CN115332775B - 一种差分馈电单层宽带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波天线技术领域，具体提供一种差分馈电单层宽带贴片天线，用以满足微带贴片天线的宽带设计需求、并面向于差分输出电路的应用。本发明包括：介质基板及其上下表面的上层微带贴片金属层与下层金属地板层，上层微带贴片金属层包括：金属偶极子贴片辐射单元3、中心微带贴片辐射单元4与外围微带贴片辐射单元5；本发明采用单层介质结构，具有低剖面的优点，且结构简单、易于加工；同时，利用了多个微带贴片天线（金属偶极子贴片辐射单元、中心微带贴片辐射单元、外围微带贴片辐射单元）与缺陷地结构引入的多个谐振模式有效扩展天线的阻抗带宽与增益带宽；并且，差分馈电结构能够直接适配射频电路中常用的差分输出电路。

Description

一种差分馈电单层宽带贴片天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体提供一种新型差分馈电单层宽带贴片天线。
背景技术
近十几年无线通信技术的迅猛发展让人们已经体验到了实时快速通信的优势，人们对无线通信系统轻量化、小型化的进一步追求以及对通信速度更快、稳定度更高、通信带宽更宽的无线通信系统更加关注；基于此，微带贴片天线以其本身具有的单片集成、低剖面、轻量化的优势逐渐受到天线设计者的青睐；但是，微带贴片天线本身具有的窄带特性无法应用于目前所需的宽带通信系统中。与此同时，由于天线作为整个无线系统的最后一级，通常前级元件为功率放大器；随着无线系统集成度越来越高，功率放大电路常选用集成芯片实现，由于集成芯片输出通常采用50欧姆差分输出的方式，且天线的阻抗对功放性能有较大的影响，因此，微带贴片天线设计中也需要关注如何保证天线具有稳定的50欧姆差分馈电。由此可见，对于现代的宽带通信系统而言，天线在保持轻量化的同时满足宽带需求且考虑差分馈电形式成为研究者日益关心的问题。
经典的微带天线通常采用一个谐振模式产生辐射，因此带宽较窄，相对带宽仅为7%；虽然采用多层结构从而利用微带天线的多个模式可以将带宽拓展到10%左右，但是多层结构会大幅提高天线的剖面高度，不符合现在通信系统所要求的轻量化需求；由此可见，如何尽可能在利用单层结构情况下进一步提高天线阻抗带宽具有十分重要的意义和价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型差分馈电单层宽带贴片天线，用以满足微带贴片天线的宽带设计需求、并面向于差分输出电路的应用。本发明在实现差分同轴馈电的金属偶极子贴片辐射的同时，将部分能量通过电场耦合到两侧的微带贴片上，通过激励起微带贴片的不同谐振模式从而拓展了天线的阻抗带宽；与此同时，通过在金属地板层上引入垂直于金属偶极子贴片的矩形槽，在不影响天线的辐射情况下引入谐振电路进一步拓展天线的阻抗带宽；最终实现在单层结构中产生多个谐振频率从而实现阻抗带宽和增益带宽的拓展。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型差分馈电单层宽带贴片天线，包括：介质基板6、设置于介质基板下表面的下层金属地板层9、以及设置于介质基板上表面的上层微带贴片金属层；其特征在于，所述上层微带贴片金属层沿介质基板中心线呈轴对称结构、由金属偶极子贴片辐射单元3与微带贴片阵列天线构成，所述微带贴片阵列天线由四个中心微带贴片辐射单元4与四个外围微带贴片辐射单元5构成，所述金属偶极子贴片辐射单元3位于介质基板上表面中心、且竖直设置，所述微带贴片阵列天线对称分布于金属偶极子贴片辐射单元的左右两侧、且外围微带贴片辐射单元5位于中心微带贴片辐射单元4的上下两侧；所述金属偶极子贴片辐射单元3的两端分别设置有同轴同相馈电端口1（port+）与同轴反向馈电端口2（port-），所述中心微带贴片辐射单元4于邻近金属偶极子贴片辐射单元一侧通过短路金属柱7连接下层金属地板层9、且短路金属柱7位于两角，所述下层金属地板层9上沿水平方向开设有矩形槽、且位于中心位置。
进一步的，所述中心微带贴片辐射单元4与外围微带贴片辐射单元5均采用矩形，中心微带贴片辐射单元的长度小于外围微带贴片辐射单元的长度、且二者宽度相同。
从工作原理上讲：
本发明提供一种新型差分馈电单层宽带贴片天线，天线为单层介质结构，两个差分同轴馈电探针从底部穿过介质基板将电磁能量馈到介质基板上表面的金属偶极子贴片辐射单元上（同轴同相馈电端口port+与同轴反向馈电端口port-），等幅反相的差分馈电同轴探针激励起金属偶极子贴片的主辐射模式；与此同时，金属偶极子贴片作为馈线激励起两侧的寄生微带贴片天线结构（微带贴片阵列天线）、其激励方式近似于共面波导激励，电场能量通过微带贴片天线和金属偶极子贴片辐射单元之间的缝隙耦合到中心微带贴片辐射单元4与外围微带贴片辐射单元5上，基于中心微带贴片辐射单元4与外围微带贴片辐射单元5的尺寸差异化设计，二者分别在6.9GHz与7.6GHz频率下产生TM10模式谐振，最终在Sdd11曲线上形成两个谐振点，即拓展了天线的低频阻抗带宽；并且，将四个中心微带贴片辐射单元4a、4b、5a、5b视为一个整体的微带贴片天线，此时其激励起的模式在9.5GHz处产生TM22模式谐振，即拓展了天线的高频阻抗带宽；进一步的，介质基板下表面通过添加缺陷地结构，在金属偶极子贴片辐射单元正下方开垂直方向的矩形槽，电磁场能量耦合到下方的矩形槽中，矩形槽构成并联谐振回路在11.2GHz产生谐振，从而进一步扩展了整个天线的高频阻抗带宽；另外，由于微带贴片天线的TM22高次模式在正常状态下无法产生法向辐射特性，通过在中心微带贴片辐射单元4邻近金属偶极子贴片辐射单元边缘处的角落位置设置短路金属柱进行接地，在不影响微带贴片天线谐振频率的情况下有效抑制杂乱的电流分布，从而保证在高频的法向辐射特性；综上，本本发明采用多个微带贴片结构和缺陷地结构实现多个谐振模式的利用，最终实现阻抗带宽的拓展。
基于此，本发明的有益效果在于：提供一种新型差分馈电单层宽带贴片天线，采用单层介质结构，具有低剖面的优点，且结构简单、易于加工；同时，利用了多个微带贴片天线（金属偶极子贴片辐射单元3、中心微带贴片辐射单元4、外围微带贴片辐射单元5）与缺陷地结构引入的多个谐振模式有效扩展天线的阻抗带宽与增益带宽；并且，差分馈电结构能够直接适配射频电路中常用的差分输出电路，及其适用于单层差分馈电的宽带移动通信系统。
附图说明
图1为本发明中新型差分馈电单层宽带贴片天线的3D结构示意图；
其中，1为同轴同相馈电端口（port+），2为同轴反向馈电端口（port-），3为金属偶极子贴片辐射单元，4为中心微带贴片辐射单元，5为外围微带贴片辐射单元，6为介质基板，7为短路金属柱，8为矩形槽，9为下层金属地板层。
图2为图1所示新型差分馈电单层宽带贴片天线的俯视结构示意图。
图3为图1所示新型差分馈电单层宽带贴片天线的底视结构示意图。
图4为本发明实施例中新型差分馈电单层宽带贴片天线在8.8GHz频点处的方向图，其中，（a）为E面方向图，（b）为H面方向图。
图5为本发明实施例中新型差分馈电单层宽带贴片天线的端口Sdd11以及天线增益图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种新型差分馈电单层宽带贴片天线，其3D结构示意图如图1所示、俯视结构示意图如图2所示、底视结构示意图如图3所示；具体包括：介质基板6、设置于介质基板下表面的下层金属地板层9、以及设置于介质基板上表面的上层微带贴片金属层；所述上层微带贴片金属层沿介质基板中心线呈轴对称结构、具体由金属偶极子贴片辐射单元3与微带贴片阵列天线构成，所述微带贴片阵列天线由四个尺寸相同的中心微带贴片辐射单元4（4a、4b、4c、4d）与四个尺寸相同的外围微带贴片辐射单元5（5a、5b、5c、5d）构成，所述金属偶极子贴片辐射单元3位于介质基板上表面中心、且沿竖直方向设置，所述微带贴片阵列天线对称分布于金属偶极子贴片辐射单元的左右两侧、且外围微带贴片辐射单元5位于中心微带贴片辐射单元4的上下两侧；所述金属偶极子贴片辐射单元3的两端分别设置有同轴同相馈电端口1（port+）与同轴反向馈电端口2（port-），所述中心微带贴片辐射单元4于邻近金属偶极子贴片辐射单元一侧通过短路金属柱7连接下层金属地板层9、且短路金属柱7位于两角，所述下层金属地板层9上沿水平方向开设有矩形槽、且位于中心位置。
更为具体的讲：本实施例中，介质基板采用介电常数为3.5的Taconic RF-35 (tm)板材，尺寸为：长、宽均为70mm，高度为4mm；金属偶极子贴片辐射单元的尺寸为：宽1.8mm、长20mm；中心微带贴片辐射单元的尺寸为：宽6.6mm、长5.3mm，外围微带贴片辐射单元5的尺寸为：宽6.6mm、长7mm；矩形槽的尺寸为：宽0.8mm、长15mm。对此差分馈电单层宽带贴片天线进行仿真测试，结果如图4、图5所示；如图4所示为天线在中心频率8.8GHz频点处的E面和H面方向图，由图可见，天线能够维持较好的法向辐射性能和较高的前后比；如图5所示为天线的Sdd11曲线与增益曲线，曲线表现出了良好的宽带反射系数，天线的-10dB阻抗带宽为6.24GHz~11.45GHz，天线的阻抗相对带宽为58.9%，为传统微带贴片天线的8.4倍；从增益曲线也能够看出，天线在对应的阻抗带宽中增益高于5dBi，表明天线具有良好的宽带特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种差分馈电单层宽带贴片天线，包括：介质基板（6）、设置于介质基板下表面的下层金属地板层（9）、以及设置于介质基板上表面的上层微带贴片金属层；其特征在于，所述上层微带贴片金属层沿介质基板中心线呈轴对称结构、由金属偶极子贴片辐射单元（3）与微带贴片阵列天线构成，所述微带贴片阵列天线由四个中心微带贴片辐射单元（4）与四个外围微带贴片辐射单元（5）构成，所述金属偶极子贴片辐射单元（3）位于介质基板上表面中心、且竖直设置，所述微带贴片阵列天线对称分布于金属偶极子贴片辐射单元的左右两侧、且外围微带贴片辐射单元（5）位于中心微带贴片辐射单元（4）的上下两侧；所述中心微带贴片辐射单元（4）与外围微带贴片辐射单元（5）均采用矩形，中心微带贴片辐射单元的长度小于外围微带贴片辐射单元的长度、且二者宽度相同；所述金属偶极子贴片辐射单元（3）的两端分别设置有同轴同相馈电端口（1）与同轴反相馈电端口（2），两个差分同轴馈电探针从底部穿过介质基板后分别馈电到同轴同相馈电端口与同轴反相馈电端口；所述中心微带贴片辐射单元（4）于邻近金属偶极子贴片辐射单元一侧通过短路金属柱（7）连接下层金属地板层（9）、且短路金属柱（7）位于两角，所述下层金属地板层（9）上沿水平方向开设有矩形槽、且位于中心位置。
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