CN112448166A

CN112448166A - 高增益蝶形微带枝节天线

Info

Publication number: CN112448166A
Application number: CN202011256398.7A
Authority: CN
Inventors: 张金平; 毛静静; 周志鹏
Original assignee: CETC 14 Research Institute
Current assignee: CETC 14 Research Institute
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2040-11-11
Also published as: CN112448166B

Abstract

本发明公开了高增益蝶形微带枝节天线，涉及一种天线微波技术领域，包括金属层、微波介质层、接地金属层和同轴端口，由辐射金属层、微波介质层和接地金属层依次层压而成，并用同轴端口进行馈电。辐射金属层包括辐射部分和阻抗匹配部分，辐射部分则包含一个蝶形金属环和两组镜像对称放置的辐射枝节，通过改进传统微带枝节天线的排列及馈电形式，用蝶形环给两组不等长的微带枝节馈电，实现了13％的带宽；利用蝶形环上不同点处的场分布的特点，使得馈电结构也能产生有效辐射；在保持微带天线的简单单层结构的情况下，将辐射枝节较均匀地排布在辐射层，使得天线在整体口径接近1个波长的尺寸下，实现了较均匀的幅相分布，获得了约10.5dBi的增益。

Description

高增益蝶形微带枝节天线

技术领域

本发明涉及天线微波技术领域，具体是高增益蝶形微带枝节天线。

背景技术

近年来，随着信息技术的发展，人们对信息传输速率的要求越来越高，毫米波波段因其较宽的频谱而受到广泛关注。微带天线具有低剖面、易集成、易于实现多种极化的优点，尤其便于运用于小型化设备，在当今时代有着广泛的应用空间。

微带天线工作于谐振状态，具有较高的Q值从而使得其带宽较窄，目前常用的解决方法包括使用缝隙馈电、开槽、使用多层结构等以实现多个谐振点扩展带宽，但大多数方法都会使天线的复杂度上升、成本增高。同时，由于微带天线是一种漏波空腔结构，当工作频率和介质一定时，传统微带贴片天线的尺寸可变范围小，单元增益的提升也受到限制。传统上通过多单元组阵的方式提高增益，由于引入了馈电网络，也进一步提高了设计的复杂度。因此，通过对传统微带天线进行研究改进，在保持天线的低剖面与简单结构的同时，扩展其带宽并提升其增益，满足对高增益单元的应用需求有着重要的实用意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供高增益蝶形微带枝节天线，针对传统微带天线带宽窄、增益低的特点，通过在蝶形环状贴片结构上增加多路辐射枝节并改进馈电方式，在保持微带天线的低剖面与简单结构的优点的同时，实现了天线带宽扩展和增益的提升。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括金属层、微波介质层、接地金属层和同轴端口，所述微波介质层介于辐射金属层和接地金属层之间，选用介电常数为2～5，厚度为工作频率对应自由空间波长的1/20～1/10范围的微波介质材料，同时辐射金属层、接地金属层通常选用厚度为18μm或35μm的铜，并且接地金属层上开设有同轴端口，同轴端口4和辐射金属层1连通在一起，其中天线采用50欧姆的同轴端口进行探针馈电，能量由同轴端口进入，其外芯与接地金属层相连接，内芯沿探针与辐射金属层相连，从而产生有效辐射。

作为本发明进一步的方案：所述辐射金属层由辐射部分和阻抗匹配部分组成，阻抗匹配部分安装在辐射部分的底部侧壁上，所述辐射部分包含一个蝶形金属环和两组镜像枝节对称放置的辐射枝节，同时所述蝶形金属环由平行于枝节长度方向的传输线和弯折传输线组成，具有产生有效辐射和给辐射枝节8馈电的双重作用，所述传输线的长度一般为0.45～0.55λg，宽度为0.03～0.2λg；弯折传输线的长度为0.8～1.2λg，宽度为0.03～0.08λg。

作为本发明进一步的方案：所述两组辐射枝节镜像对称地放置在弯折传输线的外侧，每组辐射枝节均包含2N+1个的单枝节，N在0～3之间；当N＝0时，每组枝节只有一个枝节，且枝节恰好位于弯折传输线的弯折点，也即传输线10的中点；当1≤N≤3，每组枝节的枝节个数多于1，在宽度方向上，枝节都是等距等宽的，相邻枝节间形成缝隙，且处于中间位置的枝节恰好位于弯折传输线10的弯折点；在长度方向上，每组枝节在远离蝶形环的一侧是对齐的，在靠近蝶形环的一侧枝节刚好与蝶形环的边缘相连接，从而形成2N+1个不等长的枝节，其中，位于弯折传输线的中心点处的枝节的长度最长，距离弯折传输线的中心点处最远的枝节的长度最短，为有效地产生辐射，辐射枝节的总宽度为0.2～0.7λg，辐射枝节中的枝节长度为0.25～0.80λg。

作为本发明进一步的方案：所述微波介质层所用材料为Rogers5880，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm，尺寸为13mm×16mm，同时天线工作的中心频率为35GHz。

作为本发明进一步的方案：所述传输线的长度为3.2mm，宽度为0.5mm；传输线10的长度为7mm，宽度为0.3mm，向内弯折的深度为1.1mm。

作为本发明进一步的方案：所述每组辐射枝节均包含个的枝节，单个辐射枝节的宽度为0.6mm，总的枝节宽度为2.4mm，最长的辐射枝节长度为2.8mm，最短的辐射枝节长度为2.3mm。

作为本发明进一步的方案：所述天线辐射部分在垂直于枝节长度方向的尺寸为7.1mm，平行于枝节长度方向的尺寸为6.6mm，同时阻抗变换段宽度为0.48mm，长度为0.8mm。

作为本发明进一步的方案：所述同轴端口的内直径为0.3mm，外直径为1.02mm。

作为本发明进一步的方案：所述蝶形金属环的内部设置有分隔传输线，分隔传输线包括主谐振柱、侧谐振柱和抽头谐振柱，所述蝶形金属环的内部中间位置固定安装有两个主谐振柱，两个主谐振柱关于辐射枝节进行对称，并且两个主谐振柱通过连接线和抽头谐振柱连接在一起，其中抽头谐振柱和传输线连接在一起，同时两个主谐振柱的中间位置设置有侧谐振柱，侧谐振柱的中心轴线和辐射枝节的中心轴线在同一水平面上，并且主谐振柱通过弯折连接线和侧谐振柱连通在一起，其中弯折连接线的弯曲程度和弯曲传输线的弯曲程度相同一致。

作为本发明再进一步的方案：所述辐射部分的底部设置有两个对称的阻抗匹配部分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过改进传统微带枝节天线的排列及馈电形式，用蝶形环给两组不等长的微带枝节馈电，实现了13％的带宽；利用蝶形环上不同点处的场分布的特点，使得馈电结构也能产生有效辐射；在保持微带天线的简单单层结构的情况下，将辐射枝节较均匀地排布在辐射层，使得天线在整体口径接近1个波长的尺寸下，实现了较均匀的幅相分布，获得了约10.5dBi的增益，满足了毫米波通信中对低剖面、高增益、低成本天线的需求。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例一的侧视图。

图3为本发明实施例一的俯视图。

图4为本发明实施例一的S参数及增益图。

图5为本发明实施例一的31.8GHz处的左面方向图。

图6为本发明实施例一的31.8GHz处的右面方向图。

图7为本发明实施例一的35GHz处的左面方向图。

图8为本发明实施例一的35GHz处的右面方向图。

图9为本发明实施例一的36.5GHz处的左面方向图。

图10为本发明实施例一的36.5GHz处的右面方向图。

图11为本发明实施例二的结构俯视图。

如图所示：1、辐射金属层，2、微波介质层，3、接地金属层，4、同轴端口，5、辐射部分，6、阻抗匹配部分，7、蝶形金属环，8、辐射枝节，9、传输线，10、弯折传输线，11、单枝节，12、缝隙，13、探针，14、主谐振柱，15、连接线，16、侧谐振柱，17、弯折连接线，18、抽头谐振柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

请参阅图1～10，本发明实施例中，高增益蝶形微带枝节天线，包括金属层1、微波介质层2、接地金属层3和同轴端口4，其中所述微波介质层2介于辐射金属层1和接地金属层3之间，通常选用介电常数为2～5，厚度为工作频率对应自由空间波长的1/20～1/10范围的微波介质材料，同时辐射金属层1、接地金属层3通常选用厚度为18μm或35μm的铜，并且接地金属层3上开设有同轴端口4，同轴端口4和辐射金属层1连通在一起，其中天线采用50欧姆的同轴端口4进行探针馈电，能量由同轴端口4进入，其外芯与接地金属层3相连接，内芯沿探针13与辐射金属层1相连，从而产生有效辐射。

其中，所述辐射金属层1由辐射部分5和阻抗匹配部分6组成，阻抗匹配部分6安装在辐射部分5的底部侧壁上，所述辐射部分5包含一个蝶形金属环7和两组镜像枝节对称放置的辐射枝节8，同时所述蝶形金属环7由平行于枝节长度方向的传输线9和弯折传输线10组成，具有产生有效辐射和给辐射枝节8馈电的双重作用，所述传输线9的长度一般为0.45～0.55λg(λg为中心工作频率处的介质导波长)，宽度为0.03～0.2λg；弯折传输线10的长度为0.8～1.2λg，宽度为0.03～0.08λg，通过尺寸选取使得两个弯折传输线10上对应点上的电场相位相反，进而两组辐射枝节8在空间内产生同相辐射，与此同时传输线9上的电流、弯折传输线10上沿枝节长度方向的电流分量均与枝节上的电流同相，能产生有效辐射进一步提升增益；镜像对称的弯折传输线10上沿枝节宽度方向的电流相反，其空间的辐射场相互抵消，减小了馈电部分带来的交叉极化的影响。

通过优化蝶形环7可以调整天线的尺寸大小并改变天线增益，以适用于不同的应用场景。蝶形环7可看作由矩形环在长边中点处向内弯折长边得到，弯折的深度可根据具体应用对天线的尺寸及增益的要求而定。一般来说，天线向内弯折越深，天线的有效尺寸越小，增益也越小，但弯折深度不能太大以防两个弯折传输线相交，故向内弯折的深度取为0～0.4λg，弯折深度为0时蝶形环7呈现为矩形环。

两组辐射枝节8镜像对称地放置在弯折传输线10的外侧，每组辐射枝节均包含2N+1(0≤N≤3)个的单枝节11。当N＝0时，每组枝节只有一个枝节，且枝节恰好位于弯折传输线10的弯折点，也即传输线10的中点。当1≤N≤3，每组枝节的枝节个数多于1，在宽度方向上，枝节都是等距等宽的，相邻枝节间形成缝隙12，且处于中间位置的枝节恰好位于弯折传输线10的弯折点；在长度方向上，每组枝节在远离蝶形环7的一侧是对齐的，在靠近蝶形环的一侧枝节刚好与蝶形环7的边缘相连接，从而形成2N+1个不等长的枝节。其中，位于弯折传输线10的中心点处的枝节的长度最长，距离弯折传输线10的中心点处最远的枝节的长度最短。为有效地产生辐射，辐射枝节8的总宽度(计入枝节及枝节间缝隙后)为0.2～0.7λg，辐射枝节8中的枝节长度为0.25～0.80λg。

天线采用50欧姆的同轴端口4进行探针馈电，能量由同轴端口4进入，其外芯与接地金属层3相连接，内芯沿探针13与辐射金属层1内的阻抗匹配部分6相接，馈入的能量场再经该阻抗变换段6后到达传输线9和弯折传输线10的交点，然后通过蝶形环7馈给两组枝节，由蝶形环7和辐射枝节8产生有效辐射。

优选的，所述微波介质层所用材料为Rogers5880，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm，尺寸为13mm×16mm，同时天线工作的中心频率为35GHz。

优选的，所述传输线9的长度为3.2mm，宽度为0.5mm；传输线10的长度为7mm，宽度为0.3mm，向内弯折的深度为1.1mm。

优选的，所述每组辐射枝节8均包含3个的枝节，单个辐射枝节的宽度为0.6mm，总的枝节宽度(计入枝节及枝节间缝隙后)为2.4mm，最长的辐射枝节长度为2.8mm，最短的辐射枝节长度为2.3mm。

优选的，所述天线辐射部分5在垂直于枝节长度方向的尺寸为7.1mm，平行于枝节长度方向的尺寸为6.6mm，同时阻抗变换段宽度为0.48mm，长度为0.8mm。

优选的，所述同轴端口4的内直径为0.3mm，外直径为1.02mm。

实施例二：

请参阅图11，本实施例的主体结构与实施例一相同，不同之处在于：蝶形金属环7的内部设置有分隔传输线，分隔传输线包括主谐振柱14、侧谐振柱16和抽头谐振柱18，所述蝶形金属环7的内部中间位置固定安装有两个主谐振柱14，两个主谐振柱14关于辐射枝节8进行对称，并且两个主谐振柱14通过连接线15和抽头谐振柱18连接在一起，其中抽头谐振柱18和传输线9连接在一起，同时两个主谐振柱14的中间位置设置有侧谐振柱16，侧谐振柱16的中心轴线和辐射枝节8的中心轴线在同一水平面上，并且主谐振柱14通过弯折连接线17和侧谐振柱16连通在一起，其中弯折连接线17的弯曲程度和弯曲传输线10的弯曲程度相同一致；通过分隔传输线将辐射金属层1的内部分为两个空间，此时左右两侧的两个弯折传输线10上对应点上的电场相位相同，而中间分隔传输线和弯折传输线10的电场相反，其左右两个空间内的辐射场相互抵消，进一步减小了馈电部分带来的交叉极化的影响，从而有效辐射进一步提升增益，增加了辐射的稳定性。

其中，所述辐射部分5的底部设置有两个对称的阻抗匹配部分6，使得装置可以进行双侧探针馈电的工作方式，增加了装置的实用性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，且本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.高增益蝶形微带枝节天线，包括金属层(1)、微波介质层(2)、接地金属层(3)和同轴端口(4)，其特征在于：所述微波介质层(2)介于辐射金属层(1)和接地金属层(3)之间，选用介电常数为2～5，厚度为工作频率对应自由空间波长的1/20～1/10范围的微波介质材料，同时辐射金属层(1)、接地金属层(3)通常选用厚度为18μm或35μm的铜，并且接地金属层(3)上开设有同轴端口(4)，同轴端口(4)和辐射金属层(1)连通在一起，其中天线采用50欧姆的同轴端口(4)进行探针馈电，能量由同轴端口(4)进入，其外芯与接地金属层(3)相连接，内芯沿探针(13)与辐射金属层(1)相连，从而产生有效辐射。

2.根据权利要求1所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述辐射金属层(1)由辐射部分(5)和阻抗匹配部分(6)组成，阻抗匹配部分(6)安装在辐射部分(5)的底部侧壁上，所述辐射部分(5)包含一个蝶形金属环(7)和两组镜像枝节对称放置的辐射枝节(8)，同时所述蝶形金属环(7)由平行于枝节长度方向的传输线(9)和弯折传输线(10)组成，具有产生有效辐射和给辐射枝节(8)馈电的双重作用，所述传输线(9)的长度为0.45～0.55λg，宽度为0.03～0.2λg；弯折传输线(10)的长度为(0).(8)～1.2λg，宽度为0.03～0.08λg。

3.根据权利要求2所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述两组辐射枝节(8)镜像对称地放置在弯折传输线(10)的外侧，每组辐射枝节均包含2N+1个的单枝节(11)，N在0～3之间；当N＝0时，每组枝节只有一个枝节，且枝节恰好位于弯折传输线(10)的弯折点，也即传输线(10)的中点；当1≤N≤3，每组枝节的枝节个数多于1，在宽度方向上，枝节都是等距等宽的，相邻枝节间形成缝隙(12)，且处于中间位置的枝节恰好位于弯折传输线(10)的弯折点；在长度方向上，每组枝节在远离蝶形环(7)的一侧是对齐的，在靠近蝶形环的一侧枝节刚好与蝶形环(7)的边缘相连接，从而形成2N+1个不等长的枝节，其中，位于弯折传输线(10)的中心点处的枝节的长度最长，距离弯折传输线(10)的中心点处最远的枝节的长度最短，为有效地产生辐射，辐射枝节(8)的总宽度为0.2～0.7λg，辐射枝节8中的枝节长度为0.25～0.80λg。

4.根据权利要求3所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述微波介质层(2)所用材料为Rogers5880，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm，尺寸为13mm×16mm，同时天线工作的中心频率为35GHz。

5.根据权利要求3所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述传输线(9)的长度为3.2mm，宽度为0.5mm；传输线10的长度为7mm，宽度为0.3mm，向内弯折的深度为1.1mm。

6.根据权利要求3所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述每组辐射枝节(8)均包含3个的枝节，单个辐射枝节的宽度为0.6mm，总的枝节宽度为2.4mm，最长的辐射枝节长度为2.8mm，最短的辐射枝节长度为2.3mm。

7.根据权利要求3所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述天线辐射部分(5)在垂直于枝节长度方向的尺寸为7.1mm，平行于枝节长度方向的尺寸为6.6mm，同时阻抗变换段宽度为0.48mm，长度为0.8mm。

8.根据权利要求3所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述同轴端口(4)的内直径为0.3mm，外直径为1.02mm。

9.根据权利要求3所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述蝶形金属环(7)的内部设置有分隔传输线，分隔传输线包括主谐振柱(14)、侧谐振柱(16)和抽头谐振柱(18)，所述蝶形金属环(7)的内部中间位置固定安装有两个主谐振柱(14)，两个主谐振柱(14)关于辐射枝节(8)进行对称，并且两个主谐振柱(14)通过连接线(15)和抽头谐振柱(18)连接在一起，其中抽头谐振柱(18)和传输线(9)连接在一起，同时两个主谐振柱(14)的中间位置设置有侧谐振柱(16)，侧谐振柱(16)的中心轴线和辐射枝节(8)的中心轴线在同一水平面上，并且主谐振柱(14)通过弯折连接线(17)和侧谐振柱(16)连通在一起，其中弯折连接线(17)的弯曲程度和弯曲传输线(10)的弯曲程度相同一致。

10.根据权利要求9所述的高增益蝶形微带枝节天线，其特征在于：所述辐射部分(5)的底部设置有两个对称的阻抗匹配部分(6)。