CN1941502B - S波段含有开口谐振环的微带天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种S波段含有开口谐振环的微带天线及其阵列。本发明的微带天线包括金属地板，介质基板，辐射金属片，微带馈线，覆层基板和开口谐振环。本发明的微带天线阵列包含金属地板，介质基板，第一辐射金属片，第二辐射金属片，功率分配部分，馈线，覆层基板和开口谐振环。本发明中开口谐振环周期性排列在辐射金属片的周围，还以覆层的形式分布在介质基板的上方。利用开口谐振环在某些频段对电磁波的禁带效应，抑制表面波的激发，削弱微带天线切向能量的辐射，提高微带天线的方向性和增益。

Description

S波段含有开口谐振环的微带天线及其阵列

技术领域  本发明涉及一种S波段的微带天线，尤指一种可用于定向通讯的高增益的微带天线及其阵列。

背景技术  目前，以蓝牙(2.402～2.480GHz)为代表的无线局域网络技术正方兴未艾，这对S波段(2.0～4.0GHz)的天线提出了更高的要求。其中，微带天线(Patch antenna)因其具有抛面薄、体积小、重量轻、平面结构及可得到单方向圆，且易于实现线极化或圆极化和双频工作等特点，则被广泛应用于卫星通讯和便携式电子装置。由于现有的微带天线接近于封闭的天线系统，存在着导体和介质损耗，尤其是表面波的激励，导致微带天线效率低，方向性差，增益较低。

发明内容  本发明针对微带天线方向性差，增益不高等缺点，提供一种S波段微带天线，特别是一种可用于定向通讯微带天线；本发明的另一个目的在于提供一种S波段的微带天线阵列，使其带宽和增益都进一步增加。

根据本发明的一个方面，提供一种用于S波段的微带天线，包括：一个介质基板；一个辐射金属片，在介质基板的一侧面上；一个金属地板，印制在介质基板的另一侧，尺寸较辐射金属片略大；一段长度为电磁波波长1/4的微带馈线，与辐射金属片相连，作为天线电波信号的馈入接口；多个覆层基板；周期性排列的开口谐振环单元，采用电路板刻蚀技术，排列在辐射金属片和微带馈线的周围，同时以覆层的形式分布在介质基板的上方，通过玻璃钢连接棒将其与介质基板连为一体。

根据本发明的另一个方面，提供一种S波段的微带天线阵列，包括：第一辐射金属片；第二辐射金属片；功率分配部分，用于将功率分配给第一辐射金属片、第二辐射金属片；馈电部分，用于连接第一辐射金属片和第二辐射金属片；多个覆层基板；周期性排列的开口谐振环单元，排列在第一辐射金属片和第二辐射金属片的周围，同时以覆层的形式分布在介质基板的上方，通过玻璃钢连接棒将其与介质基板连为一体。

此外，本发明微带天线及其阵列中使用开口谐振环的几何形状可以是正方形或六边形，结构分为内外环同心嵌套或者单环形式。

本发明中S波段含有开口谐振环的微带天线及其阵列，是利用开口谐振环在某些谐振频段的禁带效应，抑制微带天线中表面波的激发和微带天线辐射波束的侧向辐射，此外，对于微带天线阵列，还可以降低其第一辐射金属片和第二辐射金属片间的相互耦合作用，从而有效提高微带天线及其阵列的增益，改善微带天线的性能，并可以通过电路板刻蚀技术以及易于制作的结构设计，来有效降低设计和生产成本。

附图说明

下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步说明：

图1是根据本发明中微带天线较佳实施例一的立体示意图

图2是根据本发明中微带天线另一较佳实施例的立体示意图

图3是根据本发明中微带天线阵列较佳实施例一的立体示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明中S波段含有开口谐振环的微带天线是由刻蚀有金属接地板11、辐射金属片12、阻抗为50Ω的微带馈线14以及开口谐振环15的介质基板13和多个刻蚀有开口谐振环15的覆层基板16通过连接棒18连接而成。

介质基板13选用低介电常数的聚四氟乙烯(介电常数为2.65)，厚度为3mm，以获得较大的带宽。利用电路板刻蚀技术，直接将金属接地板11、辐射金属片12、阻抗为50Ω的微带馈线14和开口谐振环15蚀刻于介质基板13上，其中金属接地板11位于介质基板13基板底部，辐射金属片12和微带馈线14和开口谐振环15位于介质基板13的上表面。

开口谐振环15材料为铜，结构为正方形单环，以一定的晶格常数周期排列在辐射金属片12和微带馈线14的周围。相邻两列的开口谐振环开口方向相互垂直，从而组成二维的开口谐振环阵列，克服了开口谐振环对电磁波响应各向异性的缺点。

覆层基板16选用低介电常数的聚四氟乙烯(介电常数为2.65)，厚度为0.5mm，大小尺寸与介质基板13相同，数量为3。利用电路板刻蚀技术，在覆层基板16刻蚀出周期性排列的开口谐振环17。其中开口谐振环17的形状、尺寸及晶格常数等均与开口谐振环15相同。

连接棒18由透波性能较好的玻璃钢制成的，直径为2mm，用于连接覆层基板16介质基板13。

上述的各部分构成一个完整的微带天线。由于开口谐振环在某些频段对电磁波具有禁带效应，本发明在基板上使用的开口谐振环15，对微带天线工作时激励的表面波进行抑制，并减少由于微带馈线14自身辐射对整个微带天线单元性能的影响；同时含有开口谐振环17的覆层将抑制微带天线的切向辐射，从而进一步提高微带天线的增益。

此外，本发明中的开口谐振环也可以选用内外环同心嵌套的结构，如图2所示，开口谐振环选用六边形同心开口双环。内环的加入，将增强谐振环的谐振强度，降低谐振环的频率，使谐振环拥有更小的尺寸，进而缩小微带天线的整体尺寸。

为了进一步提高微带天线的性能，本发明在上述基本单元的基础上又提供了一种微带天线阵列。

如图3所示，介质基板23选用低介电常数的聚四氟乙烯(介电常数为2.65)，厚度为3mm。介质基板23，下表面设置金属接地板21，上表面设置有尺寸完全相同的第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b，用于分别对第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b馈电的馈线24a和馈线24b，馈电功率分配部分24c以及用于抑制表面波传输的开口谐振环25。其中，开口谐振环25采用正边形同心开口双环，采用上述在微带天线中的方式排列，并沿第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b的中垂线，设置有开口方向一致的开口谐振环单元，用于降低第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b之间的耦合作用。

覆层基板26选用低介电常数的聚四氟乙烯(介电常数为2.65)，厚度为0.5mm，大小尺寸与介质基板23相同，数量为3。覆层基板26刻蚀有周期性排列的开口谐振环27。其中开口谐振环27的形状、尺寸及晶格常数等均与开口谐振环25相同。

连接棒28由透波性能较好的玻璃钢制成的，直径为2mm，用于连接覆层基板26和介质基板23。

本发明中所使用的开口谐振环材料皆为金属铜。由于开口谐振环的禁带宽度不足以覆盖整个S波段，所以，根据天线工作频率，开口谐振环选用不同的尺寸。其中由开口单环构成的开口谐振环，其几何尺寸范围：环的内切圆直径d＝9.0mm～14.0mm，开口间距g＝1.5mm～3.0mm，线宽w＝1.0mm～2.0mm，晶格间距a＝16mm～24mm，谐振环厚度0.02mm～0.04mm；由同心开口双环构成的开口谐振环，其几何尺寸范围：内环的内切圆直径d₁＝3.0mm～6.0mm，外环的内切圆直径d₂＝7.0mm～12.0mm，开口间距g＝1.0mm～3.0mm，线宽w＝1.0mm～2.0mm，晶格间距a＝14mm～22mm，谐振环厚度0.02mm～0.04mm。

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步说明

实施例一：

如图1所示，选择厚度为3.0mm的聚四氟乙烯纤维基板(介电常数为2.65)作为介质基板13，利用电路板刻蚀技术，在介质基板13两个侧面上，分别刻蚀出金属接地板11、辐射金属片12、50Ω的微带馈线14和开口谐振环1 5，该辐射片的中心工作频率为2.0GHz。开口谐振环15为正方形开口单环，其内切圆直径d＝13.8mm～14.0mm，开口g＝2.7mm～3.0mm，线宽w＝1.8 mm～2.0mm，谐振环厚度为0.02mm～0.04mm，并以晶格常数a＝24mm周期性排列在辐射金属片12和微带馈线14的周围。其中，同一列开口谐振环的开口方向相同，而相邻两列开口谐振环的开口方向相互垂直。

选用厚度为0.5mm而其他尺寸均与介质基板13相同的聚四氟乙烯纤维基板作为覆层基板16，覆层数目为3。利用电路板刻蚀技术，在覆层基板18上刻蚀出周期性排列的开口谐振环17，其中开口谐振环17的尺寸和排列方式均与开口谐振环15相同。调整覆层基板16与介质基板13的间距，通过直径为2mm的玻璃钢连接棒18与介质基板13组合为一体，完成该微带天线的制作。

实施例二：

如图1所示，选择厚度为3.0mm的聚四氟乙烯纤维基板(介电常数为2.65)作为介质基板13，利用电路板刻蚀技术，在介质基板13两个侧面上，分别刻蚀出金属接地板11、辐射金

属片12、50Ω的微带馈线14和开口谐振环15，该辐射片的中心工作频率为2.3GHz。开口谐振环15为正方形开口单环，其内切圆直径d＝12.5mm～13.5mm，开口g＝2.2mm～2.6mm，线宽w＝1.8mm～1.9mm，谐振环厚度为0.02mm～0.04mm，并以晶格常数a＝22mm周期性排列在辐射金属片12和微带馈线14的周围。其中，同一列开口谐振环的开口方向相同，而相邻两列开口谐振环的开口方向相互垂直。

选用厚度为0.5mm而其他尺寸均与介质基板13相同的聚四氟乙烯纤维基板作为覆层基板16，覆层数目为3。利用电路板刻蚀技术，在覆层基板16上刻蚀出周期性排列的开口谐振环17，其中开口谐振环17的尺寸和排列方式均与开口谐振环15相同。调整覆层基板16与介质基板13的间距，并通过直径为2mm的玻璃钢连接棒18与介质基板13组合为一体，完成该微带天线的制作。

实施例三：

如图2所示，选择厚度为3.0mm的聚四氟乙烯纤维基板(介电常数为2.65)作为介质基板13，利用电路板刻蚀技术，在介质基板13两个侧面上，分别刻蚀出金属接地板11、辐射金属片12、50Ω的微带馈线14和开口谐振环15，该辐射片的中心工作频率为2.8GHz。开口谐振环15为六边形同心嵌套开口双环，开口谐振环单元内环内切圆直径d₁＝4.8mm～5.0mm，外环内切圆直径d₂＝9.0mm～9.6mm，开口g＝1.8mm～2.0mm，线宽w＝1.0mm～1.2mm，以晶格间距a＝18mm周期排列。周期性排列在辐射金属片12和微带馈线14的周围。其中，同一列开口谐振环的开口方向相同，而相邻两列开口谐振环的开口方向相互垂直。

选用厚度为0.5mm而其他尺寸均与介质基板13相同的聚四氟乙烯纤维基板作为覆层基板16，覆层数目为3。利用电路板刻蚀技术，在覆层基板16上刻蚀出周期性排列的六边形同心开口谐振环17，其中开口谐振环17的尺寸和排列方式均与开口谐振环15相同。调整覆层基板16与介质基板13的间距，并通过直径为2mm的玻璃钢连接棒18与介质基板13组合为一体，完成该微带天线的制作。

实施例四：

如图3所示，选取厚度为3mm的聚四氟乙烯纤维基板(介电常数为2.65)作为介质基板23，下表面设置金属接地板21，上表面设置有尺寸完全相同的第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b，用于分别对第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b馈电的馈线24a和馈线24b，馈电分配部分24c，以及用于抑制表面波传输的开口谐振环25。该微带天线阵列的中心工作频率设置为3.5GHz，其中，开口谐振环25采用正边形同心开口双环结构。开口谐振环25内环内切圆直径d₁＝4.0mm～4.3mm，外环内切圆直径d₂＝7.8mm～g.0mm，开口g＝1.5mm～1.8mm，线宽w＝1.5mm～1.8mm，以晶格间距a＝16mm周期排列。周期性排列在第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b的周围。其中，同一列开口谐振环的开口方向相同，而相邻两列开口谐振环的开口方向相互垂直。此外，沿第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b的中垂线，设置有开口方向一致的开口谐振环单元，用于降低第一辐射金属片22a和第二辐射金属片22b耦合作用。

选用厚度为0.5mm而其他尺寸与介质基板23相同的聚四氟乙烯作为覆层基板26，其数量为3。覆层基板26刻蚀有周期性排列的开口谐振环27。其中开口谐振环27的形状、尺寸及晶格常数等均与开口谐振环25相同。调整覆层基板26与介质基板23的间距，并通过直径为2mm的玻璃钢连接棒28与介质基板23组合为一体，完成该微带天线阵列的制作。

以上所述，虽然对本发明中较佳实施例作了说明，但并不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims (5)

1.一种S波段含有开口谐振环的微带天线，其微带天线包括：一个介质基板；一个辐射金属片，印制在介质基板的一侧面上；一个金属地板，印制在介质基板的另一侧，尺寸较辐射金属片略大；一段长度为电磁波波长1/4的微带馈线，与辐射金属片相连，作为天线电波信号的馈入接口；多个覆层基板；周期性排列的开口谐振环单元，其主要特征是：开口谐振环单元不仅周期排列在辐射金属片的周围，同时还以周期性排列的方式蚀刻在覆层上，覆层置于介质基板的上方。

2.如权利要求1所述的S波段含有开口谐振环的微带天线，其特征在于开口谐振环材料是金属铜，形状是六边形或正方形，其几何参数有如下两种：

(1)结构为开口单环，其中环的内切圆直径d＝9.0mm～14.0mm，开口间距g＝1.5mm～3.0mm，线宽w＝1.0mm～2.0mm，晶格间距a＝16mm～24mm，谐振环厚度0.02mm～0.04mm；

(2)结构为同心开口双环，其中内环的内切圆直径d₁＝3.0mm～6.0mm，外环的内切圆直径d₂＝7.0mm～12.0mm，开口间距g＝1.0mm～3.0mm，线宽w＝1.0mm～2.0mm，晶格间距a＝14mm～22mm，谐振环厚度0.02mm～0.04mm。

3.如权利要求1所述的S波段含有开口谐振环的微带天线，其特征在于同列的开口谐振环开口方向一致，相邻两列的开口谐振环开口方向相互垂直。

4.如权利要求1所述的S波段含有开口谐振环的微带天线，其特征在于介质基板是聚四氟乙烯，厚度为3mm。

5.一种S波段含有开口谐振环的微带天线，包括：第一辐射金属片；第二辐射金属片；功率分配部分，用于将功率分配给第一辐射金属片、第二辐射金属片；馈电部分，用于连接第一辐射金属片和第二辐射金属片；多个覆层基板；开口谐振环单元，其特征在于所述的开口谐振环是如权利要求1、权利要求2或权利要求3中所述的开口谐振环。 

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