CN111682312B - 沿e平面非对称切割的贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沿E平面非对称切割的贴片天线，包括介质基板、位于介质基板上表面的第一金属层、位于介质基板下表面的第二金属层、从介质基板的下表面穿过第二金属层和介质基板对第一金属层进行馈电的同轴馈电输入端，第一金属层具有两个矩形切割缝隙，两个矩形切割缝隙非对称分布于第一金属层宽度中轴线的两侧，通过调整贴片尺寸和位置可以实现双频、宽频和波束扫描功能，相对于现有技术，该天线结构简单，其仅在常规微带贴片天线基础上进行非对称切割处理，便能够实现双频带、宽频带特征和波束扫描功能，结构简单，易于加工。

Description

沿E平面非对称切割的贴片天线
技术领域
本发明涉及双频微带天线技术领域，尤其涉及一种沿E平面非对称切割的贴片天线。
背景技术
微带贴片天线是结构最简单的微带天线，它是在一个薄介质板上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻等方法进行腐蚀做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴电缆对贴片进行馈电。贴片的形状可以是矩形或者其他形状。与常规的微波天线相比，微带贴片天线重量轻、体积小、成本低、易于与载体共形、易于和微波电路集成等优点，因而得到了越来越广泛的关注。而在许多应用中，人们希望微带贴片天线能够工作与两个或者多个离散的频段，以实现更多的功能。因此，基于微带贴片天线的多频带特性研究应运而生。
目前研究双频微带天线的文献较多，通常可以通过多贴片、槽加载以及集总元件加载的方式来实现双频带特性。而多贴片、槽加载和集总元件加载都会使天线的结构变得复杂，较难加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沿E平面非对称切割的贴片天线，通过调整贴片尺寸和位置可以实现双频、宽频特征和波束扫描功能，结构简单，易于加工。
为实现上述目的，本发明提供了一种沿E平面非对称切割的贴片天线，包括介质基板、第一金属层、第二金属层和同轴馈电输入端，所述第一金属层位于所述介质基板的上表面，所述第二金属层位于所述介质基板的下表面，所述同轴馈电输入端从所述介质基板的下表面穿过所述第二金属层和所述介质基板对所述第一金属层进行馈电，所述第一金属层具有矩形切割缝隙，所述矩形切割缝隙的数量为两个，两个所述矩形切割缝隙非对称分布于所述第一金属层宽度中轴线的两侧。
其中，所述第一金属层包括由两个所述矩形切割缝隙分割的主贴片单元和两个寄生贴片单元。
其中，所述同轴馈电输入端位于所述第一金属层的宽度中轴线上。
其中，所述第一金属层的宽度为20.5mm，长度为16.4mm。
其中，两个所述矩形切割缝隙的宽度均为1mm。
其中，所述介质基板的介电常数为2.2，厚度为1.57mm。
本发明的一种沿E平面非对称切割的贴片天线，通过所述第一金属层位于所述介质基板的上表面，所述第二金属层位于所述介质基板的下表面，所述同轴馈电输入端从所述介质基板的下表面穿过所述第二金属层和所述介质基板对所述第一金属层进行馈电，所述第一金属层具有矩形切割缝隙，所述矩形切割缝隙的数量为两个，两个所述矩形切割缝隙非对称分布于所述第一金属层宽度中轴线的两侧。通过调整贴片尺寸和位置可以实现双频、宽频和波束扫描功能，相对于现有技术，该天线结构简单，其仅在常规微带贴片天线基础上进行非对称切割处理，便能够实现双频带、宽频带特征和波束扫描功能，结构简单，易于加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的沿E平面非对称切割的贴片天线的俯视图；
图2是图1的剖视图A-A；
图3是本发明提供的沿E平面非对称切割的贴片天线的仰视图；
图4是图3的剖视图B-B；
图5是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线与微带天线的回波损耗随着频率变化曲线对比图；
图6是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在调整左侧缝隙时，其与微带天线的回波损耗随着频率变化的曲线对比图；
图7是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在调整右侧缝隙时，其与微带天线的回波损耗随着频率变化的曲线对比图；
图8是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在5.63GHz处，第一金属层电流分布仿真图；
图9是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在6.07GHz处，第一金属层电流分布仿真图；
图10是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在中心频率＝6.07GHz处的方向图；
图11是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在调整左侧缝隙时，频率＝5.87GHz处的方向图；
图12是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线在调整右侧缝隙时，频率＝6.23GHz处的方向图；
图13是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线的增益随频率变化的曲线对比图；
图中：100-沿E平面非对称切割的贴片天线、1-介质基板、2-第一金属层、3-第二金属层、4-同轴馈电输入端、21-矩形切割缝隙、22-主贴片单元、23-寄生贴片单元、41-探针、42-同轴外壳。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图4，本发明提供一种沿E平面非对称切割的贴片天线100，包括介质基板1、第一金属层2、第二金属层3和同轴馈电输入端4，所述第一金属层2位于所述介质基板1的上表面，所述第二金属层3位于所述介质基板1的下表面，所述同轴馈电输入端4从所述介质基板1的下表面穿过所述第二金属层3和所述介质基板1对所述第一金属层2进行馈电，所述第一金属层2具有矩形切割缝隙21，所述矩形切割缝隙21的数量为两个，两个所述矩形切割缝隙21非对称分布于所述第一金属层2宽度中轴线的两侧。所述介质基板1采用Rogers 5880，介电常数为2.2，厚度h为1.57mm，成本低，精度高。所述第一金属层2即为上表面金属层，所述第二金属层3即为下表面金属层。所述第一金属层2包括由两个所述矩形切割缝隙21分割的主贴片单元22和两个寄生贴片单元23。两个所述寄生贴片单元23分别位于所述主贴片单元22的左右两侧。所述同轴馈电输入端4位于所述第一金属层2的宽度中轴线上。根据常规贴片天线的设计原则，为了使天线应用在ISM频段的5.8GHz。所述第一金属层2的宽度W设计为20.5mm，长度L设计为16.4mm。两个所述矩形切割缝隙21的宽度g均为1mm时，天线两个频带内的阻抗匹配程度较好，其长度与所述第一金属层2的长度相同，两个所述矩形切割缝隙21的宽度g同时减小时，所述第一金属层2的所述主贴片单元22和所述寄生贴片单元23之间的耦合加强，频带内的阻抗匹配越好，双频比提高；其中一个所述矩形切割缝隙21的g宽度增大时，双频带逐渐融合成宽频带，同时电场集中于该侧的寄生贴片单元23，使天线方向图波束偏移。根据同轴馈电接头的实物模型测量，所述同轴馈电输入端4的探针41半径r1为0.62mm，所述同轴馈电输入端4的同轴外壳42半径r2为2.03mm。根据常规贴片天线的馈电点的选取原则，所述同轴馈电输入端4的探针41圆心与所述第一金属层2的一边缘的距离d1为5mm，d1的大小决定了天线的阻抗匹配程度，可以对其进行参数扫描，在频带内得到良好的阻抗匹配。所述同轴馈电输入端4的同轴外壳42与两个所述矩形切割缝隙21的距离d2和d3分别为1mm和5mm，即宽度中轴线左端的所述矩形切割缝隙21与所述同轴馈电输入端4的同轴外壳42的距离d2＝1mm，宽度中轴线右端的所述矩形切割缝隙21与所述同轴馈电输入端4的同轴外壳42的距离d3＝5mm，此时天线的两个频带内的阻抗匹配程度较好。
请参阅图5，图5是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100与微带天线的回波损耗随着频率变化曲线对比图。本实施例中天线的两个工作频带的中心频率为5.63GHz和6.07GHz，相对应的阻抗带宽分别为230MHz和70MHz，-10dB相对带宽为4.07％和1％，由此可知，该天线具有较好的阻抗带宽。
请参阅图6，图6是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在调整左侧缝隙时，其与微带天线的回波损耗随着频率变化的曲线对比图。本实施例中，天线左边矩形切割缝隙21的宽度g为3mm时，原天线双频带融合为宽频带；天线的工作频带的阻抗带宽为346MHz，-10dB相对带宽为6％，由此可知，调整左侧缝隙可以拓宽天线频带。
请参阅图7，图7是本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在调整右侧缝隙时，其与微带天线的回波损耗随着频率变化的曲线对比图。本实施例中，天线右边矩形切割缝隙21的宽度g为2.5mm时，天线出现第三频点，并与第二频点融合为宽频带；天线的宽频带的阻抗带宽为193MHz，-10dB相对带宽为3.13％，由此可知，调整右侧缝隙可以拓宽天线频带。
请参阅图8，图8为本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在5.63GHz处，第一金属层2电流分布仿真图。在该频带，左边寄生贴片单元23和右边寄生贴片单元23，通过主贴片单元22耦合产生电流，且耦合电流的流动方向与中央贴片上相同，均由远端的辐射缝隙向靠近馈电口的辐射缝隙流动，其主要集中在寄生贴片宽度方向上的末端整体电流流向相同。因而，第一金属层2即上表面金属层的整体激励起TM10模，低频点的谐振由主贴片单元22与寄生贴片单元23之间的耦合形成，各个单元辐射边缘处的电场分布均匀。
请参阅图9，图9为本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在6.07GHz处，第一金属层2电流分布仿真图。在该频带，主贴片单元22的电流及右端寄生贴片单元23的耦合电流，均由远端的辐射缝隙向靠近馈电口的辐射缝隙流动；而左端寄生贴片单元23上的耦合电流与上述电流反向，电流密度主要分布在宽度方向两端。此外，第一金属层2即上表面金属层各个单元的辐射边缘处的电场分布不均，激励起高次模并产生辐射，其中左寄生贴片单元23上电流流动方向与主贴片单元22上的电流流动方向相反，辐射边缘处相对电场较强。根据传统的微带天线理论可知，在频段处，天线可等效为非等幅度激励的缝隙天线阵列的组合。
请参阅图10，图10为本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在中心频率＝6.07GHz处的方向图；该频点处，E面方向图呈现双端射的特性：方向图左端的最大辐射方向为-40度，增益为6.22dBi；方向图右端的最大辐射方向为58度，增益为1.2dB。
请参阅图11，图11为本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在调整左侧缝隙时，频率＝5.87GHz处的方向图；该频点处，E面方向图波束向左偏移，其最大辐射方向为-26度，增益为7.16dBi.
请参阅图12，图12为本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100在调整右侧缝隙时，频率＝6.23GHz处的方向图；该频点处，E面方向图波束向右偏移，其最大辐射方向为0度，增益为4.87dBi；
请参阅图13，图13为本发明实施例的沿E平面非对称切割的贴片天线100的增益随频率变化的曲线对比图。本实施例中的天线以及对其左、右缝隙调整时的增益，在低频点时几乎吻合，为6dBi以上；在高频带时变化较大，在频带内增益为4dBi以上。由此可知，该天线具有较好的增益。
在低频带处，上表面金属层各个单元的辐射边缘电场分布均匀，其辐射方向图与常规贴片天线类似；在高频带处，上表面金属层各个单元的辐射边缘处的电场分布不均，根据传统微带贴片天线理论，该天线等效为非等幅度激励的缝隙天线阵列；当其中一个所述矩形切割缝隙21宽度增大时，双频带逐渐融合成宽频带，同时电场能量集中于该侧的寄生单元，使天线方向图波束偏移。
相对于现有技术，本发明的沿E平面非对称切割的贴片天线100，通过对常规的微带贴片天线进行非对称形式的缝隙切割，实现了双频功能。通过减小方形缝隙的宽度，可以提高天线的阻抗匹配并加高双频比；在两个相近的频段上，该天线实现了边射方向图到端射方向图的变化。因而，可以通过调整天线参数可以近似实现天线波束扫描的功能。此外，由于本发明的生产能够利用PCB工艺，所以其成本低、重复性好，适合大规模生产。
本发明提供的一种沿E平面非对称切割的贴片天线100，在低频带，所述第一金属层2各个单元辐射边缘处的电场分布均匀，激励起TM10模并产生辐射；在高频带，其中左寄生贴片单元23上电流流动方向与主贴片单元22上的电流流动方向相反，使得天线具有双频带特性。所述第一金属层2各个单元的辐射边缘处的电场分布不均，通过调整单个缝隙的宽度，可以使电场能量集中于该侧的寄生单元，使天线方向图波束偏移。同时，整体天线结构简单，可利用PCB工艺生产，成本低，精度高，适合大批量生产。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种沿E平面非对称切割的贴片天线，其特征在于，
包括介质基板、第一金属层、第二金属层和同轴馈电输入端，所述第一金属层位于所述介质基板的上表面，所述第二金属层位于所述介质基板的下表面，所述同轴馈电输入端从所述介质基板的下表面穿过所述第二金属层和所述介质基板对所述第一金属层进行馈电，所述第一金属层具有矩形切割缝隙，所述矩形切割缝隙的数量为两个，两个所述矩形切割缝隙非对称分布于所述第一金属层宽度中轴线的两侧；
所述同轴馈电输入端的同轴外壳半径为2.03mm，所述同轴馈电输入端的探针圆心与所述第一金属层的一边缘的距离为5mm，所述同轴馈电输入端的同轴外壳与两个所述矩形切割缝隙的距离分别为1mm和5mm，具体的，宽度中轴线左端的所述矩形切割缝隙与所述同轴馈电输入端的同轴外壳的距离为1mm，宽度中轴线右端的所述矩形切割缝隙与所述同轴馈电输入端的同轴外壳的距离为5mm；
所述第一金属层包括由两个所述矩形切割缝隙分割的主贴片单元和两个寄生贴片单元。
2.如权利要求1所述的沿E平面非对称切割的贴片天线，其特征在于，
所述同轴馈电输入端位于所述第一金属层的宽度中轴线上。
3.如权利要求1所述的沿E平面非对称切割的贴片天线，其特征在于，
所述第一金属层的宽度为20.5mm，长度为16.4mm。
4.如权利要求3所述的沿E平面非对称切割的贴片天线，其特征在于，
两个所述矩形切割缝隙的宽度均为1mm。
5.如权利要求4所述的沿E平面非对称切割的贴片天线，其特征在于，
所述介质基板的介电常数为2.2，厚度为1.57mm。
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