CN109742539A - 一种具有宽带及滤波特性的贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其包括金属底板、与所述金属底板相贴设置的介质基板、设置在所述介质基板表面上的第一谐振单元和与所述第一谐振单元耦合的第二谐振单元、位于所述介质基板上方的辐射贴片、与所述第一谐振单元连接且穿过所述介质基板和所述金属底板的馈电部件内导体、设置在所述金属底板表面上且与所述馈电部件内导体连通的馈电部件外导体。本发明克服了现有贴片天线带宽窄、增益低和较差的滤波特性的缺点和现实情况，满足了无线通信系统中对天线宽频带、高增益和优良滤波特性的需求。

Description

一种具有宽带及滤波特性的贴片天线

【技术领域】

本发明属于通讯技术领域，特别是涉及一种具有宽带及滤波特性的贴片天线。

【背景技术】

贴片天线以其低剖面、体积小、易共形等优点被广泛应用于无线通信系统。传统的贴片天线由一个具有特定形状的金属贴片和金属接底板构成，并在二者中间填充电介质将其分隔，通常采用同轴探针馈电的方法对贴片进行馈电。

目前，高速率、大容量和高集成度是移动通信系统的发展趋势。因此，天线的工作带宽、增益和低剖面被视为重要的技术指标。然而，传统的贴片天线相对带宽较窄，为了改善贴片天线的工作带宽，通常用改善馈电结构、增加介质板厚度以及在辐射元上加载缝隙等方法实现。如专利申请号为：CN201610652447，专利名称为《L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线》的中国专利提出了一种采用L型馈电部件对贴片天线耦合馈电以增加带宽的技术。该贴片天线由位于接底板与贴片之间的L型探针耦合馈电，探针的一部分与接底板垂直，另一部分与底板平行，两部分的长度经过精心设计后，可有效提升贴片天线的带宽。另外，在贴片天线中增加介质板厚度和加载U型缝隙的方法也可以使带宽明显增大。

然而，上述现有的技术方法都不理想。采用L型探针耦合馈电会导致天线的剖面增加，并使交叉极化和方向图对称性恶化，而加载U型槽会使天线的远场方向图变形以及交叉极化变差等问题。因此，既展宽贴片天线的工作频带又改善天线的辐射特性，是无线通信领域亟待解决的难题。

此外，为了提升无线通信系统的集成度，将天线和滤波器集成设计具有重要意义。天线和滤波器作为射频前端的两个重要元件，通常被独立设计，然后通过电缆直接连接。在传统天线和滤波器设计过程中，假设所有端口的阻抗为恒定50欧姆。然而，实际上天线是谐振型器件，其输入阻抗不仅不恒定，而且是个复数。因此，滤波器和天线直接级联后，其整体响应的选择特性会恶化。此外，天线和滤波器分离独立设计，也增加了插入损耗，降低了系统的效率。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，克服了现有贴片天线带宽窄、增益低和较差的滤波特性的缺点和现实情况，满足了无线通信系统中对天线宽频带、高增益和优良滤波特性的需求。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其包括金属底板、与所述金属底板相贴设置的介质基板、设置在所述介质基板表面上的第一谐振单元和与所述第一谐振单元耦合的第二谐振单元、位于所述介质基板上方的辐射贴片、与所述第一谐振单元连接且穿过所述介质基板和所述金属底板的馈电部件内导体、设置在所述金属底板表面上且与所述馈电部件内导体连通的馈电部件外导体。

进一步的，所述第一谐振单元为一轴对称结构，且所述第二谐振单元包括对称设置在所述第一谐振单元两侧的两个分支单元。

进一步的，两个所述分支单元均呈U型结构。

进一步的，所述第一谐振单元包括位于中部的且与所述馈电部件内导体连接的连接部、自所述连接部两端对称向两侧延伸设置的谐振分支。

进一步的，所述谐振分支包括与所述分支单元一边平行耦合的辐射体。

进一步的，所述辐射体中部设置有开口。

进一步的，所述第一谐振单元和所述第二谐振单元位于所述介质基板的上表面，所述介质基板下表面与所述金属底板相贴。

进一步的，所述辐射贴片位于距所述介质基板上方设定距离的水平面上。

进一步的，所述第一谐振单元通过所述馈电部件内导体馈电后产生谐振，并将能量近距离耦合到所述第二谐振单元和所述辐射贴片上，使得所述第一谐振单元、所述第二谐振单元和所述辐射贴片两两之间存在电磁能量交换。

与现有技术相比，本发明一种具有宽带及滤波特性的贴片天线的有益效果在于：具有高增益、宽带及滤波特性的贴片天线能基于简单的结构实现优良的性能，能在较宽的工作频带内实现较高的辐射增益和理想的辐射方向图，有利于提升无线通信系统的性能。具体的，其阻抗带宽范围为3.4GHz-3.8GHz，绝对带宽约为400MHz，相对带宽约为11％，远高于常规高增益贴片天线1％左右的相对带宽；在带宽范围内的增益值平坦且稳定，约为10dBi，远高于常规贴片天线8dBi左右的增益值；具有良好的频率选择特性，对非频带范围内的干扰信号能够有效的抑制。

【附图说明】

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例的反射系数曲线仿真结果图；

图5为本发明实施例的增益曲线仿真结果图；

图6为本发明实施例的E面辐射方向图和H面辐射方向仿真结果图；

图中数字表示：

100具有宽带及滤波特性的贴片天线；1金属底板；2介质基板；3第一谐振单元，31连接部，32谐振分支；4a、4b第二谐振单元；5辐射贴片；6馈电部件内导体；7馈电部件外导体。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1-图3，本实施例为一种具有宽带及滤波特性的贴片天线100，其包括金属底板1、与金属底板1相贴设置的介质基板2、设置在介质基板2表面上的第一谐振单元3和第二谐振单元、位于介质基板2上方的辐射贴片5、与第一谐振单元3连接且穿过介质基板2和金属底板1的馈电部件内导体6、设置在金属底板1表面上且与馈电部件内导体6连通的馈电部件外导体7。

第一谐振单元3为一轴对称结构，且所述第二谐振单元包括对称设置在第一谐振单元3两侧的两个分支单元4a、4b，两个所述分支单元均呈U型结构。第一谐振单元3包括位于中部的且与馈电部件内导体6连接的连接部31、自所述连接部31两端对称向两侧延伸设置的谐振分支32，所述谐振分支32包括与所述分支单元4a或4b一边平行耦合的辐射体，且所述辐射体中部设置有开口(图中未标识)。

所述第一谐振单元3和第二谐振单元4a、4b位于介质基板2的上表面，介质基板2下表面与金属底板1相贴。

所述辐射贴片5位于距介质基板2上方设定距离的水平面上，两者之间的部分为空气也可为其它介质。

所述金属底板1位于所设计贴片天线的最下层，所述馈电部件内导体6穿过介质基板2连接至第一谐振单元3。

所述第一谐振单元3和第二谐振单元4a，4b关于所设计贴片天线的中线呈轴对称分布。所述馈电部件外导体7与金属底板1相连。

所述第一谐振单元3通过馈电部件内导体6馈电后产生谐振，并将能量近距离耦合到第二谐振单元4a、4b和辐射贴片5上，使得第一谐振单元3、第二谐振单元4a、4b和辐射贴片5两两之间存在电磁能量交换。

辐射贴片5通过获得耦合能量后产生向自由空间辐射的电磁波，由于第一谐振单元3和第二谐振单元的4a、4b的能量耦合，使得所发明天线在工作频带内产生三个谐振点，进而天线具有较宽的带宽和优异的滤波特性。

本实施例中，金属底板1，介质基板2和辐射贴片5的作用在于其三者共同构成一段微带传输线，金属底板1和辐射贴片5之间的区域可以看作上下为电壁，四周为磁壁的腔体。腔体内谐振的电磁波通过金属底板1和辐射贴片5的边缘处向外泄漏，从而形成天线的辐射；介质基板2，主要作用在于展宽天线的带宽以及降低天线的能量损耗；第一谐振单元3和第二谐振单元4的主要作用在于提升天线的滤波特性；其形状对天线的滤波特性的好坏有一定影响。

图4展示的是用仿真软件得到的所设计贴片天线的反射系数随工作频率变化的仿真数据，从图4中可以看到，所设计天线在反射系数的值均小于-10dB的频带范围内具有良好的阻抗匹配特性，而且由于引入了三个谐振模式，使得天线的带宽大幅提升。经计算，天线的相对带宽约为11％，远高于其他高增益贴片天线1％左右的相对带宽，需要指出的是，所设计天线的阻抗带宽可以通过调节介质板厚度和谐振单元尺寸得到进一步提升。该结果表明所设计天线具有较宽的工作带宽。其次，从图4中可以明显看出，在通带两端，天线的反射系数变化非常陡峭，这种变化趋势使得天线有能力对频带范围以外的信号进行有效的抑制，也即表明该天线具有非常好的滤波特性。

图5展示的是用仿真软件得到的所设计贴片天线实施例的最大增益值随工作频率变化的曲线图，从图5中可以看出，在天线的工作频带内，天线的增益约为10dBi，相对于常规的增益一般小于8dBi的贴片天线单元，所设计天线的增益很大程度地被提高，该增益值表明所设计的天线在一定的输入功率下可以获得较高的发射或者接收信号强度。另外，天线在低频端具有良好的频率选择特性，即所设计天线具有良好的滤波特性。其次，该天线的增益值在工作频带内非常平坦且稳定，这表明该天线具有良好的工作稳定性。

图6展示的是用仿真软件得到的所设计贴片天线实施例的E面辐射方向图和H面辐射方向图。该辐射方向图是在中心频率点处获得。从图6可以看出，该天线具有定向辐射的特性，而且天线的辐射方向图只有主瓣，没有副瓣，这表明天线具有较理想的辐射特性。另外，可以看出，在Theta＝0°的方向上，天线具有最大的辐射增益值。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

所发明的高增益贴片天线的阻抗带宽范围为3.4GHz-3.8GHz，绝对带宽约为400MHz，相对带宽约为11％，远高于常规高增益贴片天线1％左右的相对带宽，其次，所发明的高增益贴片天线在带宽范围内的增益值平坦且稳定，约为10dBi，远高于常规贴片天线8dBi左右的增益值；另外，所发明贴片天线在具有良好的频率选择特性，即所发明贴片天线有能力对非频带范围内的干扰信号有效抑制。

综上所述，所发明的具有高增益、宽带及滤波特性的贴片天线能基于简单的结构实现优良的性能，能在较宽的工作频带内实现较高的辐射增益和理想的辐射方向图，有利于提升无线通信系统的性能。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：其包括金属底板、与所述金属底板相贴设置的介质基板、设置在所述介质基板表面上的第一谐振单元和与所述第一谐振单元耦合的第二谐振单元、位于所述介质基板上方的辐射贴片、与所述第一谐振单元连接且穿过所述介质基板和所述金属底板的馈电部件内导体、设置在所述金属底板表面上且与所述馈电部件内导体连通的馈电部件外导体。

2.如权利要求1所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述第一谐振单元为一轴对称结构，且所述第二谐振单元包括对称设置在所述第一谐振单元两侧的两个分支单元。

3.如权利要求2所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：两个所述分支单元均呈U型结构。

4.如权利要求2所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述第一谐振单元包括位于中部的且与所述馈电部件内导体连接的连接部、自所述连接部两端对称向两侧延伸设置的谐振分支。

5.如权利要求4所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述谐振分支包括与所述分支单元一边平行耦合的辐射体。

6.如权利要求5所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述辐射体中部设置有开口。

7.如权利要求1所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述第一谐振单元和所述第二谐振单元位于所述介质基板的上表面，所述介质基板下表面与所述金属底板相贴。

8.如权利要求1所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述辐射贴片位于距所述介质基板上方设定距离的水平面上。

9.如权利要求1所述的一种具有宽带及滤波特性的贴片天线，其特征在于：所述第一谐振单元通过所述馈电部件内导体馈电后产生谐振，并将能量近距离耦合到所述第二谐振单元和所述辐射贴片上，使得所述第一谐振单元、所述第二谐振单元和所述辐射贴片两两之间存在电磁能量交换。