CN116565558A - 一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线 - Google Patents
一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,包括第一金属贴片、绝缘介质基板、第二金属贴片、微带传输线、金属通孔;所述第一金属贴片和微带传输线均位于所述绝缘介质基板的第一表面;所述微带传输线的一边和第一金属贴片连接在一起,另一边作为天线的馈电端,用于信号输入;在所述第一金属贴片上加载了金属通孔,使第一金属贴片和接地板短接;所述第二金属贴片覆盖于所述绝缘介质基板的第二表面。本发明的微带天线装置具有低剖面高度,紧凑的尺寸,并在两个频段同时保持远场辐射具有较宽的方位覆盖,具有优异的广覆盖、高分辨率、高增益性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域所涉及的微带天线,尤其是一种低剖面双频段的具有宽风扇波束和矩形波束的微带天线。
背景技术
随着现代无线通信的快速发展,双频段天线在现代无线通信中的要求越来越高,双频段和多波段天线具有技术紧凑、集成性高、成本低等优点,成为未来通信的发展趋势。
近年来,移动通信、广播、导航、远程遥测和雷达系统已经逐渐覆盖了现代应用的各个方面。在这些应用中,需要适应新系统和宽波束宽天线所产生的需求。而无线通信系统的信号覆盖区域与其天线组件的波束模式特性密切相关。宽扇形波束可以提供宽的方位波束宽度,并具有广泛覆盖的显著优势。这是点对多点无线链路的高度期望,因为它为校园建筑、远程设施、安全系统、门禁系统提供了理想的无线视频监控摄像头解决方案。
现有技术“24 GHz Horizontally Polarized Automotive Antenna Arrays withWide Fan Beam and High Gain.”中,使用多个贴片组成天线阵列,大的金属地面上具有宽波束的辐射模式,以达到扩大波束宽度的目的,然而众多的单元数目极大的增加了天线的尺寸。在“A Wide-Angle E-Plane Scanning Linear Array Antenna with Wide BeamElements.”中,通过加载垂直金属壁,以产生垂直感应电流,然而引入的金属壁增加了这些天线的高度,从而破坏了平面天线的低轮廓特性。
微带天线因其体积小、重量轻、易于构建而被广泛应用于许多阵列天线中。而传统微带天线在E面波束宽约为90°,H面波束宽约为80°,在低仰角时增益迅速衰减,难以满足广角扫描相控阵天线的要求。因此,在不牺牲其他性能的情况下拓宽波束宽和提高增益是一个困难的挑战,成为微带天线研究的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种在无线通信系统中能够保持较宽方位覆盖的可以提供宽方位波束宽度的微带天线,本发明在不增加天线单元占用空间的同时,分析天线的远场辐射特性,实现了波束宽度的拓展,提高了增益性能以及小型化特性。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,包括第一金属贴片、绝缘介质基板、第二金属贴片、微带传输线、金属通孔;所述第一金属贴片和微带传输线均位于所述绝缘介质基板的第一表面;所述微带传输线的一边和第一金属贴片连接在一起,另一边作为天线的馈电端,用于信号输入;在所述第一金属贴片上加载了金属通孔,使第一金属贴片和接地板短接;所述第二金属贴片覆盖于所述绝缘介质基板的第二表面。
在一些实施例中,所述第一金属贴片包括辐射贴片、金属条带和短微带线;所述辐射贴片为长方形贴片,在辐射贴片的上、下长形边缘中部各切有一个对称布置的凹槽;在所述辐射贴片的上、下长形边外侧各设有与长行边平行的金属条带;所述短微带线将金属条带和辐射贴片连接。
在一些实施例中,在所述辐射贴片的上、下长形边外侧各设有两个金属条带,同一侧的两个金属条带之间有间隙;每一个金属条带均通过间隔且平行布置的两个短微带线与辐射贴片连接。
在一些实施例中,四个金属条带关于辐射贴片的中心对称。
在一些实施例中,所述金属条带的外侧宽边与辐射贴片的外侧宽边齐平,金属条带的内侧宽边位于辐射贴片的长边中心线与凹槽的宽边之间;其中一个短微带线沿着凹槽的宽边与金属条带的长边相连,另一个短微带线在靠近辐射贴片的宽边处与金属条带的长边相连。
在一些实施例中,为了在期望频点处产生谐振并改善阻抗匹配,四个金属条带的最外侧夹角处各加载了一个金属通孔,使第一金属贴片和接地板短接。
在一些实施例中,为了实现矩形辐射波束,所述辐射贴片上蚀刻了两个关于辐射贴片的长边中心线对称的缝隙。
在一些实施例中,在每个缝隙靠近辐射贴片中心的一侧各加载了一个金属通孔,使第一金属贴片和接地板短接。
在一些实施例中,所述第一金属贴片的长度为60mm,宽度为44mm;凹槽的长度为7.4mm,宽度为1.7mm;所述微带传输线的长度为25mm.宽度为1.2mm。
在一些实施例中,所述绝缘介质基板为长度为90mm,宽度为70mm的F4BM220介质板,介电常数为2.2,损耗角正切为0.0009,其厚度为2mm。
本发明有益效果:
本发明的微带天线装置具有低剖面高度,紧凑的尺寸,并在两个频段同时保持远场辐射具有较宽的方位覆盖,具有优异的广覆盖、高分辨率、高增益性能。
附图说明
附图作为本发明的一部分,用来提供对本发明的进一步的理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但不构成对本发明的不当限定。显然,下面描述中的附图仅仅是一些实施例,对于本领域普通技术人员来说,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
在附图中:
图1为本发明提出的双频微带天线结构示意图;
图2为本发明提出的第一金属贴片结构示意图;
图3为本发明提出的双频微带天线的反射系数曲线图;
图4为本发明提出的双频微带天线在5.13GHz时的e平面的远场辐射方向图;
图5为本发明提出的双频微带天线在5.13GHz时的h平面的远场辐射方向图;
图6为本发明提出的双频微带天线在5.48GHz时的和e平面的远场辐射方向图;
图7为本发明提出的双频微带天线在5.48GHz时的和h平面的远场辐射方向图。
需要说明的是,这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围,而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
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,对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”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,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装置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。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”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;可以是机械连接,也可以是电连接;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。
如图1所示,一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,包括第一金属贴片1、绝缘介质基板2、第二金属贴片3、微带传输线4、金属通孔5;第一金属贴片1和微带传输线4由导电材料制备,均位于绝缘介质基板2的第一表面;微带传输线4的一边和第一金属贴片1连接在一起,另一边作为天线的馈电端,用于信号输入;在第一金属贴片1上加载了金属通孔5,使第一金属贴片1和接地板短接;第二金属贴片3覆盖于绝缘介质基板2的第二表面。与传统的微带天线一样,所提出的天线可以通过焊接在微带传输线4上的SMA馈电接头方便地激发。
如图2所示,第一金属贴片1包括辐射贴片1-1、金属条带1-2和短微带线1-3;辐射贴片1-1为长方形贴片,在辐射贴片1-1的上、下长形边缘中部各切有一个对称布置的凹槽;在辐射贴片1-1的上、下长形边外侧各设有与长行边平行的金属条带1-2;短微带线1-3将金属条带1-2和辐射贴片1-1连接。
进一步的方案:在辐射贴片1-1的上、下长形边外侧各设有两个金属条带1-2,同一侧的两个金属条带1-2之间有间隙;每一个金属条带1-2均通过间隔且平行布置的两个短微带线1-3与辐射贴片1-1连接。
进一步的方案:四个金属条带1-2关于辐射贴片1-1的中心对称。
进一步的方案:金属条带1-2的外侧宽边与辐射贴片1-1的外侧宽边齐平,金属条带1-2的内侧宽边位于辐射贴片1-1的长边中心线与凹槽的宽边之间;其中一个短微带线1-3沿着凹槽的宽边与金属条带1-2的长边相连,另一个短微带线1-3在靠近辐射贴片1-1的宽边处与金属条带1-2的长边相连。
进一步的方案:为了在期望频点处产生谐振并改善阻抗匹配,四个金属条带1-2的最外侧夹角处各加载了一个金属通孔5,使第一金属贴片1和接地板短接。
进一步的方案:为了实现矩形辐射波束,辐射贴片1-1上蚀刻了两个关于辐射贴片1-1的长边中心线对称的缝隙1-4,用以改变电流分布和辐射模式。在每个缝隙1-4靠近辐射贴片中心的一侧各加载了一个金属通孔5,使第一金属贴片1和接地板短接。
优选的方案:第一金属贴片1为长度为60mm,宽度为44mm的矩形贴片。
优选的方案:辐射贴片1-1的切槽宽度为7.4mm,深度为1.7mm。
优选的方案:金属通孔5的半径为0.5mm,有利于改善天线的阻抗匹配。
优选的方案:缝隙1-4的长度为22mm,宽度为0.5mm,用以改变电流分布,有利于改善天线的远场辐射方向。
优选的方案:微带传输线4的长度为25mm.宽度为1.2mm,用来传输馈电接头输入的电信号。
优选的方案:绝缘介质基板2为长度为90mm,宽度为70mm的F4BM220介质板,介电常数为2.2,损耗角正切为0.0009,其厚度为2mm。
由上可知,本发明提供了一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,包括第一金属贴片、绝缘介质基板、第二金属贴片、微带传输线、金属通孔。具体来说,此微带天线的结构为:一个宽边切槽的矩形辐射贴片,四个平行金属条带,然后由八条短微带线将金属条带和矩形辐射贴片连接,在四个平行金属条带上各加载了一个金属通孔,使金属贴片和接地板进行短接;在矩形辐射贴片上蚀刻两条左右对称的缝隙,并分别在每条缝隙靠近矩形辐射贴片中心的一侧各加载了一个金属通孔与接地板电短接。与传统的微带天线一样,所提出的天线可以通过焊接在微带馈电线上的50欧姆SMA连接器方便地激发。本发明的微带天线具有较低的剖面高度,较小的尺寸以及有较宽HPBW的风扇束和矩形辐射波束。
图3为本发明提出的双频微带天线装置的反射系数曲线图,图中,横坐标代表频率变量,单位为GHz;纵坐标代表幅度变量。从图2中可以看出本发明天线在5.13GHz和5.48GHz均获得了良好的阻抗匹配(|S11|<-25 dB)。
图4、图5分别为本发明提出的双频微带天线装置的e平面和h平面的远场辐射方向图;从图中可以看出在5.13GHz时辐射方向图的e面HPBW的波束宽度为140°,最大增益为8.34 dB,远场辐射具有较宽的方位覆盖。
图6、图7分别为本发明提出的双频微带天线装置的e平面和h平面的远场辐射方向图;从图中可以看出在5.48GHz时辐射方向图的e面HPBW的波束宽度为100°,h面HPBW的波束宽度为90°,最大增益为5.8dB,远场辐射具有较宽的方位覆盖。
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如,在上面的实施例中,本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题,以组合的方式来使用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
包括第一金属贴片(1)、绝缘介质基板(2)、第二金属贴片(3)、微带传输线(4)、金属通孔(5);
所述第一金属贴片(1)和微带传输线(4)均位于所述绝缘介质基板(2)的第一表面;
所述微带传输线(4)的一边和第一金属贴片(1)连接在一起,另一边作为天线的馈电端,用于信号输入;
在所述第一金属贴片(1)上加载了金属通孔(5),使第一金属贴片(1)和接地板短接;
所述第二金属贴片(3)覆盖于所述绝缘介质基板(2)的第二表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
所述第一金属贴片(1)包括辐射贴片(1-1)、金属条带(1-2)和短微带线(1-3);
所述辐射贴片(1-1)为长方形贴片,在辐射贴片(1-1)的上、下长形边缘中部各切有一个对称布置的凹槽;
在所述辐射贴片(1-1)的上、下长形边外侧各设有与长行边平行的金属条带(1-2);
所述短微带线(1-3)将金属条带(1-2)和辐射贴片(1-1)连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有风扇风波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
在所述辐射贴片(1-1)的上、下长形边外侧各设有两个金属条带(1-2),同一侧的两个金属条带(1-2)之间有间隙;
每一个金属条带(1-2)均通过间隔且平行布置的两个短微带线(1-3)与辐射贴片(1-1)连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
四个金属条带(1-2)关于辐射贴片(1-1)的中心对称。
5.根据权利要求3所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
所述金属条带(1-2)的外侧宽边与辐射贴片(1-1)的外侧宽边齐平,金属条带(1-2)的内侧宽边位于辐射贴片(1-1)的长边中心线与凹槽的宽边之间;
其中一个短微带线(1-3)沿着凹槽的宽边与金属条带(1-2)的长边相连,另一个短微带线(1-3)在靠近辐射贴片(1-1)的宽边处与金属条带(1-2)的长边相连。
6.根据权利要求3所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
为了在期望频点处产生谐振并改善阻抗匹配,四个金属条带(1-2)的最外侧夹角处各加载了一个金属通孔(5),使第一金属贴片(1)和接地板短接。
7.根据权利要求2所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
为了实现矩形辐射波束,所述辐射贴片(1-1)上蚀刻了两个关于辐射贴片(1-1)的长边中心线对称的缝隙(1-4)。
8.根据权利要求7所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
在每个缝隙(1-4)靠近辐射贴片中心的一侧各加载了一个金属通孔(5),使第一金属贴片(1)和接地板短接。
9.根据权利要求2所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
所述第一金属贴片(1)的长度为60mm,宽度为44mm;凹槽的长度为7.4mm,宽度为1.7mm;所述微带传输线(4)的长度为25mm.宽度为1.2mm。
10.根据权利要求1所述的一种具有宽风扇波束和矩形波束的双频微带天线,其特征在于:
所述绝缘介质基板(2)为长度为90mm,宽度为70mm的F4BM220介质板,介电常数为2.2,损耗角正切为0.0009,其厚度为2mm。
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