CN109449587A - 微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供属于通信天线领域,其提供一种微带天线,包括三块平行设置的第一基板、第二基板及第三基板、至少两个第一贴片元件和对应数量的第二贴片元件、微带线和槽线组成的馈电网络;所述第一贴片元件置于所述第一基板的正面,所述第二贴片元件在与所述第一贴片元件的对应位置上置于所述第二基板的正面,所述槽线位于所述第二基板与第三基板的中间位置,所述第二微带线位于所述第三基板的底面;其中,所述微带线包括用于与所述第二贴片元件连接的第一微带线和用于向所述馈电网络馈电的第二微带线。本发明提供的天线的结构需要较少的阻抗匹配电路,所提出的天线具有比传统阵列天线更简单和更紧凑的结构,且展宽带宽。
Description
技术领域
本发明涉及通信天线领域,尤其涉及一种微带天线。
背景技术
微带天线有着体积小、重量轻、制造工艺简单、容易实现共形等优点,而被广泛地应用。尤其是其中的圆极化(CP)微带天线因具有避免极化损耗和减轻多路径传播的优点,被广泛应用于卫星通信、雷达技术、高速无线局域网(WLAN)等大量无线应用中。圆极化微带天线的实现,一方面可以通过在贴片中创建扰动元件或在贴片上使用两个正交馈电点,但这种结构的圆极化轴比和天线带宽一般都比较窄;另一方面可以通过旋转馈电技术能改善圆极化的轴比带宽,但结构不够紧凑。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种微带天线,将馈电网络分布于不同层,使得需要较少的阻抗匹配电路,具有比传统阵列天线更简单和更紧凑的结构。
为了实现上述目的,本发明提供以下技术方案:
一种微带天线,其包括三块基板、至少两个第一贴片元件和对应数量的第二贴片元件、微带线和槽线组成的馈电网络;
其中,所述三块基板平行设置,且从上至下分别为第一基板、第二基板及第三基板,所述第二基板和所述第三基板贴合;
所述第一贴片元件置于所述第一基板的正面,所述第二贴片元件在与所述第一贴片元件的对应位置上置于所述第二基板的正面,所述槽线位于所述第二基板与第三基板的中间位置;
其中,所述微带线包括用于与所述第二贴片元件连接的第一微带线和用于向所述馈电网络馈电且位于所述第三基板的底面的第二微带线。
优选地,每块所述第二贴片元件包括分别位于其两侧的两个馈电点,所述馈电点与所述第一微带线连接,连接各个所述贴片元件且位于同侧的所述第一微带线分别与对应的第一槽线和第二槽线连接。
优选地,所述第二微带线沿着其馈电方向分别与所述第一槽线和所述第二槽线连接,形成第一馈电电路和第二馈电电路。
优选地,所述馈电网络包括所述第二两个贴片元件且分别连接于所述第一槽线的两个分支上;
所述第一馈电电路还包括设于所述第二微带线与所述第一槽线分支点的三路功率分配器,所述三路功率分配器对于第二微带线和所述第一槽线的两个分支的输入功率比为2:1:1。
优选地,所述第二馈电电路还包括设于所述第二微带线与所述第二槽线分支点的两路功率分配器,所述两路功率分配器对于所述第二槽线的两个分支的输入功率比为1:1。
优选地,所述槽线刻蚀于所述第二基板和所述第三基板的中间位置上的第二基板下表面或第三基板上表面。
优选地,所述第二微带线印刷于所述第三基板的下表面。
优选地,所述两个馈电点和所述第二贴片元件中心的连线与所述第二基板平面的x轴成±45°。
优选地,所述第一微带线和所述第二贴片元件之间各连接各自传输微波的1/4波长的阻抗变换器。
优选地,所述第一贴片元件为寄生金属片。
相比现有技术,本发明的方案具有以下优点:
本发明提供的一种微带天线,采用多层结构的微带天线,实质上是微带线和槽线组成的串并联馈电网络,该天线的结构需要较少的阻抗匹配电路,因此所提出的天线具有比传统阵列天线更简单和更紧凑的结构。所述第一贴片元件与所述第二贴片元件对应分别置于第一基板和第二基板上,两层对应设置的贴片元件之间产生耦合,达到展宽天线的驻波带宽和轴比带宽的效果。而且,该天线结构适合于配置大规模可扩展阵列,并通过减小旁瓣电平来提高天线增益。进一步,第二贴片元件的两个馈电点与所述第二贴片元件中心的连线与所述第二基板平面的x轴成±45°,激励两个具有正交相移的模式,从而获得圆极化波。更优地,通过于所述第一微带线和所述第二贴片元件之间各连接各自传输微波的1/4波长的阻抗变换器,以拓展天线带宽。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明提供的一种实施例中的微带天线的布局示意图;
图2为图1在A-A’方向的剖面图;
图3为图1在C处的功率分配放大图;
图4为图1在D处的功率分配放大图;
图5为本发明提供的一种实施例中的微带天线的驻波带宽曲线图;
图6为本发明提供的一种实施例中的微带天线的轴比曲线图;
图7a为本发明提供的一种实施例中的微带天线的x-z方向图曲线图;
图7b为本发明提供的一种实施例中的微带天线的y-z方向图曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
以图1-4为例,用1*2阵列天线对本发明进行说明。本发明提供一种微带天线,其包括三块基板和至少两个第一贴片元件21和对应数量的第二贴片元件22、微带线和槽线50组成的馈电网络。所述三块基板平行设置,且从上至下分别为第一基板11、第二基板12和第三基板13,所述第一基板11置于所述第二基板12的上方,所述第二基板12和第三基板13贴合。
所述第一贴片元件21置于所述第一基板11的正面,所述第二贴片元件22在与所述第一贴片元件21的对应位置上且置于所述第二基板12的正面,所述槽线50位于所述第二基板12与第三基板13的中间位置。所述微带线为与所述第二贴片元件22相关联的馈线,其包括与所述第二贴片元件22连接的第一微带线30和用于馈电网络馈电且位于所述第三基板13的底面的第二微带线40。该第一微带线30与所述第二贴片元件22位于所述第二基板12的正面。所述第二微带线40置于所述第三基板13的底面。分别连接于所述第一微带线30和所述第二微带线40的槽线50位于所述第二基板12与第三基板13的中间位置,即位于所述第二基板12底面和所述第三基板13正面之间的区域。
外部电信号通过所述第二微带线40向该微带天线的馈电网络馈电,所述第二微带线40与其串联的所述槽线50馈电,所述槽线50再向连接各个第二贴片元件22的所述第一微带线30馈电,且分别与各第二贴片元件22的所述第一微带线30并联,形成一串并联的馈电网络。
从上述可知,本发明所提供的微带天线形成将馈电网络置于至少三层的多层结构的串并联馈电网络,该天线的结构需要较少的阻抗匹配电路,因此所提出的天线具有比传统阵列天线更简单和更紧凑的结构。
在本实施例中,每个所述第二贴片元件22包括两个馈电点e、f,该馈电点分别位于所述第二贴片元件22的两侧,所述第一微带线30分别通过所述馈电点与所述第二贴片元件22连接,即所述第一微带线30根据其连接的馈电点e或f的位置分置于所述第二贴片元件22的两侧,该分布于所述第二贴片元件22的两侧的第一微带线30分别与对应的槽线50连接,该槽线50为分别连接于分布于所述第二贴片元件22的两侧的第一微带线30的第一槽线51和第二槽线52。所述第二微带线40分别通过所述第一槽线51和第二槽线52向对应连接的第一微带线30馈电,向每个所述第二贴片元件22提供两个具有一定相位差的电信号。
当每个所述第二贴片元件22的两个馈电点所述第二贴片元件22中心的连线与所述第二基板12平面的x轴成±45°,确保每个第二贴片元件22的正交馈电,这样可激励两个具有正交相移的模式,以获得圆极化波,实现圆极化微带天线。
所述第一贴片元件21与所述第二贴片元件22在垂直于三块基板的方向上重合,即分别置于所述第一基板11的第一贴片元件21和置于所述第二基板12的第二贴片元件22在垂直于三块基板的方向上的位置重合、形状和大小均一致。这时,位于两层基板上的贴片元件多重叠的面积最大,耦合效果最好,使展宽天线的驻波带宽和轴比带宽的达到最优效果。
在上一实施例的基础上,所述馈电网络中的第二微带线40沿着其馈电方向分别与所述第一槽线51和所述第二槽线52连接,由此形成了由所述第二微带线40分别与所述第一槽线51和所述第二槽线52的第一馈电电路和第二馈电电路。所述第二微带线40连接所述第一馈电电路和所述第二馈电电路,该两个馈电电路分别向所述第二贴片元件22馈电,以向每个所述第二贴片元件22提供两个具有一定相位差的电信号。
由于在本实施例中的微带天线包括四个贴片元件,其中两第二贴片元件22的一侧馈电点f分别连接于所述第一槽线51与所述第二微带线40分支连接形成的两个分支上。所述第一馈电电路于所述第二微带线40和所述第一槽线51连接的分支点处设有一个三路功率分配器60,该三路功率分配器60对于第二微带线40和所述第一槽线51的两个分支的输入功率比为2:1:1。如图3所示,通过第二微带线40的端口P1施加的射频功率在所述第一馈电电路的分支点处被分成三部分:总功率的一半通过所述第一槽线51的两个分支端口P2和端口P3,剩余一半的总功率通过第二微带线40的端口P4。在这种情况下,所述第一槽线51上的两个分支的端口P2和端口P3并行,第二微带线40的端口P4与第一槽线51上的两个分支串联。通过适当的阻抗匹配进行有效的功率传输,第一槽线51阻抗ZSL与第二微带线40阻抗Z0相同,并且第二微带线40的端口P4阻抗ZMS是第二微带线40的端口P1阻抗Z0的一半且进行2:1:1的功率分配。
在本实施例中,所述三路功率分配器60设计可通过使用Z0=100Ω,ZSL=100Ω和ZMS=50Ω的支路阻抗来研究X波段的性能。这时,端口P4通过微带分支接收总输入功率的一半,并且剩下的一半再分成两个相等部分,以通过所述第一槽线51的两个分支向端口P2和端口P3提供1/4总功率传输,如图3所示。
在上述关于第一馈电电路的功率分配的基础上,所述第二馈电电路于所述第二微带线40和所述第二槽线52连接的分支点处设有一个两路功率分配器70,该两路功率分配器70对于所述第二槽线52的两个分支的输入功率比为1:1。这样,由第二微带线40的端口P4传输的射频功率在所述第二馈电电路的分支点被分为两个部分:总功率的一半通过该分支点平分至所述第二槽线52的两个分支端口P5和端口P6。在这种情况下,所述第二槽线52上的两个分支端口P5和端口P6并行,所述第二微带线40的端口P4与第二槽线52的两个分支端口P5和端口P6串联,如图4所示。
上述的第一馈电电路和第二馈电电路组成串并联馈电网络,微带天线的多层结设计,该天线的结构需要较少的阻抗匹配电路,因此具有比传统阵列天线更简单和更紧凑的结构。
在本实施例中,所述第一槽线51和第二槽线52刻蚀于所述第二基板12和所述第三基板13的中间位置,可位于所述第二基板12的下表面或者是第三基板13的上表面。因此,所述第一槽线51和第二槽线52于所述第二基板12和所述第三基板13的中间位置分别形成与所述第二微带线40相交的两个缝隙,被功率分配器所分配功率向其连接的端口传输。
所述第二微带线40印刷于第三基板13的下表面,使该微带天线的馈电网络形成多层结构,最终有助于实现本发明的结构更紧凑的微带天线。
如图1所示,在馈电网络中,第一微带线30分别与第一槽线51和第二槽线52从各自分支点延伸到四分之一波长,即λM/4和λS/4。同时,第二微带线40与第一槽线51和第二槽线52的延伸部分分别作为短路和开路。为拓展带宽,在所示第一微带线30和第二贴片元件22之间加载了一个四分之一波长阻抗变换器80。
上述的第一贴片元件21和第二贴片元件22均可为正方形,其中,所述第一贴片元件21为寄生金属片,以展宽天线的驻波带宽和轴比带宽。
在上述的实施例中,所述三块基板为玻璃纤维基底,在本实施例中,所述玻璃纤维基底的类型为Teflon,厚度均为0.8mm,其介电常数为2.2。
图5给出了本发明的微带天线的驻波带宽曲线图。天线测量的驻波带宽为19.97%(8.61GHz-10.52GHz),仿真带宽为20.83%(8.6GHz-10.6GHz)。图6给出了本发明提供的微带天线的轴比曲线图(AR),从8.91GHz到9.53GHz,测量的AR带宽(<3dB)为6.72%,而仿真的AR显示从8.89GHz到9.52GHz的3dB带宽为6.84%,在9.05GHz测得的最小AR值为0.9dB。由于天线包含两个分离的基底层,所以可能出现由于加工安装缺陷而导致的测量和仿真结果之间微小的差异。
图7a和7b分别展示了x-z和y-z平面中多层天线的圆极化方向图曲线图。测量和仿真的圆极化模式绘制在AR最小的频率上。这表明天线的辐射是RHCP。在两个平面测得的天线交叉极化分量小于-23dB,这确保了天线良好的CP性能。而且,天线的测量和仿真性能表现出几乎相似的特性。此外,图7b还证实了在0°处测量的最大增益在x-z和y-z平面中大约为9.25dBi。
从上述的性能参数上得知,本发明提供的一种微带天线,通过采用多层结构的形式布置形成的串并联的馈电网络,该天线的结构需要较少的阻抗匹配电路,得到其比传统的阵列天线结构更为简单且紧凑。所述第一贴片元件21与所述第二贴片元件22对应分别置于第一基板11和第二基板12上,两层对应设置的贴片元件之间产生耦合,达到展宽天线的驻波带宽和轴比带宽的效果。而且,该天线结构可以通过扩展第一贴片元件21和第二贴片元件22的数量来扩展阵列,且可通过减少旁瓣电平来提供天线增益。本发明还进一步使所述第二贴片元件22的两个馈电点与所述第二贴片元件22中心的连线与所述第二基板12平面的x轴成±45°,激励两个具有正交相移的模式,从而获得圆极化波。或者,进一步地,通过于所述第一微带线30和所述第二贴片元件22之间各连接各自传输微波的1/4波长的阻抗变换器80,以拓展天线带宽。以上所述仅是本发明的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种微带天线,其特征在于:包括三块基板、至少两个第一贴片元件和对应数量的第二贴片元件、微带线和槽线组成的馈电网络;
其中,所述三块基板平行设置,且从上至下分别为第一基板、第二基板及第三基板,所述第二基板和所述第三基板贴合;
所述第一贴片元件置于所述第一基板的正面,所述第二贴片元件在与所述第一贴片元件的对应位置上置于所述第二基板的正面,所述槽线位于所述第二基板与第三基板的中间位置;
其中,所述微带线包括用于与所述第二贴片元件连接的第一微带线和用于向所述馈电网络馈电且位于所述第三基板的底面的第二微带线。
2.根据权利要求1所述的微带天线,其特征在于:每块所述第二贴片元件包括分别位于其两侧的两个馈电点,所述馈电点与所述第一微带线连接,连接各个所述贴片元件且位于同侧的所述第一微带线分别与对应的第一槽线和第二槽线连接。
3.根据权利要求2所述的微带天线,其特征在于:所述第二微带线沿着其馈电方向分别与所述第一槽线和所述第二槽线连接,形成第一馈电电路和第二馈电电路。
4.根据权利要求3所述的微带天线,其特征在于:所述馈电网络包括两个所述第二贴片元件且分别连接于所述第一槽线的两个分支上;
所述第一馈电电路还包括设于所述第二微带线与所述第一槽线分支点的三路功率分配器,所述三路功率分配器对于第二微带线和所述第一槽线的两个分支的输入功率比为2:1:1。
5.根据权利要求4所述的微带天线,其特征在于:所述第二馈电电路还包括设于所述第二微带线与所述第二槽线分支点的两路功率分配器,所述两路功率分配器对于所述第二槽线的两个分支的输入功率比为1:1。
6.根据权利要求1所述的微带天线,其特征在于:所述槽线刻蚀于所述第二基板和所述第三基板的中间位置上的第二基板下表面或第三基板上表面。
7.根据权利要求1所述的微带天线,其特征在于:所述第二微带线印刷于所述第三基板的下表面。
8.根据权利要求2所述的微带天线,其特征在于:所述两个馈电点和所述第二贴片元件中心的连线与所述第二基板平面的x轴成±45o。
9.根据权利要求1所述的微带天线,其特征在于:所述第一微带线和所述第二贴片元件之间各连接各自传输微波的1/4波长的阻抗变换器。
10.根据权利要求1所述的微带天线,其特征在于:所述第一贴片元件为寄生金属片。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190308 |