CN115000695B - 一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，属于高频通讯领域，针对现有技术中一般贴片天线不能实现超宽带高增益的问题提出本方案。所有寄生贴片均分别通过一金属短路柱与金属地板电性连接，令寄生贴片等效为寄生地面；寄生贴片包括设置在两片辐射贴片之间的一片辐射间寄生贴片以及镜像设置在两片辐射贴片外侧的两片内嵌式寄生贴片；辐射贴片靠近内嵌式寄生贴片的侧边内凹，内嵌式寄生贴片靠近辐射贴片的端部延伸进辐射贴片的内凹处。优点在于，通过特殊的内嵌式寄生贴片结构与辐射贴片的凹陷配合，再配合上寄生地面，可以实现从1486.3MHz到3856.5MHz的阻抗带宽，带宽内端口反射系数小于‑10dB，带宽内天线增益为9～11.94dBi。

Description

一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线
技术领域
本发明涉及一种贴片天线，尤其涉及一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线。
背景技术
随着社会信息量的日益剧增，为了保持高效的信息传输与处理，现代无线通信系统要求天线向宽带技术发展。目前，研究人员已经提出了很多拓展天线带宽的方法，如贴片开槽、改变馈电结构、采用电磁转换带隙结构、超材料技术等等。但基于上述方法拓展带宽的许多天线存在增益低、带内增益起伏大、结构复杂、加工困难等问题，因此研究人员同样也提出了许多改善增益等问题的方法，比如添加反射背腔等。为了改善增益性能，该天线虽然可以采用普通的反射背腔来控制辐射特性获得高增益，但添加反射背腔会占用额外的空间，此外也会因为背腔结构的变化而加工困难。
发明内容
本发明目的在于提供一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线包括金属地板、介质基板和馈电板单元；介质基板设置在金属地板上方一定高度的平面；介质基板上表面铺设有两片互为镜像的辐射贴片以及若干寄生贴片；馈电板单元垂直设置在金属地板和介质基板之间，馈电板单元上端馈电部位与辐射贴片电性连接，下端的绝缘部位固定连接在金属地板上表面，导电部位穿过金属地板后外接馈电网络且不与金属地板接触；
所有寄生贴片均分别通过一金属短路柱与金属地板电性连接，令寄生贴片等效为寄生地面；
所述若干寄生贴片包括设置在两片辐射贴片之间的一片辐射间寄生贴片以及镜像设置在两片辐射贴片外侧的两片内嵌式寄生贴片；所述的辐射间寄生贴片与辐射贴片之间设有间隙；辐射贴片靠近内嵌式寄生贴片的侧边内凹，内嵌式寄生贴片靠近辐射贴片的端部延伸进辐射贴片的内凹处且与辐射贴片留有间隙。
所述的内嵌式寄生贴片包括依次连接的外延部、连接部和内嵌部；其中内嵌部位于辐射贴片的内凹处之内，外延部位于辐射贴片内凹处以外，连接部过渡连接所述的外延部和内嵌部。
所述的外延部中部通过金属短路柱与金属地板电性连接。
所述的辐射间寄生贴片为矩形，中部通过金属短路柱与金属地板电性连接。
所述的馈电板单元为cpw馈电结构。
本发明所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，其优点在于，通过特殊的内嵌式寄生贴片结构与辐射贴片的凹陷配合，再配合上寄生地面，可以实现从1486.3MHz到3856.5MHz的阻抗带宽，带宽内端口反射系数小于-10dB，带宽内天线增益为9～11.94dBi，特别地，在1486.3MHz到3358.2MHz之间带宽的77.3％频带内天线增益均大于10dBi。
附图说明
图1是本发明所述超宽带高增益贴片天线的平面结构示意图。
图2是本发明所述超宽带高增益贴片天线的立体结构示意图。
图3是本发明所述超宽带高增益贴片天线的剖面结构示意图。
图4是图2所示结构隐藏介质基板后的结构示意图。
图5是馈电板单元与金属地板的配合关系示意图。
图6是寄生地面引入与否对应的S参数曲线图。
图7是寄生地面引入与否对应的增益曲线图。
图8是寄生地面引入与否对应在2400MHz处的E相方向图。
图9是寄生地面引入与否对应在2400MHz处的H相方向图。
图10是寄生地面引入与否对应在2400MHz处的电磁场热力图。
附图标记：
10-金属地板、11-金属短路柱、20-介质基板、30-辐射贴片、40-内嵌式寄生贴片、41-外延部、42-连接部、43-内嵌部、50-辐射间寄生贴片、60-馈电板单元。
具体实施方式
本发明所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线的结构如图1至图5所示，包括金属地板10、介质基板20和馈电板单元60。介质基板20设置在金属地板10上方一定高度的平面。介质基板20上表面铺设有两片互为镜像的辐射贴片30以及若干寄生贴片。馈电板单元60垂直设置在金属地板10和介质基板20之间，馈电板单元60上端馈电部位插入介质基板20与辐射贴片30电性连接，下端的绝缘部位固定连接在金属地板10上表面，导电部位穿过金属地板10后外接馈电网络且不与金属地板10接触。馈电网络将差分信号通过馈电板单元60输入至辐射贴片30上。
所有寄生贴片均分别通过一金属短路柱11与金属地板10电性连接，令寄生贴片等效为寄生地面。
所述若干寄生贴片包括设置在两片辐射贴片30之间的一片辐射间寄生贴片50以及镜像设置在两片辐射贴片30外侧的两片内嵌式寄生贴片40。所述的辐射间寄生贴片50与辐射贴片30之间设有间隙。辐射贴片30靠近内嵌式寄生贴片40的侧边内凹，内嵌式寄生贴片40靠近辐射贴片30的端部延伸进辐射贴片30的内凹处且与辐射贴片30留有间隙。
所述的内嵌式寄生贴片40包括依次连接的外延部41、连接部42和内嵌部43。其中内嵌部43位于辐射贴片30的内凹处之内，外延部41位于辐射贴片30内凹处以外，连接部42过渡连接所述的外延部41和内嵌部43。
所述的外延部41中部通过金属短路柱11与金属地板10电性连接。
所述的辐射间寄生贴片50为矩形，中部通过金属短路柱11与金属地板10电性连接。
所述的馈电板单元60为cpw馈电结构。
相对于现有技术，可以在不设置反射背腔的情况下实现从1486.3MHz到3358.2MHz的阻抗带宽，带宽内差分馈电端口实现小于-10dB的端口反射特性，覆盖了部分L波段和S波段。带宽内天线最大增益为11.94dBi，带内增益波动小于3dB，特别地，在1486.3MHz到3358.2MHz之间带宽内天线增益均大于10dBi，增益波动小于2dB，可以在88.7％的相对带宽内实现良好的阻抗匹配和高增益定向辐射。本发明所述超宽带高增益贴片天线的技术原理在于首先通过调节共面波导馈电结构的两侧接地片的高度、宽度以及与微带线之间的间距来改变分布式电容和电感的值，更好的在宽带范围内获得良好的阻抗匹配。其次通过在辐射贴片两侧添加短路的寄生地面可以影响辐射电流的分布，通过调节寄生地面相关的尺寸可以实现改变辐射电流分布而进一步调节场分布的效果，从而在带宽范围内获得稳定的高增益；此外采用两侧内嵌式寄生地面其内嵌部分在一定限制程度上不会继续占用其他的额外物理空间，能够在天线物理口径相差不大的条件下得到更多的辐射电流元，从而更容易获得高增益，同时该结构还可以获得较大的辐射口径，从而得到较高的口径效率。
对本发明所述超宽带高增益贴片天线进行仿真测试，以对比寄生地面特殊结构的引入与否带来的各种参数变化，具体如图6至图10所示。
图6展示了有无寄生地面的S参数变化，采用寄生地面后，能够继续拓展3300MHz之后的阻抗带宽。
图7展示了有无寄生地面的增益变化，无论是否添加寄生地面，天线在3500MHz后增益都会下降但是，当没有寄生地面时，增益在2400MHz处会有一个掉落，而采用寄生地面后，能够将2400MHz处的6.6dBi提升到10.1dBi，以实现1500-3500MHz频带内增益的稳定性。
为了进一步揭示增益提升的机理，分别观察有无寄生地面天线在2400MHz处的辐射方向图与场分布情况。根据图8和图9可以得出，采用寄生地面可以使得左右两端的旁瓣略微收缩，使得能量更加聚集在天顶方向，因此有寄生地面的天线在2400MHz处的天顶增益显著大于没有寄生地面的天线。同样的，根据图10的电场与磁场图也可以看出使用寄生地面后，天线在天顶方向汇聚的能量明显强于没有寄生地面的天线。
应用实例一无线通信：
在通信领域中带宽大小对数据的传输容量与速率的影响是显著的，根据香农公式：可以得出容量C与带宽B之间的关系，即容量与带宽成正比，带宽越宽，容量越大。而奈奎斯特准则指出二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B的关系可表示为：Rmax＝2B(bps)。可见在无噪声情况下，信道带宽的大小直接反应信道的最大数据传输速率大小。而本发明所提出的天线实现了阻抗带宽为1486.3MHz到3358.2MHz，相对带宽达到88.7％，其超宽带特性满足于远距离无线通信系统的需求。
应用实例二雷达探测：
宽带天线可以提高雷达目标的三维成像分辨率，根据雷达系统中距离方向分辨率的公式δd＝c/(2BW)，带宽BW越大距离方向分辨率越高。此外，雷达探测中通常需要高增益的天线单元来组成阵列以获得更好的性能。而天线单元的带宽和增益特性又直接影响阵列的带宽与增益性能，因此要获得超宽带高增益阵列天线就必须提高天线单元的阻抗带宽和增益特性。本发明中的宽带高增益天线可提供高达77.3％的相对阻抗带宽，且带内增益均大于10dBi，增益波动小于2dB，因此它可以有效地用于雷达探测领域。
由于通过特殊的内嵌式寄生贴片结构与辐射贴片的凹陷配合，再配合上寄生地面，完全实现了不设置反射背腔也能达到超宽带高增益的技术效果，因此特别适用于空间要求极高的上述两个应用领域中。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，包括金属地板(10)、介质基板(20)、馈电板单元(60)和导电部位；介质基板(20)设置在金属地板(10)上方一定高度的平面；介质基板(20)上表面铺设有两片互为镜像的辐射贴片(30)以及若干寄生贴片；馈电板单元(60)垂直设置在金属地板(10)和介质基板(20)之间，馈电板单元(60)上端馈电部位插入介质基板(20)与辐射贴片(30)电性连接，下端的绝缘部位固定连接在金属地板(10)上表面；所述导电部位穿过金属地板(10)后外接馈电网络且不与金属地板(10)接触；所述馈电网络将差分信号通过馈电板单元(60)输入至辐射贴片(30)上；
其特征在于，
所有寄生贴片均分别通过一金属短路柱(11)与金属地板(10)电性连接，令寄生贴片等效为寄生地面；
所述若干寄生贴片包括设置在两片辐射贴片(30)之间的一片辐射间寄生贴片(50)以及镜像设置在两片辐射贴片(30)外侧的两片内嵌式寄生贴片(40)；所述的辐射间寄生贴片(50)与辐射贴片(30)之间设有间隙；辐射贴片(30)靠近内嵌式寄生贴片(40)的侧边内凹，内嵌式寄生贴片(40)靠近辐射贴片(30)的端部延伸进辐射贴片(30)的内凹处且与辐射贴片(30)留有间隙。
2.根据权利要求1所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述的内嵌式寄生贴片(40)包括依次连接的外延部(41)、连接部(42)和内嵌部(43)；其中内嵌部(43)位于辐射贴片(30)的内凹处之内，外延部(41)位于辐射贴片(30)内凹处以外，连接部(42)过渡连接所述的外延部(41)和内嵌部(43)。
3.根据权利要求2所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述的外延部(41)中部通过金属短路柱(11)与金属地板(10)电性连接。
4.根据权利要求1所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述的辐射间寄生贴片(50)为矩形，中部通过金属短路柱(11)与金属地板(10)电性连接。
5.根据权利要求1所述一种无反射背腔的超宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述的馈电板单元(60)为cpw馈电结构。
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