CN117254264A - 一种基于多模调控的宽带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于多模调控的宽带贴片天线，由介质基板、上贴片、下贴片、地板、馈电结构、耦合缝隙、微带馈线、空气层及短路调频结构组成缝隙耦合馈电结构，介质基板从上往下依次包括上层介质基板、中层介质基板及下层介质基板，上贴片设置于上层介质基板上表面，下贴片设置于中层介质基板上表面，地板设置于中层介质基板及下层介质基板之间，耦合缝隙开设于地板上，微带馈线设置于下层介质基板的下表面，空气层设置于中层介质基板与地板之间，短路调频结构均匀设置于上层介质基板和下层介质基板中间。本发明天线结构简单、低剖面、轻量化、高阻抗带宽和高增益带宽以及良好的方向图和极化特性的目的，适用于多种不同的终端应用环境。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于多模调控的宽带贴片天线。
背景技术
天线是射频通讯系统的最前端，实现收发信息的重要部件，其辐射性能的好坏极大影响无线通信质量。天线应用于不同领域，为满足特定功能需求，其带宽，增益，方向等都有所差异。贴片天线广泛应用于无线产品，但其单谐振辐射的窄带特性限制了宽频情况下的使用。宽带贴片天线常用于蓝牙、Wi-Fi、GPS等无线通信系统中，不但有传统贴片天线的低剖面，结构简单，加工成本低，易与微波电路集成等特点，且可以实现高精度，小型化。宽带贴片天线可应用于更多领域，更好地满足人们对于高速、高质量、高可靠性的数据传输需求，实现高质量通信。因此，研究宽带贴片天线有较高的经济价值。
基于工作原理，传统的宽带贴片天线可以分为三类。第一类，改变天线本身结构实现带宽，增大贴片天线的剖面可以增加其辐射电阻，从而减少反射和散射信号的损失，提高天线的传输效率。同时天线剖面的增大也可以改变谐振频率，方便与不同频段的信号匹配，进一步扩展天线的带宽。减小介质介电常数可以增大天线边缘场效应和辐射效果，同时天线的带宽和效率也会增加。然而，以上方法虽可以提升带宽，但也使得天线尺寸变大，增益变低。第二类，在天线本身基础上引入寄生单元或者多层结构耦合实现宽带，通过引入寄生单元来优化天线的增益、频带宽度等特性，例如引入电感元件，电容元件或者微带线等寄生单元来提高天线的阻抗带宽，通过电磁耦合寄生单元来激发新的谐振模式。寄生元件可以垂直安装在辐射贴片的上方，产生额外的谐振来提高带宽。多层结构耦合可以通过采用缝隙耦合馈电、接近耦合馈电或堆叠贴片配置等实现宽带。然而，寄生单元的引入和多层结构耦合会增大贴片尺寸或剖面，导致制造难度和成本高，不利于小型化。第三类，通过耦合馈电和各种馈电网络提高带宽，耦合馈电可以使天线在宽带范围内有较为平坦的频率响应，提高了天线的带宽和性能。馈电网络可采用顺序相位馈电技术来产生宽带圆极化辐射可实现宽带，采用90°的相位延迟线和寄生回路也可以提高圆极化带宽，从而实现宽带。但是，用上述方法实现宽带也有不足之处，天线的阻抗带宽虽有所增加，但不能有效拓宽天线本身的增益带宽。而且馈电网络结构复杂，设计难度大，制作成本较高，不利于生产。因此有必要设计一种新的基于多模调控的宽带贴片天线来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的提出的一种基于多模调控的宽带贴片天线，以解决上述现有技术中存在的至少一个技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于多模调控的宽带贴片天线，由介质基板、上贴片、下贴片、地板、馈电结构、耦合缝隙、微带馈线、空气层及短路调频结构组成缝隙耦合馈电结构，所述介质基板从上往下依次包括上层介质基板、中层介质基板及下层介质基板，所述上贴片设置于上层介质基板上，所述下贴片设置于中层介质基板上，所述上贴片层叠于所述下贴片上，所述地板设置于中层介质基板及下层介质基板之间，所述耦合缝隙开设于地板上，所述微带馈线设置于下层介质基板的下表面，所述空气层设置于中层介质基板与地板之间；
所述短路调频结构设置于上层介质基板和下层介质基板之间，所述微带馈线激励起下贴片的两种工作模式，再经过缝隙耦合馈电以及上贴片的偏移激励出上贴片的两种工作模式，通过加载短路调频结构将几种工作模式拉近，形成宽阻抗带宽特性。
优选地，所述上贴片及下贴片均设置TM10和TM30两种工作模式，所述微带馈线激励起下贴片的TM10和TM30两种工作模式，通过缝隙耦合馈电以及上贴片的偏移激励出上贴片的TM10和TM30两种模式。
优选地，所述短路调频结构为短路钉，所述上层介质基板上设置短路钉，所述短路钉用于提升上贴片及下贴片的TM10工作模式的谐振频率，不断靠近TM30工作模式的谐振频率。
优选地，所述短路钉数量为多个，均匀设置于上层介质基板上，且分两排设置，所述短路钉呈中心对称分布。
优选地，所述上贴片为寄生贴片，所述下贴片为辐射贴片，所述上贴片层叠在下贴片之上，通过在与下贴片的辐射电场正交的方向进行一定量的水平偏移来耦合产生了两个额外的谐振模式，这两个工作模式在下贴片TM10模式频率两侧谐振，从而上贴片及下贴片的四个谐振模式共同形成了宽带。
优选地，所述上层介质基板的介电常数为2.08，厚度为0.8mm，所述中层介质基板的介电常数为2.08，厚度为1.27mm，所述下层介质基板的介电常数为3.38、厚度为0.813mm。
优选地，所述上贴片为矩形辐射贴片，且长度为1.03个真空波长，宽度为0.365个真空波长。
优选地，所述下贴片为矩形辐射贴片，且长度为1.11个真空波长，宽度为0.4个真空波长。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于多模调控的宽带贴片天线，具备以下有益效果：
1、本发明结构简单、低剖面，适用于各种不同的终端环境。由仿真结果可知：该天线的-10dB阻抗带宽为2.28GHz-2.59GHz，中心频点2.385GHz处最大的实际增益为7.2dB，3dB增益带宽为2.29GHz-2.73GHz。通带内的天线辐射方向图保持较好地一致性，展示出了优异的宽带辐射特性。
2、通过设置上贴片及下贴片均激励两个谐振模式，共四个谐振模式，通过多模调控可以实现四个模式的拉近，从而形成宽阻抗带宽特性。将四个模式拉近到高次模所在频率位置，因此能够在宽频带范围内实现高增益特性，提高了天线的性能和可用性。
3、本发明具有体积小、重量轻、易安装的优点。
附图说明
图1为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的天线结构3D图；
图2为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的天线结构俯视图；
图3为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线结构侧视图；
图4为本发明的整体结构分解图；
图5为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的反射系数仿真结果图；
图6为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的增益带宽仿真结果图；
图7为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的中心频点的3D增益方向图(观测频点:2.385GHz)；
图8为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的实际增益2D辐射方向图(观测频点：2.3GHz，切面：Phi＝0°、90°)；
图9为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的实际增益2D辐射方向图(观测频点：2.34GHz，切面：Phi＝0°、90°)；
图10为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的实际增益2D辐射方向图(观测频点：2.38GHz，切面：Phi＝0°、90°)；
图11为本发明所述基于多模调控的宽带贴片天线的实际增益2D辐射方向图(观测频点：2.54GHz，切面：Phi＝0°、90°)。图中：1、介质基板；2、上贴片；3、下贴片；4、地板；5、馈电结构；6、耦合缝隙；7、微带馈线；8、空气层；9、短路调频结构(短路钉)。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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。
实施例1
请参阅附图1-4所示，本实施例提供一种基于多模调控的宽带贴片天线由介质基板1、上贴片2、下贴片3、地板4、馈电结构5、耦合缝隙6、微带馈线7、空气层8及短路调频结构9组成缝隙耦合馈电结构，所述介质基板1从上往下依次包括上层介质基板、中层介质基板及下层介质基板，所述上贴片2设置于上层介质基板上，所述下贴片3设置于中层介质基板上，所述地板4设置于中层介质基板及下层介质基板之间，所述耦合缝隙6开设于地板4上，所述微带馈线设置于地板的背面，所述馈电结构5设置于下层介质基板13上，所述地板4为金属地板。所述空气层8设置于中层介质基板12与地板4之间，所述短路调频结构具体设置为短路钉结构，所述短路钉9均匀设置于上层介质基板和下层介质基板之间；所述微带馈线7激励起下贴片3的TM10和TM30两种模式，通过缝隙耦合馈电以及上贴片2的偏移激励出上贴片2的TM10和TM30两种模式。
本实施例中，设置缝隙耦合馈电结构，缝隙耦合馈电结构可以有效地将微带馈线7上的能量耦合到天线辐射器中，从而实现了有效的能量传送。这可以在一定程度上减少反射和功率损耗并提高馈电效率。本发明基于贴片天线多模谐振以寄生耦合原理，通过构建“加载短路钉+寄生偏移贴片”的模型。缝隙耦合天线只能激发奇模，完全消除偶模的谐振。上贴片2、下贴片3均激励两个谐振模式，共四个谐振模式，通过多模调控可以实现四个模式的拉近，从而形成宽阻抗带宽特性，使得天线在更广泛的频率范围内能够正常工作，有利于保持收发信号的稳定性，此外，本发明还实现了宽增益带宽，本发明将四个模式拉近到高次模所在频率位置，因此能够在宽频带范围内实现高增益特性，提高了天线的性能和可用性。此模型还具有体积小、重量轻、易安装的优点。
在一个具体的实施例中，如图1-4所示,所述短路钉9数量为八个，均匀设置于上层介质基板上的两侧。
本实施例中，短路钉9的作用是让TM10的谐振频率升高，不断靠近TM30的谐振频率。
在一个具体的实施例中，所述上层介质基板的介电常数为2.08，厚度为0.8mm，所述中层介质基板的介电常数为2.08，厚度为1.27mm，所述下层介质基板的介电常数为3.38、厚度为0.813mm。所述上贴片2为矩形辐射贴片，且长度为1.03个真空波长，宽度为0.365个真空波长。所述下贴片3为矩形辐射贴片，且长度为1.11个真空波长，宽度为0.4个真空波长。
如图5所示，可以发现四个谐振频点分别为2.299GHz、2.335GHz、2.385GHz、2.543GHz，-10dB阻抗带宽为2.28GHz-2.59GHz。
如图6所示，3dB增益带宽为2.29GHz-2.73GHz。
如图7所示，可以发现最大的实际增益为7.2dB。
如图8至图11所示，可以发现该天线的辐射效果良好。
本发明的工作过程如下：
该天线由微带馈线7激励起下贴片3的两种模式，再经过缝隙耦合馈电以及上贴片2的偏移激励出上贴片2的两种模式，通过对四个模式电流分布的分析，采用加载短路钉9将几种模式靠近，从而来提高贴片天线的阻抗带宽和增益带宽。
综上，本发明基于贴片天线多模谐振以及寄生耦合原理，通过构建“加载短路钉+寄生偏移贴片”模型，在极小的天线体积下，不需要额外的馈电网络实现了四个模式频点的宽带特性。一般来说，在TM10和TM30模式下工作的贴片可以产生具有相同极化的宽边辐射。辐射贴片即下贴片3通过加载四对中心对称的短路销钉以提升TM10模式的频率，使其靠近TM30模式频率形成宽带。寄生贴片即上贴片2层叠在辐射贴片之上，通过在与辐射贴片的辐射电场正交的方向进行一定量的水平偏移来耦合产生了两个额外的谐振模式，这两个模式在下贴片3TM10模式频率两侧谐振。这四个谐振模式共同形成了宽带，-10dB阻抗带宽为2.28GHz-2.59GHz(约13％)，且带内具有良好的增益和方向性，同时天线的高度仅有0.037个自由空间波长。此外，该发明采用的缝隙耦合馈电方式易于实现阻抗匹配和带宽扩展并提高了天线的馈电效率和性能，且寄生贴片的位置微调可实现额外模式的匹配，低剖面的设计适用于多样化的终端设备，具有很大的应用潜力。
实施例2：
所述短路钉9可更换为缝隙形式来实现下贴片3的模式拉近。其余与实施例1完全一致。
实施例3：
所述缝隙耦合馈电结构可替换为双同轴差分馈电结构。其余与实施例1与实施例2完成一致。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：由介质基板(1)、上贴片(2)、下贴片(3)、地板(4)、馈电结构(5)、耦合缝隙(6)、微带馈线(7)、空气层(8)及短路调频结构(9)组成缝隙耦合馈电结构，所述介质基板(1)从上往下依次包括上层介质基板(11)、中层介质基板(12)及下层介质基板(13)，所述上贴片(2)设置于上层介质基板(11)上表面，所述下贴片(3)设置于中层介质基板(12)上表面，所述上贴片(2)层叠于所述下贴片(3)上，所述地板(4)设置于中层介质基板(12)及下层介质基板(13)之间，所述耦合缝隙(6)开设于地板(4)上，所述微带馈线(7)设置于下层介质基板(13)的下表面，所述馈电结构(5)设置于下层介质基板(13)上，所述空气层(8)设置于中层介质基板(13)与地板(4)之间；
所述短路调频结构(9)设置于上层介质基板(11)和下层介质基板(13)之间，所述微带馈线(7)激励起下贴片(3)的两种工作模式，再经过缝隙耦合馈电以及上贴片(2)的偏移激励出上贴片(2)的两种工作模式，通过加载短路调频结构(9)将几种工作模式拉近，形成宽阻抗带宽特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述上贴片(2)及下贴片(3)均设置TM10和TM30两种工作模式，所述微带馈线(7)激励起下贴片(3)的TM10和TM30两种工作模式，通过缝隙耦合馈电以及上贴片(2)的偏移激励出上贴片(2)的TM10和TM30两种模式。
3.根据权利要求2所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述短路调频结构(9)为短路钉，所述上层介质基板(11)上设置短路钉(9)，所述短路钉(9)用于提升上贴片(2)及下贴片(3)的TM10工作模式的谐振频率，不断靠近TM30工作模式的谐振频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述短路钉(9)数量为多个，均匀设置于上层介质基板和下层介质基板之间，且分两排设置，所述短路钉(9)呈中心对称。
5.根据权利要求2所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述上贴片(2)为寄生贴片，所述下贴片(3)为辐射贴片，所述上贴片(2)层叠在下贴片(3)之上，通过在与下贴片(3)的辐射电场正交的方向进行一定量的水平偏移来耦合产生了两个额外的谐振模式，这两个工作模式在下贴片(3)TM10模式频率两侧谐振，从而上贴片(2)及下贴片(3)的四个谐振模式共同形成了宽带。
6.根据权利要求1所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述上层介质基板(11)的介电常数为2.08，厚度为0.8mm，所述中层介质基板(12)的介电常数为2.08，厚度为1.27mm，所述下层介质基板(13)的介电常数为3.38、厚度为0.813mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述上贴片(2)为矩形辐射贴片，且长度为1.03个真空波长，宽度为0.365个真空波长。
8.根据权利要求1所述的一种基于多模调控的宽带贴片天线，其特征在于：所述下贴片(3)为矩形辐射贴片，且长度为1.11个真空波长，宽度为0.4个真空波长。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110165404A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-08-23 | 南通大学 | 具有各向异性特性的宽带低剖面介质贴片天线 |
| CN111883916A (zh) * | 2020-07-16 | 2020-11-03 | 南通大学 | 一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线 |
| WO2021120771A1 (zh) * | 2019-12-19 | 2021-06-24 | 华南理工大学 | 毫米波端射圆极化天线及无线通信设备 |
| CN114899610A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-08-12 | 中国人民解放军63660部队 | 一种工作于x波段的宽带微带贴片天线 |
| CN114927875A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-08-19 | 南通大学 | 一种宽带去耦介质贴片阵列天线 |
-
2023
- 2023-09-06 CN CN202311141143.XA patent/CN117254264A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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