CN111541017B - 一种高增益的微带天线及其制造方法 - Google Patents

一种高增益的微带天线及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高增益的微带天线及其制造方法，涉及天线技术领域，该微带天线包括介质基片及设置于介质基片表面的微带结构，介质基片设有微带结构的表面还设有参考地，微带结构包括：两个接地分支，两个接地分支相对设置，且均与参考地连接，三者之间形成U形槽口；矩形辐射贴片，其设置于U形槽口内，且与U形槽口之间形成U形缝隙，U形缝隙的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点，U形缝隙用于通过信号馈点产生辐射。本发明的微带天线被部署时，介质基片竖直设置，通过信号馈点可使U形缝隙产生辐射，且矩形辐射贴片与其上下两侧的接地分支共同作用，可生成类似偶极子的辐射方向图，改善水平面的增益不圆度，达到水平增益不圆度＜2dB。

Description

一种高增益的微带天线及其制造方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种高增益的微带天线及其制造方法。
背景技术
随着家用终端的快速发展，消费者对产品小型化的要求日益迫切，越来越多的厂家也开始将产品小型一体化的设计作为重要的指标。目前，将外置天线方案转为内置天线方案是许多厂家采用的方法。
现有的内置天线方案有着体积小、成本小的优势。但在性能方面，始终不能达到令人满意的效果。特别是在家用环境下，对天线的水平面增益有比较高的要求。内置天线为印制天线，其方向图较差，且内置天线由于靠近主板，受主板影响很大，导致辐射方向图在水平面上会有部分角度下降太多，水平面的增益很容易产生“死角”，水平增益不圆度较差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷之一，本发明的目的在于提供一种高增益的微带天线及其制造方法，在微带天线部署时，介质基片竖直设置，可改善微带天线水平面的增益不圆度。
本发明第一方面提供一种高增益的微带天线，其包括介质基片及设置于上述介质基片表面的微带结构，上述介质基片设有微带结构的表面还设有参考地，上述微带结构包括：
接地分支，其设有两个，两个上述接地分支相对设置，且均与上述参考地连接，三者之间形成开口朝向远离参考地方向的U形槽口；
矩形辐射贴片，其设置于上述U形槽口内，且与U形槽口之间形成U形缝隙，上述U形缝隙的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点，上述U形缝隙用于通过信号馈点产生辐射。
基于第一方面，在可能的实施例中，两个上述接地分支的相对外侧均开设有加载缝隙，每个加载缝隙内均设有可调增益机构，上述可调增益机构处于加载缝隙内不同位置时，上述加载缝隙的工作长度不同。
基于第一方面，在可能的实施例中，两个上述接地分支的加载缝隙的初始长度相同。
基于第一方面，在可能的实施例中，两个上述接地分支包括：
第一接地分支，其位于上述矩形辐射贴片上方，且与上述矩形辐射贴片之间形成第一缝隙；
第二接地分支，其位于上述矩形辐射贴片下方，且与上述矩形辐射贴片之间形成第二缝隙；
上述矩形辐射贴片与参考地之间形成第三缝隙，上述第三缝隙两端分别与上述第一缝隙和第二缝隙连通，形成上述U形缝隙；
上述信号馈点设置于上述第一缝隙或第二缝隙内。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述可调增益机构为短接电阻或射频开关。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述U形缝隙的长度为2.4G频段所对应的波长的1/2互补偶极子长度。
本发明第二方面提供一种高增益的微带天线，其包括介质基片及设置于上述介质基片表面的两个微带结构，上述介质基片设有微带结构的表面还设有参考地，上述微带结构包括：
接地分支，其设有两个，两个上述接地分支相对设置，且均与上述参考地连接，三者之间形成开口朝向远离参考地方向的U形槽口；
矩形辐射贴片，其设置于上述U形槽口内，且与U形槽口之间形成U形缝隙，上述U形缝隙的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点，上述U形缝隙用于通过信号馈点产生辐射；
两个上述微带结构分别设置于上述介质基片上方的两个边缘处，且两个U形缝隙的开口方向相反；两个上述微带结构的信号馈点分别设置于两个U形缝隙中的不同缝隙内，以增加两个微带结构之间的隔离度。
本发明第三方面提供一种基于上述高增益的微带天线的制造方法，其包括步骤：
在介质基片表面设置参考地；
在上述介质基片设有参考地的表面设置两个相对设置的接地分支，并将两个上述接地分支与参考地连接，三者之间形成开口朝向远离参考地方向的U形槽口；
在上述U形槽口内设置矩形辐射贴片，形成U形缝隙，并在上述U形缝隙的两个平行的缝隙之一内部设置信号馈点。
基于第三方面，在可能的实施例中，还包括：在两个上述接地分支的相对外侧开设加载缝隙，并在每个加载缝隙内设置一可调增益机构，当上述可调增益机构处于加载缝隙内不同位置时，上述加载缝隙的工作长度不同。
基于第三方面，在可能的实施例中，当上述可调增益机构为射频开关时，根据所需加载缝隙的加载长度，控制上述射频开关的开关状态；
当上述可调增益机构为短接电阻时，在每个加载缝隙内设置一可调增益机构，具体包括：
在上述加载缝隙的两侧间隔设置多个器件焊盘，将上述短接电阻焊接在所需位置的器件焊盘上，以改变上述加载缝隙的工作长度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的高增益的微带天线，将两个接地分支分别设置在矩形辐射贴片的两侧，使矩形辐射贴片与U形槽口之间形成开口朝向远离参考地方向的U形缝隙，该微带天线被部署时，将介质基片8竖直设置，可使U形缝隙的开口朝向水平面，再通过信号馈点可使U形缝隙产生辐射，且矩形辐射贴片与其两侧的接地分支共同作用，可生成类似偶极子的辐射方向图，改善水平面的增益不圆度，达到水平增益不圆度＜2dB。
(2)本发明的高增益的微带天线，在接地分支的加载缝隙内设置可调增益机构进行短接操作，通过控制可调增益机构的短接位置，可控制加载缝隙的工作长度，进而调整辐射方向图。
附图说明
图1为本发明实施例中第一种微带天线的结构示意图；
图2为本发明实施例中水平面(theta＝90)辐射方向图；
图3为本发明实施例中垂直面(Phi＝0)辐射方向图；
图4为本发明实施例中垂直面(Phi＝90)辐射方向图；
图5为本发明实施例中垂直面(Phi＝90)辐射方向对比图；
图6为本发明实施例中垂直面(Phi＝0)辐射方向对比图一；
图7为本发明实施例中垂直面(Phi＝0)辐射方向对比图二；
图8为本发明实施例中第二种微带天线的结构示意图；
图9为本发明实施例中第二种微带天线的实测S参量曲线。
图中：1-参考地，2-矩形辐射贴片，21-U形缝隙，211-第一缝隙，212-第二缝隙，3-第一接地分支，4-第二接地分支，5-加载缝隙，6-可调增益机构，7-信号馈点，8-介质基片。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明提供一种高增益的微带天线的实施例，该微带天线包括介质基片8、以及设置在介质基片8表面的微带结构，上述介质基片8设有微带结构的表面还设有参考地1。上述微带结构包括接地分支和矩形辐射贴片2。
接地分支设有两个，两个接地分支相对设置，且均与参考地1连接，两个接地分支与上述参考地1之间形成开口朝向远离参考地1方向的U形槽口。
矩形辐射贴片2设置在上述U形槽口内，上述矩形辐射贴片2与U形槽口之间形成U形缝隙21，U形缝隙21的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点7，该U形缝隙21用于通过信号馈点7产生辐射，进而得到辐射方向图。其中，参考地1、接地分支和矩形辐射贴片2均为金属材质。
本实施例的微带天线，将两个接地分支分别设置在矩形辐射贴片2的两侧，使矩形辐射贴片2与U形槽口之间形成开口朝向远离参考地1方向的U形缝隙21，该微带天线被部署时，将介质基片8竖直设置，可使U形缝隙的开口朝向水平面，再通过信号馈点7可使U形缝隙21产生辐射，且矩形辐射贴片与其两侧的接地分支共同作用，可产生类似偶极子的辐射方向图，改善水平面的增益不圆度，达到水平增益不圆度＜2dB。
在上一个实施例的基础上，本实施例中，两个上述接地分支的相对外侧均开设有加载缝隙5，每个加载缝隙5内均设有一可调增益机构6，可调增益机构6处于加载缝隙5内不同位置时，加载缝隙5的工作长度不同。本实施例中，加载缝隙5的工作长度为可调增益机构6距离该加载缝隙5的开口处的长度。
本实施例中，在接地分支的加载缝隙内设置可调增益机构进行短接操作，通过控制可调增益机构的短接位置，可控制工作长度，形成缝隙加载，进而调整辐射方向图。
在第二个实施例的基础上，本实施例中，两个上述接地分支包括第一接地分支3和第二接地分支4。其中，第一接地分支3和第二接地分支4均为金属接地分支。
进一步地，上述第一接地分支3和第二接地分支4的加载缝隙5的初始长度相同。可选地，加载缝隙5的初始长度与上述U形缝隙21的长度相同。
第一接地分支3位于上述矩形辐射贴片2上方，且与上述矩形辐射贴片2之间形成第一缝隙211。第二接地分支4位于上述矩形辐射贴片2下方，且与上述矩形辐射贴片2之间形成第二缝隙212。
上述矩形辐射贴片2与参考地1之间形成第三缝隙，第三缝隙为一条竖直缝隙，上述第三缝隙两端分别与上述第一缝隙211和第二缝隙212连通，三者形成U形缝隙21。
根据矩形辐射贴片2的电流分布特性，该信号馈点7设置在第一缝隙211或第二缝隙212内。
本实施例中，第一接地分支3和第二接地分支4分别分布在矩形辐射贴片2的上下两侧，进而使两个加载缝隙5分别分布在矩形辐射贴片2的上下两侧，通过控制加载缝隙5内可调节增益机构6的位置，可达到对上半平面辐射和下半平面辐射分别进行调整，以调整辐射方向图。
当第一接地分支3加载缝隙5的工作长度变长，即对应的可调节增益机构6向下移动时，起到反射器的作用，整个辐射方向会偏向下半面；当第二接地分支4加载缝隙5的工作长度变长，即对应的可调节增益机构6向上移动时，起到引向器的作用，整个辐射方向会偏向上半面。
在上述实施例的基础上，本实施例中，上述可调增益机构6可通过有源方式进行短接操作。具体地，可调增益机构6为射频开关。通过自动调整，将射频开关固定在加载缝隙5上合适的位置，通过GPIO(General-purpose input/output，通用输入/输出)控制上述射频开关的开关状态。
在上述实施例的基础上，本实施例中，上述可调增益机构6可通过无源方式进行短接操作。具体地，可调增益机构6为短接电阻。通过手动调整，将0欧姆短接电阻焊接在加载缝隙5上合适的位置，以改变加载缝隙5的工作长度。
本实施例中，介质基片8的材质为耐燃材料FR4基材，其尺寸为160×90mm，其介电常数为4.3。根据上述介质基板8的介电常数可计算有效介电常数ε，再根据波长
Figure GDA0003666741910000071
(式中c为自由空间光速3×108m/s，f为频率)可知，在此介质基片8上，2.4GHz对应的波长为60mm左右，2.4G半波长偶极子长度为30mm左右，5GHz对应的波长为29mm左右。其中，2.4G频段覆盖的频率范围为2.402～2.483GHz，5G频段覆盖的频率范围为5.15～5.85GHz。
基于互补原理，U形缝隙21的长度为2.4G频段所对应的波长的1/2互补偶极子长度，约等于5G频段所对应的全波长互补偶极子长度，因此，该微带天线可达到2.4G与5G双频辐射的效果。U形缝隙21的宽度与有效介电常数ε相关，U形缝隙21的宽度越大，其有效介电常数ε越小。
当U形缝隙21的长度增加即波长增加时，微带天线的谐振点向低频移动(f减小)；当U形缝隙21的长度减小即波长减小时，微带天线的谐振点向高频移动(f增大)。当U形缝隙21的宽度增加即ε减小时，微带天线的谐振点向高频移动；当U形缝隙21的宽度减小即ε增加时，微带天线的谐振点向低频移动(f减小)。因此，通过信号馈点7激发所需频段模式的电磁波，然后通过U形缝隙21进行辐射的过程中，U形缝隙21的长度和宽度均对微带天线的谐振点有影响。微带天线的辐射方向图的实际情况会受介质基片8及U形缝隙21的尺寸的影响产生畸变。优选地，U形缝隙21的宽度为1±0.2mm。
本实施例中，根据仿真测试，第一缝隙211至第一接地分支3加载缝隙5的非开口端的距离，与第二缝隙212至第二接地分支4加载缝隙5的非开口端的距离相同，均约2.4G频段所对应的波长的1/6，该距离可实现较好的抗阻匹配效果，无需再增加其它分立器件。
本实施例中，U形缝隙21的长度为30mm，U形缝隙21的宽度为1mm，加载缝隙5的工作长度为17.5mm，加载缝隙5的宽度为1mm，上述矩形辐射贴片2与其上下的接地分支所占的总面积为10×60mm。
参见图2所示，上述微带天线可实现其水平(theta＝90)增益不圆度较小。图3所示为该微带天线的垂直面(Phi＝0)辐射方向图，图4所示为该微带天线的垂直面(Phi＝90)辐射方向图。其中，Phi＝0以及Phi＝90，表示通过微带天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；theta＝90，表示通过微带天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。
参见图5所示，当采用0欧姆短接电阻调整后，第一接地分支3的加载缝隙5为18.5mm，第二接地分支4的加载缝隙5缝隙16.5mm。此时，该微带天线的整个辐射方向会偏向下半面。
另外，微带天线的辐射方向图会受介质基片8的其他金属器件的影响。金属器件可影响微带天线的电流分布，导致方向图有一定变形。参见图6所示，在介质基片8上增加其他金属器件后，该微带天线的垂直面(Phi＝0)辐射方向图产生了偏移。可选地，参见图7所示，通过对不同设置位置的加载缝隙5进行仿真测试，调整加载缝隙5的位置，可在一定程度上调整微带天线的电流分布，减弱方向图的畸变。
本实施例中，当第一接地分支3的加载缝隙5向右移动1mm，且第二接地分支4的加载缝隙5向左移动1mm时，该微带天线的辐射方向图有所改善。因此，通过调整两个加载缝隙5的轴线之间的距离也可对辐射方向图进行改善。
参见图8所示，本发明还提供一种高增益的微带天线的实施例，该微带天线包括介质基片8，以及设置于该介质基片8表面的两个微带结构，上述介质基片8设有微带结构的表面还设有参考地1。
上述微带结构包括接地分支和矩形辐射贴片2。
接地分支设有两个，两个上述接地分支相对设置，且均与上述参考地1连接，三者之间形成开口朝向远离参考地1方向的U形槽口。
矩形辐射贴片2设置于上述U形槽口内，且与U形槽口之间形成U形缝隙21，上述U形缝隙21的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点7，上述U形缝隙21用于通过信号馈点7产生辐射，进而得到辐射方向图。
该微带天线部署时，通过将介质基片8竖直设置，使两个上述微带结构分别设置于上述介质基片8上方的两个边缘处，且两个U形缝隙21的开口方向相反。两个微带结构的信号馈点7分别设置于两个U形缝隙21中的不同缝隙内。其中一个微带结构的信号馈点7设置于其U形缝隙21的第一缝隙211内，另一个微带结构的信号馈点7设置于另一U形缝隙21的第二缝隙212内，以增加两个信号馈点7之间的距离，进而增加两个微带结构之间的隔离度。
本实施例中的微带天线的实测微波散射S参量曲线如图9所示，在2.4-2.5GHz以及5.1-5.8GHz处，对应的回波损耗小，具有良好的阻抗匹配。
在其他实施例中，微带天线可包括介质基片8、以及设置于该介质基片8表面的四个上述微带结构。四个微带结构分别设置于上述介质基片8的四个角落处。
本实施例所应用的产品主要包含网关、机顶盒、融合网关、AP(WirelessAccessPoint，无线访问接入点)、物联网IoT以及智慧家庭等含有天线的产品。
本发明还提供一种基于上述的高增益的微带天线的制造方法的实施例，其包括步骤：
S1.在介质基片8表面设置参考地1。其中，参考地1为PCB的参考地。
S2.在上述介质基片8设有参考地1的表面设置两个相对设置的接地分支，并将两个接地分支与参考地连接，两个接地分支与上述参考地1之间形成开口朝向远离参考地1方向的U形槽口。
S3.在上述U形槽口内设置矩形辐射贴片2，U形槽口与矩形辐射贴片2之间形成U形缝隙21，并在该U形缝隙21的两个平行的缝隙之一内部设置信号馈点7。
在上述实施例的基础上，本实施例的制造方法还包括：在两个上述接地分支的相对外侧均开设一加载缝隙5，并在每个加载缝隙5内均设置一可调增益机构6，当可调增益机构6处于加载缝隙5内不同位置时，加载缝隙5的工作长度不同。即，上述加载缝隙5的工作长度通过可调增益机构6的设置位置进行调节。
在上述实施例的基础上，本实施例中，当上述可调增益机构6为短接电阻时，在每个加载缝隙5内设置一可调增益机构6，具体包括：
在加载缝隙5的两侧间隔设置多个器件焊盘，将短接电阻焊接在所需位置的器件焊盘上，以改变加载缝隙5的工作长度。其中，短接电阻的一端焊接在加载缝隙5的一侧，短接电阻的另一端焊接在加载缝隙5的另一侧。
在上述实施例的基础上，本实施例中，当上述可调增益机构6为射频开关时，可根据所需加载缝隙5的工作长度，控制上述射频开关的开关状态。当上述射频开关为闭合状态，则加载缝隙5的工作长度短于初始长度，当上述射频开关为开启状态，则加载缝隙5的工作长度为初始长度。
本实施例的制造方法，适用于上述各微带天线，微带天线部署时，将介质基片竖直设置，通过矩形辐射贴片与其上下两侧的接地分支共同作用，可改善水平面的增益不圆度；通过控制可调增益机构的短接位置，调整加载缝隙的工作长度大小，可进一步调整辐射方向，实现辐射方向图可调，并降低制造成本。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种高增益的微带天线，其特征在于，其包括介质基片(8)及设置于所述介质基片(8)表面的微带结构，所述介质基片(8)竖直设置，所述介质基片(8)设有微带结构的表面还设有参考地(1)，所述微带结构包括：
接地分支，其设有两个，两个所述接地分支相对设置，且均与所述参考地(1)连接，三者之间形成开口朝向远离参考地(1)方向的U形槽口；
矩形辐射贴片(2)，其设置于所述U形槽口内，且与U形槽口之间形成U形缝隙(21)，所述U形缝隙(21)的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点(7)，所述U形缝隙(21)用于通过信号馈点(7)产生辐射。
2.如权利要求1所述的高增益的微带天线，其特征在于：两个所述接地分支的相对外侧均开设有加载缝隙(5)，每个加载缝隙(5)内均设有可调增益机构(6)，所述可调增益机构(6)处于加载缝隙(5)内不同位置时，所述加载缝隙(5)的工作长度不同。
3.如权利要求2所述的高增益的微带天线，其特征在于：两个所述接地分支的加载缝隙(5)的初始长度相同。
4.如权利要求1所述的高增益的微带天线，其特征在于，两个所述接地分支包括：
第一接地分支(3)，其位于所述矩形辐射贴片(2)上方，且与所述矩形辐射贴片(2)之间形成第一缝隙(211)；
第二接地分支(4)，其位于所述矩形辐射贴片(2)下方，且与所述矩形辐射贴片(2)之间形成第二缝隙(212)；
所述矩形辐射贴片(2)与参考地(1)之间形成第三缝隙，所述第三缝隙两端分别与所述第一缝隙(211)和第二缝隙(212)连通，形成所述U形缝隙(21)；
所述信号馈点(7)设置于所述第一缝隙(211)或第二缝隙(212)内。
5.如权利要求2所述的高增益的微带天线，其特征在于：所述可调增益机构(6)为短接电阻或射频开关。
6.如权利要求1所述的高增益的微带天线，其特征在于：所述U形缝隙(21)的长度为2.4G频段所对应的波长的1/2互补偶极子长度。
7.一种高增益的微带天线，其特征在于，其包括介质基片(8)及设置于所述介质基片(8)表面的两个微带结构，所述介质基片(8)设有微带结构的表面还设有参考地(1)，所述微带结构包括：
接地分支，其设有两个，两个所述接地分支相对设置，且均与所述参考地(1)连接，三者之间形成开口朝向远离参考地(1)方向的U形槽口；
矩形辐射贴片(2)，其设置于所述U形槽口内，且与U形槽口之间形成U形缝隙(21)，所述U形缝隙(21)的两个平行的缝隙之一内部设有信号馈点(7)，所述U形缝隙(21)用于通过信号馈点(7)产生辐射；
所述介质基片(8)竖直设置，两个所述微带结构分别设置于所述介质基片(8)上方的两个边缘处，且两个U形缝隙(21)的开口方向相反；两个所述微带结构的信号馈点(7)分别设置于两个U形缝隙(21)中的不同缝隙内，以增加两个微带结构之间的隔离度。
8.一种基于权利要求1所述的高增益的微带天线的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
在介质基片(8)表面设置参考地(1)；
在所述介质基片(8)设有参考地(1)的表面设置两个相对设置的接地分支，并将两个所述接地分支与参考地(1)连接，三者之间形成开口朝向远离参考地(1)方向的U形槽口；
在所述U形槽口内设置矩形辐射贴片(2)，形成U形缝隙(21)，并在所述U形缝隙(21)的两个平行的缝隙之一内部设置信号馈点(7)。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，还包括：在两个所述接地分支的相对外侧开设加载缝隙(5)，并在每个加载缝隙(5)内设置一可调增益机构(6)，当所述可调增益机构(6)处于加载缝隙(5)内不同位置时，所述加载缝隙(5)的工作长度不同。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，当所述可调增益机构(6)为射频开关时，根据所需加载缝隙(5)的加载长度，控制所述射频开关的开关状态；
当所述可调增益机构(6)为短接电阻时，在每个加载缝隙(5)内设置一可调增益机构(6)，具体包括：
在所述加载缝隙(5)的两侧间隔设置多个器件焊盘，将所述短接电阻焊接在所需位置的器件焊盘上，以改变所述加载缝隙(5)的工作长度。
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