CN116826371A - 一种双向准端射贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向准端射贴片天线，包括金属顶层、介质基板、金属底层，所述金属顶层包括位于中部的矩形金属贴片和位于两侧的方形金属贴片，其中，所述矩形金属贴片的中心设置有圆形槽，所述圆形槽内设置有金属圆环，所述矩形金属贴片、所述介质基板以及所述金属底层之间通过同轴线连接，所述同轴线的内导体与所述金属圆环连接，且所述方形金属贴片、所述介质基板以及所述金属底层之间通过若干金属化过孔连接。本发明能够在实现双向准端射辐射的同时，兼具大波束倾角、小尺寸和结构简单。

Description

一种双向准端射贴片天线

技术领域

本发明涉及微波通信领域，具体来说，涉及一种双向准端射贴片天线。

背景技术

准端射贴片天线因为定向性强、辐射方向接近天线轴向方向，可以应用于长桥、隧道等无线通信场景中。准端射贴片天线以贴片天线的结构形式获得准端射辐射，其介质基板背部本身具有完整的金属地，因此载体平台金属地对天线性能的影响较小，有效避免了载体平台对天线辐射特性的大幅度影响。在此基础上，具备双向辐射能力的准端射贴片天线能够在单个天线中产生两个准端射波束，用于覆盖两个对称区域，可以有效解决由于覆盖区域增加导致的天线数量增加问题，并减少相应的干扰，提高通信链路质量，克服多径衰落效应，降低系统成本。因此，双向准端射贴片天线具有重要的研究意义及工程价值。

现有报道的准端射贴片天线为单向准端射天线，其设计方法有多种，一种是采用四个工作于TM₁₀模的贴片分别作为反射器、驱动器及两个引向器，尺寸依次减小，能够实现一定的准端射辐射功能，但是在四个贴片工作的情况下波束倾角较小，准端射性能有待进一步提升。第二种方法是分别利用槽和金属化双孔对反射贴片及引向贴片进行调节，在保持各贴片尺寸相同的条件下，增加反射贴片的有效电尺寸，减少引向贴片的有效电尺寸，以此来增强准端射辐射效果，最大波束倾角可达56度，但是带内最小波束倾角依然较小。第三种方法是利用多贴片结构作为引向单元，其好处是整体天线带宽得到提升，存在的问题是尺寸较大、波束倾角较小。第四种方法是利用周期性排布的蘑菇型贴片结构作为反射器，中心一排接地过孔的贴片作为驱动单元，单边短路贴片作为引向单元，其好处是前后比较好，存在的问题是尺寸较大、结构复杂、波束倾角有待进一步提升。上述准端射贴片天线能够实现较好的单向准端射，但是由于贴片工作模式、贴片结构等导致的相位分布等原因无法实现双向的准端射，并且部分设计存在结构复杂、尺寸大、波束倾角小等问题。因此，有必要提出一种双向准端射贴片天线，并具备大波束倾角、小尺寸和结构简单等特点。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种双向准端射贴片天线，能够在实现双向准端射辐射的同时，兼具大波束倾角、小尺寸和结构简单。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双向准端射贴片天线，包括金属顶层、介质基板、金属底层，所述金属顶层包括位于中部的矩形金属贴片和位于两侧的方形金属贴片，其中，所述矩形金属贴片的中心设置有圆形槽，所述圆形槽内设置有金属圆环，所述矩形金属贴片、所述介质基板以及所述金属底层之间通过同轴线连接，所述同轴线的内导体与所述金属圆环连接，且所述方形金属贴片、所述介质基板以及所述金属底层之间通过若干金属化过孔连接。

可选的，所述矩形金属贴片的长度为0.45-0.5/>，所述矩形金属贴片的宽度为0.25/>-0.3/>。

可选的，所述金属圆环与所述圆形槽同中心设置。

可选的，圆形槽的直径为0.03-0.035/>。

可选的，金属圆环的直径为0.02- 0.025/>。

可选的，所述方形金属贴片的边长为0.25-0.3/>，且所述方形金属贴片与所述矩形金属贴片的间距为0.1/>-0.15/>。

可选的，若干金属化过孔均匀排列为两排，分别位于所述方形金属贴片的上边侧和下边侧。

可选的，所述金属化过孔的孔直径为0.01-0.03/>，所述金属化过孔的孔中心距为0.045/>-0.05/>。

有益效果：本发明通过矩形金属贴片、圆形槽、介质基板和金属底层构成开路型贴片谐振器，通过方形金属贴片、介质基板、金属底层和金属化过孔构成基片集成波导谐振器，通过同轴线的内导体与金属圆环相连作为双向准端射贴片天线的馈电结构，从而使得中间工作于TM₂₀模的开路型贴片谐振器与两侧工作于TM₀₁模的基片集成波导谐振器发生奇模耦合与偶模耦合，形成两个反射零点构成工作频带，并且六个边缘处对应的水平电场间距及相位分布满足左右双向准端射辐射要求，最终实现了具有大波束倾角、小尺寸和结构简单的双向准端射贴片天线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1是根据本发明实施例的一种双向准端射贴片天线的侧面结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种双向准端射贴片天线的分解结构示意图；

图3是根据本发明实施例的TM₂₀模与TM₀₁模发生奇耦合时天线中的电场分布图；

图4是根据本发明实施例的TM₂₀模与TM₀₁模发生偶耦合时天线中的电场分布图；

图5是根据本发明实施例的天线仿真的阻抗匹配曲线图；

图6是根据本发明实施例的天线在3.49 GHz和3.59 GHz处的E面主极化仿真方向图；

图7是根据本发明实施例的天线在3.49 GHz和3.59 GHz处的E面交叉极化仿真方向图；

图8是根据本发明实施例的天线匹配带宽内E面波束倾斜角度曲线图。

图中：

1、金属顶层；2、介质基板；3、金属底层；4、矩形金属贴片；5、方形金属贴片；6、圆形槽；7、金属圆环；8、同轴线；9、内导体；10、金属化过孔。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，根据本发明的实施例，提供了一种双向准端射贴片天线，包括金属顶层1、介质基板2、金属底层3，所述金属顶层1包括位于中部的矩形金属贴片4和位于两侧的方形金属贴片5，其中，所述矩形金属贴片4的中心设置有圆形槽6，所述圆形槽6内设置有金属圆环7，所述矩形金属贴片4、所述介质基板2以及所述金属底层3之间通过同轴线8连接，所述同轴线8的内导体9与所述金属圆环7连接，且所述方形金属贴片5、所述介质基板2以及所述金属底层3之间通过若干金属化过孔10连接。

具体应用时，所述矩形金属贴片4的长度为0.45-0.5/>（/>为中心频率对应的自由空间波长），所述矩形金属贴片4的宽度为0.25/>-0.3/>。所述金属圆环7与所述圆形槽6同中心设置，圆形槽6的直径为0.03/>-0.035/>，金属圆环7的直径为0.02/>-0.025/>，所述方形金属贴片5的边长为0.25/>-0.3/>，且所述方形金属贴片5与所述矩形金属贴片4的间距为0.1/>-0.15/>，若干金属化过孔10均匀排列为两排，分别位于所述方形金属贴片5的上边侧和下边侧，所述金属化过孔10的孔直径为0.01/>-0.03/>，所述金属化过孔10的孔中心距为0.045/>-0.05/>。

具体使用时，所述矩形金属贴片4、所述圆形槽6、所述介质基板2和所述金属底层3构成开路型贴片谐振器，所述方形金属贴片5、所述介质基板2、所述金属底层大地3和所述金属化过孔10构成基片集成波导谐振器。而同轴线8的内导体9与金属圆环7相连作为双向准端射贴片天线的馈电结构。

使用时，信号通过馈电结构馈入到开路型贴片谐振器，进一步耦合至两侧的基片集成波导谐振器中，在三个谐振器的作用下实现双向准端射辐射。

在此过程中，开路型贴片谐振器工作在TM₂₀模，而基片集成波导谐振器工作在TM₀₁模，两个模式之间的奇耦合和偶耦合分别形成两个反射零点，构成工作频带，其对应的横向电场分布如图3和图4所示。从图3中可以看出，当TM₂₀模与TM₀₁模发生奇耦合时，TM₂₀模的内部电场在左右方向上呈一个全波分布，在谐振器左右两侧存在一对方向相反、幅度相等的水平电场分量。TM₀₁模的内部电场等幅同向，左右两侧的水平电场分量等幅反向，并且在两个谐振器相邻处的水平电场分量方向相近，此时三个谐振器的左右共六个边缘处对应的水平电场相位从左到右分别为124°、-60°、-26°、154°、120°、-56°，左边三个边缘处的水平电场从左到右间距分别为0.25和0.125/>，左边两个边缘处的水平电场与TM₂₀模左侧水平电场的相位差分别为150°和-34°，因此，左侧三个边缘处的水平电场满足波束左倾准端射需要的电间距及相位差分布需求，左侧准端射波束倾角可达-50°；同时右侧间距与左侧相同，右侧对应边缘处的水平电场与TM₂₀模右侧水平电场的相位差也是150°和-34°，可见，右侧三个边缘处的水平电场满足波束右倾准端射需要的电间距及相位差分布需求，右侧准端射波束倾角可达50°。

当TM₂₀模与TM₀₁模发生偶耦合时，电场分布如图4所示，TM₂₀模的内部电场在左右方向上依然呈一个全波分布，在谐振器左右两侧存在一对方向相反、幅度相等的水平电场分量。TM₀₁模的内部电场也同样是等幅同向，左右两侧的水平电场分量等幅反向，但是在两个谐振器相邻处的水平电场分量接近反向，此时，三个谐振器的左右共六个边缘处对应的水平电场相位从左到右分别为18°、-160°、-38°、142°、20°、-162°，左边两个水平电场与TM₂₀模左侧水平电场的距离分别为0.25和0.125/>，相位差分别为56°和-122°，右边两个水平电场分量与TM₂₀模右侧水平电场分量的距离分别为0.125/>和0.25/>，相位差分别为-122°和56°，由于两个谐振器相邻处水平电场偶耦合时的相位差相对于奇耦合时的相位差有较大增加，所以偶耦合时可以获得比奇耦合时更大的波束倾角，两侧的波束倾角绝对值都达到了62°。

矩形金属贴片4的宽度与长度之比需要控制在0.6以下，主要用于控制开路型贴片谐振器TM₀₂模和TM₂₂模等高次模与TM₂₀模的谐振频率之比，防止这些高次模进入工作频带，或者靠近TM₂₀模影响天线整体频带内的双向准端射辐射。而方形金属贴片5上下两侧边缘各连接一排金属化过孔10的主要目的有两个方面，一方面是使基片集成波导谐振器形成TM₀₁模式分布，另一个方面是防止方形金属贴片5的上下两侧边缘在x方向上产生辐射，破坏整体频带内的双向准端射辐射。

以图1和图2所示的双向准端射贴片天线为例进行仿真测试，其仿真响应图如图5所示，从图5可以看出，该案例的10-dB匹配带宽为3.45 ~ 3.60 GHz，中心频率为3.53 GHz，相对带宽为4.5 %。图6和图7是天线在3.49 GHz和3.59 GHz处的E面仿真方向图，其波束倾角分别可以达到±53°和±62°，交叉极化水平较低。图8是该天线案例E面波束倾斜角度随频率变化的曲线，在匹配带宽内其波束倾角为±50° -±62°，而无基片集成波导谐振器时在匹配带宽内天线的波束倾角仅为±40°，波束倾角较小，无法构成较好的准端射辐射。实际中，介质基板可采用RO4003C基板，整体尺寸为1.41× 0.59/>× 0.037/>，尺寸相对较小，剖面较低。

由此可见，借助于本发明的上述技术方案，通过矩形金属贴片4、圆形槽6、介质基板2和金属底层3构成开路型贴片谐振器，通过方形金属贴片5、介质基板2、金属底层3和金属化过孔10构成基片集成波导谐振器，通过同轴线8的内导体9与金属圆环7相连作为双向准端射贴片天线的馈电结构，从而使得中间工作于TM₂₀模的开路型贴片谐振器与两侧工作于TM₀₁模的基片集成波导谐振器发生奇模耦合与偶模耦合，形成两个反射零点构成工作频带，并且六个边缘处对应的水平电场间距及相位分布满足左右双向准端射辐射要求，最终实现了具有大波束倾角、小尺寸和结构简单的双向准端射贴片天线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双向准端射贴片天线，包括金属顶层、介质基板、金属底层，其特征在于，所述金属顶层包括位于中部的矩形金属贴片和位于两侧的方形金属贴片，其中，所述矩形金属贴片的中心设置有圆形槽，所述圆形槽内设置有金属圆环，所述矩形金属贴片、所述介质基板以及所述金属底层之间通过同轴线连接，所述同轴线的内导体与所述金属圆环连接，且所述方形金属贴片、所述介质基板以及所述金属底层之间通过若干金属化过孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，所述矩形金属贴片的长度为0.45-0.5/>，所述矩形金属贴片的宽度为0.25/>-0.3/>。

3.根据权利要求2所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，所述金属圆环与所述圆形槽同中心设置。

4.根据权利要求3所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，圆形槽的直径为0.03-0.035/>。

5.根据权利要求4所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，金属圆环的直径为0.02- 0.025/>。

6.根据权利要求5所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，所述方形金属贴片的边长为0.25-0.3/>，且所述方形金属贴片与所述矩形金属贴片的间距为0.1/>-0.15。

7.根据权利要求6所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，若干金属化过孔均匀排列为两排，分别位于所述方形金属贴片的上边侧和下边侧。

8.根据权利要求7所述的一种双向准端射贴片天线，其特征在于，所述金属化过孔的孔直径为0.01-0.03/>，所述金属化过孔的孔中心距为0.045/>-0.05/>。