CN116053793A - 紧凑型宽带新月形贴片对天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型宽带新月形贴片对天线，包括介电基板，所述介电基板一个表面形成有两个相互对称的辐射贴片，两个所述辐射贴片以等幅反相馈电，导致两个贴片上的电流方向相同，然后进行宽边辐射；每个所述辐射贴片靠近内侧的一端形成有贯穿所述介电基板的连接部，所述介电基板的另一个表面形成有馈电接地平面，通过连接部将所述辐射贴片以及与其相对应的馈电接地平面连接到一起；与所述馈电接地平面相对的一侧形成有反射器地平面，两个同轴电缆的一端穿过所述反应器地平面后分别与所述馈电接地平面连接。所述天线带宽能够达倍频程，且在全频段内具有良好的辐射特性。

Description

紧凑型宽带新月形贴片对天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种紧凑型宽带新月形贴片对天线。
背景技术
由于现代宽带通信系统的繁荣发展，对小型、低成本印刷宽带天线的需求正在增加。共面波导（CPW）馈电印刷宽槽天线和 CPW 馈电单极天线具有宽的带宽和全向辐射方向图。然而，在某些应用中，需要定向辐射。渐变槽线天线（TSA）是一种端射宽带天线，可以提供大于 3:1 的带宽。孔径堆叠贴片 (ASP) 天线可以将微带天线的带宽提高到 90% 以上。但是，这些类型的天线总是相对较大的高度。除此之外，串馈印制带状偶极子VSWR带宽超过30％，天线高度低，但频带不够宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种天线带宽能够达倍频程，且在全频段内具有良好的辐射特性的紧凑型宽带新月形贴片对天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：包括介电基板，所述介电基板的一个表面形成有两个相互对称的辐射贴片，两个所述辐射贴片以等幅反相馈电，导致两个辐射贴片上的电流方向相同，然后进行宽边辐射；每个所述辐射贴片靠近内侧的一端形成有贯穿所述介电基板的连接部，所述介电基板的另一个表面形成有馈电接地平面，通过连接部将所述辐射贴片与其相对应的同轴电缆的内导体连接到一起，所述连接部不与所述馈电接地平面接触；与所述馈电接地平面相对的一侧形成有反射器地平面，两个同轴电缆的一端穿过所述反应器地平面后使得同轴电缆的外导体与所述馈电接地平面连接，所述同轴电缆的另一端连接有同轴接口。
进一步的技术方案在于：所述辐射贴片为新月状，所述辐射贴片包括新月部与矩形部，所述新月部的开口向外设置，所述矩形部与所述新月部的内侧端部连接到一起，两个所述矩形部相对设置，且两个所述矩形部的内侧端部之间保持有一定距离。
进一步的技术方案在于：所述新月部的外侧弧线的两个端点之间的距离为2L，L=11mm；所述新月部的外侧弧线的两个端点之间的连线中点到所述新月部的内侧弧线的中点的距离为L*R1=11*1.75=19.25mm；所述新月部的外侧弧线的两个端点之间的连线的中点到所述新月部外侧弧线的中点的距离为L*R2=11*0.2=22mm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述贴片对天线利用了两个贴片之间的耦合，测量和仿真表明，该天线提供了约87%的带宽，并且在全频段具有良好的辐射性能。
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1a是本发明实施例所述天线的剖视结构示意图；
图1b是本发明实施例所述天线中辐射贴片对的俯视结构示意图；
图2是本发明实施例所述天线的S参数曲线图；
图3a是所述天线的辐射方向图（2.5GHz）；
图3b是所述天线的辐射方向图（4.4GHz）；
图3c是所述天线的辐射方向图（6GHz）；
图3d是所述天线的辐射方向图（6.5GHz）；
图4a是有/无反射地板的天线特性（4.3GHz）；
图4b是有/无反射地板的天线特性（有源反射系数）；
图5是在垂直于贴片方向上的增益；
图6a是天线的有源反射系数（改变L）；
图6b是天线的有源反射系数（改变fd）；
图6c是天线的有源反射系数（改变R1）；
图6d是天线的有源反射系数（改变h）；
其中：1、介电基板；2、辐射贴片；3、连接部；4、馈电接地平面；5、反应器地平面；6、同轴电缆；2-1、新月部；2-2、矩形部。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a所示，本发明实施例公开了一种紧凑型宽带新月形贴片对天线，包括介电基板1，所述介电基板1的一个表面形成有两个相互对称的辐射贴片2，两个所述辐射贴片2以等幅反相馈电，导致两个辐射贴片上的电流方向相同，然后进行宽边辐射；每个所述辐射贴片2靠近内侧的一端形成有贯穿所述介电基板1的连接部3，所述介电基板1的另一个表面形成有馈电接地平面4，通过连接部3将所述辐射贴片2与其相对应的同轴电缆的内导体连接到一起，所述连接部3不与所述馈电接地平面4接触；与所述馈电接地平面4相对的一侧形成有反射器地平面5，两个同轴电缆6的一端穿过所述反应器地平面5后使得同轴电缆的外导体与所述馈电接地平面4连接，所述同轴电缆6的另一端连接有同轴接口。
如图1b所示，所述辐射贴片2为新月状，所述辐射贴片包括新月部2-1与矩形部2-2，所述新月部2-1的开口向外设置，所述矩形部2-2与所述新月部2-1的内侧弧线的中部连接到一起，两个所述矩形部2-2相对设置，且两个所述矩形部2-2的内侧端部之间保持有一定距离。
天线包括基板顶部的两个金属月牙形辐射贴片和底部的两个小的馈电接地平面。这两个贴片以180度相位反向馈电，导致天线侧向辐射。反射器接地平面安装在辐射贴片后面，可以增加所需方向的辐射，类似于偶极子反射器天线。
新月形状辐射贴片是通过两个同心椭圆相减获得的。两个小的馈电接地平面在基板的另一侧，辐射贴片以等幅反相馈电，导致两个贴片上的电流方向相同，然后进行宽边辐射。如果两个贴片以相同的相位馈电并以相同的方向定向，则阻抗带宽将变得更窄。此外，最大辐射方向不垂直于微带贴片是由于天线结构的不对称性而造成的。在天线的设计过程中利用了两个贴片之间的耦合，这是为了使天线的有源反射系数更好，其中，反射器地平面用于将全向辐射改变为定向辐射。
进一步的，如图1a-1b所示，所述新月部2-1的外侧弧线的两个端点之间的距离为2L，L=11mm；所述新月部2-1的外侧弧线的两个端点之间的连线的中点到所述新月部2-1的内侧弧线的中点的距离为L*R1=11*1.75=19.25mm；所述新月部2-1的外侧弧线的两个端点之间的连线的中点到所述新月部2-1外侧弧线的中点的距离为L*R2=11*0.2=22mm。优选的，所述馈电接地平面4的直径大于所述连接部3的直径且大于所述同轴电缆6的直径。两个所述馈电接地平面4之间的距离为fd，fd=4mm；馈电接地平面4的直径为pl，pl=6mm；所述反射器地平面4尺寸为100*84 mm，所述介电基板1与所述反应器地平面4之间的距离为h，h=20mm。
为了分析阻抗和方向图，首先通过HFSS 仿真所提出的天线，然后在介电常数为2.2 和厚度为 0.787mm 的基板上制造。3dB功分器反向180°连接到天线馈电口。反射器地平面尺寸为100*84 mm。天线优化参数根据图1a-1b中的配置如下：L=11mm, R1=1.75mm, R2=0.2mm, f=4mm, fd=4mm, pl=6mm, h=20mm。图2显示了两个贴片之间的反射系数和耦合系数。可以看出，2.6-2.8GHz 大于 9.6dB (VSWR)，2.6-4GHz 也大于 9.6dB，但在 2.6-6.6GHz 频段，由于利用两个贴片的耦合，有源反射系数小于 9.6dB。因为在天线工作时，两个端口都会被激发，有源反射系数在实际应用中更有价值。 在功分器输入端口测得的反射系数在2.6-6.6 GHz范围内几乎都在9.6 dB以下，这与仿真的有源反射系数一致。由于功率分配器的稳定性不是很好，它们测量的反射系数出现波动。另外，通过仿真发现贴片的形状不是天线的关键点。由于面积较大，椭圆形的频段比三角形的更宽。新月形状可以使天线小型化一点，但不会缩小很多。可以根据需要设计不同形状的贴片。
图6a-6d中天线的有源反射系数图6a改变L，图6b改变fd，图6c改变R1，图6d改变h；天线在 2.5 GHz、4.4 GHz、6 GHz、6.5 GHz 频率下的辐射方向图如图 3a-图3d 所示。虽然有源反射系数在 6 GHz 以上是可以接受的，但会破坏辐射方向图的良好一致性。这种天线可以看成是一个反相的二元阵列，布置在反射面的宽边。随着频率的增加，辐射面和反射面的距离接近0.5个波长，这导致了在宽边方向上的深度向下翘曲。综上所述，天线可以很好地覆盖2.6-6GHz。另外，前后比大于15dB。从图4a可以看出，4.3 GHz 时使用反射器接地面，前后比有所提高，约 20 dB。当然，反射器接地面的引入会影响天线的反射系数。 如图 4b所示，无反射器天线的可用阻抗频带移到更高的频率。 在宽边的增益，垂直于贴片的方向，如图5所示。可以看出，实测增益小于仿真增益，这可能是由于功率分配器的衰减。改变参数的影响，除一个之外的所有参数尺寸都保持为上述值不变。图 6a描绘了改变椭圆 (L) 的半长轴长度对有源反射系数的影响。可以看出，天线的第一谐振频率随着L增加而降低，频带会变的更宽，但频段的某些频率点的反射系数会大于9.6dB。 改变两贴片距离的影响(fd)，如图 6b 所示。这是一个关键参数，因为这对整个频带都有贡献。图 6c显示了改变椭圆比 (R1) 的效果。观察到这可以稍微调整属性在图6d中，天线的厚度h是变化的。需要注意的是，它起到了控制天线在整个频段的匹配特性的作用。谐振频率会随着通过调整参数，可以设计出实用的天线。
该天线由两个具有相反相位馈电的简单贴片对组成。考虑到设计中两个贴片之间的耦合，构建并测试了尺寸约为 54.5 mm 的天线。仿真结果表明天线在2.6-6 GHz频段的有源反射系数小于9.6 dB。在设计过程中应用了两个贴片之间的耦合。天线带宽达倍频程。天线在全频段具有良好的辐射特性。

Claims (10)

1.一种紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：包括介电基板（1），所述介电基板（1）的一个表面形成有两个相互对称的辐射贴片（2），两个所述辐射贴片（2）以等幅反相馈电，导致两个辐射贴片上的电流方向相同，然后进行宽边辐射；每个所述辐射贴片（2）靠近内侧的一端形成有贯穿所述介电基板（1）的连接部（3），所述介电基板（1）的另一个表面形成有馈电接地平面（4），通过连接部（3）将所述辐射贴片（2）与其相对应的同轴电缆的内导体连接到一起，所述连接部（3）不与所述馈电接地平面（4）接触；与所述馈电接地平面（4）相对的一侧形成有反射器地平面（5），两个同轴电缆（6）的一端穿过所述反应器地平面（5）后使得同轴电缆的外导体与所述馈电接地平面（4）连接，所述同轴电缆（6）的另一端连接有同轴接口。
2.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述辐射贴片（2）为新月状，所述辐射贴片包括新月部（2-1）与矩形部（2-2），所述新月部（2-1）的开口向外设置，所述矩形部（2-2）与所述新月部（2-1）的内侧弧线的中部连接到一起，两个所述矩形部（2-2）相对设置，且两个所述矩形部（2-2）的内侧端部之间保持有一定距离。
3.如权利要求2所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述新月部（2-1）的外侧弧线的两个端点之间的距离为2L，L=11mm；所述新月部（2-1）的外侧弧线的两个端点之间的连线的中点到所述新月部（2-1）的内侧弧线的中点的距离为L*R1=11*1.75=19.25mm；所述新月部（2-1）的外侧弧线的两个端点之间的连线的中点到所述新月部（2-1）外侧弧线的中点的距离为L*R2=11*0.2=22mm。
4.如权利要求2所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述矩形部（2-2）的长度为f，f=4mm。
5.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述矩形部（2-2）的宽度小于所述新月部（2-1）的宽度。
6.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述馈电接地平面（4）的直径大于所述连接部（3）的直径且大于所述同轴电缆（6）的直径。
7.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：两个所述馈电接地平面（4）之间的距离为fd，fd=4mm；馈电接地平面（4）的直径为pl，pl=6mm。
8.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述反射器地平面（5）尺寸为100*84 mm，所述介电基板（1）与所述反应器地平面（4）之间的距离为h，h=20mm。
9.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述介电基板（1）的介电常数为 2.2 和厚度为dh ，dh=0.787mm。
10.如权利要求1所述的紧凑型宽带新月形贴片对天线，其特征在于：所述馈电接地平面（5）的长度和宽度分别大于所述介电基板（1）的长度和宽度。
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