CN112531338A - 一种双频可展宽波束宽度的贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双频可展宽波束宽度的贴片天线，包括依次层叠的辐射层、介质层和金属地板，还包括馈电体，所述辐射层由辐射贴片以及寄生在所述辐射贴片周边的金属折叠环构成，所述馈电体对所述辐射贴片馈电；所述金属折叠环包含辐射片段和耦合片段，所述耦合片段与所述辐射贴片耦合，所述辐射片段所在的平面与所述辐射贴片相互垂直。采用简易且易于加工的结构，实现了展宽波束宽度，波束宽度增加30％；通过单馈实现双频展宽带宽，以满足不同应用场景的需求，克服了现有天线存在的波束宽度窄、剖面高的缺陷，实现性能高兼容、结构小型化。在几乎不增加天线剖面的情况下，可根据信号覆盖的需要，灵活地展宽半功率波束宽度，提高信号覆盖的质量。

Description

一种双频可展宽波束宽度的贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是指一种双频可展宽波束宽度的贴片天线。
背景技术
在现代无线通信系统中，双频宽波束天线正因为比传统天线可以实现更大范围的辐射所以受到市场欢迎，可展宽波束宽度天线是当代信息技术应用中的一个关键技术，在系统宽带化和多频化的应用系统中必须得到很好地解决，用以满足天线小尺寸，重量轻、易于安装和双频或者多频覆盖方面的应用需求；目前，市场上的多频天线设计常采用叠层结构，忽略了天线单元本身的性能，设计的天线往往结构复杂、剖面较高。尽管通过加载结构可以实现宽波束宽度，但带宽和小型化等性能大大降低。其次，随着中国运营商的发展，用户的增加，原有的单频逐渐无法满足通信系统扩容需求时，多频的使用是必然趋势，从减少基建投资、节省天线空间及塔顶负载等角度看，将高低频集成于一副天线的多频段应用越来越接近于现实要求，因此对双频段可展宽波束宽度的天线性能以及双频段可展宽波束宽度天线应用场景和应用的指导性研究探讨有着十分重要的现实意义。双频可展宽波束宽度的贴片天线因为其优良的天线性能受到广泛关注，例如多频点，低剖面，低成本和宽频、宽角度信号覆盖。但是，市场上绝大多数微带贴片天线的半功率波束宽度和带宽都较窄，为解决这个问题，常用的方法是引入金属腔体来展宽波束宽度，金属腔体本身会带来辐射，从而在低仰角引入了额外的波束来实现展宽波束宽度。由于加载金属腔会导致天线剖面较高，而如今应用天线的环境和场所对天线小型化要求非常严苛，因此，微带贴片天线首先应该具有较高的波束宽度，在不增加天线尺寸的前提下展宽波束宽度；通过加载缝隙和寄生枝节展宽波束宽度，但是要实现覆盖多频会使天线结构复杂，加工工艺繁琐结构不稳定不利于生产，且带宽较窄。
针对室内多设备多频点的特点，很多场景下要求天线可以接收发多信号，但相应的天线设计较少，且存在剖面高、馈电网络复杂、带宽窄和波束窄等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种双频宽波束天线，该天线除了能够实现双频、展宽波束宽度外，还需克服了结构复杂、高剖面、难加工等问题，满足不同应用场景的需求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种双频可展宽波束宽度的贴片天线，包括依次层叠的辐射层、介质层和金属地板，还包括馈电体，所述辐射层由辐射贴片以及寄生在所述辐射贴片周边的金属折叠环构成，所述馈电体对所述辐射贴片馈电；所述金属折叠环包含辐射片段和耦合片段，所述耦合片段与所述辐射贴片耦合，所述辐射片段所在的平面与所述辐射贴片相互垂直。
进一步地，所述金属折叠环至少设置有两个，所述辐射层关于所述辐射贴片的中轴线呈镜像对称。
进一步地，所述耦合片段与所述辐射贴片位于同一平面上。
进一步地，所述辐射贴片的投影落均在所述金属地板内，所述金属地板的投影均落在所述介质层内，所述金属折叠环的投影均落在所述介质层上。
进一步地，所述辐射贴片为用于形成TM01或TM10谐振模的矩形金属片，所述金属折叠环至少设置有四个且将所述矩形金属片包围。
进一步地，所述矩形金属片呈正方形，边长为工作媒介波长的0.4-0.5倍；所述金属折叠环设置有四个，分别位于所述辐射贴片的四条边边沿旁；所述金属折叠环的周长为工作频率真空波长的0.6-0.9倍。
进一步地，所述金属地板、所述介质层均呈正方形，所述介质层的边长比所述金属地板的边长大0.1-0.3倍的工作媒介波长。
进一步地，所述金属折叠环还包含两L型连接部，所述L型连接部的两端分别与所述辐射片段、所述耦合片段的端部连接；所述辐射片段、所述耦合片段均与所述辐射贴片的边平行，且三者的长度均相等；所述L型连接部的长度小于所述辐射片段的长度。
进一步地，四条所述耦合片段到所述辐射贴片中心的距离均相等；所述L型连接部位于所述耦合片段的远离所述辐射贴片的一侧，且其一端与所述耦合片段位于同一平面上，另一端与所述辐射片段位于同一平面上。
进一步地，所述介质层由介电常数为4-5的介质板构成，厚度为0.01-0.05倍的真空波长；所述金属地板上设置有圆孔，所述馈电体为与SMA转接头连接的金属探针；所述金属探针依次穿过所述圆孔、介质层后与所述辐射贴片相接，相接点位于所述辐射贴片的中轴线上且偏离所述辐射贴片的中心；所述金属地板、所述介质层和所述辐射贴片的中心重合。
本发明的有益效果在于：采用简易且易于加工的结构，实现了展宽波束宽度，波束宽度增加30％；通过单馈实现双频展宽带宽，以满足不同应用场景的需求，克服了现有天线存在的波束宽度窄、剖面高的缺陷，实现性能高兼容、结构小型化。在几乎不增加天线剖面的情况下，可根据信号覆盖的需要，灵活地展宽半功率波束宽度，提高信号覆盖的质量。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线的正视图；
图2为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线的俯视图；
图3为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线的仰视图；
图4为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线及对比例1-2的增益方向图(谐振频率为1.53GHz，切面为E面)；
图5为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线及对比例1-2的增益方向图(谐振频率为1.53GHz，切面为H面)；
图6为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线的增益方向图(谐振频率为1.72GHz，切面为E面，H面)；
图7为本发明的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线及对比例1-2的回波损耗图；
其中，1-金属折叠环，11-耦合片段，12-辐射片段，13-L型连接部；2-辐射贴片，3-介质层，4-金属地板，5-金属探针，6-SMA转接头。
具体实施方式
本发明最关键的构思在于：基于贴片天线的高次谐振模，利用寄生的金属折叠环产生垂直电流进行辐射，实现展宽波束宽度的目的。
为了进一步论述本发明构思的可行性，根据本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式并配合附图详予说明。
实施例1
请参阅图1、图2以及图3，一种双频可展宽波束宽度的贴片天线，包括依次层叠的辐射层、介质层3和金属地板4，还包括馈电体，所述辐射层由辐射贴片2以及寄生在所述辐射贴片2周边的金属折叠环1构成，所述馈电体对所述辐射贴片2馈电；所述金属折叠环1包含辐射片段12和耦合片段11，所述耦合片段11与所述辐射贴片2耦合，所述辐射片段12所在的平面与所述辐射贴片2相互垂直。
通过加载寄生的金属折叠环1产生垂直电流，从而获得额外的波束，达到展宽波束宽度的目的，而且半波长的寄生金属折叠环1激励起新的谐振模式，形成双频。故，利用寄生的金属折叠环1对辐射贴片2进行耦合馈电，不仅增加了天线的带宽，还有效地展宽了波束宽度，激励起了一个可利用的新的谐振模式，进而该天线具备剖面低、质量轻、带宽足够、结构简单、操作简易、高波束宽度、辐射稳定等优点。
实施例2
在上述结构基础上，所述金属折叠环1至少设置有两个，所述辐射层关于所述辐射贴片2的中轴线呈镜像对称，优化半功率波束宽度和带宽的展宽效果。所述耦合片段11与所述辐射贴片2位于同一平面上，优化半功率波束宽度和带宽的展宽效果。
实施例3
在上述结构基础上，所述辐射贴片2的投影落均在所述金属地板4内，所述金属地板4的投影均落在所述介质层3内，所述金属折叠环1的投影均落在所述介质层3上。即，金属地板4的面积(尺寸)大于辐射贴片2的面积(尺寸)，但小于介质层3的面积(尺寸)。通信系统在不改变天线结构的情况下，通过控制金属地板4的尺寸，减小天线的后向辐射，向正上方辐射方向贡献更多波束展宽波束宽度，进一步扩展波束宽度。由于金属折叠环1寄生在辐射贴片2的周边，故所述金属折叠环1的投影不与所述辐射贴片2的投影重叠。
实施例4
在上述结构基础上，所述辐射贴片2为用于形成TM01或TM10谐振模的矩形金属片，所述金属折叠环1至少设置有四个且将所述矩形金属片包围，进一步优化半功率波束宽度和带宽的展宽效果。
实施例5
在上述结构基础上，所述矩形金属片呈正方形，边长为工作媒介波长的0.4-0.5倍；所述金属折叠环1设置有四个，分别位于所述辐射贴片2的四条边边沿旁；所述金属折叠环1的周长为工作频率真空波长的0.6-0.9倍。利用两对相互正交的寄生的金属折叠环1产生垂直电流进行辐射，激励起新的谐振模式，进一步优化半功率波束宽度和带宽的展宽效果。
实施例6
在上述结构基础上，所述金属地板4、所述介质层3均呈正方形，所述介质层3的边长比所述金属地板4的边长大0.1-0.3倍的工作媒介波长。
实施例7
在上述结构基础上，所述金属折叠环1还包含两L型连接部13，所述L型连接部13的两端分别与所述辐射片段12、所述耦合片段11的端部连接，即L型连接部13-辐射片段12-L型连接部13-耦合片段11依次连接形成闭合的金属折叠环1。所述辐射片段12、所述耦合片段11均与所述辐射贴片2的边平行，且三者的长度均相等；所述L型连接部13的长度小于所述辐射片段12的长度，避免折叠后的金属环会过多增加天线剖面。
实施例8
在上述结构基础上，四条所述耦合片段11到所述辐射贴片2中心的距离均相等；所述L型连接部13位于所述耦合片段11的远离所述辐射贴片2的一侧，且其一端与所述耦合片段11位于同一平面上，另一端与所述辐射片段12位于同一平面上，便于加工成型。所述L型连接部的与所述辐射片段12位于同一平面上的一端，由于也与所述辐射贴片2垂直，故也具有辐射能量的作用，可优化半功率波束宽度和带宽的展宽效果。
实施例9
在上述结构基础上，所述介质层3由介电常数为4～5的介质板构成，厚度为0.01-0.05倍的真空波长；所述金属地板4上设置有圆孔，所述馈电体为与SMA转接头6连接的金属探针5。SMA转接头6的内导体与金属探针5相接，其外导体与金属地板4相接。所述金属探针5依次穿过所述圆孔、介质层3后与所述辐射贴片2相接，相接点位于所述辐射贴片2的中轴线上且偏离所述辐射贴片2的中心。所述金属地板4、所述介质层3和所述辐射贴片2的中心重合。
为了进一步论述本发明的有益效果，根据以下试验例及对比例作进一步说明：
试验例1(proposed)
请参阅图1至图3，一种双频可展宽波束宽度的贴片天线，包括依次层叠的辐射层、介质层3和金属地板4，还包括馈电体，所述辐射层由辐射贴片2以及寄生在所述辐射贴片2周边的金属折叠环1构成，所述馈电体对所述辐射贴片2馈电；所述金属折叠环1由辐射片段12、耦合片段11和两L型连接部13构成，所述耦合片段11与所述辐射贴片2耦合，所述辐射片段12所在的平面与所述辐射贴片2相互垂直。所述金属地板4、所述介质层3、所述辐射贴片2均呈正方形，所述介质层3的边长比所述金属地板4的边长大0.15倍的工作媒介波长。所述辐射贴片2的边长为工作媒介波长的0.5倍。所述辐射贴片2为用于形成TM01或TM10谐振模，所述金属折叠环1设置有四个且分别位于所述辐射贴片2的四条边边沿旁。所述金属折叠环1的周长为工作频率真空波长的0.75倍。所述介质层3由介电常数为4.4的介质板构成，厚度为0.02倍的真空波长。
所述L型连接部13的两端分别与所述辐射片段12、所述耦合片段11的端部连接。所述辐射片段12、所述耦合片段11均与所述辐射贴片2的一边平行，所述辐射片段12与所述耦合片段11之间也相互平行，且三者的长度均相等；所述L型连接部13的长度小于所述辐射片段12的长度。四条所述耦合片段11到所述辐射贴片2中心的距离均相等；所述L型连接部13位于所述耦合片段11的远离所述辐射贴片2的一侧，且其一端与所述耦合片段11位于同一平面上，另一端与所述辐射片段12位于同一平面上。
所述金属地板4、所述介质层3和所述辐射贴片2的中心重合。所述辐射贴片2的投影落均在所述金属地板4内，所述金属地板4的投影均落在所述介质层3内，所述金属折叠环1的投影均落在所述介质层3上。所述辐射层关于所述辐射贴片2的中轴线呈镜像对称；所述辐射层关于所述辐射贴片2的另一中轴线也呈镜像对称。
所述金属地板4上设置有圆孔，所述馈电体为与SMA转接头6连接的金属探针5。所述金属探针5依次穿过所述圆孔、介质层3后与所述辐射贴片2相接，相接点位于所述辐射贴片2的中轴线上且偏离所述辐射贴片2的中心。
根据上述天线结构进行测试，其回波损耗图详见图7中的Antenna3所示；其低频谐振频率为1.53GHz；其在H面处切面的半功率波束宽度为130°，如图5中的Antenna3所示；其在E面处切面的半功率波束宽度为95°，如图4中的Antenna3所示。
对比例1
与试验例1的结构差异在于，所述辐射层仅由辐射贴片2构成，所述金属地板4和所述介质层3的尺寸大小一致。其余结构均相同。
根据上述天线结构进行测试，其回波损耗图详见图7中的Antenna1所示；其谐振频率为1.53GHz；其在H面处切面的半功率波束宽度为99°，如图5中的Antenna1所示；其在E面处切面的半功率波束宽度为92.6°，如图4中的Antenna1所示。
对比例2
与试验例1的结构差异在于，所述辐射层仅由辐射贴片2构成。其余结构均相同。
根据上述天线结构进行测试，其回波损耗图详见图7中的Antenna2所示；其谐振频率为1.53GHz；其在H面处切面的半功率波束宽度为110°，如图5中的Antenna2所示；其在E面处切面的半功率波束宽度为94°，如图4中的Antenna2所示。
对比例1-2相比较可知，通过减小金属地板4的尺寸可以减小天线后向辐射，将有效的提高了H面的半功率波束宽度。
试验例1与对比例2相比较可知，加载的四个寄生金属折叠环1，不但使双频可展宽波束宽度的贴片天线的带宽明显展宽，而且还引入了额外的谐振频率。该额外引入的谐振频率为1.72GHz；其在H面处切面的半功率波束宽度为154°，在E面处切面的半功率波束宽度为95°，结果如图6所示。
综上所述，本发明提供的一种双频可展宽波束宽度的贴片天线，基于贴片天线的TM01或TM10谐振模，通过辐射贴片耦合馈电到寄生的金属折叠环，可展宽半功率波束宽度和带宽，在低剖面条件下实现了多频点、高波束带宽的性能。通过引入寄生的金属折叠环，从而产生垂直电流进行辐射展宽波束宽度。寄生的金属折叠环通过耦合馈电，不仅展开了带宽，波束宽度增加30％，而且带来了额外的可利用的高频模式，以满足不同应用场景的需求，克服了现有天线存在的波束宽度窄、剖面高的缺陷，实现性能高兼容、结构小型化。在几乎不增加天线剖面的情况下，根据信号覆盖的需要，可灵活地展宽半功率波束宽度，提高信号覆盖的质量，因而十分适合用于当下通信系统。通过控制金属地板的大小，可以减小天线的后向辐射，从而展宽天线波束宽度，结构简单、灵活性好、辐射效率高。总而言之，该天线具备剖面低、质量轻、带宽足够、结构简单、操作简易、高波束宽度、辐射稳定等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双频可展宽波束宽度的贴片天线，包括依次层叠的辐射层、介质层和金属地板，还包括馈电体，其特征在于，所述辐射层由辐射贴片以及寄生在所述辐射贴片周边的金属折叠环构成，所述馈电体对所述辐射贴片馈电；所述金属折叠环包含辐射片段和耦合片段，所述耦合片段与所述辐射贴片耦合，所述辐射片段所在的平面与所述辐射贴片相互垂直。
2.如权利要求1所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述金属折叠环至少设置有两个，所述辐射层关于所述辐射贴片的中轴线呈镜像对称。
3.如权利要求2所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述耦合片段与所述辐射贴片位于同一平面上。
4.如权利要求1至3任一所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片的投影落均在所述金属地板内，所述金属地板的投影均落在所述介质层内，所述金属折叠环的投影均落在所述介质层上。
5.如权利要求4所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片为用于形成TM01或TM10谐振模的矩形金属片，所述金属折叠环至少设置有四个且将所述矩形金属片包围。
6.如权利要求5所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述矩形金属片呈正方形，边长为工作媒介波长的0.4-0.5倍；所述金属折叠环设置有四个，分别位于所述辐射贴片的四条边边沿旁；所述金属折叠环的周长为0.6-0.9倍的工作频率真空波长。
7.如权利要求6所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述金属地板、所述介质层均呈正方形，所述介质层的边长比所述金属地板的边长大0.1-0.3倍的工作媒介波长。
8.如权利要求7所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述金属折叠环还包含两L型连接部，所述L型连接部的两端分别与所述辐射片段、所述耦合片段的端部连接；所述辐射片段、所述耦合片段均与所述辐射贴片的边平行，且三者的长度均相等；所述L型连接部的长度小于所述辐射片段的长度。
9.如权利要求8所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，四条所述耦合片段到所述辐射贴片中心的距离均相等；所述L型连接部位于所述耦合片段的远离所述辐射贴片的一侧，且其一端与所述耦合片段位于同一平面上，另一端与所述辐射片段位于同一平面上。
10.如权利要求5至9任一所述的双频可展宽波束宽度的贴片天线，其特征在于，所述介质层由介电常数为4-5的介质板构成，厚度为0.01-0.05倍的真空波长；所述金属地板上设置有圆孔，所述馈电体为与SMA转接头连接的金属探针；所述金属探针依次穿过所述圆孔、介质层后与所述辐射贴片相接，相接点位于所述辐射贴片的中轴线上且偏离所述辐射贴片的中心；所述金属地板、所述介质层和所述辐射贴片的中心重合。
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