CN110165404B - 具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板的垂直中分面上具有一缝隙，微带馈线在金属反射地板上的投影与该缝隙垂直相交，介质贴片的具有两对相对于介质贴片的中心线对称布置的内壁印刷金属的槽，槽的开口方向与微带馈线垂直。本发明首先利用介质贴片谐振器的各向异性特性提高天线的增益，并且介质贴片和上介质基板的介电常数的差值越大，天线的增益越高。接着充分利用介质贴片的多模特性，通过引入敷银槽来使高次模TM121模式接近TM101模式，由此拓展天线的带宽。

Description

具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线。
背景技术
金属贴片天线和介质谐振器天线是两种著名的被广泛运用在现代无线通信中的天线。金属贴片天线有许多比介质谐振器天线好的优点，例如低剖面和高增益，并且已经发展了许多拓展工作带宽的技术来克服它带宽窄的重要缺点，因为宽带天线能够覆盖更多的通信频段，来代替多个窄带天线。这不仅可以提高无线通信系统的效率，而且也减少了天线数量、加工成本和天线之间较严重的耦合效应。但是，由于低频逐渐拥挤，射频前端的频率持续上升，甚至到达了毫米波频段。贴片天线的导体损耗变得严重，导致辐射效率的降低。这时，介质谐振器天线接近零的导体损耗变得很受欢迎。
为了满足宽带通信的需求，在过去提出了很多方法来设计宽带介质谐振器天线。一个方法是，通过特殊形状的介质谐振器来合并多个模式，例如阶梯型、E型和高长高比型。另一种方法是使用各种类型的混合馈电结构来增加耦合或者引入新的谐振，例如L型微带线、环型槽和CPW馈电结构。但是，值得注意的是，上述设计都是高剖面设计。为了解决这个问题，提出了一个准平面圆形介质贴片天线。它有着类似金属贴片天线的特性。由于类似腔模的模式存在，它的增益比传统介质谐振器天线的增益高了0.5-1dBi。随后，这个设计概念被用来设计一款为未来5G通信服务的工作在28GHz的天线和阵列上，展现了比传统金属贴片天线更宽的带宽和更高的辐射效率。但是，到目前为止，还没有针对介质贴片天线的理论分析。此外，在微波频段工作的介质贴片天线的带宽大约只有1％，这将成为大规模应用的阻碍。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，一是利用介质贴片谐振器的各向异性特性提高天线的增益，并且介质贴片和上介质基板的介电常数的差值越大，天线的增益越高；二是充分利用介质贴片的多模特性，通过引入敷银槽来使高次模TM121模式接近TM101模式，由此拓展天线的带宽。
为了达到上述目的，本发明提出的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，所述下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板的垂直中分面上具有一耦合缝隙，所述微带馈线在金属反射地板上的投影与该耦合缝隙垂直相交，所述介质贴片和上介质基板堆叠构成天线的谐振器，所述介质贴片的具有两对相对于介质贴片的中心线对称布置的内壁印刷金属的槽，所述槽的开口方向与微带馈线垂直。
进一步的，本发明还具有如下特征：
介质贴片的介电常数高于上介质基板的介电常数；介质贴片和上介质基板的厚度均小于一个自由空间的波长；堆叠的介质贴片谐振器近似为一个各向异性的媒质，等效的介电常数中沿x轴方向的上表面的介电常数等于沿y轴方向的上表面的介电常数，沿x轴或y轴方向的上表面的介电常数大于沿z轴方向的侧壁的介电常数；在计算具有各向异性的介质贴片谐振器的谐振模式的频率时，介质贴片谐振器被转化为一个传统介质谐振器，有效介电常数为沿x轴或y轴方向的上表面的介电常数和沿z轴方向的侧壁的介电常数的和的一半，有效厚度为介质贴片的厚度和上介质基板的厚度的和的两倍。
本发明首次提出一个针对低剖面介质贴片天线的带宽增强技术。低剖面介质贴片用胶水粘在基板上，把这个整体当作是一个各向异性的介质谐振器。可以发现，用于该天线设计的工作模式仍是介质谐振器的模式，而不是腔模，该天线增益的提高是由于各向异性的特性，并且介质贴片和上介质基板的介电常数的差值越大，天线的增益越高。接着，介质贴片上的敷银槽被添加在TM121模式电场分布较强的位置，来降低它的频率。因此可以通过将TM101模式和TM121模式合并在一起来拓展天线的带宽。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明宽带介质贴片天线的分解图。
图2是本发明宽带介质贴片天线的俯视图。
图3是介质贴片谐振器在不同的敷银槽长度下的频率变化曲线。
图4是介质贴片谐振器在不同的敷银槽宽度下的频率变化曲线。图5是介质贴片谐振器在不同的敷银槽间距下的频率变化曲线。
图6是无槽介质贴片天线仿真反射系数(S11)和增益曲线图。
图7是本发明宽带介质贴片天线仿真反射系数(S11)和增益曲线图。
图8是本发明宽带介质贴片天线在4.68GHz频率点下的仿真的天线辐射E面和H面方向图。
图9是本发明宽带介质贴片天线在5.31GHz频率点下的仿真的天线辐射E面和H面方向图。
表1是工作在TM101模式下具有不同介电常数、相同尺寸和相同工作频率的介质贴片天线的增益对比表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本实施例中，首先利用图1中未开槽的介质贴片1和上层介质基板3组成天线的谐振器，并对其进行理论分析。将介质贴片谐振器沿着z轴的四个侧面看作磁壁，底部金属反射地板看作电壁。由于电壁的存在，可以镜像介质贴片谐振器和主模(最低阶谐振模式)TM101的电场分布。当单个材料的厚度远小于一个自由空间的波长时，堆叠的介质贴片谐振器可以近似为一个各向异性的媒质，等效介电常数为εrx＝23.4，εry＝23.4，εrz＝6.35。具有各向异性特性的介质贴片谐振器在分析时可以被转化为一个传统的介质谐振器，其有效介电常数为εreff＝(εrx+εrz)/2，厚度为heff＝2×(hd+h1)。根据沿z轴方向的电场分量的亥姆霍兹方程、边界条件以及各交界面的切向场连续性条件，可以获得介质贴片谐振器的TM101模式的频率。
本实施例中，得益于介质贴片谐振器的多模特性，矩形槽2被刻蚀在介质贴片1上并在其三个内表面敷上金属银，由此来降低高次模TM121模式的频率，使其靠近TM101模式，以便于拓展天线带宽。敷银槽的电容效应能够对谐振模式的电场分布产生影响。由于沿着x轴的介质贴片边缘的TM101模式的电场分布比相同位置的TM121模式的电场分布弱，所以敷银槽对TM121模式的影响大于TM101模式。如图3-图5所示，TM101模式和TM121模式所对应的频率之间的距离随着敷银槽的长度Ls和宽度Ws增大或者两个敷银槽之间的距离Ds减小而减小。
在上述工作的基础上，构造了如图1所示的本实施例具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，该天线是由孔耦合结构来馈电的。具体包括自下而上依次层叠设置的下介质基板6、金属反射地板5、上介质基板3和介质贴片1。介质贴片1为低剖面矩形介质贴片，通过胶水粘在上介质基板上的中心处。下介质基板6的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线7。下介质基板6为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板5，底层为微带馈线7。金属反射地板5的垂直中分面上具有一沿着微带馈线的中心线对称设置缝隙4，微带馈线7在金属反射地板5上的投影与该缝隙4垂直相交。介质贴片1的具有两对相对于介质贴片的中心线对称布置的内壁印刷金属银的槽2，槽2的开口方向与微带馈线7垂直。
本实施例天线的参数见下表
参数 L<sub>d</sub> h<sub>d</sub> L<sub>g</sub> W<sub>g</sub> h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> L<sub>s</sub>
值(mm) 25 1.4 60 55 1.524 0.813 3.7
参数 W<sub>s</sub> D<sub>s</sub> L<sub>c</sub> W<sub>c</sub> L<sub>f</sub> W<sub>f</sub>
值(mm) 0.9 11 8.6 2.5 24 2.6
Ld为介质贴片的宽度，hd为介质贴片高度，Lg为上基板的长度，Wg为上基板的宽度，h1为上基板的高度，h2为下基板的高度，Ls为敷银槽的长度，Ws为敷银槽的宽度，Ds为两个敷银槽之间的距离，Lc为耦合缝隙的长度，Wc为耦合缝隙的宽度，Lf为微带馈线的长度，Wf为微带馈线的长度。介质贴片1的介电常数εr1＝45，损耗角为tanδ＝1.9×10-4；上介质基板3和下介质基板6的介电常数εr2＝3.55，损耗角为tanδ＝2.7×10-4。通过改变敷银槽的长度Ls、宽度Ws以及两个敷银槽之间的距离Ds能够调节天线的高阶模式TM121的频率所在的位置。通过改变耦合缝隙的长度Lc和宽度Wc，以及微带馈线的长度Lf和宽度Wf能够调节天线的输入匹配。
图6为直接由缝隙耦合馈电的无槽介质贴片天线的仿真反射系数(S11)和增益。从图6可以看出，该介质贴片天线的增益比传统介质谐振器天线增益高，这可以归因于介质贴片天线的各向异性特性。在本设计中，电磁辐射来源于介质贴片天线的沿着z轴方向的侧壁和沿着x轴方向的上表面，这两处所对应的反射系数为Rz＝0.43，Rx＝0.66。Rx大于Rz表示来自沿着z轴方向的侧壁的电磁辐射比来自沿着x轴的上表面的要多，这展示了类似腔模的特性。由此，介质贴片天线在主轴上的增益被增强并高于传统介质谐振器天线。如表1所述，随着介质贴片和上介质基板的介电常数的差值增大，介质贴片天线的辐射机理逐渐接近金属贴片天线的辐射机理，其增益逐渐增大。
表1
Figure BDA0002091094690000061
图7为本实施例宽带介质贴片天线的仿真反射系数(S11)和增益。从图6和图7可以看出，敷银槽会拉低TM121模式的频率，使其靠近TM101模式。本实施例宽带介质贴片天线的阻抗带宽为18.4％(4.49-5.42GHz)，并且在4.68GHz和5.31GHz两个频率点的增益分别为7.34dBi和7.92dBi。在4.68GHz频率点的E和H平面辐射图如图8所示，在5.31GHz频率点的E和H平面辐射图如图9所示。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，所述下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板的中部具有一耦合缝隙，所述微带馈线在金属反射地板上的投影与该耦合缝隙垂直相交，所述介质贴片和上介质基板堆叠构成天线的谐振器，所述介质贴片具有两对相对于介质贴片的中心线对称布置的内壁印刷金属的槽，所述槽的开口方向与微带馈线垂直。
2.根据权利要求1所述的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，其特征在于：介质贴片的介电常数高于上介质基板的介电常数，介质贴片和上介质基板的厚度均小于一个自由空间的波长；堆叠的介质贴片谐振器近似为一个各向异性的媒质，等效的介电常数中沿x轴方向的上表面的介电常数等于沿y轴方向的上表面的介电常数，沿x轴或y轴方向的上表面的介电常数大于沿z轴方向的侧壁的介电常数；在计算具有各向异性的介质贴片谐振器的谐振模式的频率时，介质贴片谐振器被转化为一个传统介质谐振器，有效介电常数为沿着x轴或y轴方向的上表面的介电常数和沿z轴方向的侧壁的介电常数的和的一半，有效厚度为介质贴片的厚度和上介质基板的厚度的和的两倍。
3.根据权利要求1所述的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片为低剖面矩形介质贴片，通过胶水粘在上介质基板的中心处。
4.根据权利要求1所述的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，其特征在于：所述槽为矩形槽，槽的内壁涂覆金属为银、铜、锡或金。
5.根据权利要求1所述的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，其特征在于：所述耦合缝隙沿着微带馈线的中心线对称设置。
6.根据权利要求1所述的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，其特征在于：所述下介质基板为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板，底层为所述的微带馈线。
7.根据权利要求1所述的具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线，其特征在于：所述内壁涂覆有金属的槽位于主模TM101的电场分布较弱而高次模TM121的电场分布较强的位置。
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