀≤W2≤2.5×λ₀，2.0×λ₀≤L2≤2.8×λ₀,第一介质基板(1)的厚度为H1,0.03×λ₀≤H1≤0.06×λ₀,第二介质基板(2)的厚度为H2,0.015×λ₀≤H2≤0.35×λ₀，其中，λ₀为中心频率对应的波长。

6.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面微带天线，其特征在于，所述微带馈线(5)，由宽边中垂线与第二介质基板(2)的宽边中垂线重合的第一微带线(51)和第二微带线(52)拼接而成，第一微带线(51)的宽边尺寸为W3，长边尺寸为L3，且0.04×λ₀≤W3≤0.06×λ₀，

第二微带线(52)宽边尺寸为W4，长边尺寸为L4，0.015×λ₀≤W4≤0.03×λ₀，

ε_e1和ε_e2是等效介电常数，且

ε₂为第二介质基板(2)的介电常数，H2为第二介质基板(2)的厚度，λ₀为中心频率对应的波长。

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