CN109888485B - 一种紧凑型低剖面多波束微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于无线通信中的多波束天线，具体涉及一种紧凑型低剖面多波束微带天线，它包括方形馈电贴片、长方形寄生贴片、介质基板、方形接地板；其中，方形馈电贴片、长方形寄生贴片和方形接地板分别贴装于介质基板的上表面和下表面；方形馈电贴片的每个边缘设置有M个短路探针，每个短路探针均由一个半径为r的金属圆柱组成且各个短路探针等距排列；长方形寄生贴片位于方形馈电贴片四周，包含有一个弧形缝隙和一个短路探针；方形馈电贴片的轴线、长方形寄生贴片的轴线、方形接地板的轴线相重合。本发明解决了现有反射面型多波束天线馈源必须与反射面保持一定距离的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信中的多波束天线领域，具体是一种紧凑型低剖面多波束微带天线。
背景技术
现代通信技术正处于快速发展阶段，单纯的仅有一个波束的天线已很难满足社会的需求，而多波束天线在增加频谱利用率，多目标跟踪，广域覆盖等特点，可以广泛应用于雷达、基站等领域。此外，由于多波束天线波束多，增益高，可用于卫星或预警飞机的通信设备上，实现大范围多目标跟踪。可见，多波束具有广阔的应用背景。
目前，对于多波束的形成人们更多的是采用反射面形成多波束，可以分为单口径单馈源、单口径多馈源和多口径单馈源三种形式。单口径单馈源多波束天线结构简单，但是存在旁瓣高、波束交叠增益低、扫描波束变形等问题。单口径多馈源需要复杂的馈电网络以及移相组件和控制组件，实现难度较大。多口径单馈源多波束天线不同口径天线对应的馈源阵形成的波束间隔排列，无需复杂的馈电网络，但存在天线数量多，种类和体积相对较大的问题。因此，近年来，众多学者提出了多种实现多波束辐射的方法。比如，在带有金属地的介质板上设计周期排列的矩形贴片（Li Y B, Wan X, Cai B G, et al. Frequency-Controls of Electromagnetic Multi-Beam Scanning by Metasurfaces[J].Scientific Reports, 2014, 4(4):6921.）；在两面均为金属的介质板上开周期性的缝隙结构（Yurduseven O, Smith D R. Dual-Polarization Printed HolographicMultibeamMetasurface Antenna[J]. IEEE Antennas & Wireless PropagationLetters, 2017, PP(99):1-1.）；使用短路探针组成介质波导（Yao Y, Cheng X, Wang C,et al. Wideband Circularly Polarized Antipodal Curvedly Tapered Slot AntennaArray for 5G Applications[J]. IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, 2017, 35(7):1539-1549.）等。尽管如此，目前技术天线馈源与反射面仍需保持一定的距离（如四分之一波长或焦点位置）实现多波束。
鉴于此，有必要提出一种馈源与辐射面在同一口径面上的多波束天线，以满足无线通信的发展需求。
发明内容
为了解决现有反射面型多波束天线剖面高的问题，本发明提供了一种紧凑型低剖面多波束微带天线。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种紧凑型低剖面多波束微带天线，包括方形馈电贴片、长方形寄生贴片、介质基板、方形接地板；
其中，方形馈电贴片、长方形寄生贴片和方形接地板分别贴装于介质基板的上表面和下表面；方形馈电贴片的四周放置有长方形寄生贴片；方形馈电贴片的轴线、长方形寄生贴片的轴线、方形接地板的轴线相重合；
方形馈电贴片中央和方形接地板中央之间贯通设置有同轴馈电孔；
方形馈电贴片的每个边缘设置有M个短路探针，每个短路探针均由一个半径为r的金属圆柱组成；各个短路探针一端连接方形馈电贴片，另一端连接方形接地板，中间穿过介质基板，各个短路探针等距排列；
各个方形馈电贴片和长方形寄生贴片相邻边缘之间的距离为S 1 (S 1的范围为0.4-1mm, 最优值为0.6mm)；且长方形寄生贴片上加载有一个弧形缝隙，并与方形接地板之间贯通开设有一个短路探针；
M为正整数。
工作时，4×M个短路探针在方形馈电贴片和方形接地板之间引入电感；同时方形馈电贴片上的4×M个短路探针还引入了低电位，有助于改善表面电流的分布。长方形寄生贴片通过耦合馈电，平行于短边的电流方向相同，激励起线极化波，实现多波束辐射。与现有反射面型多波束天线相比，本发明所述的一种紧凑型低剖面多波束微带天线通过在方形馈电贴片和方形接地板之间引入短路探针，改变了天线的谐振频率（由4.4GHz移动至5.3GHz），从而满足了无线通信的发展需求。
本发明结构紧凑，剖面低，有效解决了现有反射面多波束天线馈电必须与反射面保持一定距离的问题，适用于无线通信。
有益效果
本发明技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的特点和优点：
1.本发明采用了耦合馈电的思想来提高天线集成度。
2.本发明引入了短路探针，使得天线的阻抗得到匹配。
3.本发明引入了弧形缝隙，使得天线的工作带宽得以提升。
4.本发明符合目前多波束天线重量轻、体积小、剖面低的要求，可以实现四个方向的辐射波束。
5.本发明天线辐射效率高，结构简单，易于实现，整个研发周期较短。
附图说明
图1为本发明所述紧凑型低剖面多波束微带天线的结构示意图。
图2为图1 的俯视图。
图3为图1的侧视图。
图4为本发明所述紧凑型低剖面多波束微带天线的S 11示意图。
图5为本发明方形馈电贴片上不同数量短路探针时的S 11示意图。
图6为本发明长方形寄生贴片上有无弧形缝隙时的S 11示意图。
图7为本发明所述紧凑型低剖面多波束微带天线的三维辐射方向图。
图8为本发明在不同频点的增益曲线。
图中，1-方形馈电贴片，2-长方形寄生贴片，3-介质基板，4-方形接地板，5-短路探针,6-同轴馈电孔，7-弧形缝隙，8-短路探针。
具体实施方式
一种紧凑型低剖面多波束微带天线，包括方形馈电贴片1、长方形寄生贴片2、介质基板3、方形接地板4；
其中，方形馈电贴片1、长方形寄生贴片2和方形接地板4分别贴装于介质基板的上表面和下表面；方形馈电贴片1的四周放置有长方形寄生贴片2；方形馈电贴片的轴线1、长方形寄生贴片的轴线2、方形接地板4的轴线相重合；
方形馈电贴片1中央和方形接地板4中央之间贯通设置有同轴馈电孔6；
方形馈电贴片1的每个边缘设置有M个短路探针5，每个短路探针5均由一个半径为r的金属圆柱组成；各个短路探针5一端连接方形馈电贴片，另一端连接方形接地板，中间穿过介质基板，各个短路探针5等距排列；
各个方形馈电贴片1和长方形寄生贴片2相邻边缘之间的距离S1=0.6mm；且长方形寄生贴片2上加载有一个弧形缝隙7，并与方形接地板之间贯通开设有一个短路探针8；
M为正整数。
具体实施时，方形馈电贴片1的边长为37.6mm；与方形馈电贴片1相距0.6mm处放置的长方形寄生贴片2的长×宽为37.6mm×17.8mm；介质基板3的尺寸长×宽×高为150mm×150mm×1.6mm，方形接地板4的尺寸长×宽为150mm×150mm；方形馈电贴片1每个边缘的短路探针5数目为5个，短路探针5的半径为0.5mm，相邻短路探针2的中心间距为3.1mm；弧形缝隙7的内半径为14mm，宽度为0.8mm，弧度为116度；短路探针8的半径为0.5mm，与寄生贴片边缘的距离为2.7mm。
附图4示出了工作频率为5.3GHz的紧凑型低剖面多波束微带天线的S 11特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。可以看出，天线的-10dB阻抗带宽为5.22~ 5.42 GHz，相对带宽为3.8%。
附图5示出了方形馈电贴片上短路探针数量不同时天线的S 11。曲线1、2、3、4、5分别表示方形馈电贴片上引入0、1、3、5、7个短路探针后天线的S 11。通过图5可以看出：当短路探针的数量增加时，天线的谐振频率逐渐向高频移动，当每组短路探针增加至5个时，在5.3GHz处的反射系数达到了-18 dB，阻抗匹配良好，此时小于-10 dB的工作带宽约为170 MHz（从5.22 GHz到5.39 GHz）。继续增加短路探针的数量，天线的匹配特性急剧恶化。因此，方形馈电贴片上短路探针具有调节谐振频率的作用。
附图6示出了方形寄生贴上有无弧形缝隙时天线的S 11。曲线1表示长方形寄生贴片不含有弧形缝隙时的S 11，曲线2表示长方形寄生贴片上含有弧形缝隙时的S 11。通过图6可以看出：当增加弧形缝隙后，小于-10 dB的阻抗带宽由100 MHz（从5.26 GHz 到5.36 GHz）增加到170 MHz（从5.22 GHz到5.39 GHz），相对带宽为3.2%，工作带宽被大大展宽。
附图7示出了工作频率5.3GHz的紧凑型低剖面多波束微带天线的三维辐射方向图。可以看出，该天线在（0°，47°）、（90°，47°）、（180°，47°）和（270°，47°）同时产生四个辐射波束。
附图8示出了工作频率5.3GHz的紧凑型低剖面多波束微带天线的增益曲线。天线的增益范围是6.8-8.3dBi，最大增益达到了8.3dBi。
以上所述仅为本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应该构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基板思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种紧凑型低剖面多波束微带天线，包括方形馈电贴片1、长方形寄生贴片（2）、介质基板（3）、方形接地板（4）；方形馈电贴片（1）、长方形寄生贴片（2）和方形接地板（4）分别贴装于介质基板的上表面和下表面；方形馈电贴片（1）的四周放置有长方形寄生贴片（2）；方形馈电贴片的轴线（1）、长方形寄生贴片的轴线（2）、方形接地板（4）的轴线相重合；方形馈电贴片（1）中央和方形接地板（4）中央之间贯通设置有同轴馈电孔（6）；方形馈电贴片（1）的每个边缘设置有5个短路探针（5），每个短路探针（5）均由一个半径为r的金属圆柱组成；各个短路探针（5）一端连接方形馈电贴片，另一端连接方形接地板，中间穿过介质基板，各个短路探针（5）等距排列；各个方形馈电贴片（1）和长方形寄生贴片（2）相邻边缘之间的距离为0.4-1mm，且长方形寄生贴片（2）上加载有一个弧形缝隙（7），并与方形接地板之间贯通开设有一个短路探针（8）；方形馈电贴片（1）的数目为一个；长方形寄生贴片（2）的数目为四个；方形馈电贴片（1）上短路探针（5）的数目为二十个。
2.根据权利要求1所述一种紧凑型低剖面多波束微带天线， 其特征是20个短路探针在方形馈电贴片和方形接地板之间引入电感；同时方形馈电贴片上的20个短路探针引入了低电位，有助于改善表面电流的分布；长方形寄生贴片通过耦合馈电，平行于短边的电流方向相同，激励起线极化波，实现多波束辐射。
3.根据权利要求1所述一种紧凑型低剖面多波束微带天线， 其特征是频率为5.3GHz的紧凑型低剖面多波束微带天线的-10dB阻抗带宽为5.22~ 5.42 GHz，相对带宽为3.8%。
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