CN109768380B - 基于三模谐振的超低剖面贴片天线、无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于三模谐振的超低剖面贴片天线、无线通信系统，辐射介质板的上表面中线两侧各分布有一个较大的金属辐射片和两个较小的金属辐射片；三个金属辐射片尺寸不同，互相之间有缝隙；印刷在辐射介质板上表面的金属辐射片，嵌在介质板中间的金属短路柱和紧挨辐射介质板下表面的金属地板；金属辐射片的下方设置有一个同轴接头，金属辐射片与金属地板通过所述金属短路柱相连。本发明利用三个尺寸不同的金属辐射片，产生三个谐振点，有效拓展了天线的阻抗带宽。本发明具有低剖面、宽频带、宽波束的优点，相对带宽为14.1％，而剖面高度仅为0.025个自由波长，且工作频带内3dB波束宽度可达140°以上。

Description

基于三模谐振的超低剖面贴片天线、无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于三模谐振的超低剖面贴片天线、无线通信系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：无线通信技术的飞速发展，使人们通信系统中天线的各项性能指标提出了更高的要求，如天线的小型化、宽频带、低损耗等。虽然各种各样的微带天线因其低剖面、重量轻等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用，但是天线的应用和发展却受到频带宽度和波束宽度的限制。因此，如何改善微带天线的性能得到了广泛的关注和研究。微带天线是一种谐振式天线，当频率偏离谐振频率时，其输入阻抗变化较大，导致天线严重不匹配，故阻抗带宽较窄。为了拓展微带天线的带宽，可以考虑降低微带天线的品质因数，例如采用低介电常数的介质基板或者增大介质基板的厚度,选用低介电常数的介质基板，使贴片对电磁场的束缚减弱，更多的能量可以辐射出去。用厚介质基板可以增大天线的辐射电导，也能降低天线的品质因数，但会导致天线的剖面增大。另外还可以通过增加多个谐振频率来实现。减小天线尺寸通常可以通过加载短路针，采用高介电常数的辐射介质板，加载集总元件，在辐射贴片和导体接地板上开槽等方法实现。但是这些技术在减小天线尺寸的同时，也限制了天线的工作带宽等辐射性能。现有技术一公布了一种宽带双层微带天线，天线主要由双层介质板、两个裂口环、辐射片等组成，通过产生多个谐振模式展宽了天线的阻抗带宽，但是由于空气层的存在导致其剖面较高，而在某些情况下，例如共形天线、便携天线等就需要采用低剖面的介质板。现有技术二公布了一种低剖面空气介质微带天线，天线主要由双层金属板、凹槽、馈电同轴线等组成，实现了天线的低剖面和宽波束特性，但是其阻抗带宽过窄，只有0.8％左右，带宽不足时频带边缘的频点性能不好，窄频带限制了它在无线通信领域中的应用。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的微带天线不能同时实现低剖面和宽频带的特性；阻抗带宽过窄，只有0.8％左右，带宽不足时频带边缘的频点性能不好，窄频带限制了它在无线通信领域中的应用。

解决上述技术问题的难度和意义：一方面，现有的部分天线虽然实现了宽带宽波束特性，但是其剖面较高，通常大于0.1个自由波长，所以无法满足超低剖面特性。另一方面，现有的部分天线虽然实现超低剖面宽波束特性，但是其阻抗带宽非常窄，通常只有4％左右，所以无法满足现代宽带通信系统的要求。而本发明所提出的技术恰好解决了上述难题，同时实现天线的超低剖面，具有很大的实用意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于三模谐振的超低剖面贴片天线、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种基于三模谐振的超低剖面贴片天线，所述基于三模谐振的超低剖面贴片天线设置有：

辐射介质板；

辐射介质板的上表面中线两侧各分布有一个较大的金属辐射片(1.2λ₁×0.16λ₁)和两个较小的金属辐射片(0.64λ₂×0.16λ₂，0.67λ₃×0.20λ₃)，λ₁、λ₂、λ₃分别是相应谐振频率对应的自由空间波长；三个金属辐射片尺寸不同，互相之间有缝隙，由此产生的三个谐振频率展宽了天线的阻抗带宽；微带贴片天线的谐振频率和贴片尺寸有关；通过多个谐振点相近的辐射片之间耦合，反射系数曲线小于-10dB的部分得到扩展，即展宽了天线的带宽。左右两部分的缝隙3.5mm，右侧两块的缝隙0.2mm。

印刷在辐射介质板上表面的金属辐射片，嵌在介质板中间的金属短路柱和紧挨辐射介质板下表面的金属地板；

金属辐射片的下方设置有一个同轴接头，金属辐射片与金属地板通过所述金属短路柱相连。

进一步，所述同轴接头包括内导体和外导体，处于金属辐射片的下方。

进一步，所述辐射介质板的材料采用F4B，介电常数为2.2，厚度为3mm，相当于0.025个自由波长；实现了超低剖面。

进一步，所述金属辐射片通过内部和侧边围绕的金属短路柱与金属地板相连。

进一步，所述金属短路柱高度和辐射介质板厚度相同，内部的两个金属柱半径为1mm；四周的金属柱半径为0.5mm，呈等间距排布。

进一步，所述同轴接头外导体与金属地板电连接，所述同轴接头内导体从金属地板及辐射介质板的内部穿透，与金属辐射片相连。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于三模谐振的超低剖面贴片天线的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用三个尺寸不同的金属辐射片，产生三个谐振点，有效拓展了天线的阻抗带宽。本发明具有超低剖面、宽频带、宽波束的优点。本发明的剖面高度仅为0.025个自由波长，与现有技术一所达到0.052个自由波长的剖面高度相比有明显的降低；相对带宽为14.1％，且工作频带内3dB波束宽度可达140°以上，与现有技术二所实现0.8％的阻抗带宽和120°的波束宽度相比有明显提高。此外，该天线的辐射方向图十分稳定，可以满足多种应用场合。本发明提出的基于三模谐振的超低剖面贴片天线能基于简单结构，在一个较宽的频段内实现稳定的宽波束角度辐射方向图，有利于改善无线通信系统的信号覆盖问题。同时，本发明具有剖面低、重量轻、加工简单和价格低廉等特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于三模谐振的超低剖面贴片天线结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于三模谐振的超低剖面贴片天线的俯视图；

图3是本发明实施例的基于三模谐振的超低剖面贴片天线的正视图；

图中：1、辐射介质板；2、金属辐射片；3、金属短路柱；4、金属地板；5、同轴接头。

图4是本发明实施例的基于三模谐振的超低剖面贴片天线的反射系数曲线图。

图5是本发明实施例的基于三模谐振的超低剖面贴片天线的增益曲线图。

图6是本发明实施例的基于三模谐振的超低剖面贴片天线在几个频点的辐射方向图；

图中：(a)2.58GHz时天线的E面辐射图；(b)2.73GHz时天线的E面辐射图；(c)2.85GHz时天线的E面辐射图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有的微带天线存在空气层导致剖面较高，阻抗带宽过窄的问题。本发明天线具有0.025个自由波长的超低剖面，并通过尺寸不同的三个辐射贴片形成三个谐振频率，展宽了天线的阻抗带宽。此外，本天线的辐射方向图具有宽波束的特性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的基于三模谐振的超低剖面贴片天线包括：辐射介质板1、金属辐射片2、金属短路柱3、金属地板4、同轴接头5。

金属辐射片2位于辐射介质板1的上表面，金属地板4位于辐射介质板1的下表面。

辐射介质板1的上表面中线两侧各分布有一个较大的金属辐射片2和两个较小的金属辐射片2。在天线工作时，三个尺寸不同的金属辐射片2会在工作频段内形成三个谐振点，使得天线的工作频带得以拓宽，金属辐射片的尺寸越大，谐振频率越低。此外，金属辐射片2左右两边与金属地板4相接的金属短路柱3减小了天线的横向尺寸；上下两边连同右侧两个贴片两角下方的金属短路柱3用以降低天线的交叉极化。最终表现为此低剖面天线在一个较宽的频带范围内具备稳定的辐射方向图和较宽的3dB波束宽度等特性。较大的金属辐射片尺寸为1.2λ₁×0.16λ₁；两个较小的金属辐射片尺寸为0.64λ₂×0.16λ₂，0.67λ₃×0.20λ₃，λ₁、λ₂、λ₃是谐振频率对应的自由空间波长；左右两部分的缝隙3.5mm，右侧两块的缝隙0.2mm。

辐射介质板1的长度表示为L_g，宽度表示为W_g；高度H＝3mm，约为0.025个自由波长，表现为极低的剖面。

金属辐射片2分为三部分，左侧较大贴片的长度和宽度分别表示为L₁和W₁，右侧两个贴片的宽度相等且均为W₂，长度分别为L₂和L₃。左右两部分之间的缝隙宽度表示为L_s，右侧两个贴片之间的缝隙宽度为d₂，且W₁＝2×W₂+d₂。

金属短路柱3的高度为H，嵌入辐射介质板1中，用以连接金属辐射片2和金属地板4，分布在金属辐射片2四周的金属短路柱3半径为0.5mm，右侧金属辐射片2两内角下方的两个金属短路柱3半径为1mm。

同轴接头5包括内导体和外导体，且位于左侧金属辐射片2的下方，用以实现对整个天线的馈电以及阻抗匹配。

如图4所示，基于三模谐振的超低剖面贴片天线的反射系数曲线，其横坐标表示频率，纵坐标表示天线反射系数，从图中可以看出，天线在2.50～2.88GHz频段内匹配良好，反射系数小于-10dB，相对阻抗带宽达到了14.1％，能够在上述频段内稳定工作。

如图5是天线在频带内增益随频率变化的曲线，其横坐标表示频率，纵坐标表示天线增益，可见，天线在三个谐振频率处增益均出现峰值，在2.50-2.88GHz频段内，最小增益为5.3dBi，最大增益达到8.2dBi。

如图6的(a)、图6的(b)、图6的(c)所示，分别是天线在三个谐振频点附近的辐射方向图。图6的(a)、图6的(b)、图6的(c)依次表示在2.58GHz、2.73GHz、2.85GHz时天线的增益随角度变化的E面辐射图。在上述三个方向图中可以看出，主极化为垂直极化且稳定辐射，3dB波束宽度达到140°以上，并且交叉极化被降低至-20dB以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于三模谐振的超低剖面贴片天线，其特征在于，所述基于三模谐振的超低剖面贴片天线设置有：

辐射介质板；

辐射介质板的上表面中线的左侧分布有一个较大的金属辐射片，上表面中线的右侧分布有两个较小的金属辐射片；位千辐射介质板的上表面中线左侧的较大的金属辐射片与位千上表面中线右侧的两个较小的金属辐射片之间的缝隙为3.5mm；两个较小的金属辐射片在上表面中线右侧呈上下间隔分布，两个较小的金属辐射片上下之间的缝隙为0.2mm；

较大的金属辐射片尺寸为1.2λ₁×0.16λ₁；两个较小的金属辐射片尺寸为0.64λ₂×0.16λ₂，0.67λ₃×0.20λ₃，λ₁、λ₂、λ₃是谐振频率对应的自由空间波长；

嵌在辐射介质板中间的金属短路柱和紧挨辐射介质板下表面的金属地板；

位千辐射介质板的上表面中线左侧的较大的金属辐射片的下方设置有一个同轴接头，

三个金属辐射片组成一个整体，在其四周边缘围绕的金属短路柱与金属地板相连且金属短路柱的高度与辐射介质板厚度相同，在所述四周边缘的各边边缘均设置有与金属地板相连的多个金属短路柱，所述多个金属短路柱呈等间距排布，所述多个金属短路柱的半径为0.5mm；在两个较小的金属辐射片的靠近所述辐射介质板的上表面中线，且靠近两个较小的金属辐射片上下之间缝隙的位置处，分别设置有一个与金属地板相连的金属短路柱，其半径均为Imm且其高度与辐射介质板厚度相同。

2.如权利要求1所述的基于三模谐振的超低剖面贴片天线，其特征在于，所述同轴接头包括内导体和外导体，处于辐射介质板的上表面中线左侧的较大的金属辐射片的下方。

3.如权利要求1所述的基于三模谐振的超低剖面贴片天线，其特征在于，所述辐射介质板的材料采用F4B，介电常数为2.2，厚度为3mm，相当于0.025个自由波长。

4.如权利要求1所述的基于三模谐振的超低剖面贴片天线，其特征在于，所述同轴接头外导体与金属地板电连接，所述同轴接头内导体从金属地板及辐射介质板的内部穿透，与辐射介质板的上表面中线左侧的较大的金属辐射片相连。

5.一种应用权利要求1～4任意一项所述基于三模谐振的超低剖面贴片天线的无线通信系统。

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