CN118232012A - 一种加载过孔与枝节的微带多频天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加载过孔与枝节的微带多频天线，包括：介质基板、微带贴片层和参考地平面层；微带贴片层包括圆形辐射贴片和一对辐射枝节，该对辐射枝节对称地分布于圆形辐射贴片的两侧；介质基板设有多个金属化过孔，其在圆形辐射贴片的垂直投影点分布于圆形辐射贴的中心；介质基板设有四组非金属化过孔；每组非金属化过孔在圆形辐射贴片的垂直投影点均排列成一个直角，四个直角构成矩形的四个顶角，矩形的中心和圆形辐射贴片的圆心重合；圆形辐射贴片在垂直投影点的金属贴片均已被刻蚀掉；介质基板还设有馈电口，用以外接馈电线和连接微带贴片层。本发明在提高微带多频天线的性能的同时实现了天线结构的小型化。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种加载过孔与枝节的微带多频天线。
背景技术
随着各类移动设备以及物联网技术的发展，微带天线以其地剖面、易加工、低成本等特性，逐渐成为各种技术热点中的首要选择，如在射频识别、无线能量传输等场景中经常会用到微带天线。
传统的微带天线往往存在频点单一、辐射效率低等问题，因此可通过对天线的结构进行设计以实现更多波段能量的覆盖吸收，这种天线称之为多频天线。相比于单频天线，多频天线有以下两点优势：(1)在天线性能方面，多频天线可以在频带利用方面提高空间中的无线能量的收集率；(2)在天线结构方面，多频天线可以在一个天线结构上实现多频带能量的接收，因此可以提高空间的利用率，也有利于整个无线能量接收系统的小型化，同时也可以降低系统设计的成本。
相关技术中，公开号为CN103872437A的专利申请提出了一种多频微带天线，该天线尺寸较大，且天线增益低，辐射效率不佳。公开号为CN110783711A的专利申请提出了一种多频天线，该天线尺寸较大，且天线增益低，辐射效率不佳。公开号为CN112134008A的专利申请提出了一种多频微带天线，但该天线只有一个频点处的效率超过80%，其余处天线效率与增益均偏低。公开号为CN110828997A的专利申请提出了一种高增益天线，该天线在谐振频点处的增益尚可，但是天线尺寸较大，不利于小型化。
除以上专利文献外，“Compact Dual-Band Metamaterial-Based High-Efficiency Rectenna”一文中提出了一款折叠枝节的螺旋微带双频天线，该天线实现了2.45GHz与3.6GHz的双频谐振，但是其天线结构较为复杂，具有较大的设计与优化难度，且在加工过程中难以对复杂结构保持较高的加工精度。“A Low-Cost Elliptical Triple-Band Antenna for RF Energy Harvesting”一文中提出了一款三频带低成本天线，工作频带覆盖900MHz、1.8GHz以及2.45GHz，但该天线尺寸较大，不利于系统的小型化设计。“ACompact Dual-Band Rectenna Using Slot-Loaded Dual Band Folded DipoleAntenna.”一文中提出了一款基于折叠偶极子的双频天线，工作波段覆盖915MHz与2.45GHz，但是折叠型偶极子结构中折叠悬空枝节在实际应用中对于安装条件要求较高，且其效率也并不理想。
综上现有技术可见，现有的微带多频天线难以同时实现高性能和结构小型化。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种加载过孔与枝节的微带多频天线。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种加载过孔与枝节的微带多频天线，包括：介质基板、位于所述介质基板的第一表面的微带贴片层和位于所述介质基板的第二表面的参考地平面层；
所述微带贴片层包括：圆形辐射贴片和一对辐射枝节；所述一对辐射枝节对称地分布于所述圆形辐射贴片的两侧；
所述介质基板设有多个金属化过孔；所述多个金属化过孔在所述微带贴片层的垂直投影分布于在所述圆形辐射贴片的中心区域；
所述介质基板设有四组非金属化过孔；每组所述非金属化过孔在所述微带贴片层的垂直投影均排列成一个直角，四个所述直角构成一个矩形的四个顶角，所述矩形的中心和所述圆形辐射贴片的圆心重合；
所述圆形辐射贴片在所述垂直投影的区域被刻空；
所述介质基板还设有馈电口用以外接馈电线，所述馈电线连接所述微带贴片层。
可选地，所述辐射枝节直接连接所述圆形辐射贴片。
可选地，所述辐射枝节耦合连接所述圆形辐射贴片。
可选地，所述微带贴片层连接所述馈电线的馈电点位于所述矩形的对角线上。
可选地，所述辐射枝节，包括：弧形辐射枝节；
其中，所述弧形辐射枝节所在圆弧的圆心和所述圆形辐射贴片的圆心重合。
可选地，所述非金属化过孔中填充有非金属材料。
可选地，所述圆形辐射贴片的半径满足下式：
;
其中，为所述圆形辐射贴片的半径，/>为所述微带多频天线的低频谐振频率，为所述介质基板的有效介电常数，/>为光速。
可选地，所述微带多频天线的低频谐振频率与所述圆形辐射贴片的尺寸成反比，所述微带多频天线的高频谐振频率与所述辐射枝节的尺寸成反比，所述微带多频天线的中频谐振频率与所述矩形的大小成反比。
可选地，参考地平面层为一金属平面层。
可选地，所述介质基板的厚度为0.8mm~2.0mm。
本发明提供的加载过孔与枝节的微带多频天线，通过加载非金属化过孔与辐射枝节实现多频辐射特性，大大提高了不同波段能量的利用率；其中，圆形辐射贴片可提供低频辐射，辐射枝节可提供高频辐射；非金属化过孔隔断了它们包围形成的矩形区域与圆形辐射贴片之间的部分电流路径，形成了一个额外的矩形辐射贴片，该贴片可产生中频谐振，从而提供中频辐射。并且，本发明中非金属化过孔对电流的分割作用可对基础圆形贴片的辐射能量起到谐波抑制的作用，降低天线的效率损失，提高了天线性能。另外，非金属化过孔隔断了圆形辐射贴片中原有的电流路径，导致新的电流路径变长，进而促使圆形辐射贴片形成的低频谐振频率进一步降低，因此当需求的低频谐振频率给定时，本发明中使用的圆形辐射贴片尺寸小于现有的圆形辐射贴片天线的尺寸，实现了微带多频天线的小型化。
本发明提供的加载过孔与枝节的微带多频天线采用微带贴片形式，结构简单，加工便利，且易于组成天线阵列，从而进一步改善天线的增益与方向性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线的侧视图；
图2是本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线的结构参数示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线的回损特性；
图5示出了本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线在2.45GHz的辐射方向图；
图6示出了本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线在3.1GHz的辐射方向图；
图7示出了本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线在4.2GHz的辐射方向图；
图8示出了本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线在5.8GHz的辐射方向图；
图9示出了本发明实施例提供的一种加载过孔与枝节的微带多频天线的辐射效率特性。
附图标记：1-介质基板；2-参考地平面层；3-微带贴片层；4-圆形辐射贴片；5-辐射枝节；6-金属化过孔；7-非金属化过孔；8-馈电口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了在提高微带多频天线的性能的同时实现天线结构的小型化，本发明实施例提供了一种加载过孔与枝节的微带多频天线，如图1所示，该天线包括：介质基板1、位于介质基板1的第一表面的微带贴片层3和位于介质基板1的第二表面的参考地平面层2。
其中，参考地平面层2是一个金属平面层，如铜制平面层或铝制平面层等，用于为微带多频天线提供参考地。
介质基板1可以是玻璃纤维板(FR-4)，并不局限于此。该介质基板1的厚度可以为0.8mm~2.0mm，并不局限于此，可根据实际需求进行调整。
介质基板1的第一表面可以是介质基板1的上表面，相应的，介质基板1的第二表面可以是介质基板1的下表面。或者，介质基板1的第一表面可以是介质基板1的下表面，相应的，介质基板1的第二表面可以是介质基板1的上表面。
优选地，介质基板1的厚度可以为0.8mm~2.0mm，并不局限于此，可根据实际需求进行调整。
参见图2，微带贴片层3包括：圆形辐射贴片4和一对辐射枝节5，该对辐射枝节5对称地分布于圆形辐射贴片4的两侧。
本发明实施例中，圆形辐射贴片4可提供低频辐射，其大小决定了低频谐振点的位置。具体而言，圆形辐射贴片4的半径越大，低频谐振点的频率越低；圆形辐射贴片4的半径越小，低频谐振点的频率越高。
本发明实施例中，辐射枝节5可提供高频辐射，其等效面积越大，高频谐振点的频率越低，其等效面积越小，高频谐振点的频率越高。
优选地，辐射枝节5可以包括弧形辐射枝节。其中，弧形辐射枝节所在圆弧的圆心和圆形辐射贴片4的圆心重合。该弧形辐射枝节的等效面积越大，高频谐振点的频率越低，该弧形辐射枝节的等效面积越小，高频谐振点的频率越高。
或者，辐射枝节5也可以包括：方形辐射枝节、圆形辐射枝节或椭圆形辐射枝节；同样的，方形辐射枝节、圆形辐射枝节或椭圆形辐射枝节的面积越大，高频谐振点的频率越低，方形辐射枝节、圆形辐射枝节或椭圆形辐射枝节的面积越小，高频谐振点的频率越高。
本发明实施例中，圆形辐射贴片4与辐射枝节5共同构成了基础辐射结构，决定了天线的基础辐射。
继续参见图2，介质基板1设有多个金属化过孔6，这些金属化过孔6在微带贴片层3的垂直投影分布于圆形辐射贴片4的中心区域，圆形辐射贴片4在该垂直投影的区域被刻空。
示例性的，如在图2中所示的，介质基板1可以包括三个金属化过孔6，这三个金属化过孔6等间距排列，其中，位于中间的金属化过孔6与圆形辐射贴片4的圆心重合。
本发明实施例中，通过调整金属化过孔6的结构参数，可调整天线的阻抗匹配度，优化天线的谐振特性。其中，金属化过孔6的结构参数具体指其孔直径和/或孔深，其中孔深等于介质基板1的厚度。
继续参见图2，介质基板1设有四组非金属化过孔7；每组非金属化过孔7在微带贴片层3的垂直投影均排列成一个直角，四个直角构成一个矩形的四个顶角，该矩形的中心和圆形辐射贴的圆心重合。圆形辐射贴片4在各个非金属化过孔7的垂直投影的区域均被刻空。
本发明实施例中，各个非金属化过孔7隔断了它们包围形成的矩形区域与圆形辐射贴片4之间的部分电流路径，该矩形区域内形成了一个额外的矩形辐射贴片，该矩形辐射贴片可产生中频谐振，从而提供中频辐射。并且，本发明实施例中非金属化过孔7对电流的分割作用可对圆形辐射贴片4的辐射能量起到谐波抑制的作用，降低天线的效率损失，提高天线性能。
根据微带天线辐射原理，天线的谐振频率与天线中电流路径的长度有关，其关系可以表示为：
(1)；
其中，为天线的谐振频率，/>为介质基板的有效介电常数，/>为天线中电流路径的长度，/>为光速。
对于普通的圆形辐射贴片天线来说，其电流路径的长度主要取决于其半径。因此当天线的谐振频率给定时，普通的圆形辐射贴片天线的半径满足下式：
(2)。
这里，为圆形辐射贴片天线中圆形辐射贴片的谐振频率。
而在本发明实施例中，由于非金属化过孔7隔断了圆形辐射贴片4中原有的电流路径，导致新的电流路径变长，促使圆形辐射贴片4形成的低频谐振频率进一步降低，因此当需求的低频谐振频率给定时，本发明实施例中使用的圆形辐射贴片4的半径满足下式：
(3)。
这里，为圆形辐射贴片4的谐振频率，也即本发明实施例提供的微带多频天线的低频谐振频率，/>为圆形辐射贴片4的半径。
可以看到，当需求的低频谐振频率给定时，本发明实施例中使用的圆形辐射贴片4的尺寸小于现有的圆形辐射贴片天线的尺寸，实现了天线的小型化。
本发明实施例中，通过调整各个非金属化过孔7的分布，可以调整由这些非金属化过孔7包围形成的矩形辐射贴片的长和宽，由于矩形辐射贴片的电流路径的长短由其长和宽来决定，因此通过调整各个非金属化过孔7的分布，可以调整微带多频天线的中频谐振特性，同时也可调整微带多频天线整体的增益分布。
本发明实施例提供的加载过孔与枝节的微带多频天线，通过加载非金属化过孔7与辐射枝节5实现多频辐射特性，大大提高了不同波段能量的利用率；其中，圆形辐射贴片4可提供低频辐射，微带多频天线的低频谐振频率与圆形辐射贴片4的尺寸成反比；辐射枝节5可提供高频辐射，微带多频天线的高频谐振频率与辐射枝节5的尺寸成反比；非金属化过孔7包围形成的矩形辐射贴片可提供中频辐射，微带多频天线的中频谐振频率与矩形辐射贴片的大小成反比。
需要说明的是，本发明实施例中所说的低频、中频和高频是相对概念，用以区分微带多频天线的多个谐振频点，并不是射频频率范围中绝对的低频范围、中频范围和高频范围。
本发明实施例中，介质基板1还设有馈电口8，用以外接馈电线，该馈电线连接微带贴片层3，具体是连接微带贴片层3中的圆形辐射贴片4。
优选地，微带贴片层3连接馈电线的馈电点位于由各个非金属化过孔7包围形成的矩形的对角线上，也即位于矩形辐射贴片的对角线上，如图2所示。其中，通过调整馈电点在矩形辐射贴片的对角线上的具体位置，可以调整谐振点的匹配度。
本发明实施例中，如在图2中所示的，辐射枝节5可以直接连接圆形辐射贴片4，也就是说圆形辐射贴片4和辐射枝节5之间可以通过微带线直接连接。或者，辐射枝节5也可以耦合连接圆形辐射贴片4，此时辐射枝节5靠近圆形辐射贴片4放置，但两者并不直接相连，而是有一段较小的间隙，这种情况下辐射枝节5和圆形辐射贴片4之间也是可以耦合电磁波的。
在一种实现方式中，非金属化过孔7中可以填充有非金属材料。
对于在非金属化过孔7中填充非金属材料或不填充非金属材料两种实现方式来说，当非金属化过孔7的结构参数给定时，这两种实现方式对微带多频天线的性能带来的影响会有所差别。但如果对这两种实现方式中的非金属化过孔7的结构参数分别进行调整，也可以使得两种实现方式在天线中达到相同的使用效果。相比较而言，当微带多频天线的性能需求给定时，填充非金属材料的非金属化过孔7比不填充非金属材料的非金属化过孔7多了一项可调项，也即多了非金属材料的材料选择这一项可调项，使得基于填充有非金属材料的非金属化过孔7的微带多频天线的可调节性更强。
本发明实施例中，微带多频天线的各部分结构可分别实现不同的功能，相互之间也存在耦合影响，实际中可针对不同的应用需求，通过仿真、调试等手段对各部分结构进行调整和优化，以实现不同的辐射特性。
在一个具体的示例中，本发明实施例提供的一种微带多频天线的介质基板1选用厚度为1.6mm的正方形介质基板，其有效介电常数为3.6，该微带多频天线的其余各部分结构尺寸如表1所示：
表1
参见图3，表1中L1为介质基板1的边长；R1为圆形辐射贴片4的半径；D1为由非金属化过孔7组成的矩形辐射贴片的对角线的一半长度；D2为圆形辐射贴片4上的馈电点距离圆形辐射贴片4的圆心的长度；D3为金属化过孔6的间距；D4为每组非金属化过孔7中相邻的非金属化过孔7的间距；D5为弧形辐射枝节与圆形辐射贴片4的间隙宽度；W1为连接弧形辐射枝节和圆形辐射贴片4的微带线的宽度；W2为弧形辐射枝节的宽度；angle1为弧形辐射枝节的两端分别与圆形辐射贴片4的圆心的连线所夹的角度。此外，表1中R2为馈电口8的内半径，R3为金属化过孔6的半径，R4为非金属化过孔7的半径。
基于以上结构参数，本发明实施例提供的微带多频天线的回损(S11)特性如图4所示。从图4中可以看到，该天线有四个谐振点，分别是2.45GHz、3.1GHz、4.2GHz和5.8GHz，其中天线在2.45GHz的回损接近-30dB；在3.1GHz的回损接近-16dB，在4.2GHz附近的回损接近-30dB，在5.8GHz附近的回损接近-25dB。
基于以上结构参数，本发明实施例提供的微带多频天线的辐射方向图如图5~图8所示。其中，图5是该天线在2.45GHz的辐射方向图，且该天线在2.45GHz的最大增益为6.8dB；图6是该天线在3.1GHz的辐射方向图，且该天线在3.1GHz的最大增益为6.7dB；图7是该天线在4.2GHz的辐射方向图，且该天线在4.2GHz的最大增益为5.5dB；图8是该天线在5.8GHz的辐射方向图，且该天线在5.8GHz的最大增益为9.0dB。
基于以上结构参数，本发明实施例提供的微带多频天线的辐射效率如图9所示。从图9中可以看到，该天线在各谐振点处的辐射效率均大于80%；其中在2.45GHz的辐射效率为87%；在3.1GHz的辐射效率为85%；在4.2GHz附近的辐射效率为80%；在5.8GHz附近的辐射效率为82%。
基于图4~图9可见，本发明实施例提供的该微带多频天线在各辐射频点均具有较高的增益与辐射效率。
综上，本发明实施例提供的加载过孔与枝节的微带多频天线具有小型化、高增益、多频带、高辐射效率的特点。该天线采用微带贴片形式，结构简单，尺寸紧凑，加工便利，且易于组成天线阵列，从而进一步改善天线的增益与方向性。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在本发明的描述中，“包括”一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外,相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，包括：介质基板、位于所述介质基板的第一表面的微带贴片层和位于所述介质基板的第二表面的参考地平面层；
所述微带贴片层包括：圆形辐射贴片和一对辐射枝节；所述一对辐射枝节对称地分布于所述圆形辐射贴片的两侧；
所述介质基板设有多个金属化过孔；所述多个金属化过孔在所述微带贴片层的垂直投影分布于在所述圆形辐射贴片的中心区域；
所述介质基板设有四组非金属化过孔；每组所述非金属化过孔在所述微带贴片层的垂直投影均排列成一个直角，四个所述直角构成一个矩形的四个顶角，所述矩形的中心和所述圆形辐射贴片的圆心重合；
所述圆形辐射贴片在所述垂直投影的区域被刻空；
所述介质基板还设有馈电口用以外接馈电线，所述馈电线连接所述微带贴片层。
2.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述辐射枝节直接连接所述圆形辐射贴片。
3.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述辐射枝节耦合连接所述圆形辐射贴片。
4.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述微带贴片层连接所述馈电线的馈电点位于所述矩形的对角线上。
5.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述辐射枝节，包括：弧形辐射枝节；
其中，所述弧形辐射枝节所在圆弧的圆心和所述圆形辐射贴片的圆心重合。
6.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述非金属化过孔中填充有非金属材料。
7.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述圆形辐射贴片的半径满足下式：
;
其中，为所述圆形辐射贴片的半径，/>为所述微带多频天线的低频谐振频率，/>为所述介质基板的有效介电常数，/>为光速。
8.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述微带多频天线的低频谐振频率与所述圆形辐射贴片的大小成反比，所述微带多频天线的高频谐振频率与所述辐射枝节的等效面积成反比，所述微带多频天线的中频谐振频率与所述矩形的大小成反比。
9.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，参考地平面层为一金属平面层。
10.根据权利要求1所述的加载过孔与枝节的微带多频天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.8mm~2.0mm。
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