CN109818143A - 宽频微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽频微带贴片天线，包括底层的接地板金属贴片层、中间层的介质基板和顶层的辐射金属贴片层，接地板金属贴片层、介质基板和辐射金属贴片层紧密贴合连接，辐射金属贴片层包括第一矩形环贴片、第二矩形环贴片、馈线连接矩形贴片和若干矩形贴片，第二矩形环贴片位于第一矩形环贴片内侧，第二矩形环贴片相对两侧与第一矩形环贴片之间通过若干矩形贴片相连，馈线连接矩形贴片与第一矩形环贴片外侧连接，接地板金属贴片层整体呈长方形、长边一侧对称开有两个矩形槽，馈线连接矩形贴片与接地板金属贴片层之间通过馈线相连。本发明的宽频微带贴片天线频带宽，提升增益性能，能够保证在WLAN和蓝牙频段的无线通信中应用。
Description
技术领域
本发明属于天线通信的技术领域，特别是涉及一种宽频微带贴片天线。
背景技术
作为现代无线通信系统的关键部分，天线性能的优劣关系到整个系统的性能的好坏。随着无线通信系统的发展，对能够同时适用于射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网这几大主流物联网通信技术标准的宽频天线要求越来越高。
微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出的，它是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。它具有着集成度高、适合大批量生产、剖面低易于和飞行器共面等诸多优点，现在已广泛用于各类无线通信系统中。特别是随着移动通信的迅猛发展,移动终端设备日趋小型化的需求使微带天线的应用处于更加突出的地位。近年来，随着无线通讯技术的快速发展,人们对于宽带通信的需求日益增高,天线向宽带、高增益的方向发展已成为通信体制的必然趋势。在无线通信技术中，天线带宽是极其重要的因素，因为它决定了天线的应用范围。
对于简单的矩形贴片微带天线，理论上可以采用传输线模型来分析它的性能，假设辐射贴片的长度近似为半波长，宽度为W，介质基片的厚度为H，工作波长为λ；我们可以将辐射贴片、介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。那么，只考虑主模激励的情况下，辐射基本上可以认为是由辐射贴片的开路边缘引起的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频微带贴片天线，频带宽，提升增益性能，能够保证微带贴片天线在WLAN和蓝牙频段的无线通信中应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种宽频微带贴片天线，包括底层的接地板金属贴片层、中间层的介质基板和顶层的辐射金属贴片层，所述接地板金属贴片层、介质基板和辐射金属贴片层紧密贴合连接，所述辐射金属贴片层包括第一矩形环贴片、第二矩形环贴片、馈线连接矩形贴片和若干矩形贴片，所述第二矩形环贴片位于第一矩形环贴片内侧，所述第二矩形环贴片相对两侧与第一矩形环贴片之间通过若干矩形贴片相连，所述馈线连接矩形贴片与第一矩形环贴片外侧连接，所述接地板金属贴片层整体呈长方形、长边一侧对称开有两个矩形槽，所述馈线连接矩形贴片与接地板金属贴片层之间通过馈线相连。
所述第二矩形环贴片与第一矩形环贴片之间一侧通过第一矩形贴片连接、相对的另一侧通过依次相连的第二矩形贴片、第三矩形贴片和第四矩形贴片连接。
所述馈线连接矩形贴片位于第一矩形环贴片与内部矩形贴片的连接位置。
所述介质基板的整体尺寸为32mm×18mm×1.4mm。
所述第一矩形环贴片(3-1)外轮廓尺寸为15.5mm×16mm，所述第一矩形贴片的尺寸为1.5mm×9.8mm，所述第二矩形环贴片的尺寸为5.3mm×6.8mm，所述第二矩形贴片的尺寸为5.2mm×1.8mm，所述第三矩形贴片的尺寸为0.68mm×6mm，所述第四矩形贴片的尺寸为2.8mm×3.8mm，所述馈线连接矩形贴片的尺寸为2.6mm×3.9mm，所述辐射金属贴片层的厚度为2mm。
所述第二矩形环贴片中间孔尺寸为3.8mm×4.12mm。
所述接地板金属贴片层的尺寸为9.3mm×18mm，对称开设的矩形槽大小为1.4mm×3.6mm。
所述馈线的尺寸为1.6mm×12.5mm。
所用介质基板的材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介电损耗为0.0009。
有益效果
本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积、低剖面和易集成等特点，突破了现有微带贴片天线频带较窄、增益性能较低的缺点，天线的频带范围为2.1GHz-7.2GHz，相对工作带宽为110％，且完全覆盖增益较高的S波段，从而保证了该微带贴片天线可以在WLAN和蓝牙频段的无线通信中应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(不包括介质基板)。
图2为本发明的增益效果曲线图。
图3为本发明的回波损耗曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示的一种宽频微带贴片天线，包括底层的接地板金属贴片层1、中间层的介质基板和顶层的辐射金属贴片层3，接地板金属贴片层1、介质基板和辐射金属贴片层3紧密贴合连接形成天线整体。
辐射金属贴片层3包括第一矩形环贴片3-1、第二矩形环贴片3-2、馈线连接矩形贴片3-3和四块不同尺寸的矩形贴片。第二矩形环贴片3-2位于第一矩形环贴片3-1内侧，第二矩形环贴片3-2与第一矩形环贴片3-1之间一侧通过第一矩形贴片3-4连接、相对的另一侧通过依次相连的第二矩形贴片3-5、第三矩形贴片3-6和第四矩形贴片3-7连接。馈线连接矩形贴片3-3与第一矩形环贴片3-1外侧连接，馈线连接矩形贴片3-3位于第一矩形环贴片3-1与内部第四矩形贴片3-7的连接位置，馈线连接矩形贴片3-3能够增加天线的工作带宽。
天线的尺寸参数见下表，具体的：第一矩形环贴片3-1外轮廓尺寸为15.5mm×16mm，第一矩形贴片3-4的尺寸为1.5mm×9.8mm，第二矩形环贴片3-2的尺寸为5.3mm×6.8mm，第二矩形贴片3-5的尺寸为5.2mm×1.8mm，第三矩形贴片3-6的尺寸为0.68mm×6mm，第四矩形贴片3-7的尺寸为2.8mm×3.8mm，馈线连接矩形贴片3-3的尺寸为2.6mm×3.9mm，辐射金属贴片层3的厚度为2mm，第二矩形环贴片3-2中间孔尺寸为3.8mm×4.12mm。
表1
介质基板的整体尺寸为32mm×18mm×1.4mm，所用介质基板的材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介电损耗为0.0009。
接地板金属贴片层1整体呈长方形，长边一侧对称开有两个矩形槽。接地板金属贴片层1的尺寸为9.3mm×18mm，对称开设的矩形槽大小为1.4mm×3.6mm。
该天线的馈电方式是采用波端口通过微带馈线2来馈电，馈线连接矩形贴片3-3与接地板金属贴片层1之间通过馈线2相连，馈线2的尺寸为1.6mm×12.5mm。
无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输出到发射天线，由天线以电磁波辐射出去。天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间，因此，天线要与馈线阻抗进行匹配，匹配的程度直接影响功率传输的效率。此天线的微带馈线位于整个结构顶层的中心，与顶层金属贴片紧密相连，天线工作时，信号由顶层的微带馈线馈入，顶层和底层的金属辐射贴片与介质基板共同形成符合应用要求的宽频带天线。
由于天线是在自由空间中工作的，为了使设计天线工作参数更接近实际，在天线结构模型创建完成后，使用HFSS(仿真软件)分析天线性能参数时，需要将天线的边界条件设置为理想导体边界，辐射边界表面(即空气腔面)距离辐射体需要不小于，天线模型介质基板的底面需要设置为理想边界，天线的输入端口设置为共面波端口激励，且使微带馈线位于波端口的中心，将天线设置为快速扫频类型，对其在1GHZ-10GHZ频段的性能进行分析计算。
本发明采用基于有限元算法的HFSS全波仿真软件对所述天线结构进行仿真，天线的Gain参数和S11参数仿真结果如图2和图3所示。从图中可以看出，该天线的S11参数小于-10dB的频带范围为2.1GHz-7.2GHz，相对工作带宽为110％，与此同时，天线的增益性能相对来说也十分优异，其Gain参数在相同的带宽范围内都处于2.3dB以上，在2.45GHz处的增益为6.8dB，符合在实际应用中的工作条件。本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积、低剖面和容易集成的特点，使得贴片天线具有更好的移动性和穿透性，突破了频段较窄的缺点，使微带天线在这个频段内的应用范围得到了扩展。
一般来说，天线的各个特性参数都是频率的函数，在中心频率上天线可能具有最好的特性。回波损耗S11和增益Gain是天线性能优劣的两个重要参数，其中要求S11<-10dB并且在相同带宽内Gain>2.5dB才能说明天线有实际的应用价值。此天线的频带范围为2.1GHz-7.2GHz，相对工作带宽为110％，完全覆盖S波段且增益较高，该天线能够工作在WLAN的3个频带，包括2.45GHz、3.6GHz和5.2GHz，对应的增益分别为6.8dB、2.3dB、3.5dB。符合工作在蓝牙和WLAN的工作频段范围内的要求，所以它尤其适用于工作在这个频段内的现代无线通信系统中。
Claims (9)
1.一种宽频微带贴片天线，包括底层的接地板金属贴片层(1)、中间层的介质基板和顶层的辐射金属贴片层(3)，所述接地板金属贴片层(1)、介质基板和辐射金属贴片层(3)紧密贴合连接，其特征在于：所述辐射金属贴片层(3)包括第一矩形环贴片(3-1)、第二矩形环贴片(3-2)、馈线连接矩形贴片(3-3)和若干矩形贴片，所述第二矩形环贴片(3-2)位于第一矩形环贴片(3-1)内侧，所述第二矩形环贴片(3-2)相对两侧与第一矩形环贴片(3-1)之间通过若干矩形贴片相连，所述馈线连接矩形贴片(3-3)与第一矩形环贴片(3-1)外侧连接，所述接地板金属贴片层(1)整体呈长方形、长边一侧对称开有两个矩形槽，所述馈线连接矩形贴片(3-3)与接地板金属贴片层(1)之间通过馈线(2)相连。
2.根据权利要求1所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述第二矩形环贴片(3-2)与第一矩形环贴片(3-1)之间一侧通过第一矩形贴片(3-4)连接、相对的另一侧通过依次相连的第二矩形贴片(3-5)、第三矩形贴片(3-6)和第四矩形贴片(3-7)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述馈线连接矩形贴片(3-3)位于第一矩形环贴片(3-1)与内部矩形贴片的连接位置。
4.根据权利要求1所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述介质基板的整体尺寸为32mm×18mm×1.4mm。
5.根据权利要求2所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述第一矩形环贴片(3-1)外轮廓尺寸为15.5mm×16mm，所述第一矩形贴片(3-4)的尺寸为1.5mm×9.8mm，所述第二矩形环贴片(3-2)的尺寸为5.3mm×6.8mm，所述第二矩形贴片(3-5)的尺寸为5.2mm×1.8mm，所述第三矩形贴片(3-6)的尺寸为0.68mm×6mm，所述第四矩形贴片(3-7)的尺寸为2.8mm×3.8mm，所述馈线连接矩形贴片(3-3)的尺寸为2.6mm×3.9mm，所述辐射金属贴片层(3)的厚度为2mm。
6.根据权利要求1所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述第二矩形环贴片(3-2)中间孔尺寸为3.8mm×4.12mm。
7.根据权利要求1所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述接地板金属贴片层(1)的尺寸为9.3mm×18mm，对称开设的矩形槽大小为1.4mm×3.6mm。
8.根据权利要求1所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所述馈线(2)的尺寸为1.6mm×12.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种宽频微带贴片天线，其特征在于：所用介质基板的材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介电损耗为0.0009。
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