CN112821054B - 一种高增益开槽微带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益开槽微带贴片天线，属于微波天线技术领域。本发明包括依次层压的辐射金属层、微波介质层和接地金属层；所述辐射金属层包含两个镜像对称放置的辐射贴片和一根U型金属馈线；在辐射贴片上沿长度方向开有N个平行、等间距的槽，N为大于1的整数，槽的宽度小于辐射贴片长度的1/N；两个辐射贴片的侧边中点位于U型金属馈线的两平行长边外侧的中点。本发明在保留微带贴片天线的低剖面、简单结构的优点的同时，实现单元级天线的高增益并扩展带宽。

Description

一种高增益开槽微带贴片天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种高增益开槽微带贴片天线。
背景技术
近年来，随着信息技术的快速发展，毫米波波段无线应用日趋广泛，如点对点高速率通信、高分辨率雷达等，对天线小型化、高增益、易集成和低成本的需求越来越高。微带贴片天线具有低剖面、结构简单、易与载体表面共形等优点，已在毫米波波段得到了广泛研究。尤其随着移动通信技术的发展，电子设备的小型化、便携化趋势更加明显，基于微带贴片天线的优点，其仍是目前毫米波无线电子设备较为主要的天线形式之一。
传统的微带天线受限于工作模式，单元波束宽度较宽，通常增益较低、带宽较窄。通过组阵、耦合馈电、开槽、加载寄生单元等技术，可以提高天线增益、扩展带宽，但往往使得天线结构复杂度和损耗上升，进而导致天线成本提高、占用体积增大，限制了天线的应用范围。因此，通过对具有简单结构的微带贴片天线单元进行研究改进，扩展其带宽并进一步提高增益，同时保持微带贴片天线低剖面、简单结构和低成本的优点，有着重要的实用意义。
发明内容
本发明目的是针对传统微带贴片天线增益低、带宽窄的问题，提供一种微带贴片天线，在保留微带贴片天线的低剖面、简单结构的优点的同时，实现单元级天线的高增益并扩展带宽。
具体地说，本发明提供了一种高增益开槽微带贴片天线，包括依次层压的辐射金属层、微波介质层和接地金属层；
所述辐射金属层包含两个镜像对称放置的辐射贴片和一根U型金属馈线；在辐射贴片上沿长度方向开有N个平行、等间距的槽，N为大于1的整数，槽的宽度小于辐射贴片长度的1/N；两个辐射贴片的侧边中点位于U型金属馈线的两平行长边外侧的中点。
进一步的，所述槽为矩形槽。
进一步的，所述矩形槽的长度与辐射贴片的宽度相等。
进一步的，所述两个辐射贴片呈镜像对称地放置在U型金属馈线的两个平行长边的外侧。
进一步的，所述U型金属馈线的短边长度为0.45～0.55λg。
进一步的，所述辐射贴片的宽度为0.3～0.45λg，长度为0.5～0.8λg；U型金属馈线的线宽为0.03～0.08λg，U型金属馈线的两个平行长边的长度为0.8-1.3λg，短边的长度为0.45～0.55λg。
进一步的，所述高增益开槽微带贴片天线的馈电从U型金属馈线的一个直角拐角处馈入。
进一步的，所述辐射金属层和接地金属层的材料采用铜。
进一步的，所述辐射金属层和接地金属层采用厚度为18μm或35μm铜板制成。
进一步的，所述微波介质层2选用介电常数为2～5、厚度在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制成。
本发明的高增益开槽微带贴片天线的有益效果如下：
本发明通过开槽改进传统微带贴片天线结构，用U型馈线对两个镜像贴片天线进行反相并联馈电，在保持微带贴片天线所具有的单层介质简单结构的同时，实现了11％的相对带宽，并在天线整体接近1个波长的口径尺寸下获得较为均匀的幅相分布，使得天线增益达到约11dB，可较好满足毫米波宽带探测及通信系统对小型化、高增益和低成本天线的应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例的侧视图。
图2是本发明实施例的三维结构示意图。
图3是本发明实施例的俯视图。
图4是本发明实施例的辐射贴片示意图。
图5是本发明实施例的U型金属馈线示意图。
图6是本发明实施例的输入阻抗示意图。
图7是本发明实施例的S11参数及增益示意图。
图8是本发明实施例在33GHz处的E面方向图。
图9是本发明实施例在33GHz处的H面方向图。
图10是本发明实施例在35GHz处的E面方向图。
图11是本发明实施例在35GHz处的H面方向图。
图12是本发明实施例在37GHz处的E面方向图。
图13是本发明实施例在37GHz处的H面方向图。
附图标记：1-辐射金属层、2-微波介质层、3-接地金属层、4-辐射贴片、5-U型金属馈线、6-矩形槽、7-开路微带枝节、8-微带线馈电端口。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，为一种高增益开槽微带贴片天线。
如图1所示，本发明的高增益开槽微带贴片天线使用单层介质板的结构，包括依次层压的辐射金属层1、微波介质层2和接地金属层3。
如图2～图5所示，辐射金属层1包含两个镜像对称放置的辐射贴片4和一根U型金属馈线5。在辐射贴片4上沿长度L4方向开有N((N为大于1的整数)个平行、等间距的槽6，槽6的宽度满足开槽后辐射贴片4上仍有部分金属剩余，即槽6的宽度小于辐射贴片4长度L4的1/N；每个开有槽6的辐射贴片4则可视为由N+1个尺寸相同、距离相等的开路微带枝节7组成。两个辐射贴片4的侧边中点位于U型金属馈线5的两平行长边外侧的中点，即U型金属馈线5上电场极大值出现的点，以形成有效地辐射。
优选的，在另一个实施例中，槽6为矩形槽。进一步的，在另一个实施例中，矩形槽6的长度与辐射贴片4的宽度W4相等。
优选的，在另一个实施例中，两个辐射贴片4呈镜像对称地放置在U型金属馈线5的两个平行长边的外侧，可以使得U型金属馈线5的短边尽量短，以消除两个辐射贴片间的耦合干扰，提高天线的性能。进一步的，U型金属馈线5的短边长度w约为1/2λg(例如0.45～0.55λg，λg为工作频率处对应的介质导波长)，可使得两个镜像放置的辐射贴片4具有接近180°的馈电相位差，以保证其产生的辐射场能同相迭加，从而获得较高增益。
为实现有效辐射，在另一个实施例中，辐射贴片4的宽度W4为0.3～0.45λg，长度L4为0.5～0.8λg；U型金属馈线5的线宽d为0.03～0.08λg，其两个平行长边的长度1为0.8-1.3λg，短边的长度w为0.45～0.55λg。
进一步的，在另一个实施例中，高增益开槽微带贴片天线的微带线馈电端口8设置在U型金属馈线5的一个直角拐角处。微波能量经微带线馈电端口8馈入，传输至U型金属馈线5的直角拐角后，经由U型金属馈线5的两条平行长边分送至两个镜像放置的辐射贴片4，再通过各微带开路枝节7实现向自由空间的辐射，从而获得更高的增益和带宽。
优选的，辐射金属层1和接地金属层3的材料采用铜，例如，采用厚度为18μm或35μm铜板制成。微波介质层2选用介电常数为2～5、厚度在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，可以更好地扩展带宽。
优选的，在一个实施例中，高增益开槽微带贴片天线工作的中心频率为35GHz。辐射金属层1和接地金属层3均为18μm厚的铜层，微波介质层2选取介电常数为2.2的Rogers5880材料，厚度为0.508mm，尺寸为16mm×16mm。辐射贴片4的宽度W4为2.2mm，长度L4为4.6mm，其上开4个等宽等长的矩形槽，槽的宽度为0.2mm，长度为2.2mm，4个槽距离相等，每个辐射贴片4在开槽后成为五个尺寸相同(2.2mm×0.76mm)、相邻距离0.2mm的开路微带枝节7。U型金属馈线5的线宽为0.3mm，其两个平行长边的长度l为7.6mm，短边长度w为3.4mm。图6为该实施例天线的输入阻抗图，图7为其S11参数(即微带线馈电端口的反射系数)和增益图。可以看出，本实施例的高增益开槽微带贴片天线的输入阻抗带宽为33.0-37.1GHz，相对带宽为11.7％。在带宽内的增益高于10.6dB，最高增益达11.5dB。如图8～图13所示，在33GHz、35GHz、37GHz处，特别是35GHz处的方向图左右对称性好；在E面和H面的增益可达11.5dB；可见采用本发明的高增益开槽微带贴片天线，可以获得较宽的工作带宽和较高的天线增益。
本发明的高增益开槽微带贴片天线具有以下优点：
本发明通过开槽改进传统微带贴片天线结构、使用U型馈线对两个镜像贴片天线进行反相并联馈电，在保持微带贴片天线所具有的单层介质简单结构的同时，实现了11％的相对带宽，并在天线整体接近1个波长的口径尺寸下获得较为均匀的幅相分布，使得天线增益达到约11dB，可较好满足毫米波宽带探测及通信系统对小型化、高增益和低成本天线的应用需求。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，包括依次层压的辐射金属层、微波介质层和接地金属层；
所述辐射金属层包含两个镜像对称放置的辐射贴片和一根U型金属馈线；在辐射贴片上沿长度方向开有N个平行、等间距的槽，N为大于1的整数，槽的宽度小于辐射贴片长度的1/N；所述两个辐射贴片在U型金属馈线的两个平行长边的外侧，两个辐射贴片的侧边中点位于U型金属馈线的两平行长边外侧的中点；
所述U型金属馈线的短边长度为0.45～0.55λg，所述高增益开槽微带贴片天线的馈电从U型金属馈线的一个直角拐角处馈入。
2.根据权利要求1所述的高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，所述槽为矩形槽。
3.根据权利要求2所述的高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，所述矩形槽的长度与辐射贴片的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片的宽度为0.3～0.45λg，长度为0.5～0.8λg；U型金属馈线的线宽为0.03～0.08λg，U型金属馈线的两个平行长边的长度为0.8-1.3λg，短边的长度为0.45～0.55λg。
5.根据权利要求1所述的高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，所述辐射金属层和接地金属层的材料采用铜。
6.根据权利要求1所述的高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，所述辐射金属层和接地金属层采用厚度为18μm或35μm铜板制成。
7.根据权利要求1所述的高增益开槽微带贴片天线，其特征在于，所述微波介质层选用介电常数为2～5、厚度在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制成。
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