CN109037936A - 一种宽频带微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽频带微带贴片天线，包括顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体，所述顶层辐射金属贴片层整体大致呈长方形，且中间挖去了两个由三个矩形组合的不规则缝隙；所述顶层辐射金属贴片层上方设置有两个小矩形缝隙；所述顶层辐射金属贴片层与一段馈线相连，信号由顶层的馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、底层接地板和中间介质基板共同形成天线的结构。本发明突破了频带较窄、增益较低等缺点，拓宽了微带天线在这该频段内的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种宽频带微带贴片天线。
背景技术
微带天线体积小、剖面低且可集成化程度高，适合大批量生产，但是其频带较窄，限制了它的广泛使用。作为现代无线通信系统的关键部分，天线性能的优劣关系到整个系统的性能的好坏。随着无线通信系统的发展，对能够同时适用于射频识别、全球微波无线互联网和无线局域网这几大主流物联网通信技术标准的宽频天线要求越来越高。
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。在最近几年，由于微带贴片天线有小体积，低剖面和容易集成，容易实现多频段等特点，使得宽频微带贴片天线受到广大工程师的关注。在无线通信技术中，天线带宽是极其重要的因素，因为它决定了天线的应用范围。
随着C波段无线通讯技术的快速发展,人们对宽带通信的需求越来越高,天线向宽带、高增益的方向发展已成为通信体制的必然趋势。而传统的微带天线工作带宽窄、增益低。一般典型的微带天线的相对工作带宽只在2％-4％左右。因此,对宽带高增益微带天线研究具有重要意义。在扩展微带天线带宽、增益方面的研究有很多。目前主要的几种方法有增大介质板厚度，减低介电常数；采用多层结构的孔径耦合；附加阻抗匹配网络；进行天线贴片切槽；采用缝隙耦合馈电等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频带微带贴片天线，可以应用于工作在2.7GHz-8.5GHz频段。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种宽频带微带贴片天线，包括顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体，所述顶层辐射金属贴片层整体大致呈长方形，且中间挖去了两个由三个矩形组合的不规则缝隙；所述顶层辐射金属贴片层上方设置有两个小矩形缝隙；所述顶层辐射金属贴片层与一段馈线相连，信号由顶层的馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、底层接地板和中间介质基板共同形成天线的结构。
所述顶层辐射金属贴片层整体尺寸为26.4×17mm。
所述两个小矩形缝隙相互对称，其尺寸为0.6mm×3.4mm。
所述两个不规则缝隙左右对称，从外到内的三个矩形的尺寸分别为10mm×1.2mm，3.2mm×1.4mm和2.7mm×0.5mm；所述两个不规则缝隙最外侧的一条边与顶层辐射金属贴片层边缘的距离为2.9mm。
所述顶层辐射金属贴片层与馈线相连部分设置有两个增加工作带宽的细长矩形。
所述两个增加工作带宽的细长矩形的尺寸分别为：2.6mm×0.58mm和7.3mm×2mm。
所述馈线的尺寸为5.3mm×0.3mm。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明通过在基础的方形结构上引入合适尺寸的矩形缝隙并将该缝隙加以类似H状等处理，使得天线的S参数和增益等符合实际工作要求，并且天线的工作带宽完全覆盖C频段，同时天线具有小型化、易于集成等特点。
将本发明的天线置于符合理论要求的空气腔中，采用13版本的基于有限元算法的全波仿真软件HFSS对天线的各性能参数进行了仿真和优化改进，并确定了最终的天线尺寸。结果表明，该天线的S11参数实现了频段从2.7-8.5GHZ(100％)，在这个频段范围内，天线增益都在2.5dB以上，且最高达到了10dB。同时，S11参数的频段完全包含了增益的频段，且覆盖了C频段，从而保证了设计的天线结构可以应用于工作在这个频段的无线通信系统中。本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积，低剖面和容易集成等特点，突破了频带较窄、增益较低等缺点，拓宽了微带天线在这该频段内的应用范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施方式中天线的回波损耗示意图；
图3是本发明实施方式中天线的最终结构的增益示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种宽频带微带贴片天线，如图1所示，包括顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体，所述顶层辐射金属贴片层整体大致呈长方形，且中间挖去了两个由三个矩形组合的不规则缝隙1；所述顶层辐射金属贴片层上方设置有两个小矩形缝隙2；所述顶层辐射金属贴片层与一段馈线3相连，信号由顶层的馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、底层接地板和中间介质基板共同形成天线的结构。所述顶层辐射金属贴片层与馈线相连部分设置有两个增加工作带宽的细长矩形4和5。
在本实施方式中，天线采用波端口通过微带馈线来馈电，所用介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介电损耗为0.0009。介质基板的长为L，宽为W，厚度H仅为0.13mm。顶层辐射金属贴片层整体呈现方形，采用整体挖掉部分的方法与细条矩形状的馈线相连，共同作为微带天线的馈电部分，底层辐射金属贴片层为矩形。天线的具体尺寸参数如表1所示。
| 天线尺寸参数 | 参数值(mm) |
| L | 17 |
| W | 26.4 |
| H | 0.13 |
| L1 | 14.5 |
| L2 | 2.6 |
| L3 | 2.9 |
| W1 | 15.5 |
| W2 | 10 |
| W3 | 2.7 |
| A | 5.3 |
| B | 2.6 |
| C | 0.6 |
| D | 3.4 |
| WD | 7.2 |
| LD | 17 |
表1
其中，所述顶层辐射金属贴片层整体尺寸为26.4×17mm。所述两个小矩形缝隙2相互对称，其尺寸为0.6mm×3.4mm。所述两个不规则缝隙1从外到内的三个矩形的尺寸分别为10mm×1.2mm，3.2mm×1.4mm和2.7mm×0.5mm；所述两个不规则缝隙最外侧的一条边与顶层辐射金属贴片层边缘的距离为2.9mm。所述两个增加工作带宽的细长矩形4和5的尺寸分别为：2.6mm×0.58mm和7.3mm×2mm。所述馈线3的尺寸为5.3mm×0.3mm。
天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间，因此，天线要与馈线阻抗进行匹配，匹配的程度直接影响功率传输的效率。此天线的微带馈线位于整个结构顶层的中心，与顶层金属贴片紧密相连，天线工作时，信号由顶层的微带馈线馈入，顶层和底层的金属辐射贴片与介质基板共同形成符合应用要求的宽频带天线。
由于天线是在自由空间中工作的，为了使设计天线工作参数更接近实际，在天线结构模型创建完成后，使用HFSS分析天线性能参数时，需要将天线的边界条件设置为理想导体边界，辐射边界表面(即空气腔面)距离辐射体需要不小于λ/4，天线模型介质基板的底面需要设置为理想边界，天线的输入端口设置为共面波端口激励，且使微带馈线位于波端口的中心，将天线设置为快速扫频类型，对其在1GHZ-10GHZ频段的性能进行分析计算。
从图2中可以看出天线的回波损耗参数为2.7-8.5GHZ(100％)，与此同时，对天线的增益性能也进行了仿真测试，从图3可以看出天线的增益在带宽范围内，低频处最高实现了4dB，高频处最高实现了10.5dB。本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积，低剖面和容易集成，容易实现宽频段等特点，突破了频段窄的缺点，使微带天线在这个频段内的应用范围得到了扩展。
天线的重要参数为S11和增益Gain，其中S11<-10dB且Gain>2.5dB才能说明天线符合实际工作要求，此天线在卫星电视广播工作频段范围内符合工作要求，所以它尤其适用于工作在这个频段内的现代无线通信系统中。
不难发现，本发明通过在基础的长方形结构上引入合适尺寸的两个对称的矩形缝隙，使得天线的S参数和增益等符合实际工作要求，并且天线的工作带宽完全覆盖C频段，同时天线具有小型化、易于集成等特点。
Claims (7)
1.一种宽频带微带贴片天线，包括顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射金属贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体，其特征在于，所述顶层辐射金属贴片层整体大致呈长方形，且中间挖去了两个由三个矩形组合的不规则缝隙；所述顶层辐射金属贴片层上方设置有两个小矩形缝隙；所述顶层辐射金属贴片层与一段馈线相连，信号由顶层的馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、底层接地板和中间介质基板共同形成天线的结构。
2.根据权利要求1所述的宽频带微带贴片天线，其特征在于，所述顶层辐射金属贴片层整体尺寸为26.4×17mm。
3.根据权利要求1所述的宽频带微带贴片天线，其特征在于，所述两个小矩形缝隙相互对称，其尺寸为0.6mm×3.4mm。
4.根据权利要求1所述的宽频带微带贴片天线，其特征在于，所述两个不规则缝隙左右对称，从外到内的三个矩形的尺寸分别为10mm×1.2mm，3.2mm×1.4mm和2.7mm×0.5mm；所述两个不规则缝隙最外侧的一条边与顶层辐射金属贴片层边缘的距离为2.9mm。
5.根据权利要求1所述的宽频带微带贴片天线，其特征在于，所述顶层辐射金属贴片层与馈线相连部分设置有两个增加工作带宽的细长矩形。
6.根据权利要求5所述的宽频带微带贴片天线，其特征在于，所述两个增加工作带宽的细长矩形的尺寸分别为：2.6mm×0.58mm和7.3mm×2mm。
7.根据权利要求1所述的宽频带微带贴片天线，其特征在于，所述馈线的尺寸为5.3mm×0.3mm。
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