CN111048891A - 小型化组合式微带-对称阵子双频天线 - Google Patents

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刘其凤
温定娥
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Abstract

本发明公开了一种小型化组合式微带‑对称阵子双频天线，属于电磁兼容与天线领域，包括：小型化微带天线、对称阵子天线及金属腔体；在金属腔体上方依次布置微带天线和对称阵子天线，微带天线的馈电探针连接微带天线的馈电耦合贴片，为微带天线的辐射贴片进行耦合馈电，对称阵子天线的对称阵子馈电同轴线连接对称阵子天线的对称阵子馈电耦合贴片，为对称阵子天线进行耦合馈电。本发明利用耦合馈电方式，展宽了两个频带的工作带宽；利用微带天线和对称阵子天线的集成组合设计，实现双频特性。

Description

小型化组合式微带-对称阵子双频天线
技术领域
本发明属于电磁兼容与天线技术领域，更具体地，涉及一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线。
背景技术
随着现代无线通信系统的快速发展，微波/射频电路与系统受到越来越多关注。天线作为微波射频电路中的一个重要部件，起着信号辐射与接收作用。为适应无线通信系统向多功能、高数据传输速率及小型化发展方向，要求天线具有多频段、结构紧凑以及低成本特点。
目前的多频天线主要使用了三种技术：第一种技术是采用多谐振枝节，例如天线使用双T单极、U形单极，获得多个谐振特性，从而获得双频特性。第二种技术是在辐射贴片中蚀刻槽，例如在辐射片上蚀刻两个U形槽、对两个槽进行耦合馈电、对S型槽进行耦合馈电，均能实现双频特性。第三种技术是使用寄生枝节，通过增加矩形、L形寄生枝节，通过耦合作用使寄生枝节产生谐振，从而实现多频特性。然而，这些方法由于单天线工作在多频带或宽频带，通常在高频率的辐射方向图会出现失真。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线，由此解决现有多频天线由于单天线工作在多频带或宽频带，通常在高频率的辐射方向图会出现失真的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线，包括：小型化微带天线、对称阵子天线及金属腔体；
在所述金属腔体上方依次布置所述微带天线和所述对称阵子天线，所述微带天线的馈电探针连接所述微带天线的馈电耦合贴片，为所述微带天线的辐射贴片进行耦合馈电，所述对称阵子天线的对称阵子馈电同轴线连接所述对称阵子天线的对称阵子馈电耦合贴片，为所述对称阵子天线进行耦合馈电。
优选地，所述微带天线的辐射贴片通过短路探针与所述金属腔体的底板连接。
优选地，所述对称阵子天线利用所述微带天线的辐射贴片作为反射器。
优选地，所述微带天线的辐射贴片印刷在第一介质板上。
优选地，所述对称阵子天线的对称阵子印刷在第二介质板上。
优选地，所述微带天线实现2.299GHz～2.521GHz的低频段工作带宽。
优选地，所述对称阵子天线实现5.14GHz～7.47GHz的高频段工作带宽。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明设计的小型化组合式微带-对称阵子双频天线具有工作频带宽、辐射模式一致性好、端口隔离度高、小型化和便于集成的特点，适用于高性能无线通信系统。
2、双频性能好，在两个频段具有辐射模式的一致性，且端口隔离度达25dB以上。
3、能够有效减少结构紧凑的无线通信系统中天线数量，缓解无线通信系统中天线布置空间不足的问题，为无线通信系统获得稳定的数据传输速率和信号传输质量奠定基础。
4、适用性强，易集成于室内无线局域网、移动媒体设备、民用广播电视系统等无线通信系统对数据传输速率、小型化和集成化提出越来越高的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线结构模型的对称阵子天线俯视图；
图2是本发明实施例提供的一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线结构模型的微带天线的辐射贴片俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线结构模型的侧视图；
图4是本发明实施例提供的一种双频天线的仿真与测试VSWR曲线图；
图5是本发明实施例提供的一种双频天线仿真与测试的S21曲线(端口隔离度)图；
图6是本发明实施例提供的一种双频天线在XOZ面和YOZ面仿真与测试方向图，其中，(a)为2.4GHz方向图，(b)为5.5GHz方向图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的小型化组合式微带-对称阵子双频天线利用耦合馈电方式，展宽了两个频带的工作带宽；利用微带天线和对称阵子天线的集成组合设计，实现双频特性；巧妙使用微带天线辐射贴片作为对称阵子的反射器，实现了对称阵子的剖面，以及两个频带辐射模式的一致性；通过短路接地技术，实现了微带天线的小型化，并且两个频段的馈电端口具有较高的隔离度。
本发明中的小型化指的是：微带天线采用短路探针技术，使微带天线的尺寸由理论计算的波长在一定程度上有所减小，比如，由理论计算的0.5个波长，减小为0.32个波长；另外对称阵子天线的反射板共用微带天线的辐射贴片，从而减小了天线的整体高度。
小型化组合式双频天线的微带天线部分实现低频段2.299GHz～2.521GHz的工作带宽。微带天线部分采用一定高度的腔体结构，从而获得较好辐射特性；将微带天线的辐射贴片通过短路探针与金属腔体的底板连接，实现微带天线的小型化；对微带天线的辐射贴片进行新型耦合式馈电，进一步展宽了低频的阻抗带宽。
小型化组合式双频天线的对称阵子部分实现高频段5.14GHz～7.47GHz的工作带宽。对称阵子天线利用微带天线的辐射贴片作为反射器，改变对称阵子的辐射模式，从而实现高/低频段辐射模式的一致性；对称阵子天线也采用新型的耦合式馈电，展宽了高频的阻抗带宽。
本发明的小型化组合式微带-对称阵子天线由微带天线、对称阵子天线及金属腔体组成。
图1是对称阵子天线的俯视图，图2是微带天线的辐射贴片俯视图，图3是小型化组合式微带-对称阵子双频天线结构模型的侧视图。作为低频段辐射器的微带辐射贴片尺寸为40×40mm2，它印刷在厚度为1mm的介质板上，其相对介电常数为2.65。微带天线的辐射贴片通过短路探针与金属腔体的底板连接，从而减小了微带天线的尺寸，短路探针离微带辐射贴片边缘的距离为SL。微带天线使用高度为H1的金属腔体作为底板，从而获得较好的辐射特性。微带天线的馈电结构与传统馈电方式不同，该结构由两部分组成：垂直的馈电探针和长度为CL1的馈电耦合贴片。馈电探针的一端连接馈电SMA接头，另一端连接微带天线馈电耦合贴片的边缘。高频信号从SMA接头传输到馈电探针，再传输到微带天线馈电耦合贴片，一旦高频信号传输到微带天线馈电耦合贴片，通过耦合效应，微带辐射贴片会耦合高频信号能量，从而对外辐射信号。通过耦合馈电技术，展宽了微带天线的工作阻抗带宽。
高频段辐射器的对称阵子尺寸为22.5×19mm2，它印刷在厚度为1mm的介质板上，其相对介电常数为2.65，从微带天线的辐射贴片到对称阵子的高度为H3。通过将微带天线的辐射贴片集成为对称阵子反射器，从而减小了对称阵子天线的剖面，实现了高/低频辐射特性的一致性。对称阵子馈电结构也包括两部分：同轴电缆和长度为DL2的对称阵子馈电耦合贴片。同轴电缆的一端连接馈电SMA接头，另一端连接对称阵子馈电耦合贴片。耦合效应同样会在对称阵子结构上产生。利用耦合馈电技术，对称阵子的阻抗带宽都有了明显增加。
作为一种可选的实施方式，天线最终优化尺寸为：金属腔体高度H1＝10mm，印有微带辐射贴片的介质板与金属腔体底板之间的距离H2＝13mm，印有微带辐射贴片的介质板与印有对称阵子的介质板之间的距离H3＝8mm，两根短路探针离微带辐射贴片边缘的距离分别为SL1＝10mm和SL2＝2mm，微带天线馈电耦合贴片长度CL1＝2mm，对阵阵子臂上45°倒角的长度DL＝5mm，对阵阵子臂长度DL1＝10.8mm，对称阵子馈电耦合贴片长度DL2＝6.3mm和对阵阵子臂宽度DW＝19mm。
对本发明的小型化组合双频天线进行了驻波比VSWR、端口隔离度和方向图测试。小型化组合式微带-对称阵子双频天线的仿真与测试VSWR结果吻合较好，如附图4所示。两个频段的测试阻抗带宽均满足无线通信系统要求，在低频段有9.21％的测试阻抗带宽，从2.299GHz～2.521GHz；高频段有37％的测试阻抗带宽，从5.14GHz～7.47GHz。小型化组合式微带-对称阵子双频天线仿真与测试的端口隔离度曲线如附图5所示，从图5中可以看出，在频段2.299GHz～2.521GHz和5.14GHz～7.47GHz，端口间的隔离度均在25dB以上。
小型化组合式微带-对称阵子双频天线仿真与测试的XOZ面和YOZ面在2.4GHz和5.5GHz频点的方向图如图6所示，其中，图6中(a)为2.4GHz方向图，图6中(b)为5.5GHz方向图，从图6中可以看出，由于腔体结构的应用，在低频段和高频段均获得了一致的定向辐射特性，且仿真与测试结果吻合较好。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种小型化组合式微带-对称阵子双频天线，其特征在于，包括：小型化微带天线、对称阵子天线及金属腔体；
在所述金属腔体上方依次布置所述微带天线和所述对称阵子天线，所述微带天线的馈电探针连接所述微带天线的馈电耦合贴片，为所述微带天线的辐射贴片进行耦合馈电，所述对称阵子天线的对称阵子馈电同轴线连接所述对称阵子天线的对称阵子馈电耦合贴片，为所述对称阵子天线进行耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述微带天线的辐射贴片通过短路探针与所述金属腔体的底板连接。
3.根据权利要求1或2所述的双频天线，其特征在于，所述对称阵子天线利用所述微带天线的辐射贴片作为反射器。
4.根据权利要求1或2所述的双频天线，其特征在于，所述微带天线的辐射贴片印刷在第一介质板上。
5.根据权利要求3所述的双频天线，其特征在于，所述对称阵子天线的对称阵子印刷在第二介质板上。
6.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述微带天线实现2.299GHz～2.521GHz的低频段工作带宽。
7.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于，所述对称阵子天线实现5.14GHz～7.47GHz的高频段工作带宽。
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