CN113764893A - 一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波与天线技术领域,尤其涉及一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,包括从上到下依次设置的矩形贴片、介质基板和金属地面,矩形贴片的辐射边加载第一短路壁,矩形贴片的非辐射边加载相对的第二短路壁和第三短路壁,矩形贴片的下方设置有短路销钉组成的阵列,短路销钉贯穿介质基板。本发明低剖面,但中心带宽可以达到21.7%的,通过加载短路壁使得天线的辐射方向图有所改善,E面旁瓣降低,有效减小H面交叉极化。
Description
技术领域
本发明涉及微波与天线技术领域,尤其涉及一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线。
背景技术
微带贴片天线是微带天线中最基本、最常见的形式。微带贴片天线结构简单,由底层的导体接地板,中间层的介质基板和上层的导体贴片构成,因为介质基板厚度相比波长很小,所以能实现小型化。微带天线的低剖面平面结构是其最显著的特点,所以易与柱面、曲面等形状的载体共形。但是低剖面结构也导致了微带贴片天线形如漏波空腔,谐振特性近似RLC并联谐振电路,Q值高,因此天线的阻抗带宽很窄。
目前双模谐振低剖面宽带贴片天线,分别采用差分馈电和孔径耦合馈电,通过增加短路销钉能有效增强工作带宽至13%,但也由于一种模式谐振频率增加,使得E面副瓣急剧上升到0dB附近。
目前主要有以下一些方法展宽微带天线带宽:
(1)使用高厚度或者使用低介电常数的介质基板来降低等效电路Q值,从而增加阻抗带宽,但是这种平面天线中的表面波泄漏增加,导致辐射效率较差;
(2)改进馈电方式,例如采用电磁耦合馈电,使用L形探针馈电等方式,但是天线辐射模式会随频率变化,而且交叉极化较高;
(3)用寄生元件组合多种耦合谐振模式增加带宽,但其体积会增大很多,会破坏微带贴片天线的低剖面特性。
另外在辐射贴片上蚀刻U形槽,在主谐振点附近引入了额外的谐振模式来展宽带宽,但天线的厚度较大;类似结构还有单层E形微带天线、层叠E形微带天线等。
在矩形贴片上加载多缝隙来同时激发两个正交模式,实现带宽增强和结构紧凑,在0.01λ0的低剖面基础上实现了3.8%的阻抗带宽,但因使用高损耗的FR-4基材和蚀刻多缝隙,导致天线增益偏低,交叉极化高达-5dB。
在圆形贴片上加载短路针,重构了两种模式的谐振频率,在单极子辐射模式下实现了18%的宽阻抗带宽,能保持0.024λ0的低剖面特性,缺点是在工作频带内辐射峰值不能稳定;
在等边三角形贴片下放置短路销钉并蚀刻V形缝隙,激发两种模式,使天线带宽达到32%,但天线厚度也增加到0.09λ0。
发明内容
本发明提供了一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,同时具有增强带宽和改善辐射特性的优点。
为了实现本发明的目的,一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,包括从上到下依次设置的矩形贴片、介质基板和金属地面,矩形贴片的辐射边加载第一短路壁,矩形贴片的非辐射边加载相对的第二短路壁和第三短路壁,矩形贴片的下方设置有短路销钉组成的阵列,短路销钉贯穿介质基板。
作为本发明的优化方案,矩形贴片上设置有条形缝隙,条形缝隙与短路销钉组成的阵列平行。
作为本发明的优化方案,条形缝隙开设在TM3/2,0模式的零电流位置处,短路销钉组成的阵列开设在TM3/2,0模式电场节点处。
作为本发明的优化方案,单个短路销钉在矩形贴片的中心平面处沿x方向距离第一短路壁11距离Pinx为:
Pinx=0.75Px
其中,Px为矩形贴片的宽度。
作为本发明的优化方案,条形缝隙的宽度Slotx的取值范围为16.7mm~17.7mm,条形缝隙的长度Sloty的取值范围为40mm~50mm,条形缝隙左侧长边距离矩形贴片左侧长边的Slotw的取值范围为2mm~4mm。
作为本发明的优化方案,基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线的厚度为0.03λ0,λ0为天线工作频段的中心频率自由空间波长。
作为本发明的优化方案,矩形贴片的表面积小于金属地面的表面积。
本发明具有积极的效果:本发明首先将贴片天线的TM1/2,0、TM3/2,0和TMRS模式组合来增强阻抗带宽,然后引入TM1/2,2模式,使其频率降低到原来三个谐振模频点,设计了四模谐振低剖面宽带天线,其厚度只有0.03λ0,但中心带宽可以达到21.7%的,H面交叉极化在整个工作频带上大于20dB,增益在8.5dB左右,本发明通过加载短路壁使得天线的辐射方向图有所改善,E面旁瓣降低,有效减小H面交叉极化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构图;
图2是本发明的俯视图;
图3是谐振频率f1/2,0,f3/2,0和fRS随Sloty变化情况示意图;
图4是谐振频率f1/2,0,f3/2,0和fRS随Slotx变化情况示意图;
图5是谐振频率f1/2,0,f3/2,0和fRS随Slotw变化情况示意图;
图6是仿真和测量的|S11|和增益曲线图;
图7是E面2.7GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图8是H面2.7GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图9是E面2.9GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图10是H面2.9GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图11是E面3.1GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图12是H面3.1GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图13是E面3.3GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图;
图14是H面3.3GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图。
其中:1、矩形贴片,2、介质基板,3、金属地面,11、第一短路壁,12、第二短路壁,13、第三短路壁,4、短路销钉,14、条形缝隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实现做进一步详细的描述:
如图1-2所示,本发明公开了一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,包括从上到下依次设置的矩形贴片1、介质基板2和金属地面3,矩形贴片1的辐射边加载第一短路壁11,矩形贴片1的非辐射边加载相对的第二短路壁12和第三短路壁13,矩形贴片1的下方设置有短路销钉4组成的阵列,短路销钉4贯穿介质基板2。
其中,加载第一短路壁11可以抑制偶数阶模式,同时减小E面高旁瓣;加载第二短路壁12,可以降低H面辐射方向图的高交叉极化。短路壁可以较大改善天线远区辐射性能。
矩形贴片1上设置有条形缝隙14,条形缝隙14与短路销钉4组成的阵列平行。条形缝隙14开设在TM3/2,0模式的零电流位置处,短路销钉4组成的阵列开设在TM3/2,0模式电场节点处。
在贴片的TM3/2,0模式电场节点线附近插入四个短路销钉,保持f3/2,0不变,增加f1/2,0和f1/2,2;最后在TM3/2,0模式的零电流线附近蚀刻条形缝隙14,激发缝隙辐射模式TMRS,实现基于TM1/2,0、TM3/2,0和TMRS的三模谐振低剖面宽带天线。
本发明首先将贴片天线的TM1/2,0、TM3/2,0和TMRS模的谐振频率重新分配到彼此接近的位置以提高带宽,在矩形贴片1下方加载一个由四个短路销钉4组成的阵列,将f1/2,0提升至2.68GHz左右,同时保持f3/2,0在2.83GHz附近,此时f1/2,2也被提升至3.75GHz,远离f3/2,0。接下来在矩形贴片1上的TM3/2,0模式的零电流线附近切一个缝隙,可以激发TMRS模式,并且对TM1/2,0和TM3/2,0模式的影响可控,此时TMRS模式在3.07GHz工作,靠近f1/2,0和f3/2,0。通过这些措施,天线的带宽和辐射性能在三谐振模同时辐射下都得到了改善。
单个短路销钉在矩形贴片的中心平面处沿x方向距离第一短路壁11距离Pinx为:
Pinx=0.75Px
其中,Px为矩形贴片的宽度。在Pinx/Px达到约0.75之后,因为短路销钉4适当地放置在TM3/2,0模式的电场的节点线周围,可获得最小的f3/2,0/f1/2,0。
条形缝隙14的宽度Slotx的取值范围为16.7mm~17.7mm,条形缝隙14的长度Sloty的取值范围为40mm~50mm,条形缝隙14左侧长边距离矩形贴片1左侧长边的Slotw的取值范围为2mm~4mm。
为了进一步拓宽天线的阻抗带宽,在TM3/2,0模的零电流线附近的辐射贴片上蚀刻一个线性槽,激发贴片天线的TMRS模,并将其移近TM1/2,0和TM3/2,0模。通过适当地修改条形缝隙14长度(Sloty),可以组合TM3/2,0和TMRS模式来扩展带宽。三模谐振频率f1/2,0,f3/2,0和fRS随Sloty变化情况见图3,从中可以看出,随着Sloty从40mm增加到50mm,fRS从3.5GHz急剧下降到3.1GHz,但f1/2,0和f3/2,0基本保持不变,因此为最宽的带宽选择了Sloty=50mm。进一步调整缝隙位置(Slotx)和宽度(Slotw)来分析阻抗匹配的问题,图4和图5表明,Slotx从16.7mm增加到17.7mm,Slotw从2mm增加到4mm,尤其是当Slotx=17.2mm,Slotw=3mm,可以实现更宽的带宽和良好的阻抗匹配。
图6展示了仿真和测量的|S11|和增益。可以发现,在2.5至3.4GHz内的工作频带上存在四个谐振点,这与仿真的四个谐振模式一致,即TM1/2,0(2.68GHz),TM3/2,0(2.9GHz)、TMRS(3.1GHz)和TM1/2,2(3.3GHz)。由于结合了四种谐振模式,所提出的实测工作带宽从三模天线的18%(2.64GHz-3.17GHz)进一步扩展到21.7%(2.67-3.32GHz)。
如图7-14所示,为基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线在四个谐振极点2.7GHz、2.9GHz、3.1GHz和3.3GHz时的仿真和测量归一化远场辐射方向图,分别对应于四个谐振模式。此外,在工作波段获得了稳定辐射方向图,由于加载了第一短路壁11和第二短路壁12,天线E面辐射图的副瓣较低,同时整体的H面交叉极化很低,降低到-20dB以下,频带内实测峰值增益约9dBi。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:包括从上到下依次设置的矩形贴片(1)、介质基板(2)和金属地面(3),矩形贴片(1)的辐射边加载第一短路壁(11),矩形贴片(1)的非辐射边加载相对的第二短路壁(12)和第三短路壁(13),矩形贴片(1)的下方设置有短路销钉(4)组成的阵列,所述的短路销钉(4)贯穿介质基板(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:所述的矩形贴片(1)上设置有条形缝隙(14),所述的条形缝隙(14)与短路销钉(4)组成的阵列平行。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:所述条形缝隙(14)开设在TM3/2,0模式的零电流位置处,所述短路销钉(4)组成的阵列开设在TM3/2,0模式电场节点处。
4.根据权利要求3所述的一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:单个短路销钉(4)在矩形贴片(1)的中心平面处沿x方向距离第一短路壁11距离Pinx为:
Pinx=0.75Px
其中,Px为矩形贴片(1)的宽度。
5.根据权利要求3所述的一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:条形缝隙(14)的宽度Slotx的取值范围为16.7mm~17.7mm,条形缝隙(14)的长度Sloty的取值范围为40mm~50mm,条形缝隙(14)左侧长边距离矩形贴片(1)左侧长边的Slotw的取值范围为2mm~4mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线的厚度为0.03λ0,λ0为天线工作频段的中心频率自由空间波长。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,其特征在于:所述矩形贴片(1)的表面积小于金属地面(3)的表面积。
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