CN205016667U - 一种双层贴片的双频圆盘微带天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双层贴片的双频圆盘微带天线，包括上层部分和下层部分，其中所述上层部分包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的金属贴片；所述第一介质基板和金属贴片呈圆形，且半径相等；金属贴片的圆心与第一介质基板的圆心重合；所述下层部分包括第二介质基板、位于第二介质基板上表面的开槽圆形贴片、位于第二介质基板下表面的金属接地板和同轴线；所述第二介质基板成呈圆形，且圆心与开槽圆形贴片的圆心重合，第二介质基板的圆心处开设有放置同轴线的馈电孔，所述天线馈电方式为同轴馈电。该天线能够激发出2个谐振点，相对带宽能达到19%或更高，从而改善天线的工作带宽。

Description

一种双层贴片的双频圆盘微带天线

技术领域

本实用新型属于天线设计领域，更具体地，涉及到一种新型双层贴片的双频圆盘微带天线。

背景技术

无线通信的发展对天线(尤其是贴片天线)的各项性能提出了新的要求，微带贴片天线由于重量轻、体积小、剖面低，并具有良好的方向性、灵活的馈电方式且容易与其他印刷电路集成等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。但是，普通的微带天线带宽较低，仅为0.6%~3%，这成为微带天线被广泛应用的主要障碍。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有微带天线带宽窄的特点，提出一种双层贴片的双频圆盘微带天线，是一种新颖的宽带圆盘微带天线，该天线能够激发出2个谐振点，相对带宽能达到19%或更高，从而改善天线的工作带宽。

为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种双层贴片的双频圆盘微带天线，包括上层部分和下层部分，其中所述上层部分包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的金属贴片；所述第一介质基板和金属贴片呈圆形，且半径相等；金属贴片的圆心与第一介质基板的圆心重合；所述下层部分包括第二介质基板、位于第二介质基板上表面的开槽圆形贴片、位于第二介质基板下表面的金属接地板、同轴线；所述第二介质基板成呈圆形，且圆心与开槽圆形贴片的圆心重合，第二介质基板的圆心处开设有放置同轴线的馈电孔，所述天线馈电方式为同轴馈电；

上述第二介质基板和金属接地板的半径相同，且大于第一介质基板的半径，位于开槽圆形贴片的半径小于第一介质基板的半径。

进一步的，在保持第一、二介质基板厚度不变时，所述上层部分的第一介质基板的下表面与下层部分的第二介质基板的上表面的垂直距离h3为2mm~20mm。

进一步的，所述第一介质基板的厚度h2为0.8mm~4.5mm；第二介质基板的厚度h1为1.5mm~4mm。

进一步的，所述第二介质基板上的馈电孔孔径大小为0.5mm。

进一步的，所述开槽圆形贴片中槽的开槽方式为：先在圆形贴片画一个圆环，圆环外径为a，圆环内径为a-n，其中圆环外径a小于开槽圆形贴片的半径；再以圆环的圆心为顶点，画一个等腰三角形，以等腰三角形为原形绕圆心旋转若干次，使得相邻等腰三角形之间的夹角相等；将圆环中与各等腰三角形对应位置挖除，即得到开槽圆形贴片。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：一种双层贴片的双频圆盘微带天线，整体分为上下两层部分，其中上层部分处于“悬空”状态，由下层部分贴片产生的电磁波耦合产生谐振点，下介质基板（第二介质基板）的上表面为开槽圆形贴片，目的是为了加强与上分耦合的效果以及改善阻抗匹配。下介质基板（第二介质基板）的下表面为金属接地板，下介质基板（第二介质基板）的中心留有馈电孔，所述天线馈电方式为同轴馈电。该天线能够激发出2个谐振点，相对带宽能达到19%或更高，从而改善天线的工作带宽。

附图说明

图1是本实用新型所述的双频圆盘微带天线的正视图；

图2是本实用新型的上层结构的俯视图；

图3是本实用新型的下层结构俯视图；

图4是本实用新型的天线发射系数仿真结果图；

图5是本实用新型在频率2.64GHz时的E面辐射方向图；

图6是本实用新型在频率2.64GHz时的H面辐射方向图；

图7是本实用新型改变R2时天线发射系数仿真结果图；

图8是本实用新型改变R3时天线发射系数仿真结果图；

图9是本实用新型改变a时天线发射系数仿真结果图；

图10是本实用新型改变n时天线发射系数仿真结果图；

图11是本实用新型改变p时天线发射系数仿真结果图；

图12是本实用新型改变厚度h1时天线发射系数仿真结果图；

图13是本实用新型改变厚度h2时天线发射系数仿真结果图；

图14是本实用新型改变高度h3时天线发射系数仿真结果图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

图中，1-第一介质基板、2-金属贴片、3-第二介质基板、4-开槽圆形贴片、5-金属接地板、6-同轴线。

由图1可知，一种双层贴片的双频圆盘微带天线，包括上层部分和下层部分，其中所述上层部分包括第一介质基板1和位于第一介质基板1上表面的金属贴片2；所述第一介质基板1和金属贴片2呈圆形，且半径相等；金属贴片2的圆心与第一介质基板1的圆心重合；所述下层部分包括第二介质基板3、位于第二介质基板3上表面的开槽圆形贴片4、位于第二介质基板3下表面的金属接地板5和同轴线6；所述第二介质基板3成呈圆形，且圆心与开槽圆形贴片4的圆心重合，第二介质基板3的圆心处开设有放置同轴线6的馈电孔，所述天线馈电方式为同轴馈电。

上述第二介质基板3和位于第二介质基板3下表面的金属接地板5的半径相同，大于第一介质基板1的半径，位于第二介质基板3上表面的开槽圆形贴片4的半径小于第一介质基板1的半径。

本实用新型的基本思路是基于双层贴片（双层贴片分别是指位于第一介质基板1上表面的金属贴片2和位于第二介质基板3上表面的开槽圆形贴片4），分别产生两个谐振腔而产生双频。开槽圆形贴片4直接与馈电点相连而产生频点，金属贴片2辐射出的电磁波通过耦合作用于金属贴片2，从而产生另一个频点。由于金属贴片2半径大于开槽圆形贴片4半径，所以金属贴片2对于低频谐振点带宽，开槽圆形贴片4是对于高频谐振点带宽。

上述本实用新型第一、二介质基板之间没有连接关系，这样设置的目的是为了使结构简单便于仿真，但这是一种理想情况，具体制作需要根据实际而定。在本实施例中采用了泡沫板，将泡沫板粘贴在第一、二介质基板之间，由于泡沫板的介电常数接近真空，且本身体积很小，所以对于整体的影响是很小的。在本实施例中，是使用了三块很小的泡沫板，分别粘贴在第一、二基介质基板之间，呈三角形形状来固定第一、二介质基板。

由图2可知，在本实施例中，第一介质基板和金属贴片的半径R3=55mm，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面垂直距离为h3=5mm，第一介质基板的厚度h2=0.8mm。

图3是本实用新型的下层部分的俯视图，在下层部分的最外端有半径R1=80mm的圆，即第二介质基板3是半径R1=80mm的圆，对应金属接地板5的半径。在第二介质基板3的上方为半径R2=38mm的圆形开槽贴片4，由图3可知圆形开槽贴片4的内部有6块形状大小相同的图形，该图形由半径a=29mm的扇形减去半径b=10mm的扇形所得，这6块图形可以由其中之一绕圆心依次旋转60°所得，每块的弧度值为31.93°，第二介质基板3的厚度为h1=3mm。

所述第一、第二介质基板相对介电常数均为ε_r=2.6，第二介质基板3其中心位置设有馈电孔，孔径大小为0.5mm。

本实用新型开槽圆形贴片4开槽的作用是改善阻抗匹配和改变高频谐振点，由于开槽的位置和大小对天线的带宽影响相当大，所以在公开开槽的步骤，开槽过程如下：

先在圆形贴片画一个圆环，圆环外径为a，圆环内径为a-n，再以圆环的圆心为顶点，画一个等腰三角形，在本实施例中，等腰三角形的高为60mm，底为2*p，以等腰三角形为原形绕圆心旋转六次，使得相邻等腰三角形之间的夹角相等；将圆环中与各等腰三角形对应处挖除，就得到了所开的槽。由此可以看出，a是代表开槽的位置，也就是离圆心的距离，n是代表槽的宽度，n越大槽越宽，p是代表槽的角度，p越大，槽的角度越小。图3显示的角度28.07°在数值上等于2*arctan15/60，每块槽的角度则为31.93°

本实用新型采用电磁仿真软件ANSYSHFSS15.0进行仿真实验，实验结果S11如图4所示，该天线工作频率范围是2.39GHZ~2.89GHZ，相对带宽为19%。图5是本实用新型在频率2.64GHz时的E面辐射方向图，图6是本实用新型在频率2.64GHz时的H面辐射方向图。

本实用新型中涉及到的第一、二介质基板的厚度h1和h2以及两个介质基板之间的高度h3并非一成不变的。一般而言，微带天线的范畴内，增加介质基板的厚度，相应的带宽也会增加，本实用新型也符合这一规律，可以分别对第一介质基板的厚度h1=1.5mm、3mm以及4.5mm的情况进行验证，不过要注意的是当厚度变化时，开槽的位置、大小也要相应的进行调整。对于第一介质基板的下表面与下层部分的第二介质基板的上表面的垂直距离h3而言，有一个范围，在本实用新型中，若是保持第一、二介质基板的厚度不变，h3的范围是2mm~20mm之间。

由图5和图6可以看出E面和H面辐射方向图一样，同时xy平面下方辐射几乎为零，这是因为天线整体关于z轴对称，所以E面和H面辐射方向图一样，又由于金属接地板处于两块贴片的正下方，阻挡了电磁波向下辐射，所以在xy平面的下方辐射几乎没有。

图7可以看出增大R2，高频谐振点和低频谐振点同时减小，但是高频谐振点减小的程度大于低频谐振点；图8可以看出增大第一介质基板1和金属贴片2的半径R3，低频谐振点和高频谐振点都减小，但是低频谐振点减小的程度大于高频谐振点。由此可知，高频谐振点主要受开槽圆形贴片4的影响，低频谐振点主要受金属贴片2的影响，而由于金属贴片2是通过开槽圆形贴片4产生的电磁波耦合而产生低频，所以开槽圆形贴片4也会对低频产生微弱影响，而金属贴片2产生的电磁场又反作用于开槽圆形贴片4，所以同样金属贴片2对高频也会有微弱的影响。

图9、图10、图11主要是探究开槽的影响，由图可知，开槽圆形贴片4中开槽主要是影响阻抗匹配和高频的谐振点大小。且a、n增大时，高频谐振点减小，p增大时，高频谐振点减小。

表1

h1

h2

h3

R2

R3

a

n

p

带宽

1.5mm

0.8mm

5mm

35mm

54mm

30mm

17mm

10mm

12.21%

3mm

0.8mm

5mm

38mm

55mm

29mm

19mm

15mm

18.68%

4.5mm

0.8mm

5mm

38mm

49mm

26mm

20mm

13mm

23.46%

如表1是改变厚度h1，获取双层贴片的半径、槽的大小位置以及天线带宽的变化规律。图12是相应的发射系数仿真结果图。从图表可得出当第二介质基板3的厚度h1增大时，天线的带宽增大。

表2

h1

h2

h3

R2

R3

a

n

p

带宽

3mm

0.8mm

5mm

38mm

55mm

29mm

19mm

15mm

18.68%

3mm

1.5mm

5mm

42mm

55mm

25mm

15mm

18mm

23.07%

3mm

3mm

5mm

43mm

55mm

25mm

15mm

18mm

19.98%

3mm

4.5mm

5mm

49mm

57mm

25mm

15mm

20mm

18.12%

如表2是改变厚度h2，探究贴片半径、槽的大小位置以及天线带宽的变化规律。图13是相应的发射系数仿真结果图。从图表中可得出当第一介质基板的厚度h2增大时，天线的带宽经历了先变大在变小的过程，且频带整体左移，在h3=1.5mm时带宽最大，达到23.07%，在h3=0.8mm和h3=4.5mm时，带宽相差不大。

表3

h1

h2

h3

R2

R3

a

n

p

带宽

3mm

0.8mm

2mm

38mm

54mm

29mm

21mm

10mm

12.04%

3mm

0.8mm

3mm

38mm

53mm

29mm

19mm

15mm

18.53%

3mm

0.8mm

4mm

38mm

55mm

29mm

19mm

15mm

20.23%

3mm

0.8mm

5mm

38mm

55mm

29mm

19mm

15mm

18.68%

3mm

0.8mm

10mm

45mm

61mm

25mm

5mm

10mm

18.35%

3mm

0.8mm

15mm

47mm

61mm

23mm

1mm

10mm

16.23%

如表3是改变高度h3，探究贴片半径、槽的大小位置以及天线带宽的变化规律。图14是相应的发射系数仿真结果图。由表3可知增大h3，天线带宽经历先变大后变小的过程，在h3=4mm时带宽最大，达到20.23%，同时还可看出h3增大时，R2和R3有小幅度的增加，a有小幅度的减小，n则减小很多。又由图14可看出h3从2mm增大到4mm过程中，天线频带整体右移，在而在4mm增大到15mm中，天线频带整体左移。值得说明的是当h3=1mm时，两个谐振点带宽是无法合到一起的，这说明要使两个谐振点合在一起，高度h3必须大于某一个最小值。

由以上的分析可知，对于类似本实用新型双层结构的模型，只要高度h3合适，通过变换槽的位置和大小就一定可以把两个谐振点拉倒一起合成一个频率来增大带宽。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双层贴片的双频圆盘微带天线，其特征在于，包括上层部分和下层部分，其中所述上层部分包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的金属贴片；所述第一介质基板和金属贴片呈圆形，且半径相等；金属贴片的圆心与第一介质基板的圆心重合；所述下层部分包括第二介质基板、位于第二介质基板上表面的开槽圆形贴片、位于第二介质基板下表面的金属接地板、同轴线；所述第二介质基板成呈圆形，且圆心与开槽圆形贴片的圆心重合，第二介质基板的圆心处开设有放置同轴线的馈电孔，所述天线馈电方式为同轴馈电；

上述第二介质基板和金属接地板的半径相同，且大于第一介质基板的半径，位于开槽圆形贴片的半径小于第一介质基板的半径。

2.根据权利要求1所述的双层贴片的双频圆盘微带天线，其特征在于，在保持第一、二介质基板厚度不变时，所述上层部分的第一介质基板的下表面与下层部分的第二介质基板的上表面的垂直距离h3为2mm~20mm。

3.根据权利要求1所述的双层贴片的双频圆盘微带天线，其特征在于，所述第一介质基板的厚度h2为0.8mm~4.5mm；第二介质基板的厚度h1为1.5mm~4mm。

4.根据权利要求1所述的双层贴片的双频圆盘微带天线，其特征在于，所述第二介质基板上的馈电孔孔径大小为0.5mm。