CN113488774B - 一种具有带内方向图多样性的微带天线和制造方法 - Google Patents

一种具有带内方向图多样性的微带天线和制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种具有带内方向图多样性的微带天线，包括：U形辐射贴片，包含两个相同的长方形贴片，沿长方形贴片的宽度方向排列并由细贴片相连，使两个长方形贴片位于细贴片的同一侧；馈电的位置在细贴片另一侧的中央；宽寄生贴片，位于两个长方形贴片之间，两侧各有一窄寄生贴片，整体上形成对称结构；所述宽寄生贴片、窄寄生贴片、U形辐射贴片之间由空隙隔开。本申请还包含所述微带天线的制造方法。本申请使天线在带内不同频率具有不同的辐射方向图。

Description

一种具有带内方向图多样性的微带天线和制造方法
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种具有带内方向图多样性的微带天线和制造方法。
背景技术
过去的几十年，移动通信从1G(第一代移动通信)发展到5G，天线形态逐渐从全向辐射天线演变成可调多波束辐射天线。进入5G时代，天线频谱进一步提高、带宽进一步增大，车联网和物联网等新兴应用发展迅速，对天线提出了更多要求。
单波束定向天线具有增益高，覆盖半径大的优势，但其水平面覆盖角度小。而宽波束定向天线，可以维持定向辐射，同时其水平面覆盖角度也更大，可以容纳更多用户。与单波束天线相比较，双波束天线可以同时覆盖两个区域，在特定场景下优势突出。
微带天线具有小型化、平面化和轻量化等优点，在民用和军用领域均得到了快速的发展和使用。传统的微带天线在整个带内频率辐射特性单一，通常为定性辐射或者全向辐射。当下，随着移动通信频谱的提高和各种不同行业通信场景的需求，天线小型化、集成化和多功能化已经成为一种发展趋势。如何不依赖于多幅天线，实现具有带内频率方向图多样性的微带天线，是本申请需要解决的。
发明内容
本申请实施例提供一种具有带内方向图多样性的微带天线和制造方法，解决如何通过一幅天线实现带内方向图多样化的问题，使天线在带内不同频率具有不同的辐射方向图。
本申请实施例提出一种具有带内方向图多样性的微带天线，包括：
U形辐射贴片，包含两个相同的长方形贴片，沿长方形贴片的宽度方向排列并由细贴片相连，使两个长方形贴片位于细贴片的同一侧；馈电位置在细贴片另一侧的中央；宽寄生贴片，位于两个长方形贴片之间，两侧各有一窄寄生贴片，整体上形成对称结构；所述宽寄生贴片、窄寄生贴片、U形辐射贴片之间由空隙隔开。
优选地，所述微带天线在对称方向的尺寸是垂直方向尺寸的2倍以上。
优选地，微带馈线的长度的0.52倍介质波长、宽度为0.058倍介质波长。
在本申请任意一个实施例中，优选以下至少一种尺寸：
所述长方形贴片的长度为0.5倍介质波长，宽度为0.44倍介质波长。
两长方形贴片中间连接细贴片的长度为0.92倍介质波长，宽度为0.0077倍介质波长。
所述宽寄生贴片的长度为0.45倍介质波长，宽度为0.4倍介质波长。
所述窄寄生贴片的长度为0.45倍介质波长，宽度为0.077倍介质波长。
所述窄寄生贴片与宽寄生贴片的间隙为0.039倍介质波长，窄寄生贴片与长方形辐射贴片的间距为0.145倍介质波长。
本申请还提出一种微带天线制造方法，用于实现本申请任意一项实施例所述具有带内方向图多样性的微带天线，包含以下步骤：
改变所述微带天线在对称方向的尺寸和垂直方向尺寸，使所述微带天线产生的两个谐振频率达到其目标值；
改变所述宽寄生贴片、窄寄生贴片的位置，使产生的第三个谐振频率达到其目标值。
优选地，还包含以下步骤：
调整微带馈线的长度和宽度，使微带特性阻抗达到设定的值。
调整所述长方形辐射贴片、宽寄生贴片、窄寄生贴片的长度和宽度以及彼此间的间隙，使天线回波特性达到其目标值。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
天线在带内不同频率具有三种不同的辐射方向图，包含单波束定向辐射、宽波束定向辐射和双波束辐射。一副天线具有多功能化的辐射特性，有利于通信系统的小型化。带内不同频率具有不同的辐射方向图，具有多功能化的优点。天线采用微带结构，具有平面化、小型化和轻量化的优点。天线工作带宽为10％，具有宽带化的特点。
本发明可以应用于点对点、覆盖增强等特定通信场景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1(a)为天线侧视图；
图1(b)为天线结构俯视图；
图2为天线顶层结构尺寸参数示意图；
图3为实施例天线回波损耗曲线图；
图4为实施例天线在3.4GHz时的E面和H面辐射方向图；
图5为实施例天线在3.5GHz时的E面和H面辐射方向图；
图6为实施例天线在3.6GHz时的E面和H面辐射方向图；
图7为实施例天线在3.7GHz时的E面和H面辐射方向图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
本发明所述的具有带内频率方向图多样性的微带天线为平面微带结构，顶层和底层分别印刷在介质基板的两侧，如图1(a)所示，1为顶层辐射结构、2为底层金属地板、3为介质基板。
顶层辐射结构如图1(b)所示，由微带馈线11、U形辐射贴片12、宽寄生贴片13和窄寄生贴片对14组成。
U形辐射贴片，包含两个相同的长方形贴片121，沿长方形贴片的宽度方向排列并由细贴片122相连，使两个长方形贴片位于细贴片的同一侧。
馈电位置在细贴片另一侧的中央，其中，微带馈线11为能量输入和输出的路径，其长度和宽度视天线阻抗匹配情况进行调整；U形辐射贴片12可以产生两个谐振频率，决定了天线的带内低端谐振频率fL和带内高端谐振频率fH。
宽寄生贴片，位于两个长方形贴片之间，两侧各有一窄寄生贴片，微带天线整体上形成对称结构。所述宽寄生贴片、窄寄生贴片、U形辐射贴片之间由空隙隔开。引入宽寄生贴片13和窄寄生贴片对14可以产生第三个谐振频率f0，也即是中心频率。通过综合调整U形辐射贴片12、宽寄生贴片13和窄寄生贴片对14的长度和宽度以及彼此间的间隙，可以改变天线的三个谐振频率和天线的阻抗匹配使天线具有良好的回波特性，并能实现10％的工作带宽。
图2为天线顶层结构尺寸参数示意图。
所述微带天线在对称方向的尺寸是垂直方向尺寸的2倍以上，也就是说，在U形辐射贴片12需要保持y轴方向尺寸是x轴尺寸的两倍以上，此时U形辐射贴片可以产生两个临近的谐振频率fL和fH，
引入宽寄生贴片13和窄寄生贴片对14后，电流在U形辐射贴片上会有三种分布模式，从而天线在带内不同频率会具有三种不同的辐射方向图，包含单波束定向辐射、宽波束定向辐射和双波束辐射。
天线在带内不同频率具有三种不同的辐射方向图主要物理原理在于U形辐射贴片12内会存在三种电流分布模式。
引入宽寄生贴片13和窄寄生贴片对14后，除了会产生第三个谐振频率f0外，也会改善天线阻抗匹配。U形辐射贴片12、宽寄生贴片13和窄寄生贴片对14的长度和宽度以及彼此间的间隙能够影响天线的阻抗匹配。
一个优选的方案如下：微带馈线11的长度为0.52倍介质波长、宽度为0.058倍介质波长，此时微带线特性阻抗为100欧姆；U形辐射贴片12两端长方形贴片的长度l1为0.5倍介质波长、宽度w1为0.44倍介质波长，中间连接细贴片的长度为0.92倍介质波长，宽度w2为0.0077倍介质波长；宽寄生贴片13长度和宽度分别为0.45倍介质波长和0.4倍介质波长；窄寄生贴片对14由一对尺寸相同的窄辐射贴片构成，长度和宽度分别为0.45倍介质波长和0.077倍介质波长；窄寄生贴片对14与宽寄生贴片13的间隙g1为0.039倍介质波长，窄寄生贴片对14与U形辐射贴片12的间隙g2为0.145倍介质波长。介质波长为天线工作中心频率处对应的介质波长。
基于上述结构和原理，本申请还提出一种微带天线制造方法，用于实现本申请任意一项实施例所述具有带内方向图多样性的微带天线，包含以下步骤：
步骤101、改变所述微带天线在对称方向的尺寸和垂直方向尺寸，使所述微带天线产生的两个谐振频率达到其目标值，例如fL为3.42GHz，fH为3.69GHz。
步骤102、改变所述宽寄生贴片、窄寄生贴片的位置，使产生的第三个谐振频率达到其目标值。当形成对称结构时，产生谐振的天线工作中心频率f0为3.55GHz。
优选地，还包含以下步骤：
步骤103、调整微带馈线的长度和宽度，使微带特性阻抗达到设定的值，例如100欧姆。
步骤104、调整所述长方形辐射贴片、宽寄生贴片、窄寄生贴片的长度和宽度以及彼此间的间隙，使天线回波特性达到其目标值。
图3～7是典型实施例的测试曲线。
针对具有带内频率方向图多样性的微带天线，按照所述制造方法，一个典型实施例如下：天线介质基板2采用旺灵F4B，相对介电常数为2.65、厚度2mm，天线工作中心频率f0为3.55GHz(介质波长为51.9mm)，fL为3.42GHz，fH为3.69GHz，-10dB回波损耗带宽为350MHz。微带馈线11的长度为0.52倍介质波长(27.2mm)、宽度为0.058倍介质波长(3mm)；U形辐射贴片12两端长方形贴片的长度l1为0.5倍介质波长(25.6mm)、宽度w1为0.44倍介质波长(22.6mm)，中间连接细贴片的长度为0.92倍介质波长(47.8mm)，宽度w2为0.0077倍介质波长(0.4mm)；宽寄生贴片13长度和宽度分别为0.45倍介质波长(23.5mm)和0.4倍介质波长(20.8mm)；窄寄生贴片对14由一对尺寸相同的窄辐射贴片构成，长度和宽度分别为0.45倍介质波长(23.5mm)和0.077倍介质波长(4mm)；窄寄生贴片对14与宽寄生贴片13的间隙g1为0.039倍介质波长(2mm)，窄寄生贴片对14与U形辐射贴片12的间隙g2为0.145倍介质波长(7.5mm)。
图3为实施例天线回波损耗曲线图，带内回波损耗小于-16dB，各谐振频率回波损耗小于-22dB。
图4为实施例天线在带内频率3.4GHz时的E面(xoz面)和H面(yoz面)辐射方向图，可见天线辐射方向图为单波束定向辐射，并且H面波束比E面波束窄。
图5为实施例天线在带内频率3.5GHz时的E面(xoz面)和H面(yoz面)辐射方向图，可见天线辐射方向图为单波束定向辐射，H面波束比E面波束窄，但已经较为接近。
图6为实施例天线在带内频率3.6GHz时的E面(xoz面)和H面(yoz面)辐射方向图，可见天线辐射方向图为单波束定向辐射。但此时H面波束发生较大的波束展宽，H面波束比E面波束宽，呈现为宽波束定向辐射方向图。
图7为实施例天线在带内频率3.7GHz时的E面(xoz面)和H面(yoz面)辐射方向图，H面方向图裂变为两波束，天线辐射方向图为两波束定向辐射。
从图4至7可知，实施例天线在带内不同频率具有多样化的辐射方向图，包含单波束定向辐射、宽波束定向辐射和双波束辐射。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，包括：
U形辐射贴片，包含两个相同的长方形贴片，沿长方形贴片的宽度方向排列并由细贴片相连，使两个长方形贴片位于细贴片的同一侧；馈电的位置在细贴片另一侧的中央；
宽寄生贴片，位于两个长方形贴片之间，两侧各有一窄寄生贴片，整体上形成对称结构，宽寄生贴片和窄寄生贴片均为矩形，且宽寄生贴片和窄寄生贴片沿长方形贴片的宽度方向排列；所述宽寄生贴片、窄寄生贴片、U形辐射贴片之间由空隙隔开。
2.如权利要求1所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
所述微带天线在对称方向的尺寸是垂直方向尺寸的2倍以上。
3.如权利要求1所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
微带馈线的长度的0.52倍介质波长、宽度为0.058倍介质波长。
4.如权利要求1～3任意一项所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
所述长方形贴片的长度为0.5倍介质波长，宽度为0.44倍介质波长。
5.如权利要求1～3任意一项所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
两长方形贴片中间连接细贴片的长度为0.92倍介质波长，宽度为0.0077倍介质波长。
6.如权利要求1～3任意一项所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
所述宽寄生贴片的长度为0.45倍介质波长，宽度为0.4倍介质波长。
7.如权利要求1～3任意一项所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
所述窄寄生贴片的长度为0.45倍介质波长，宽度为0.077倍介质波长。
8.如权利要求1～3任意一项所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，
所述窄寄生贴片与宽寄生贴片的间隙为0.039倍介质波长，窄寄生贴片与长方形辐射贴片的间距为0.145倍介质波长。
9.一种微带天线制造方法，用于实现权利要求1～8任意一项所述具有带内方向图多样性的微带天线，其特征在于，包含以下步骤：
改变所述微带天线在对称方向的尺寸和垂直方向尺寸，使所述微带天线产生的两个谐振频率达到其目标值；
改变所述宽寄生贴片、窄寄生贴片的位置，使产生的第三个谐振频率达到其目标值。
10.如权利要求9所述的微带天线制造方法，其特征在于，还包含以下步骤：
调整微带馈线的长度和宽度，使微带特性阻抗达到设定的值；
调整所述长方形辐射贴片、宽寄生贴片、窄寄生贴片的长度和宽度以及彼此间的间隙，使天线回波特性达到其目标值。
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"基于平面周期结构的高性能微带天线技术研究";刘影;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》;20180815;全文 *

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