CN114006165A - 一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列 - Google Patents

一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，天线结构包括两块介质基板、电阻片以及金属块。天线基板轮廓为长方形，天线阵列印刷在长方形的介质基板上；每排天线阵由8个有效辐射单元组成，一共有四排天线阵，只有中间两排进行辐射，外部组成哑元；单个的天线单元包括一个辐射偶极子以及馈电巴伦；辐射偶极子和巴伦之间由金属通孔连接，电阻片摆放在金属块与偶极子之间。本发明紧耦合天线阵中使用了PCB印刷制成，与以往使用金属片作为接地面不同，本发明使用了金属块作为接地金属面，可以固定天线基片，增强结构的稳定性以应对颠簸的使用环境，且具有节约空间，成本低廉的优点，同时具有较宽的带宽(9倍频)，具有良好的应用前景。

Description

一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列
技术领域：
本发明涉及一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其属于移动通信技术领域。
背景技术：
随着无线通讯系统的迅速发展，对于系统的工作带宽有着越来越宽的要求，天线是整个系统的发射和接受部件，天线带宽的宽窄通常是限制带宽的主要原因。
为了覆盖多个频带，以往的操作是使用多组工作频带不同的天线，这对一些空间有限的使用场景来说，会占用其余设备的空间；随着超宽带天线的提出，可以使用一支天线就可以满足所需的频带，减小了系统的复杂度，但是带宽优秀的超宽带天线，尺寸过大且重量较高，会给整体设计带来负担。
紧耦合天线阵列是一种新型超宽带天线，具有超宽带、小尺寸、低剖面的特点。它起源于Wheeler教授的连续电流片阵列，当辐射单元相互排布紧密时，阵列表面可以形成连续的电流，再通过偶极子之间的耦合电容与偶极子与反射板之间的电感，在整个频带内的动态平衡实现超宽带匹配，同时紧耦合天线是一种相控阵天线，通过在各端口间引入相位差，可以使天线向不同方向进行辐射。因此紧耦合技术十分利于用来设计超宽带天线。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，超带宽、阻抗匹配好、结构简单利于加工生产。
本发明所采用的技术方案有：一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，包括金属块，馈电结构，电阻片，偶极子贴片，频率选择表面，介质基板，所述介质基板为双层结构，所述馈电结构，偶极子贴片，频率选择表面均为金属层，印刷于介质基板的表面上，所述金属块上开有供介质基板插入的缝隙。
进一步地，所述介质基板为双层结构，由两块尺寸相同的矩形介质组成，材料为FR-4，介电常数为4.4，单片厚度为0.254mm，宽度为8mm，高度为15.7mm；所述金属块上的缝隙宽为0.508mm，深度为4.2mm。
进一步地，所述金属层为厚度为0.017mm的铜层。
进一步地，所述馈电结构由耦合片，弯折的Marchand巴伦以及带状线组成，所述耦合片和Marchand巴伦印刷在介质基板的前表面和后表面，带状线印刷在两层介质基板的中间；所述耦合片为左右对称结构，单个耦合片由长方形结构和条带结构组成；弯折的Marchand巴伦由两个弯折的金属条带组成以及两个金属臂组成，左侧金属条带上有挖孔结构，所述金属臂由印刷金属带和金属圆片组成。
进一步地，所述介质基板上设有金属通孔，所述馈电结构中设有与金属通孔相对应的小圆孔以将介质基板完全贯穿。
进一步地，所述偶极子贴片由对称的金属条形带组成，两条金属条形带靠近中间的一端为圆形结构，圆心位置对应金属通孔；所述频率选择表面为左右对称结构，由7个金属片组成；偶极子贴片和频率选择表面均印刷在介质基板两层基板的中间。
进一步地，所述电阻卡由介质基板上印刷高阻碳浆条带组成，电阻卡介质基板为边长为8mm厚度为0.5mm的正方形基板组成；电阻卡中间开有宽度为0.508mm的缝隙，用以和介质基板组合。
所述金属层在介质基板的两层基板之间时，可以选择印刷在前侧介质基板的背部，也可印刷在后侧介质基板的前部，或分别印刷于前侧介质基板的背部和后侧介质基板的前部。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明中，使用的金属块作为金属地，保证金属地平整的同时，可以夹紧介质基板，提升整体结构的稳定性；
2、本发明中，馈电结构由Marchand巴伦以及带状线组成，通过对带状线宽度、以及巴伦臂上矩形挖孔尺寸的调节，同时在偶极子贴片和金属块之间添加电阻片，有效的抑制了频带内的谐振，最终得到一款性能优良的超宽带紧耦合天线；
3、本发明中，天线的工作频率为2–18GHz(VSWR<3)，带宽为9倍频，同时剖面高度仅为11.5mm，占用空间小。
附图说明：
图1为本发明实施例的单元结构示意图。
图2为本发明实施例馈电结构示意图。
图3为本发明实施例的偶极子以及频率选择表面示意图。
图4为本发明实施例的电阻片。
图5为本发明的天线单元电压驻波比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，包括实心金属块1，馈电结构2，电阻片3，偶极子贴片4，频率选择表面5，介质基板6；每个天线阵列由8个按照周期排列的单元组成，为便于理解，图中只画出一个单元，实际生产中，阵列为图中所示结构沿Y轴延伸，同时需要多块延伸的介质基板6沿X轴间隔8mm组成阵列，为便于理解结构关系，定义延X轴为前后关系，Z轴为上下关系，Y轴为左右关系。
天线阵列中主要部件为介质基板6，其中馈电结构2、偶极子贴片4以及频率选择表面5都为金属层且通过PCB工艺印刷在介质基板6的三个面上，分别印刷于前侧的介质基板前表面，两层介质基板之间以及后侧的介质基板的后表面；金属层为厚度为0.017mm的铜层。介质基板6插入金属块1事先留有的缝隙当中，实际使用根据选用的标准射频接头来中在金属块底部开孔，并和馈电结构2连接，向偶极子贴片4进行馈电，电阻片3放置在金属块1和偶极子贴片4中间高度的位置，电阻卡3固定在金属块1上方3.1mm处的位置，同时介质基板6的对应位置设有金属通孔24。
金属块1和电阻卡3在单个单元中，为边长为8mm的正方形结构，金属块1的厚度根据实际使用接头做选择，至少大于4.2mm，同时电阻卡3的材料为厚度为0.5mm的FR-4介质板。
电阻卡3由介质基板6上印刷高阻碳浆条带31组成，电阻卡3为边长为8mm厚度为0.5mm的正方形基板组成，电阻卡3中间开有宽度为0.508mm的缝隙，便于和介质基板6组合。
实际生产时，当需要印刷金属层在介质基板6的两层基板之间时，可以选择印刷在前侧基板的背部，也可印刷在后侧基板的前部，或都进行印刷。
介质基板6在单个单元中，为宽度为8mm的两块相同的厚度均为0.258mm的FR-4基板组成，高度为15.7mm。
馈电结构2由耦合片21，弯折的Marchand巴伦22以及带状线23组成，其中耦合片21为左右对称结构，单个耦合片21由长方形结构和条带结构组成，条带型结构宽0.3mm，长4.8mm，线段距离底部4.2mm；长方形结构紧贴介质基板侧边，尺寸为1.8×2.6mm；弯折的Marchand巴伦22为两个弯折条带组成，条带宽度为0.7mm，高度为4.3mm，中间留有0.3mm的间隔，左侧条带上，开有宽度渐宽的挖孔，右侧带状线23下方有金属通孔；弯折的条带上方有两个细小的金属臂221组成，由印刷金属带和金属圆片组成，两金属臂221间隔1.3mm，宽度为0.5mm，高度为1.35mm，金属臂221上端中心处为金属通孔24，直径为0.3mm，并有直径为0.8mm的圆形贴片。图2中黑色部分为带状线23，底部宽度为0.23mm，延左侧条带布置，带状线宽度渐变，达到第一个间隔点处宽度变为0.08mm，其右侧的宽度为0.2mm，并沿右侧弯折条带布置，其弯折长度为2.1mm；上述耦合片21以及弯折的Marchand巴伦22印刷在介质基板6的前表面以及后表面，带状线23印刷在介质基板6的中间层。
偶极子贴片4由对称的金属条带组成，两条带靠近中间的一端为圆形结构，圆心位置对应金属通孔24；频率选择表面5为左右对称结构，由7个金属片组成；偶极子贴片4和频率选择表面5均印刷在介质基板6两层基板的中间。偶极子贴边4为对称的半圆形和矩形组成，单个贴片长度为3.75mm，宽度为1.6mm，贴片距离介质基板底部距离为10mm；频率选择表面5由7个矩形贴片，贴片紧贴介质基板顶部放置，7个贴边之间的间隔为0.25mm，贴片长度均为1.8mm，中间较大贴片宽度为3.6mm；
本发明超宽带紧耦合天线阵列实际使用中，包含8个天线单元和左右边缘各一个不做馈电的哑元，一排由10个单元组成，并且应有4排天线组成阵列，实际辐射单元为2×8的阵列。
本发明使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列中标准射频接头的电磁波经过阻抗为50Ω的馈电结构2后，与辐射部件偶极子贴片4完成阻抗匹配，并通过耦合片21增加单元间的电容耦合，进一步拓展带宽；电阻片3在原有基础上，抑制天线的半波谐振，进一步调节天线单元的阻抗匹配。
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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：包括金属块(1)，馈电结构(2)，电阻片(3)，偶极子贴片(4)，频率选择表面(5)，介质基板(6)，所述介质基板(6)为双层结构，所述馈电结构(2)，偶极子贴片(4)，频率选择表面(5)均为金属层，印刷于介质基板(6)的表面上，所述金属块(1)上开有供介质基板6插入的缝隙。
2.如权利要求1所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述介质基板(6)为双层结构，由两块尺寸相同的矩形介质组成，材料为FR-4，介电常数为4.4，单片厚度为0.254mm，宽度为8mm，高度为15.7mm；所述金属块(1)上的缝隙宽为0.508mm，深度为4.2mm。
3.权利要求2所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述金属层为厚度为0.017mm的铜层。
4.如权利要求1所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述馈电结构(2)由耦合片(21)，弯折的Marchand巴伦(22)以及带状线(23)组成，所述耦合片(21)和Marchand巴伦(22)印刷在介质基板(6)的前表面和后表面，带状线(23)印刷在两层介质基板的中间；所述耦合片(21)为左右对称结构，单个耦合片(21)由长方形结构和条带结构组成；弯折的Marchand巴伦(22)由两个弯折的金属条带组成以及两个金属臂(221)组成，左侧金属条带上有挖孔结构，所述金属臂(221)由印刷金属带和金属圆片组成。
5.如权利要求1所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述介质基板(6)上设有金属通孔(24)，所述馈电结构(2)中设有与金属通孔(24)相对应的小圆孔以将介质基板(6)完全贯穿。
6.如权利要求1所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述偶极子贴片(4)由对称的金属条形带组成，两条金属条形带靠近中间的一端为圆形结构，圆心位置对应金属通孔(24)；所述频率选择表面(5)为左右对称结构，由7个金属片组成；偶极子贴片(4)和频率选择表面(5)均印刷在介质基板(6)两层基板的中间。
7.如权利要求1所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述电阻卡(3)由介质基板上印刷高阻碳浆条带(31)组成，电阻卡介质基板为边长为8mm厚度为0.5mm的正方形基板组成；电阻卡(3)中间开有宽度为0.508mm的缝隙，用以和介质基板(6)组合。
8.如权利要求1所述的使用电阻片拓展带宽的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述金属层在介质基板(6)的两层基板之间时，可以选择印刷在前侧介质基板(6)的背部，也可印刷在后侧介质基板(6)的前部，或分别印刷于前侧介质基板(6)的背部和后侧介质基板(6)的前部。
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