CN109728431B

CN109728431B - 一种带宽提高的四单元微带阵列天线

Info

Publication number: CN109728431B
Application number: CN201910053580.3A
Authority: CN
Inventors: 于映; 杨远凯
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109728431A

Abstract

本发明是一种带宽提高的四单元微带阵列天线，包括四片矩形辐射贴片、阵列单元馈线、微带一分四功分器、介质基板、馈电端口和地板，四单元微带阵列天线与微带一分四功分器相连接，微带一分四功分器和地板分别与馈电端口相连，在每片矩形辐射贴片上刻蚀一条槽缝，每条槽缝的长度均不相同。本发明的微带阵列天线中四个不同的槽长的加入，使得矩形辐射贴片单元在其尺寸缩减的同时，有效提高了微带阵列天线工作带宽，特别是介质材料是柔性介质或厚度小于1mm的薄介质板上，工作在2.4GHz时，本发明的方法提高带宽更有效，由30M提高至150M，提高了400%。

Description

一种带宽提高的四单元微带阵列天线

技术领域

本发明涉及微带天线阵列，特别是涉及一种带宽提高的四单元微带阵列天线。

背景技术

近几十年来,通信行业的快速发展，不仅要求高质量地传输文字、图像、视频，数据等信息，对设备的宽带化、小型化的要求也越来越高，天线是辐射和接受电磁波的部件,在无线电系统中扮演了重要的角色，因此，天线相应的朝着平面化、小型化、宽带化、大容量、多功能等方向发展。

与其它的微波天线相比，微带天线有着体积小、重量轻、低剖面、可穿戴、易于共形等优点，并且，通过构成微带天线阵列，还可以获得更高的增益，但微带天线带宽较窄，功率容量低的缺点使其应用受到限制，特别是当微带天线应用于无线体域网（WBAN）中，微带天线有着隐蔽、轻便、易于共形的天然优势难以发挥，所以，解决带宽较窄问题尤为必要。

现有的增加带宽方法主要有：采用厚基板；采用较小相对介电常数的基板；附加阻抗匹配网络；采用楔形或阶梯形基板；采用非线性基板材料、非线性调整元件；采用多层结构；在贴片或接地板“开窗”等。这些方法大多数立足于双层天线结构甚至是多层结构，这样会使天线的厚度增加，复杂度也大大提高，而微带天线不断用于可穿戴以及其他领域对体积、重量有严格限制的特殊情况,人们对微带天线的小型化也提出了更高要求，所以，在增加天线带宽的同时，我们希望天线的结构简单轻便，我们通过蚀刻一定形状槽缝的微带贴片，组成阵列的形式，利用各个单元工作在不同谐振频率，并调整馈电点的位置，获得良好的匹配，从而有效的提高天线的工作带宽。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种带宽提高的四单元微带阵列天线，通过具有频率差的四单元矩形辐射贴片进行频率组合，解决制作于柔性衬底之上或者厚度小于1mm的薄硬质介质的微带阵列天线带宽过窄的问题，加工成本较低，适于批量加工生产。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种带宽提高的四单元微带阵列天线，包括四片矩形辐射贴片、阵列单元馈线、微带一分四功分器、介质基板、馈电端口和地板，四单元微带阵列天线与微带一分四功分器相连接，微带一分四功分器和地板分别与馈电端口相连，在每片矩形辐射贴片上刻蚀一条槽缝，每条槽缝的长度均不相同。

本发明的进一步改进在于：在矩形辐射贴片的下边缘均设置有开缝，阵列单元馈线通过开缝深入到矩形辐射贴片的内部，槽缝距离矩形辐射贴片下边缘的距离为L2，深入到矩形辐射贴片内部的阵列单元馈线的长度为L3。

本发明的进一步改进在于：矩形辐射贴片、阵列单元馈线、微带一分四功分器、地板均由导电性能良好的导体材料构成且印制于介质基板上，天线通过馈电端口进行馈电。

本发明的进一步改进在于：四片矩形辐射贴片采用并联馈电形式，利用微带一分四功分器分成四路，port1是输入端口，port2、port3、port4、port5均是输出端口，a是输入段传输线，输出端口port2、输出端口port3、输出端口port4和输出端口port5分别通过阵列单元馈线与矩形辐射贴片相连，输入端口port1和地板由馈电端口相连， b是四分之一波长阻抗变换段传输线，c、d、e、f是一分二输出段传输线，g、h、i、j、k、1、m、n是一分四输出段传输线，当port1端口有高频信号输入时，在port2、port3、port4、port5四个输出端口可以得到四路等幅同相的信号。在传输线c连接d之间、c连接e之间、d连接f之间、g连接h之间、i连接j之间、g连接k之间、h连接l之间、m连接i之间、j连接n之间斜切导带直角弯曲45^o，相邻的每两个所述矩形辐射贴片的中心距离均相同。

本发明的进一步改进在于：介质基板要采用损耗尽可能低的材料，因此介质基板采用热塑性聚合物如PET、PEN或聚酰亚胺PI或液晶聚合物等或薄的其他厚度小于1mm的硬质介质板。

本发明的有益效果是：微带天线的工作频率由其矩形辐射贴片本身的大小长度和宽度所决定，调整辐射贴片长度L，可以直接调节天线的工作频率，辐射贴片的长度L越长，可实现天线的工作频率则越低，因此，天线的工作频率确定后，微带贴片的尺寸大小也随之确定。

当在矩形辐射贴片上垂直于电流流动方向蚀刻一条槽缝(B), 其效果可以等效为串联一个电感，电感的值与其长度L1有关，与槽缝B的宽度关系不大，原来辐射贴片A表面的电流路径被切断,电流将绕过槽缝B而流动,贴片的有效长度将增加，电流流动的有效长度比没有受到扰动的原电流路径增加，从而导致天线谐振频率的降低，因此，对特定工作频率的贴片天线来说，通过加载槽缝，将获得更小的天线尺寸，矩形辐射贴片的大小固定，通过改变槽缝的长短亦可实现不同的谐振频率，槽缝的长度越长，天线的工作频率越低，因此，通过改变槽缝的长度，可以获得需要的不同频率，将具有频率差的四单元矩形辐射贴片进行频率叠加组合，天线的带宽有效的提高。

因此，不同的槽长的辐射贴片实现不同的谐振频率后，通过阵列单元馈线G伸入矩形辐射贴片的内部，改变馈电点的位置L3，以获得四单元所需的阻抗，使得在不同的谐振频率上获得良好匹配，将具有不同槽长的四个矩形辐射贴片A，由微带一分四功分器C馈电网络构成四单元阵列，通过四个不同的频率的叠加组合，将微带阵列天线的带宽提高。

在微带线电路设计中不可避免的涉及到高低阻抗突变的问题，主要体现在导带转弯的不连续性，从等效电路上看，它相当于串联或并联一些电抗元件，从而引起相位和振幅的误差、输入于输出的失配等问题，通过进行削角处理，可以有效的减小拐弯处导带的宽度，从而增大直角弯处的特性阻抗，降低拐弯处的不连续的影响。

本发明的微带阵列天线中四个不同的槽长的加入，使得矩形辐射贴片单元在其尺寸缩减的同时，有效提高了微带阵列天线工作带宽，特别是介质材料是柔性介质或厚度小于1mm的薄介质板上，工作在2.4GHz时，本发明的方法提高带宽更有效，由30M提高至150M，提高了400%。

附图说明

图1为本发明微带阵列单元的结构示意图。

图2为本发明微带一分四功分器的模型示意图。

图3为本发明四单元微带天线阵列的模型示意图。

图4为本发明四单元微带天线阵列正面结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-4所示，本发明是一种带宽提高的四单元微带阵列天线，包括四片矩形辐射贴片A、阵列单元馈线G、微带一分四功分器C、介质基板D、馈电端口E和地板F，所述地板F安装在所述介质基板D下表面，所述四单元微带阵列天线与微带一分四功分器C相连接，所述微带一分四功分器C和地板F分别与馈电端口E相连，在每片所述矩形辐射贴片A上刻蚀一条槽缝B，分别为槽B1、槽B2、槽B3、槽B4，每条槽缝B的长度均不相同，通过改变槽缝B不同的长度，获得四个不同的频率，将得到具有频率差的四单元辐射贴片进行频率组合，有效的提高微带阵列天线的带宽。

如图1、4所示，在材料基板上设计出微带天线阵列单元的模型，先按照所需工作频段的中心频率以及材料基板的相对介电常数来确定单个矩形天线贴片的尺寸，在所述矩形辐射贴片A的下边缘均设置有开缝，所述阵列单元馈线G通过开缝深入到所述矩形辐射贴片A的内部，所述槽缝B距离所述矩形辐射贴片A下边缘的距离为L2，长方形槽缝B的宽度对谐振频率影响不大，由于加载了槽缝B，降低了工作频率，因此减小矩形辐射贴片A的尺寸W和L，也就是矩形辐射贴片A的宽度和长度，使其工作在所需的中心频率，深入到所述矩形辐射贴片A内部的阵列单元馈线G的长度为L3，实现矩形辐射贴片单元A的馈电，并通过优化L3的长度，以获得所需阻抗，达到良好匹配，馈点位置的改变将使馈线与天线间的耦合改变,因而使谐振频率会有一点漂移,可以通过槽长来进行适当优化，但方向图一般不会受影响，只要仍保证主模工作，矩形辐射贴片A、阵列单元馈线G、微带一分四功分器C、地板F均由导电性能良好的导体材料构成且印制于介质基板D上，天线通过馈电端口E进行馈电。

如图2、3所示，四片所述矩形辐射贴片A采用并联馈电形式，利用微带一分四功分器C分成四路，port1是输入端口，port2、port3、port4、port5均是输出端口，a是输入段传输线，输出端口port2、输出端口port3、输出端口port4和输出端口port5分别通过阵列单元馈线G与所述矩形辐射贴片A相连，输入端口port1和地板F由馈电端口E相连，将具有不同长度的槽B1、槽B2、槽B3、槽B4的四个辐射贴片A，由微带一分四功分器C2、C3、C4、C5馈电网络构成四单元阵列，实现不同的谐振频率，通过四个不同的频率的叠加，将单个微带天线的带宽提高，b是四分之一波长阻抗变换段传输线，c、d、e、f是一分二输出段传输线，g、h、i、j、k、1、m、n是一分四输出段传输线，当port1端口有高频信号输入时，在port2、port3、port4、port5四个输出端口可以得到四路等幅同相的信号，在微带线电路设计中的阻抗突变的问题，通过进行削角处理，可以有效的减小拐弯处导带的宽度，从而增大直角弯处的特性阻抗，降低拐弯处的不连续的影响，导带直角弯曲45^o外斜切方法是控制微带线特性阻抗连续性的最佳方法，因此在传输线c连接d之间、c连接e之间、d连接f之间、g连接h之间、i连接j之间、g连接k之间、h连接l之间、m连接i之间、j连接n之间斜切导带直角弯曲45^o，在考虑了天线的方向性和隔离度后，相邻的每两个所述矩形辐射贴片A的中心距离均相同，换句话说，以附图3为例从左向右，第一个矩形辐射贴片与第二个矩形辐射贴片之间的间距、第二个矩形辐射贴片与第三个矩形辐射贴片之间的间距、第三个矩形辐射贴片与第四个矩形辐射贴片之间的间距均相同。

介质基板D要采用损耗尽可能低的材料，因此所述介质基板D采用热塑性聚合物如PET、PEN或聚酰亚胺(PI)或液晶聚合物LCP等或厚度为小于1mm 其他硬质介质板。

在制造上，该微带阵列天线的制造工艺可以采用半导体工艺、陶瓷工艺、激光工艺或印刷电路工艺，将天线印制在很轻薄很柔软的柔性介质基板之上，并且本发明的四单元微带阵列天线加载不同长度槽缝的方法，亦可推广至六单元、八单元等。

Claims

1.一种带宽提高的四单元微带阵列天线，包括四片矩形辐射贴片（A）、阵列单元馈线（G）、微带一分四功分器（C）、介质基板（D）、馈电端口（E）和地板(F)，其特征在于：所述四单元微带阵列天线与微带一分四功分器（C）相连接，所述微带一分四功分器（C）和地板(F)分别与馈电端口（E）相连，在每片所述矩形辐射贴片（A）上刻蚀一条槽缝（B），每条槽缝（B）的长度均不相同，在所述矩形辐射贴片（A）的下边缘均设置有开缝，所述阵列单元馈线（G）通过开缝深入到所述矩形辐射贴片（A）的内部，所述槽缝（B）距离所述矩形辐射贴片（A）下边缘的距离为L2，深入到所述矩形辐射贴片（A）内部的阵列单元馈线（G）的长度为L3，所述介质基板（D）采用热塑性聚合物或聚酰亚胺(PI)或液晶聚合物或厚度小于1mm的薄介质板。

2.根据权利要求1所述一种带宽提高的四单元微带阵列天线，其特征在于：矩形辐射贴片（A）、阵列单元馈线（G）、微带一分四功分器（C）、地板（F）均由导电性能良好的导体材料构成且印制于介质基板(D)上，天线通过馈电端口（E）进行馈电。

3.根据权利要求1所述一种带宽提高的四单元微带阵列天线，其特征在于：四片所述矩形辐射贴片（A）采用并联馈电形式，利用微带一分四功分器（C）分成四路，port1是输入端口，port2、port3、port4、port5均是输出端口，a是输入段传输线，输出端口port2、输出端口port3、输出端口port4和输出端口port5分别通过阵列单元馈线（G）与所述矩形辐射贴片（A）相连，输入端口port1和地板（F）由馈电端口（E）相连，b是四分之一波长阻抗变换段传输线，c、d、e、f是一分二输出段传输线，g、h、i、j、k、1、m、n是一分四输出段传输线，当port1端口有高频信号输入时，在port2、port3、port4、port5四个输出端口可以得到四路等幅同相的信号，在传输线c连接d之间、c连接e之间、d连接f之间、g连接h之间、i连接j之间、g连接k之间、h连接l之间、m连接i之间、j连接n之间斜切导带直角弯曲45^o，相邻的每两个所述矩形辐射贴片（A）的中心距离均相同。