CN109301456B - 一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线，从上至下每层依次为金属贴片、第一介质基片、第一金属底板、第二介质基片、第二金属底板。第一金属底板内开有一条窄长的镂空槽；金属贴片的中心在第一金属底板上的投影落在镂空槽内。金属贴片通过两个位置形状相互对称的短路部件组与第一金属底板连接；第二金属底板通过另外两个短路部件组和馈电体与第一金属底板连接。采用加载多个短路部件，激发多个工作模式，并使低次模的谐振频率提高；由于高次模在加载短路部件的位置电场强度较弱，对高次模的场分布没有影响，进而实现带宽。引入了介质集成波导结构，抑制表面波的传播，进而提高辐射效率，提高增益。镂空槽抑制偶次模，降低交叉极化水平。

Description

一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，尤其是指一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线。

背景技术

微带贴片天线的概念最初是在1953年提出来的，但是直到20世纪70年代才逐步发展起来。微带贴片天线由于具有体积小、重量轻和剖面低等特点，目前已经广泛的应用于移动通信系统，如有源集成天线，卫星导航，卫星通信和雷达等领域。但是传统的微带天线同时又存在着相对带宽窄，损耗大效率低，功率容量小的缺点，其应用经常受到限制。

针对上述问题，前人提出了几种改善贴片天线带宽的技术，主要包括：增加额外的寄生辐射单元，在贴片上加载各种形状的槽结构，增加宽带阻抗匹配网络等。

然而，上述技术都存在着一些缺陷：增加寄生贴片会增大天线的厚度，破坏了低剖面的特性；在贴片上开槽容易使交叉极化水平提高，降低天线的极化分集增益；添加复杂的阻抗匹配网络，如四分之一波长阻抗变换段，会引入附加的传输损耗，降低天线效率，同时也增加了天线的复杂程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：得到宽带且增益高的低剖面贴片天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线，所述天线从上至下每层依次由金属贴片、第一介质基片、第一金属底板、第二介质基片和第二金属底板构成。

所述第一金属底板内开有一条窄长的镂空槽；所述金属贴片的中心在所述第一金属底板上的投影落在所述镂空槽内。

所述金属贴片与所述第一金属底板还通过第一短路部件组、第二短路部件组相连；所述第一短路部件组与所述第一金属底板的连接点、所述第二短路部件组与所述第一金属底板的连接点分居所述镂空槽两侧，且位置形状相互对称。

所述第二金属底板与所述第一金属底板还通过第三短路部件组、第四短路部件组相连；组成所述第三短路部件组的柱状金属组合围成一轴对称图形的外框；所述第二金属底板与所述第一金属底板还通过馈电体相连；所述馈电体、所述第四短路部件组和所述镂空槽均被所述第三短路部件组包围。

所述第一短路部件组、第二短路部件组、第三短路部件组均由至少两个柱状金属构成；所述第四短路部件组由至少一个柱状金属构成。进一步的，所述镂空槽为矩形槽，镂空槽长度为Y，宽度为X；组成所述第三短路部件组的相邻的柱状金属之间的间距为α；在工作频带内的中心频率的自由空间波长为λ，其中，X<0.1Y，α≤0.1λ。进一步的，所述第一短路部件组的柱状金属位置关于所述第一短路部件组的中线对称，所述第二短路部件组的柱状金属位置关于所述第二短路部件组的中线对称；组成所述第三短路部件组的柱状金属围成一矩形外框；所述第四短路部件组的柱状金属位置关于所述第四短路部件组的中线对称。进一步的，所述第一短路部件组与所述金属贴片的连接点为4个、所述第二短路部件组与所述金属贴片的连接点为4个，且连接点均落在所述金属贴片的对角线上。进一步的，所述第四短路部件组位于所述第三短路部件组围成的图形的几何中心位置，所述第四短路部件组由2个柱状金属构成，间距为β，其中，0.1λ≤β≤0.15λ。进一步的，所述金属贴片为矩形，长为A，宽为B，长A与所述镂空槽的开槽方向平行，其中，0.4λ≤A≤0.7λ，0.4λ≤B≤0.6λ；所述第二金属底板为矩形，长为C，宽为D其中，0.7λ≤C≤λ，0.4λ≤D≤0.7λ；所述镂空槽宽为X，长为Y，其中，0.01λ≤X≤0.02λ，0.2λ≤Y≤0.3λ。进一步的，所述第一介质基片的厚度γ与所述第二介质基片的厚度δ，其中，γ≤0.1λ，δ≤0.1λ。进一步的，所述馈电体为同轴线内导体，位于第三短路部件组的内部。进一步的，所述天线各个部件尺寸大小如下：所述镂空槽宽度X＝0.014λ，Y＝0.23λ；所述金属贴片的长A＝0.5λ，宽B＝0.5λ；所述第一短路部件组与所述金属贴片的连接点组成一个等边梯形，且所述等边梯形的上底边E和下底边F与所述金属贴片的宽B平行，其中，E＝0.25λ，F＝0.35λ；所述第三短路部件组的柱状金属直径R＝0.017λ，间距α＝0.02λ；所述第二金属底板长E＝0.83λ，宽F＝0.57λ；所述第四短路部件组的柱状金属间距β＝0.13λ；所述第一介质基片的厚度γ＝0.046λ，所述第二介质基片的厚度δ＝0.022λ。进一步的，所述柱状金属为大小相同的金属化过孔。

本发明的有益效果在于：所述第二金属底板通过所述第三短路部件组与所述第一金属底板连接，构成了介质集成波导结构，利用其较高的品质因数和较小的辐射损耗等优点，在不依赖额外的辐射单元条件下，显著地增加其阻抗带宽和提高其辐射增益。通过在所述第一金属底板上开镂空槽，对所述金属贴片进行耦合馈电，能抑制偶次模，从而降低了交叉极化水平；通过在介质集成波导结构中加载所述第四短路部件组，改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，使两个或者多个谐振模式聚拢，形成宽带；利用所述第一短路部件组和所述第二短路部件组对所述金属贴片进行短路加载，获得更大的谐振尺寸，进而极大地提高了天线的辐射增益。天线为层状结构，具有体积小、重量轻、易于加工和剖面低等优点。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线的俯视图。

图2为本发明的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线的仰视图。

图3为本发明的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线的侧视图。

图4是本发明的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线的输入端反射系数变化图。

图5是本发明的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线的辐射方向图。

图6是本发明的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线的增益和效率分析图。

其中，1-第一金属底板，2-第一介质基片，3-第二介质基片，4-金属贴片，5-第二金属底板，6-第一短路部件组，7-第二短路部件组，8-第三短路部件组，9-第四短路部件组，10-馈电体，11-镂空槽。

具体实施方式

本发明最关键的构思在于：所述第二金属底板通过所述第三短路部件组与第一金属底板连接，构成了能显著地增加其阻抗带宽和提高其辐射增益的介质集成波导结构。通过在所述第一金属底板上开镂空槽，对所述金属贴片进行耦合馈电，能抑制偶次模，从而降低了交叉极化水平；通过在介质集成波导结构中加载所述第四短路部件组，改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，使两个或者多个谐振模式聚拢，形成宽带；利用所述第一短路部件组和所述第二短路部件组对所述金属贴片进行短路加载，获得更大的谐振尺寸，进而极大地提高了天线的辐射增益。

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1、图2以及图3，一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线，所述天线从上至下每层依次由金属贴片4、第一介质基片2、第一金属底板1、第二介质基片3和第二金属底板5构成。

所述第一金属底板1内开有一条窄长的镂空槽11；所述金属贴片4的中心在所述第一金属底板1上的投影落在所述镂空槽11内。

所述金属贴片4与所述第一金属底板1还通过第一短路部件组6、第二短路部件7组相连；所述第一短路部件组6与所述第一金属底板1的连接点、所述第二短路部件组7与所述第一金属底板1的连接点分居所述镂空槽11两侧，且位置形状相互对称。

所述第二金属底板5与所述第一金属底板1还通过第三短路部件组8、第四短路部件组9相连；组成所述第三短路部件组8的柱状金属组合围成一轴对称图形的外框；所述第二金属底板5与所述第一金属底板1还通过馈电体10相连；所述馈电体10、所述第四短路部件组9和所述镂空槽11均被所述第三短路部件组8包围。

所述第一短路部件组6、第二短路部件组7、第三短路部件组8均由至少两个柱状金属构成；所述第四短路部件组9由至少一个柱状金属构成。

所述第二金属底板5通过所述第三短路部件组8与所述第一金属底板1连接，构成了介质集成波导结构，利用其较高的品质因数和较小的辐射损耗等优点，在不依赖额外的辐射单元条件下，显著地增加其阻抗带宽和提高其辐射增益。通过在所述第一金属底板1上开镂空槽11，对所述金属贴片4进行耦合馈电，能抑制偶次模，从而降低了交叉极化水平；通过在介质集成波导结构中加载所述第四短路部件组9，改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，使两个或者多个谐振模式聚拢，形成宽带；利用所述第一短路部件组6和所述第二短路部件组7对所述金属贴片4进行短路加载，获得更大的谐振尺寸，进而极大地提高了天线的辐射增益。天线为层状结构，具有体积小、重量轻、易于加工和剖面低等优点。

进一步的，所述镂空槽11为矩形槽，镂空槽长度为Y，宽度为X；组成所述第三短路部件组8的相邻的柱状金属之间的间距为α；在工作频带内的中心频率的自由空间波长为λ，其中，X<0.1Y，α≤0.1λ。镂空槽11的大小影响其降低交叉计划水平的能力；组成第三短路部件组8的柱状金属间距要设置小于0.1λ，保证辐射波不外泄。

进一步的，所述第一短路部件组6的柱状金属位置关于所述第一短路部件组6的中线对称，所述第二短路部件组7的柱状金属位置关于所述第二短路部件组7的中线对称；组成所述第三短路部件组8的柱状金属围成一矩形外框；所述第四短路部件组9的柱状金属位置关于所述第四短路部件组9的中线对称。所述第一短路部件组6、第二短路部件组7、第三短路部件组8和第四短路部件组9的位置和形状对天线的增加其阻抗带宽、提高其辐射增益等性能有影响。

进一步的，所述第一短路部件组6与所述金属贴片4的连接点为4个、所述第二短路部件组7与所述金属贴片4的连接点为4个，且连接点均落在所述金属贴片4的对角线上。此结构使得金属贴片4获得更大的谐振尺寸，进而极大地提高了天线的辐射增益。

进一步的，所述第四短路部件组9位于所述第三短路部件组8围成的图形的几何中心位置，所述第四短路部件组9由2个柱状金属构成，间距为β，其中，0.1λ≤β≤0.15λ。在改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，使两个或者多个谐振模式聚拢的条件下，此结构形成宽带的效果更好。

进一步的，所述金属贴片4为矩形，长为A，宽为B，长A与所述镂空槽11的开槽方向平行，其中，0.4λ≤A≤0.7λ，0.4λ≤B≤0.6λ；所述第二金属底板5为矩形，长为C，宽为D其中，0.7λ≤C≤λ，0.4λ≤D≤0.7λ；所述镂空槽宽为X，长为Y，其中，0.01λ≤X≤0.02λ，0.2λ≤Y≤0.3λ。此结构尺寸使得天线有更好的阻抗带宽和辐射增益。

进一步的，所述第一介质基片2的厚度γ与所述第二介质基片3的厚度δ，其中，γ≤0.1λ，δ≤0.1λ。此结构尺寸使得天线有更好的阻抗带宽和辐射增益。

进一步的，所述馈电体10为同轴线内导体，位于第三短路部件组8的内部。同轴线内导体结构的馈电体10使得天线的加工变得更简便。

进一步的，所述天线各个部件尺寸大小如下：所述镂空槽11宽度X＝0.014λ，Y＝0.23λ；所述金属贴片4的长A＝0.5λ，宽B＝0.5λ；所述第一短路部件组6与所述金属贴片4的连接点组成一个等边梯形，且所述等边梯形的上底边E和下底边F与所述金属贴片4的宽B平行，其中，E＝0.25λ，F＝0.35λ；所述第三短路部件组8的柱状金属直径R＝0.017λ，间距α＝0.02λ；所述第二金属底板5长E＝0.83λ，宽F＝0.57λ；所述第四短路部件组9的柱状金属间距β＝0.13λ；所述第一介质基片2的厚度γ＝0.046λ，所述第二介质基片3的厚度δ＝0.022λ。此结构尺寸使得天线有更好的阻抗带宽和辐射增益，受交叉极化影响小。

进一步的，所述柱状金属为大小相同的金属化过孔。通过金属化过孔的加工，层状天线能简单快速成型，得到剖面低的天线。

进一步的，所述金属贴片4和所述第二金属底板5的形状是圆形或者椭圆形，可得到结构类似的低剖面带宽高增益天线。

进一步的，所述第一介质基片2是空气，可得到结构类似的低剖面带宽高增益天线。

请参阅图4，从所述天线反射系数随频率变化的曲线中，可以发现所述天线在4.15GHz-4.45GHz频段内匹配良好，反射系数小于-10dB，即所述天线带宽。需要注意的是，所述天线不限于工作在上述频段，根据需要，可以通过调节贴片、介质集成波导、短路部件和矩形槽的大小及位置，让天线工作在其他频段。

请参阅图5，从所述天线在4.15GHz-4.45GHz频带的中心频点的E面和H面的辐射方向图中可见，在上述两个观察平面内，天线具有稳定的辐射特性。

请参阅图6，从所述天线的增益和效率随频率变化特性中可见，所述天线在4.15GHz-4.45GHz频带内的最大增益均超过了10dBi，而普通贴片天线的最大增益通常只有8dbi。此外，所述天线在4.15GHz-4.45GHz频带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，本发明提供的一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线中，所述第二金属底板5通过所述第三短路部件组8与所述第一金属底板1连接，构成了介质集成波导结构，利用其较高的品质因数和较小的辐射损耗等优点，在不依赖额外的辐射单元条件下，显著地增加其阻抗带宽和提高其辐射增益。通过在所述第一金属底板1上开镂空槽11，对所述金属贴片4进行耦合馈电，能抑制偶次模，从而降低了交叉极化水平；通过在介质集成波导结构中加载所述第四短路部件组9，改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，使两个或者多个谐振模式聚拢，形成宽带；利用所述第一短路部件组6和所述第二短路部件组7对所述金属贴片4进行短路加载，获得更大的谐振尺寸，进而极大地提高了天线的辐射增益。天线为层状结构，具有体积小、重量轻、易于加工和剖面低等优点。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有低剖面的宽带高增益贴片天线，其特征在于，

所述天线从上至下依次由金属贴片、第一介质基片、第一金属底板、第二介质基片和第二金属底板构成；

所述第一金属底板内开有一条窄长的镂空槽；

所述金属贴片为矩形，其中心在所述第一金属底板上的投影落在所述镂空槽内；

所述金属贴片与所述第一金属底板还通过第一短路部件组、第二短路部件组相连；所述第一短路部件组与所述第一金属底板的连接点、所述第二短路部件组与所述第一金属底板的连接点分居所述镂空槽两侧，且位置形状相互对称；连接点还均落在所述金属贴片的对角线上；

所述第二金属底板与所述第一金属底板还通过第三短路部件组、第四短路部件组相连；组成所述第三短路部件组的柱状金属组合围成一轴对称图形的外框；

所述第一短路部件组的柱状金属位置关于所述第一短路部件组的中线对称，所述第二短路部件组的柱状金属位置关于所述第二短路部件组的中线对称；组成所述第三短路部件组的柱状金属围成一矩形外框；所述第四短路部件组的柱状金属位置关于所述第四短路部件组的中线对称；

所述第二金属底板与所述第一金属底板还通过馈电体相连；所述馈电体、所述第四短路部件组和所述镂空槽均被所述第三短路部件组包围；所述第四短路部件组位于所述第三短路部件组围成的图形的几何中心位置；所述馈电体为同轴线内导体，位于第三短路部件组的内部；

所述第一短路部件组、第二短路部件组均由至少两个柱状金属构成；组成所述第三短路部件组的相邻的柱状金属之间的间距为α，在工作频带内的中心频率的自由空间波长为λ;所述镂空槽为矩形槽;所述第四短路部件组由2个柱状金属构成，间距为β;所述金属贴片长为A，宽为B，长A与所述镂空槽的开槽方向平行；所述第二金属底板为矩形，长为C，宽为D；所述镂空槽宽为X，长为Y;所述第一介质基片的厚度为γ，所述第二介质基片的厚度为δ，其中，α≤0.1λ，0.1λ≤β≤0.15λ，0.5λ≤A≤0.7λ，0.5λ≤B≤0.6λ,0.7λ≤C≤λ，0.4λ≤D≤0.7λ，0.01λ≤X≤0.02λ，0.2λ≤Y≤0.3λ,γ≤0.1λ，δ≤0.1λ。

2.如权利要求1所述具有低剖面的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述第一短路部件组与所述金属贴片的连接点为4个、所述第二短路部件组与所述金属贴片的连接点为4个。

3.如权利要求2所述具有低剖面的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述天线各个部件尺寸大小如下：所述镂空槽宽度X=0.014λ，长度Y=0.23λ；所述金属贴片的长A=0.5λ，宽B=0.5λ；所述第一短路部件组与所述金属贴片的连接点组成一个等边梯形，且所述等边梯形的上底边E和下底边F与所述金属贴片的宽B平行，其中，E=0.25λ，F=0.35λ；所述第三短路部件组的柱状金属直径R=0.017λ，间距α=0.02λ；所述第二金属底板长C=0.83λ，宽D=0.57λ；所述第四短路部件组的柱状金属间距β=0.13λ；所述第一介质基片的厚度γ=0.046λ，所述第二介质基片的厚度δ=0.022λ。

4.如权利要求1至3任一所述具有低剖面的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述柱状金属为大小相同的金属化过孔。

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