CN113937467A - 利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法。该方法通过共面终端结构的设计，控制天线的辐射电流，进而实现辐射阻抗的宽带匹配。相比于传统贴片天线，该方法实现了天线工作带宽的显著提高；相比于其它形式的宽带天线，该方法不仅具有低剖面、低成本、体积小、重量轻、易于加工和集成等优势，同时其辐射性能具有与传统贴片天线一致的定向特性。基于本方法所设计的共面终端加载的贴片天线，由振子贴片和共面终端组成，具有宽带、定向辐射和多极化形式辐射的特点。
Description
技术领域
本发明涉天线(H05B6/72)领域，具体是利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法。
背景技术
天线技术是通信、能源等领域的重要课题，用以接收和辐射电磁波。自上世纪80年代以来，贴片天线以其低剖面、低成本、易于加工、定向辐射和易于组阵工作等优势，成为了天线主流的实现形式。在贴片天线的研究中，一直存在天线不能宽带工作的限制。这长期限制了贴片天线的应用环境。随着通信技术等相关领域的快速发展，特别是在5G等高速天线系统中，对宽带贴片天线的需求与日俱增。在相关天线研究中，通过增大天线剖面、或者去除金属背板等手段虽然可以拓宽天线的工作带宽，但贴片天线低剖面和定向辐射的关键性能也被破坏。因此，设计具有低剖面和定向辐射性能的宽带天线有着重要意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法，克服了传统贴片天线难以宽带工作的限制，所实现的共面终端加载的贴片天线在保留传统贴片天线结构优势的前提下，获得了宽带匹配、定向辐射、多极化状态工作等诸多性能突破。
本发明提供了一种共面终端加载的贴片天线，包括振子贴片和共面终端两部分。该天线为双层微带板结构，振子贴片和共面终端位于同一金属层，在介质板的另一金属层设置有金属背板。天线通过背馈式结构进行馈电，即SMA同轴接头的内导体与振子贴片/共面终端连接，外导体与金属背板连接。
进一步改进，所述振子贴片呈L形，且L形的两臂不等长，其中长臂作为天线的主辐射结构，短臂与馈电结构连接，以完成对长臂的馈电。
进一步改进，所述共面终端为具有缝隙开口的矩形环，环的起点为馈电结构，以对共面终端进行馈电；终点与馈电结构之间存在缝隙，以使共面终端可形成单独的一个辐射结构。如是，振子贴片和共面终端形成两部分独立的辐射结构。
本发明还提供了一种利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)电磁能量由背馈式馈电结构馈入天线；
(2)电磁能量以电流的形式向振子贴片和共面终端两个方向传导；
(3)双向传导电流分别以振子贴片非馈电端，和共面终端的缝隙为节点实现电流的动态平衡。
(4)最终天线通过动态平衡后的电流进行辐射。
进一步改进，所述电流的动态平衡，其为天线谐振状态，由天线总长度、工作导波长决定，所述天线总长度为振子贴片长度与共面终端长度之和。
进一步改进，所述动态平衡后的电流，其在不同工作频率处呈不同的分布形式，如是，电流随频率自适应的分布在贴片天线上，实现了天线带宽的提高；除此以外，相应天线辐射极化和方向图亦不同。
本发明的有益效果在于：
1、所设计的共面终端加载的贴片天线具有低剖面、低成本、体积小、重量轻、易于加工和集成等优势。
2、所设计的共面终端加载的贴片天线可显著提高天线工作带宽。
3、所设计的共面终端加载的贴片天线具有与传统贴片天线一致的定向辐射特性。
4、所设计的共面终端加载的贴片天线具有电流随频率自适应地分布在贴片天线上的特性，可以实现多种极化形式的辐射。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是共面终端加载的贴片天线的俯视图。
图2是共面终端加载的贴片天线在工作带宽内的各个频点下的电流分布示意图。
图3是共面终端加载的贴片天线与传统平面倒F天线的工作带宽对比图。
图4是共面终端加载的贴片天线的辐射性能情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明一种具体实施方式如图1所示，在本发明利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法的实施例中，共面终端加载的贴片天线由振子贴片1和共面终端2两部分组成。该天线为双层微带板结构，体积为15*15*3mm3。振子贴片和共面终端位于同一金属层，在介质板的另一金属层设置有金属背板，中间介质基板选取FR-43的制作材料，其相对介电常数为4.3，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.015。天线通过背馈式结构进行馈电，即SMA同轴接头的内导体3与振子贴片1/共面终端2连接，外导体与金属背板连接。
振子贴片1呈L形，L形贴片的两臂不等长，其中短臂与馈电结构连接，以完成对长臂的馈电；长臂作为天线的主辐射结构，长度为l1，宽度为w1。共面终端2是具有缝隙开口的矩形环，环沿y方向的长度为l2，沿x方向的长度为l3，环的宽度为w2。环的起点为馈电结构，以对共面终端2进行馈电；环的终点与馈电结构之间存在缝隙，缝隙宽度为s，缝隙的存在可使共面终端2形成单独的一个辐射结构。如是，振子贴片1和共面终端2可形成两部分独立的辐射区域。经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示：
表1
在传统平面倒F天线中，将1/4波长终端与金属背板通过金属过孔连接起来，从而形成1/4波长阻抗变换器，使得在馈电点处形成开路边界。在本实施例中，电磁能量由背馈式馈电结构馈入天线，再以电流的形式向振子贴片和共面终端两个方向传导。同时，利用同轴内芯和外导体之间存在固定的相位差π，使得馈电点成为电流波节点和电压波腹点，如是，使得馈电点处成为开路边界。
在本实施例中，振子贴片与传统平面倒F天线中的振子贴片原理相似，长度保持1/4波长，通过进一步参数调整可获得最佳性能长度。如是，对于振子贴片，馈电点处和振子贴片非馈电点端都是电流波节点和电压波腹点。通过设计与振子贴片共面的具有缝隙开口的矩形环终端，使得在共面终端的非馈电端形成电流波节点和电压波腹点。如是，对于共面终端，馈电点处和非馈电端亦都是电流波节点和电压波腹点。相比于传统平面倒F天线，天线终端长度不再依赖于1/4波长，天线结构也得到简化。电流由馈电点处分别向两个方向传导，由于振子贴片非馈电端和共面终端的非馈电端都是电流波节点和电压波腹点，且在整个频段内都保持这种特性，因此，限制在振子贴片和共面终端上的电流会随着频率的变化而自适应的分布在这两个区域上，最终电流会达到动态平衡，此时天线发生谐振，进而进行有效辐射。如是，实现了辐射阻抗的宽带匹配。
在本实施例中，振子贴片沿x方向，因此，其极化亦沿x方向。共面终端同时沿x和y分布，且其上的电流随频率的变化而变化。在低频时，电流由馈电点沿共面终端流向缝隙，呈现出一个电流辐射区域。由于天线谐振由天线总长度、工作导波长决定，天线总长度为振子贴片长度与共面终端长度之和。因此共面终端上的电流动态平衡时，会随着频率不同呈现不同的分布，由于频率增大波长将减小，电流分布周期随之减小，因此，在共面终端上将会随频率增大产生额外的波节点。额外波节点的产生将会使共面终端由一个电流辐射区域变成多个电流辐射区域，在波节点处，电流方向将会相反，因此，区域间电流方向不再相同，极化方向亦随之发生变化。如是，在频段内实现了多极化方式的辐射。其次，设计共面终端的主要结构与振子贴片的朝向相同，即沿-x方向分布，因此，两结构的相位中心可以实现距离相近甚至重合。如是，在辐射方向上可以实现定向辐射的功能，与传统贴片天线保持一致。
在本实施例中，表1中所列出的仿真优化之后的参数仅用来解释说明在此频段下本发明的较好结果，在其他应用中，针对不同的应用场景或频段，对参数进行适当的调整也可获得相应的宽频带效果和辐射性能。此类设计完全基于本发明提出的方法，故应属于本发明的保护范围。
在本实施例中，为了说明利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法的可行性，本实施例中共面终端加载的贴片天线具有最简化的结构形式，在其他应用中，通过在共面终端加载枝节或槽，或改变天线结构大小和介质层厚度，也可达到更宽的带宽或辐射效果。此类方法是较为常规的设计思路，故亦应属于本发明的保护范围。
依照表1中的参数，对共面终端加载的贴片天线的在9-16GHz下的分布电流进行仿真分析，其分析结果如图2所示。由结果可得在各个频点下电流随频率自适应的分布在振子贴片和共面终端上，振子贴片非馈电端和共面终端非馈电端在整个频段内都是电流波节点。振子贴片在整个频段内电流方向都是由馈电点流向非馈电端。对于共面终端，在9-12GHz，由馈电端流向缝隙，呈现一个辐射区域；在13-16GHz，出现额外的电流波节点，电流流向发生改变，形成两个辐射区域。进一步，由共面终端上自适应的电流分布可实现宽频带、定向辐射和多极化辐射，结果图如图3和图4所示。
图3是共面终端加载的贴片天线与传统平面倒F天线的工作带宽对比图，可以看到本天线工作带宽为9.1-16GHz，相对带宽55％，实现了贴片天线宽频带化。如图4所示是9-16GHz下天线的辐射方向图，频段内总体辐射方向保持良好，同传统贴片天线辐射性能保持一致。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种共面终端加载的贴片天线，其特征在于：包括振子贴片和共面终端，两者皆为微带结构，且在介质板的同一金属层上，在介质板的另一金属层设置有金属背板，天线通过背馈式结构进行馈电。
2.根据权利要求1所述的共面终端加载的贴片天线，其特征在于：所述振子贴片呈L形，且L形的两臂不等长，其中长臂作为天线的主辐射结构，短臂与馈电结构连接，以完成对长臂的馈电。
3.根据权利要求1所述的共面终端加载的贴片天线，其特征在于：所述共面终端为具有缝隙开口的矩形环，环的起点为馈电结构，终点与馈电结构之间存在缝隙。
4.一种利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)电磁能量由背馈式馈电结构馈入天线；
(2)电磁能量以电流的形式向振子贴片和共面终端两个方向传导；
(3)双向传导电流分别以振子贴片非馈电端，和共面终端的缝隙为节点实现电流的动态平衡；
(4)最终天线通过动态平衡后的电流进行辐射。
5.根据权利要求4所述的利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法，其特征在于：所述电流的动态平衡，其为天线谐振状态，由天线总长度、工作导波长决定，所述天线总长度为振子贴片长度与共面终端长度之和。
6.根据权利要求4所述的利用共面终端实现贴片天线宽带工作的方法，其特征在于：所述动态平衡后的电流，其在不同工作频率处呈不同的分布形式，相应天线辐射极化和方向图亦不同。
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