CN110429379A - 具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，包括介质板(10)、辐射片(20)以及金属地(30)，介质板(10)的一侧安装辐射片(20)，另一侧安装金属地(30)，辐射片(20)被间隙(21)分割成中心对称的两部分。通过引入间隙(21)和中心对称结构在天线物理尺寸不变的情况下，间隙(21)耦合降低了传统1/4波长短路贴片天线的谐振频率，减小了天线的电尺寸；同时还实现了单端口双频工作，能够在低频段和高频段分别产生和波束型和差波束型的对称方向图，因此无需额外设计双端口功分网络进行和差波束切换，降低了系统体积。

Description

具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，紧凑、多功能的射频前端产品已经逐渐成为无线通信系统的发展趋势。短路贴片天线由于其简易便于加工的结构和约1/4波长的紧凑外形，在便携设备天线和小型化天线设计中得到了广泛的应用。

在一些飞行器或车载雷达应用中，需要天线产生和波束和差波束两种类型的方向图来实现角度测量。为实现这一功能，通常需要设计双馈电端口和功分网络进行端口切换，造成天线系统体积较大。如图1所示，为传统短路贴片天线结构示意图，包括介质板(10)、辐射片(20)以及金属地(30)，介质板(10)的一侧设置有辐射片(20)，另一侧设置有金属地(30)，辐射片(20)上还设置有馈电接口(22)和金属化孔(23)，但该设计由于其辐射结构的不对称性，天线的辐射方向图也不对称，如图6所示，为相同物理尺寸下传统短路贴片天线的反射系数，如图10所示，为相同物理尺寸下传统短路贴片天线的方向图，传统短路贴片天线由于短路部分的泄露辐射导致天线E面方向图在俯仰方向倾斜，同时天线在H面的交叉极化较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线。

根据本发明提供的一种具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，包括介质板10、辐射片20以及金属地30，介质板10的一侧设置有辐射片20，另一侧设置有金属地30，辐射片20设置有间隙21；

间隙21将辐射片20分割为第一辐射片区24和第二辐射片区25

辐射片20上还设置有馈电接口22，馈电接口22设置在间隙21的一侧；

所述辐射片20上还设置有金属化孔23，辐射片20与金属地30通过金属化孔23连接。

优选地，第一辐射片区24和第二辐射片区25共同组成中心对称结构；

第一辐射片区24采用正方形、长方形、平行四边形、三角形以及菱形；

第二辐射片区25采用正方形、长方形、平行四边形、三角形以及菱形。

优选地，间隙21为直线型或折线型；

间隙21为中心对称结构。

优选地，金属地30为一块金属。

优选地，金属化孔23包括第一金属孔26和第二金属孔27；

第一金属孔26设置在靠近间隙21一端的第一辐射片区24的边部；

第二金属孔27设置在靠近间隙21另一端的第二辐射片区25的边部；

第一金属孔26的数量为多个；

第二金属孔27的数量为多个；

第一金属孔26和第二金属孔27共同组成中心对称的结构。

优选地，所述馈电接口22为单端口馈电；

馈电接口22的外导体与金属地30相连，馈电接口22的内导体与一侧的辐射片20相连。

优选地，包括两个工作频段，低频段工作频率和高频段工作频率。

优选地，低频段工作频率与间隙21宽度成正相关关系，高频段工作频率与间隙21宽度成负相关关系。

优选地，所述的低频段工作频率方向图为和波束，即俯仰角方向为辐射极点；

所述高频段工作频率方向图为差波束，即俯仰方向为辐射零点。

优选地，所述的低频段工作频率和高频段工作频率都具有对称的方向图。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、可以实现双频段工作并在低频段和高频段分别产生和波束和差波束方向图，同时相较于传统短路贴片天线具有更小的电尺寸。

2、在辐射片上开设间隙将辐射片分割成中心对称的两部分并设置关于辐射片中心点对称的金属化孔，从而在不改变天线物理尺寸的情况下获得了对称的辐射结构。

3、通过间隙耦合进一步降低了天线低频段的工作频率并实现了窄波束高增益的和波束型方向图，同时间隙还引入了额外的工作模式在高频段实现了差波束型方向图。

4、具有结构简单、紧凑的优点，在双频段都实现了稳定对称的方向图，并在未引入额外馈电端口和功分网络的前提下实现了单端口和差波束切换功能，适用于无线通信系统中紧凑型的射频前端。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为传统短路贴片天线结构示意图；

图2为间隙耦合短路贴片天线结构示意图；

图3为间隙耦合短路贴片天线实施例的结构示意图；

图4为间隙耦合短路贴片天线实施例的结构示意图；

图5为间隙耦合短路贴片天线的反射系数；

图6为相同物理尺寸下，传统短路贴片天线的反射系数；

图7为间隙耦合短路贴片天线间隙宽度对反射系数的影响；

图8为间隙耦合短路贴片天线低频段方向图；

图9为间隙耦合短路贴片天线高频段方向图；

图10为相同物理尺寸下，传统短路贴片天线的方向图；

图11为间隙耦合短路贴片天线实施例的结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，如图2所示，包括介质板10、辐射片20以及金属地30，介质板10的一侧设置有辐射片20，用于发射电磁波能量，另一侧设置有金属地30，用于承载天线并提供接地信号。辐射片20上设置有间隙21，间隙21将辐射片20分割为第一辐射片区24和第二辐射片区25，第一辐射片区24和第二辐射片区25共同组成中心对称结构，第一辐射片区24采用正方形、长方形、平行四边形、三角形以及菱形，第二辐射片区25采用正方形、长方形、平行四边形、三角形以及菱形。在一个优选例中，如图2所示，第一辐射片区24和第二辐射片区25均为长方形；在一个变化例中，如图3所示，第一辐射片区24和第二辐射片区25为平行四边形；在另一个变化例中，如图4所示，第一辐射片区24和第二辐射片区25为三角形。

如图2所示，辐射片20上还设置有馈电接口22，馈电接口22为单端口馈电，馈电接口22设置在间隙21的一侧；在一个优选例中，天线采取同轴馈电方式，馈电接口22的内导体与一侧的辐射片20相连，馈电接口22的外导体与金属地30相连，通过调整馈电接口22到金属化孔23、间隙21的距离可以分别独立调节低频段和高频段天线的输入阻抗实现阻抗匹配。例如，介质板10为空气介电常数的正方型泡沫介质，介质板10的尺寸为100㎜×100×1㎜，辐射片20尺寸为28㎜×28㎜，辐射片20被宽度为0.2mm的间隙21分割成两个中心对称的部分；天线的工作频率主要由辐射片20沿间隙21方向的长度和介质板10参数决定。当工作频率改变时，辐射片大小尺寸或介质板也应做出相应的改变。间隙21两侧的辐射片20设置的一排金属化孔23，调节金属化孔23的长度可以调节天线的带宽和频率。

具体地，天线包括两个工作频段，低频段工作频率和高频段工作频率；低频段工作频率与间隙21宽度成正相关关系，高频段工作频率与间隙21宽度成负相关关系。通过改变间隙21的宽度可以在不改变辐射片20尺寸的情况下实现天线谐振频率调节，增加设计的灵活度。当间隙21的宽度增加时，天线在低频段的工作频率上升，高频段的工作频率减小。通过改变间隙21的形状也可以在不改变辐射片20尺寸的情况下实现天线谐振频率的调节。

具体地，间隙21为直线型或折线型，间隙21为中心对称结构，在一个优选例中，如图2、图3、图4所示，间隙21为直线型；在一个变化例中，如图11所示，间隙21为折线型。

具体地，金属地30为一块金属，金属地30上开孔以供馈电接口22馈电。在一个优选例中，金属地30由一块完整的金属板组成。

具体地，辐射片20上还设置有金属化孔23，如图2所示，金属化孔23包括第一金属孔26和第二金属孔27,第一金属孔26设置在靠近间隙21一端的第一辐射片区24的边部；第二金属孔27设置在靠近间隙21另一端的第二辐射片区25的边部；第一金属孔26的数量为多个，第二金属孔27的数量为多个，第一金属孔26和第二金属孔27共同组成中心对称的结构。在一个优选例中，如图2所示，第一金属孔26的数量为8个，且整齐排列在第一辐射片区24的边部，第二金属孔27的数量为8个，其整齐排列在第二辐射片区25的边部，第一金属孔26、第二金属孔27共同形成中心对称结构。在一个优选例中，辐射片20上的金属化孔23更换为短路片，并代替金属化孔23的使用。

本发明相较于传统短路贴片天线具有更低的交叉极化和对称稳定的方向图，天线的辐射特性相较于传统设计有很大提高。在低频段下天线的和波束宽度相较于传统短路贴片天线收窄，进一步提升了短路贴片天线的增益，0度俯仰角方向仿真增益从3.97dBi提高至6.33dBi。

图2为本发明的结构示意图，图1所示为相同物理尺寸传统短路贴片天线的结构示意图，对应模拟的反射系数分别为如图5、图6所示。

图2所述间隙耦合短路贴片天线中间隙21的宽度对天线反射系数的影响如图7所示。

所述的低频段工作频率方向图为和波束，即俯仰角方向为辐射极点；高频段工作频率方向图为差波束，即俯仰方向为辐射零点，低频段工作频率和高频段工作频率都具有对称的方向图。图2所述间隙耦合短路贴片天线在低频段和高频段对应模拟的方向图分别如图8、图9所示。图1所示相同物理尺寸传统短路贴片天线对应模拟的方向图如图10所示。可以看出本发明提出的间隙耦合短路贴片天线在两个频段分别实现了对称的和差波束方向图，并具有较好的交叉极化抑制。

本发明能够实现双频段工作并在低频段和高频段分别产生和波束和差波束方向图，同时相较于传统短路贴片天线具有更小的电尺寸。基于传统的短路贴片天线，在辐射片上开设间隙将辐射片分割成两个对称的部分并设置关于辐射片中心点对称的金属化孔，从而在不改变天线物理尺寸的情况下获得了对称的辐射结构。相较于传统设计，本发明通过间隙耦合进一步降低了天线低频段的工作频率并实现了窄波束高增益的和波束型方向图，同时间隙还引入了额外的工作模式在高频段实现了差波束型方向图。在双频段都实现了稳定对称的方向图，并在未引入额外馈电端口和功分网络的前提下实现了单端口和差波束切换功能，适用于无线通信系统中紧凑型的射频前端。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，包括介质板(10)、辐射片(20)以及金属地(30)，介质板(10)的一侧设置有辐射片(20)，另一侧设置有金属地(30)，其特征在于，辐射片(20)设置有间隙(21)；

间隙(21)将辐射片(20)分割为第一辐射片区(24)和第二辐射片区(25)

辐射片(20)上还设置有馈电接口(22)，馈电接口(22)设置在间隙(21)的一侧；

所述辐射片(20)上还设置有金属化孔(23)，辐射片(20)与金属地(30)通过金属化孔(23)连接。

2.根据权利要求1所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，第一辐射片区(24)和第二辐射片区(25)共同组成中心对称结构；

第一辐射片区(24)采用正方形、长方形、平行四边形、三角形以及菱形；

第二辐射片区(25)采用正方形、长方形、平行四边形、三角形以及菱形。

3.根据权利要求1所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，间隙(21)为直线型或折线型；

间隙(21)为中心对称结构。

4.根据权利要求1所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，金属地(30)为一块金属。

5.根据权利要求2所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，金属化孔(23)包括第一金属孔(26)和第二金属孔(27)；

第一金属孔(26)设置在靠近间隙(21)一端的第一辐射片区(24)的边部；

第二金属孔(27)设置在靠近间隙(21)另一端的第二辐射片区(25)的边部；

第一金属孔(26)的数量为多个；

第二金属孔(27)的数量为多个；

第一金属孔(26)和第二金属孔(27)共同组成中心对称的结构。

6.根据权利要求1所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，所述馈电接口(22)为单端口馈电；

馈电接口(22)的外导体与金属地(30)相连，馈电接口(22)的内导体与一侧的辐射片(20)相连。

7.根据权利要求1所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，包括两个工作频段，低频段工作频率和高频段工作频率。

8.根据权利要求7所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，低频段工作频率与间隙(21)宽度成正相关关系，高频段工作频率与间隙(21)宽度成负相关关系。

9.根据权利要求7所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，所述的低频段工作频率方向图为和波束，即俯仰角方向为辐射极点；

所述高频段工作频率方向图为差波束，即俯仰方向为辐射零点。

10.根据权利要求7所述的具有对称和差波束的间隙耦合短路贴片天线，其特征在于，所述的低频段工作频率和高频段工作频率都具有对称的方向图。