CN110336124B - 基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线、无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线、无线通信系统，矩形辐射微带与L型辐射微带附着于介质基板，位于天线的最上层；介质基板位于基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的中间层；金属地板位于介质基板的下层；矩形辐射微带与L型辐射微带之间有一缝隙用以辐射线极化电磁波；矩形辐射微带的中心以及L型辐射微带的拐角处放置短路销钉；金属地板位于整个天线的最下方，安装射频接头。本发明解决了传统微带天线在结构紧凑条件下带宽较窄的问题；在保证天线增益的同时，具有单极型辐射方向图；能较好地应用于无线通信系统。

Description

基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线、无线通信系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线、无线通信系统。
背景技术
微带天线以其尺寸小、重量轻、易于与无线设备集成等特点在现代无线通信技术中得到了越来越多的应用。随着现代通信技术的发展，对微带天线设计的要求越来越严格，在保证其结构紧凑的同时还要具有较宽的带宽。因此，研究具有带宽增强能力的紧凑型微带天线具有实际意义。然而，传统微带天线的相对带宽一般只有1％左右，另外若要减小天线的尺寸，天线的带宽可能更窄。所以近年来关于如何展宽微带天线带宽、缩小微带天线尺寸的研究越来越广泛。目前，最接近的现有技术为：对于减小微带天线的尺寸，通常采用高介电常数的介质基板、在辐射贴片上或者地板上开线性槽，或者激发零次模等方法。现有技术一“现代天线设计”通过采用高介电常数介质(εr＝9.8)，实现微带天线结构紧凑的特点，天线的厚度为0.026λ0，但所采用的高介电常数介质加工成本高，且具有较高的Q值，导致其带宽只有1％。现有技术二“带宽增强的超低剖面紧凑型贴片天线”通过在辐射贴片上开的线性槽，天线尺寸可减小至0.1λ0×0.1λ0×0.01λ0，但天线结构复杂，加工难度增大，且交叉极化大，增益低。现有技术三“基于双臂螺旋结构的紧凑型零阶谐振天线”通过激发零次模的方法，实现天线结构紧凑的特性，并产生单极型辐射方向图，但其等效电路为LC谐振回路，因此天线带宽只有1％。
上述天线虽然都实现了微带天线结构紧凑的特性，但是天线存在带宽太窄或者结构复杂的问题，阻碍了天线在通信系统中的应用。因此，设计出结构简单、带宽较宽的结构紧凑型微带天线是天线技术领域亟需解决的问题，具有较大的实用意义。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术一天线的厚度为0.026λ0，但加工成本高，且带宽只有1％。
(2)现有技术二天线结构复杂，加工难度增大，且交叉极化大，增益低。
(3)现有技术三天线带宽只有1％。
解决上述技术问题的难度：
传统微带天线的相对带宽一般只有1％，为了展宽其带宽采用的多种方式，或增加了天线的复杂度、或增大了天线尺寸，使其应用效果变差。本发明在保证天线结构简单的条件下，减小了天线尺寸，同时增加了其带宽。
解决上述技术问题的意义：
微带天线由于其体积小、重量轻、剖面低等优势被广泛应用于雷达、卫星导航、卫星通信以及飞行器设计等多个领域。但是窄频带特性是其应用发展受限的显著劣势。因此，本发明在保证微带天线结构紧凑的前提下展宽了天线带宽，使其能更好的应用于实际工程。
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双模融合的带宽增强紧凑型微带天线、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线，所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线设置有：
矩形辐射微带；
矩形辐射微带与L型辐射微带附着于介质基板，位于天线的最上层；介质基板位于基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的中间层；金属地板位于介质基板的下层；
所述矩形辐射微带与L型辐射微带之间有一缝隙用以辐射线极化电磁波；
所述矩形辐射微带中心以及L型辐射微带拐角处放置短路销钉；
所述金属地板位于整个天线的最下方，安装射频接头。
进一步，所述矩形辐射微带是天线的辐射单元；矩形辐射微带的长宽分别为0.17λ0、0.14λ0，λ0为基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线工作频段的中心频率处波长；矩形辐射微带中心位置放置短路销钉，短路销钉的直径为2mm；在矩形辐射微带中心放置短路销钉。
进一步，所述L型辐射微带是天线的辐射单元，通过同轴探针进行馈电；L型辐射微带的长边长为0.17λ0、短边长0.11λ0、宽为0.04λ0、微带线宽0.01λ0；L型辐射微带拐角处放置短路销钉，短路销钉的直径为1mm；L型辐射微带产生非辐射模，与矩形辐射微带及短路销钉所激发的零次模共同作用。
进一步，所述矩形辐射微带与L型辐射微带之间有一宽度为0.9mm的缝隙，用于辐射线极化电磁波，与L型辐射微带的长度一同影响非辐射模的谐振频率。
进一步，所述介质基板位于天线的中间层；介质板的介电常数为εr＝2.2，介质基板厚度为0.026λ0，实现基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的低剖面特性。
进一步，所述射频接头置于金属地板的下侧，所述射频接头的同轴探针穿过所述介质基板，与辐射微带贴片进行焊接，所述射频接头的外皮与金属地板连接。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的无线通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的航天航空系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的雷达。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明天线尺寸仅有0.17λ0×0.22λ0×0.026λ0，带宽可达4.2％，明显在增强天线带宽的同时，缩小了天线的物理尺寸；而且本技术天线结构简单，易于实现与加工，降低了天线的成本。
矩形辐射微带的长宽分别为0.17λ0、0.14λ0；矩形辐射微带中心位置放置短路销钉，短路销钉的直径为2mm；在矩形辐射微带中心放置短路销钉，产生单极型辐射方向图，激发零次模，实现了基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线结构紧凑的特性；L型辐射微带的长边长为0.17λ0、短边长0.11λ0、宽为0.04λ0、微带线宽0.01λ0；L型辐射微带拐角处放置短路销钉，短路销钉的直径为1mm；L型辐射微带产生非辐射模，与上述矩形辐射微带及短路销钉所激发的零次模共同作用，使得基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线形成双模谐振模式，通过调整双模的间隔实现带宽增强的特性；矩形辐射微带与L型辐射微带之间有一宽度为0.9mm的缝隙，用以辐射线极化电磁波，与L型辐射微带的长度一同影响非辐射模的谐振频率；所述介质基板位于天线的中间层；介质板的介电常数为εr＝2.2，介质基板厚度为0.026λ0，实现基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的低剖面特性。
本发明的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线，采用单点馈电，辐射线极化电磁波。整个天线具有结构紧凑的特性，天线的整体尺寸为0.17λ0×0.22λ0×0.026λ0，这一天线尺寸明显小于传统微带天线，实现结构紧凑特性的原理是：在矩形辐射贴片中心放置短路销钉，短路销钉等效为一个大小与其半径有关的电感，有效激励贴片天线的零次模；电磁波在介质上下表面和销钉之间的腔体传播，缩小了天线尺寸。本发明天线具有双模融合的特性，所融合的两个模式为零次模和非辐射模，产生双模的原理是：矩形辐射微带以及其中心的短路销钉等效为RLC谐振回路，激发零次模；L型辐射微带以及其与矩形辐射微带的缝隙联合等效为LC谐振回路，激发非辐射模。本发明天线具有带宽增强的特性，频带范围为2.35GHz—2.45GHz(4.2％)，带宽增强特性的原理是：通过调整矩形辐射微带的大小，调整零次模的谐振频率，产生一个低频谐振点；通过调节L型辐射微带的长度，调整LC等效电路中的电感，以及通过调节矩形辐射微带与L型辐射微带之间的缝隙，调整LC等效电路中的电容，从而控制非辐射模的谐振频率，在上述低频谐振点附近再产生一个高频谐振点；通过将上述两个谐振点的间距调节到一个最佳位置，实现带宽增强的特性。
综上所述，针对现有的移动通信中如何实现减小天线尺寸，以及难以实现宽带特性的问题。本发明采用在矩形微带贴片中心放置短路销钉的方式；实现天线结构紧凑的特性，解决了传统微带天线的尺寸较大的问题。本发明采用在矩形微带贴片附近耦合L型微带线的方式；实现天线带宽增强的特性，解决了传统微带天线在结构紧凑条件下带宽过窄的问题。本发明在保证天线高性能的同时，具有单极型辐射方向图。此外，本发明天线具有结构简单、易于加工的优点，可以应用于现代无线通信领域。
表1是本发明实施案例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线与现有技术的对比
Figure GDA0002181534160000051
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线、无线通信系统
图2是本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的剖面图。
图3是本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线端口的反射系数曲线图。
图4是本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线在2.37GHz的E面方向图和H面方向图。
图5是本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线在2.43GHz的E面方向图和H面方向图。
图6是本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线端口的增益变化。
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尺寸较大、结构复杂、带宽较窄，阻碍了天线在通信、航空航天等系统中的应用的问题。本发明在保证微带天线结构紧凑的同时，增强了带宽，并且结构简单，易于加工制造。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线包括：
矩形辐射微带1，矩形辐射微带1位于天线的最上层，矩形辐射微带1采用印刷电路工艺制造，印刷在介质基板的3上；在矩形辐射微带1中心，放置一个短路销钉5，激发零次模，减小天线尺寸；
L型辐射微带2，L型辐射微带2位于天线的最上层，L型辐射微带2采用印刷电路工艺制造，印刷在介质基板的3上；在L型辐射微带末端开金属通孔，用来穿过同轴探针7，通过同轴探针7给L型辐射微带2馈电；在L型辐射微带2的拐角处，放置短路销钉6；
介质基板3，介质基板3位于整个天线的中间层；
金属地板4，金属地板4位于天线的最下方；射频接头的同轴探针7穿过金属地板4与介质基板3，在介质基板3中的通孔与L型辐射微带2焊接，射频接头的同轴探针7的外皮与金属地板4连接。
本发明实现天线结构紧凑特性的原理是：通过在矩形辐射贴片1中心放置短路销钉5，短路销钉5等效为一个大小与其半径有关的电感，有效激励贴片天线的零次模，缩小了天线尺寸。本发明天线具有双模融合的特性，产生双模的原理是：矩形辐射微带1以及其中心的短路销钉5等效为RLC谐振回路，激发零次模；L型辐射微带2以及其与矩形辐射微带1的缝隙联合等效为LC谐振回路，激发非辐射模。本发明实现带宽增强特性的原理是：通过调整矩形辐射微带1的大小，调整零次模的谐振频率，产生一个低频谐振点；通过调节L型辐射微带2的长度，调整LC等效电路中的电感，以及通过调节矩形辐射微带1与L型辐射微带2之间的缝隙，调整LC等效电路中的电容，从而控制非辐射模的谐振频率，在上述低频谐振点附近再产生一个高频谐振点；通过将上述两个谐振点的间距调节到一个最佳位置，实现带宽增强的特性。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真内容
请参考图3至图6。利用仿真软件对上述实施例天线的端口反射系数、天线方向图及增益进行了仿真。
2、仿真结果
图3是对实施例天线仿真得到的端口反射系数随工作频率变化的曲线。可以看到，端口表现出良好的宽带特性。端口反射系数低于-10dB的频段为2.35GHz—2.45GHz(4.2％)很好地实现了天线带宽增强的特性，能较好的满足移动通信对带宽需求。
图4、图5是对实施例天线仿真得到的E面方向图和H面方向图，分别在2.37GHz和2.43GHz获得。可以看到，天线在不同频点都可以实现单极型辐射方向图。
图6是本发明实施例天线仿真得到的最大增益随频率变化曲线图，在2.35GHz—2.45GHz内增益稳定在4dBi左右，增益符合天线尺寸。
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 (7)

1.一种基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线，其特征在于，所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线设置有：
矩形辐射微带和L型辐射微带；
矩形辐射微带与L型辐射微带附着于介质基板，位于天线的最上层；介质基板位于天线的中间层；金属地板位于介质基板的下层；所述金属地板位于整个天线的最下方，安装有射频接头；
矩形辐射微带中心放置第一短路销钉；
所述L型辐射微带通过同轴探针进行馈电；L型辐射微带的长边长为0.17λ0、短边长0.11λ0、长边和短边中间的边长为0.04λ0、微带线宽0.01λ0，λ0为基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线工作频段的中心频率处波长；L型辐射微带拐角处放置第二短路销钉，第二短路销钉的直径为1mm；所述矩形辐射微带与L型辐射微带之间有一宽度为0.9mm的缝隙，与L型辐射微带的长度一同影响非辐射模的谐振频率；
矩形辐射微带以及其中心的第一短路销钉等效为RLC谐振回路，激发零次模；L型辐射微带以及其与矩形辐射微带的缝隙等效为LC谐振回路，激发非辐射模。
2.如权利要求1所述的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线，其特征在于，所述矩形辐射微带是天线的辐射单元；矩形辐射微带的长宽分别为0.17λ0、0.14λ0，λ0为基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线工作频段的中心频率处波长；矩形辐射微带中心位置的第一短路销钉的直径为2mm。
3.如权利要求1所述的基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线，其特征在于，所述射频接头置于金属地板的下侧，所述射频接头的同轴探针穿过所述介质基板，与L型辐射微带进行焊接，所述射频接头的外皮与金属地板连接。
4.一种应用权利要求1所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的无线通信系统。
5.一种应用权利要求1所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的航天航空系统。
6.一种应用权利要求1所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的信息数据处理终端。
7.一种应用权利要求1所述基于双模融合的带宽增强紧凑型微带天线的雷达。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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