CN116315690A - 一种改善方向图圆度的贴片天线及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善方向图圆度的贴片天线及其应用，贴片天线包括顺次层叠设置的第一金属地板、介质层和第二金属地板，介质层远离所述第一金属地板的表面设置有一发射天线和一接收天线，发射天线、接收天线与第二金属地板间隔设置，第一金属地板间隔开设有第一开槽和第二开槽。通过在远离发射天线、接收天线的金属地板上开设开槽，从而引入了额外的寄生辐射，引入的寄生辐射可补偿传统贴片天线的辐射盲点，改善了贴片天线方向图的圆度畸变问题，尤其是在低仰角情况下，贴片天线的方向图圆度得到了极大改善。该贴片天线结构对传统贴片天线改动较小，对贴片天线的结构要求低，易于生产加工，成本低廉，特别适用于作为雷达传感器的天线。

Description

一种改善方向图圆度的贴片天线及其应用

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，涉及一种贴片天线及其应用，具体地说涉及一种改善方向图圆度的贴片天线及其应用。

背景技术

近年来，随着电子产品应用场景的复杂化程度不断提高，对无线通信系统与传感器系统中的天线的性能要求也越来越高，尤其是对于天线方向图的性能要求不断提高，对于室内传感器，往往要求天线的方向图在不同仰角的方位面内是均匀全向的，以保证不同方位面内均匀一致的覆盖范围，从而满足实际的应用需要。

在众多天线类型中，贴片天线由于具有剖面低、重量轻、易于加工以及成本低廉等优点，因此被广泛应用于各种室内传感器中。然而，由于微带贴片天线由于需要满足半波长谐振且通常需要将对称设置的两个微带贴片天线分别作为接受天线和发射天线，导致其占据空间较大。同时，由于天线需要与芯片和其它电路进行连接，使得天线不可避免地偏离地板中心放置，甚至需要放置于地板的边缘，这种放置方式会造成微带贴片天线的方向图产生畸变且方向图圆度变差，导致出现方向图盲点的问题。

传统的半波谐振的微带贴片天线为边射(broadside)辐射方向图，当微带贴片天线放置在无限大的地板上时，微带贴片天线的方向图无畸变且方向图圆度良好。但通常，用于室内传感器的贴片天线多悬挂安装于天花板上，当z轴线选择垂直于底面，天线在不同仰角θ切面的增益方向图形状会直接影响信号的覆盖范围。为评估天线信号覆盖的性能，天线具有一个重要的参数：方向图不圆度，其定义为θ角度方向的辐射方向图截面内的最大增益差，仰角θ越小，辐射方向图圆度越好，如θ＝0°仰角的圆度天然比仰角θ＝60°的圆度好，实际应用中一般关注θ＝60°截面附近的方向图。

理论上可以通过选择大尺寸地板来减少电磁波在地板边缘的绕射对微带贴片天线辐射方向图的影响，但是这会增加成本且会导致天线尺寸过大而不易于集成到其它电路或电子装置中；也可以将天线尽可能放置在地板中心，让微带贴片天线的两条辐射边关于地板中心对称，即让贴片天线H面尽量位于地板中心上。如文献《Improving radiation-pattern distortion of a patch antenna having a finite ground plane》(IEEETrans.Antennas and Propagat.,vol.51,no.3,pp.478-482,March 2003.，T.Namiki,Y.Murayama and K.Ito)中提出了一种解决方案：在与贴片的两条辐射边平行的两条地板边挖去几个矩形部分使得地板边缘等效磁流所产生的衍射场相互抵消，从而减轻电磁波在有限大地板边缘的衍射对天线方向图的影响，但是这种方案破坏了地板的完整性，不利于放置其它的电路和整个模组系统的小型化。针对单极子天线，文献《Improving RadiationPattern Roundness of a Monopole Antenna Placed Off-Center Above a CircularGround Plane Using Characteristic Mode Analysis》(IEEE Trans.AntennasPropagat.,vol.69,no.2,pp.1135-1139,Feb.2021.,H.Sheng and Z.N.Chen)提出，当它偏移地板中心放置时，可以在天线周围加上一个圆环形结构，将相对于偏移地板中心的不对称的边界条件变成相对于圆环形结构对称的边界条件，可以改善单极子天线辐射方向图的不圆度，但是这种方案要求的地板尺寸相对较大，且新加入的结构增加了加工成本。文献《Radiation Pattern Roundness Improvement of Off-center Monopole Antenna UsingElectromagnetic Band-gap(EBG)Structure》(2021IEEE International Symposium onAntennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting(APS/URSI),Singapore,Dec.2021,pp.1313-1314.,B.Zhang and Z.N.Chen)提出用悬浮圆形电磁间隙环结构(CirEBG)来改善偏移放置于方形地板中心的单极子天线的方向图不圆度，悬浮圆形电磁间隙环结构将地板上的表面电流集中于对称、可调的环形结构的边界上，让更多的行波在对称的圆环结构中辐射出来。同时将更多的能量集中于环形结构中，地板边缘的辐射可以被抑制，但是这种方案要求的地板尺寸也相对较大，不利于集成。文献《A V-shapeEdge-Groove Design for a Finite Ground Plane to Reduce Pattern Ripples of aMonopole》(Antennas Wirel.Propag.Lett.,vol.7,pp.561-564,2008.,Hsing-Feng Chen,Meng-YiLin and Ken-Huang Lin)提出通过在圆形地板上加载V形边缘槽来减弱经过它的行波从而来减小在地板边缘的绕射，但是这种V形边缘槽对介质基板的厚度要求较为苛刻，一般为四分之一倍工作波长。目前行业内很少有研究提出其他方法以改善有限大地板下贴片天线辐射方向图的不圆度，而最少改变原来地板的结构来改善辐射方向图的圆度的技术就更少。

有鉴于此，有必要对现有技术中心的贴片天线予以改进，提出一种改善方向图圆度的贴片天线。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于传统贴片天线在地板尺寸有限的情况下方向图的圆度不理想，限制了贴片天线的应用，从而提出一种改善方向图圆度的贴片天线及其应用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明第一方面提供一种改善方向图圆度的贴片天线，其包括顺次层叠设置的第一金属地板、介质层和第二金属地板，所述介质层远离所述第一金属地板的表面设置有一发射天线和一接收天线，所述发射天线、接收天线与所述第二金属地板间隔设置；所述第一金属地板间隔开设有第一开槽和第二开槽。

作为优选，所述第一金属地板为矩形板，所述第一开槽和第二开槽对称开设于所述第一金属地板相对的两侧。

作为优选，所述第一开槽、所述第二开槽为尺寸相同的矩形槽，所述矩形槽的长度为0.1-0.4倍介质波长。

作为优选，所述矩形槽的宽度为长度的1/20-1/2。

作为优选，所述第一开槽和第二开槽通过短路单元连接于所述第二金属地板。

作为优选，沿水平方向，所述第一开槽、第二开槽间隔设置于所述发射天线和接收天线的一侧，所述短路单元为设置于所述第一开槽、第二开槽远离所述发射天线和接收天线一侧的一组金属化过孔，所述金属化过孔沿所述第一开槽至第二开槽的方向间隔排布。

作为优选，所述发射天线与所述接收天线间隔设置，且所述发射天线与所述接收天线分别通过一馈电单元连接于一射频端口，所述射频端口设置于所述第一金属地板或第二金属地板。

作为优选，所述第一开槽与所述第二开槽对称设置于所述第一金属地板一组对边的中心线两侧。

本发明第二方面提供一种所述的改善方向图圆度的贴片天线在雷达传感器中的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的改善方向图圆度的贴片天线，其包括顺次层叠设置的第一金属地板、介质层和第二金属地板，介质层远离所述第一金属地板的表面设置有一发射天线和一接收天线，发射天线、接收天线与第二金属地板间隔设置，第一金属地板间隔开设有第一开槽和第二开槽。通过在远离发射天线、接收天线的金属地板上开设开槽，从而引入了额外的寄生辐射，引入的寄生辐射可补偿传统贴片天线的辐射盲点，改善了贴片天线方向图的圆度畸变问题，尤其是在低仰角情况下，贴片天线的方向图圆度得到了极大改善。该贴片天线结构对传统贴片天线改动较小，对贴片天线的结构要求低，易于生产加工，成本低廉，特别适用于作为雷达传感器的天线。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例1提供的改善方向图圆度的贴片天线的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的改善方向图圆度的贴片天线的另一角度结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的改善方向图圆度的贴片天线的另一角度结构示意图；

图4是本发明实施例1提供的改善方向图圆度的贴片天线与元器件的组装结构示意图；

图5是传统贴片天线的S11、S21、S22的仿真数据测试曲线图；

图6是实施例1提供的贴片天线的S11、S21、S22的仿真数据测试曲线图；

图7是传统贴片天线与实施例1提供的贴片天线方向图不圆度的直角坐标图；

图8是传统贴片天线与实施例1提供的贴片天线方向图不圆度的极坐标图；

图9是传统贴片天线的表面电流分布示意图；

图10是实施例1提供的贴片天线表面电流分布示意图；

图11是实施例1提供的贴片天线的电场强度分布示意图。

图中附图标记表示为：1-第一金属地板；101-第一开槽；102-第二开槽；2-介质层；3-第二金属地板；4-发射天线；5-接收天线；6-短路单元；7-第一微带馈线；8-第二微带馈线；9-第一过孔；10-第二过孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种改善方向图圆度的贴片天线，请参阅图1-图4，该贴片天线包括顺次层叠设置的第一金属地板1、介质层2和第二金属地板3，其中，第一金属地板1与介质层2尺寸相同，覆设于介质层的一个表面，第二金属地板3尺寸小于介质层2，覆设于介质层2的另一表面，第一金属地板1、第二金属地板3用于安装电子元件和射频电路(如图4所示)。介质层2远离第一金属地板1的表面连接有一发射天线4和一接收天线5，发射天线4、接收天线5与第二金属地板3间隔设置，第一金属地板1间隔开设有第一开槽101和第二开槽102。

本实施例提供的改善方向图圆度的贴片天线，通过在远离发射天线4、接收天线5的一侧的第一金属地板1上间隔开设通槽，从而向贴片天线引入了额外的寄生辐射，引入的寄生辐射可改变发射天线4、接收天线5以及第一金属地板1的表面电流分布，与传统未设置开槽的贴片天线相比，第一金属地板1参与的辐射减弱，补偿了传统贴片天线的辐射盲点，改善了贴片天线方向图的圆度畸变问题，尤其是在低仰角(θ＝60°)情况下，贴片天线的方向图圆度得到了极大改善。该贴片天线结构对传统贴片天线改动较小，对贴片天线的结构要求低：不要求第一金属地板1本身的对称性，也不要求发射天线4和接收天线5位于第二金属地板3中心，使第一金属地板1、第二金属地板3的形状以及发射天线4和接收天线5的摆放位置的选择更为自由，降低了制作难度，更易于生产加工，成本低廉，适用于作为雷达传感器的天线。

本实施例中优选地，第一金属地板1采用矩形片状结构，包括两组相对设置的对边，第一开槽101和第二开槽102对称开设于第一金属地板1一组对边的边缘内部，如图所示，第一开槽101、第二开槽102的连线与第一金属地板1的一组对边平行设置(即与另一组对边垂直设置)，且第一开槽101与第二开槽102对称设置于第一金属地板1一组对边的中线两侧。

进一步地，第一开槽101、第二开槽102为尺寸和结构相同的矩形槽，第一开槽101、第二开槽102分别设置于第一金属地板1相对的一组对边边缘，并向第一金属地板1的内侧延伸，第一开槽101、第二开槽102短边的中线垂直于第一金属地板1的该组对边设置，且第一开槽101的第一短边与第一金属地板1的该组对边之一重合，第二开槽102的第一短边与第一金属地板1的上述对边中另一边重合，第一开槽101的第二短边与第二开槽102的第二短边间隔且相对设置。

其中，第一开槽101、第二开槽102的长度优选为0.1-0.4倍介质波长，宽度为长度的1/20-1/2，本实施例中具体地，第一开槽101、第二开槽102的长度均为3.3mm，宽度均为1mm。

第一开槽101、第二开槽102通过短路单元6连接于第二金属地板3，本实施例中具体地，沿水平方向，第一开槽101、第二开槽102间隔设置于发射天线4和接收天线5的一侧，短路单元6设置于第一开槽101、第二开槽102远离发射天线4、接收天线5的一侧。其中，短路单元6为一组间隔且呈直线排布的金属化过孔，该组金属化过孔由第一开槽101的一端至第二开槽102的一端间隔排布，且金属化过孔沿第一开槽101远离发射天线4、接收天线5一侧的边沿顺次排布至第二开槽102远离发射天线4、接收天线5一侧的边沿，即金属化过孔沿第一金属地板1的第一长边顺次间隔排布至第二长边，从而使得第一金属地板1、第二金属地板3连接。该金属化孔由贯穿第一金属地板1、介质层2、第二金属地板3的通孔和填充于通孔内的金属柱组成，金属柱的材质优选为铜。

如图1-图2所示，本实施例中，发射天线4和接收天线5的截面图形均为矩形，第二金属地板3也为矩形板，其尺寸小于介质基板2和第一金属地板1，其间隔设置于发射天线4、接收天线5的一侧，发射天线4与接收天线5相对于第二金属地板3长边的中线对称设置，第一开槽101、第二开槽102也相对于第二金属地板3长边的中线对称设置，同时，发射天线4与接收天线5相对于第一金属地板1短边的中线对称设置，第一开槽101、第二开槽102也相对于第一金属地板1短边的中线对称设置，如此设置，使得天线的辐射方向图关于第一金属地板1或第二金属地板3的中线镜像对称，从而可进一步提高天线辐射方向图的圆度。

沿水平方向，发射天线4靠近第一开槽101、第二开槽102的一侧连接有第一微带馈线7，接收天线5靠近第一开槽101、第二开槽102的一侧连接有第二微带馈线8，第一微带馈线7、第二微带馈线8呈相对设置的L型结构。发射天线4和接收天线5分别通过一馈电单元连接于一射频端口，射频端口设置于第一金属地板1或第二金属地板3，本实施例中，射频端口设置于第一金属地板1远离介质层的一侧(即当设置有发射天线4、接收天线5的一面为贴片天线的正面时，射频端口设置于贴片天线的背面)，其中，馈电单元包括与发射天线4连接的第一过孔9和与接收天线5连接的第二过孔10，发射天线4通过第一过孔9连接于第一金属地板1另一侧的射频端口，接收天线5通过第二过孔10连接于第一金属地板1另一侧的射频端口。上述第一过孔9和第二过孔10的设置方式，既可满足介质层2为单层，也可满足介质层2为多层的情况，本实施例中，介质层2采用材质为FR-4的介质基板。

本实施例提供的上述改善方向图圆度的贴片天线，基于简单的天线结构改进，使得贴片天线的方向图圆度得到极大改善，特别适用于室内吸顶雷达传感器的天线。

实验例

1、分别测试传统未设置第一开槽101、第二开槽102的贴片天线以及实施例1提供的贴片天线的S11、S21、S22的仿真数据，测试结果如图5-图6所示，其中，图5是传统贴片天线的S11、S21、S22的仿真数据测试曲线图，图6是实施例1提供的贴片天线的S11、S21、S22的仿真数据测试曲线图。

从图5中可以看出，传统贴片天线中，接收天线和发射天线的工作频率完全重合，中心工作频率为10.52GHz，匹配和隔离度良好，且S11小于-10dB的频带约为0.43GHz，-10dB带宽内收发天线的隔离度高于-18.89dB。

从图6中可以看出，实施例1提供的贴片天线，在第一金属地板1开设第一开槽101和第二开槽102后，发射天线4、接收天线5的工作频率完全重合，中心工作频率为10.45GHz，匹配和隔离度良好，且S11小于-10dB的频带约为0.47GHz，-10dB带宽内收发天线的隔离度高于-19.82dB。这说明在第一金属地板1设置开槽后延长了电流路径，让中心频率稍微有点降低，但完全能够满足所需的带宽和隔离度的要求。

2、分别测试传统未设置第一开槽101、第二开槽102的传统贴片天线以及实施例1提供的贴片天线的方向图不圆度的直角坐标和极坐标图，测试结果如图7-图8所示，其中，图7为传统贴片天线和实施例1提供的贴片天线方向图不圆度的直角坐标图，图8为传统贴片天线和实施例1提供的贴片天线方向图不圆度的极坐标图。

从上述测试结果可以看出，在低仰角(θ＝60°)的辐射方向图中，传统贴片天线的方向图不圆度为7.23dB；实施例1提供的贴片天线，通过在第一金属地板1设置第一开槽101和第二开槽102后方向图不圆度为2.52dB，方向图不圆度改善了4.71dB，说明相对于传统的贴片天线，实施例1提供的在第一金属地板1设置第一开槽101和第二开槽102的贴片天线对低仰角方向图不圆度的改善效果明显，解决了贴片天线方向图盲点的技术问题，更适用于室内吸顶雷达传感器的天线。

3、图9-图10为传统未设置第一开槽101、第二开槽102的传统贴片天线以及实施例1提供的贴片天线的表面电流分布示意图，从图中可见，通过设置第一开槽101和第二开槽102，与传统贴片天线相比，改变了天线表面的电流分布，从而使贴片天线在低仰角(θ＝60°)的时候，方向图发生改变，圆度得到了显著提升，此时为发射天线4单独激励。

4、图11为实施例1提供的贴片天线的电场分布示意图，从图中可见，设置第一开槽101、第二开槽102，槽中只存在切向的电场强度，电场强度的分布方向垂直于槽的长度方向，且槽中的场分布近似于一个1/4周期或1/4波长谐振的分布，在第一金属地板1开设的第一开槽101和第二开槽102产生了额外的寄生辐射，额外的寄生辐射起到了补偿传统贴片天线的辐射盲点的技术效果，改善了贴片天线的方向图不圆度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，包括顺次层叠设置的第一金属地板、介质层和第二金属地板，所述介质层远离所述第一金属地板的表面设置有一发射天线和一接收天线，所述发射天线、接收天线与所述第二金属地板间隔设置；所述第一金属地板间隔开设有第一开槽和第二开槽。

2.根据权利要求1所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，所述第一金属地板为矩形板，所述第一开槽和第二开槽对称开设于所述第一金属地板相对的两侧。

3.根据权利要求2所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，所述第一开槽、所述第二开槽为尺寸相同的矩形槽，所述矩形槽的长度0.1-0.4倍介质波长。

4.根据权利要求3所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，所述矩形槽的宽度为长度的1/20-1/2。

5.根据权利要求1-4任一项所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，所述第一开槽和第二开槽通过短路单元连接于所述第二金属地板。

6.根据权利要求5所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，沿水平方向，所述第一开槽、第二开槽间隔设置于所述发射天线和接收天线的一侧，所述短路单元为设置于所述第一开槽、第二开槽远离所述发射天线和接收天线一侧的一组金属化过孔，所述金属化过孔沿所述第一开槽至第二开槽的方向间隔排布。

7.根据权利要求6所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，所述发射天线与所述接收天线间隔设置，且所述发射天线与所述接收天线分别通过一馈电单元连接于一射频端口，所述射频端口设置于所述第一金属地板或第二金属地板。

8.根据权利要求7所述的改善方向图圆度的贴片天线，其特征在于，所述第一开槽与所述第二开槽对称设置于所述第一金属地板一组对边的中心线两侧。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的改善方向图圆度的贴片天线在雷达传感器中的应用。

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