CN109462030B - 一种新型s波段宽频微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型S波段宽频微带贴片天线，其特征在于，包括顶层辐射金属贴片层、底层接地板金属贴片层及位于顶层辐射金属贴片层与底层接地板金属贴片层之间的介质层。本发明基于S波段的无线通信系统的应用要求，设计了一款紧凑型的宽频带天线，贴片天线更好的移动性和穿透性，对此天线进行了优化改造。通过在基础的圆形贴片结构上引入合适尺寸的圆环及矩形，使得天线的S参数和增益等参数符合实际工作要求，并且天线的工作带宽完全覆盖S波段，同时天线具有小型化、易于集成等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以应用于S波段的新型宽频微带贴片天线。
背景技术
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。它具有着集成度高、适合大批量生产、剖面低易于和飞行器共面等诸多优点，并且在地面设备上应用也有它的优势方面，尤其是较低功率的各种军用民用设备，使得宽频微带贴片天线受到广大工程师的关注。特别是随着移动通信的迅猛发展，移动终端设备日趋小型化的需求使微带天线的应用处于更加突出的地位。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。
近年来，随着无线通讯技术的快速发展,人们对于宽带通信的需求日益增高，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。但是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，对宽频高增益微带天线研究具有重要意义。20世纪80年代，有人提出增加寄生单元提高微带天线带宽的方法；另一种方法是微带贴片叠加，在边馈微带贴片的上面在叠加一个带介质基底的微带贴片。除此之外还可以采用大尺寸的缝隙、孔径和多层贴片天线的叠加、螺旋印刷天线也可以获得较高的带宽。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于对称双圆环耦合的波段微带贴片天线，以工作在S波段的无线通信系统中。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种新型S波段宽频微带贴片天线，其特征在于，包括顶层辐射金属贴片层、底层接地板金属贴片层及位于顶层辐射金属贴片层与底层接地板金属贴片层之间的介质层，其中：
顶层辐射金属贴片层包括两个对称圆环以及圆环延申的矩形贴片，其制作方法为：在两个对称的圆形贴片的外圈增加一个圆环形成圆环贴片，然后在圆环贴片下方加入两个细长的竖向的矩形贴片，接着在这两个矩形贴片中间连接三个尺寸不同的横向的矩形，其中最上方和最下方的矩形上方和下方又分别添加一个小矩形，最下方的小矩形与一段馈线相连；
底层接地板金属贴片层呈长方形，挖去了两个对称的矩形缝隙；
信号由顶层辐射金属贴片层的微带馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、介质层和底层接地板金属贴片层共同形成天线的结构。
优选地，所述介质层的整体尺寸为50mm×50mm×1.2mm。
优选地，顶层辐射金属贴片层中，两个对称的所述圆形贴片的半径为6.7mm，所述圆形贴片外部增加的所述圆环形的厚度为1.7mm、外圈半径为8.7mm。
优选地，顶层辐射金属贴片层中，两个细长的竖向的所述矩形贴片的尺寸为3.5mm×16.5mm。
优选地，顶层辐射金属贴片层中，所述横向的矩形的尺寸由上到下分别为14mm×1mm、14mm×1mm、14mm×6mm。
优选地，在最上方的横向的矩形贴片中间增加的所述小矩形用于增加天线的工作带宽，其尺寸为3mm×2mm。
优选地，所述底层接地板金属贴片层的尺寸为50mm×11.8mm，其中两个挖去的对称的矩形缝隙大小为3.8mm×1.3mm。
优选地，所述微带馈线的尺寸为0.98mm×22.3mm。
优选地，天线采用共面波导方式通过微带馈线来馈电，所述介质层的材料为FR4_epoxy，其相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。
无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输出到发射天线，由天线以电磁波辐射出去。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。
本发明基于S波段的无线通信系统的应用要求，设计了一款紧凑型的宽频带天线，贴片天线更好的移动性和穿透性，对此天线进行了优化改造。通过在基础的圆形贴片结构上引入合适尺寸的圆环及矩形，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S波段，同时天线具有小型化、易于集成等特点。
由于天线的结构对各参数影响情况不一样，本发明将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1.4GHz-6.6GHz(130％)，在这个频段范围内，天线增益都在2.5dB以上，且最高的增益达到了17dB。同时，S11参数的频段完全包含了增益的频段，覆盖了整个S频段，从而保证了设计的微带贴片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，扩展了微带贴片天线应用在该频段内的范围。
附图说明
图1为微带贴片天线的最终结构示意图；
图2为天线最总结构的回波损耗示意图；
图3为天线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。
本发明基于对称双圆形天线的带宽特性，提出了一种新型结构的宽频微带贴片天线，天线的大致结构如图1所示。此天线主要包含了三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层、位于中间的介质层及底层接地板金属贴片层。三部分紧密相连成为一个天线整体。其中，介质层所选用的材料为FR4_epoxy，该材料的相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。介质层的长为L，宽为W，厚度H仅为1.2mm。介质层的整体尺寸为50mm×50mm×1.2mm。
顶层辐射金属贴片层包括两个对称圆环以及圆环延申的矩形贴片，其制作方法为：在两个对称的圆形贴片的外圈增加一个圆环形成圆环贴片，然后在圆环贴片下方加入两个细长的竖向的矩形贴片，接着在这两个矩形贴片中间连接三个尺寸不同的横向的矩形，其中最上方和最下方的矩形上方和下方又分别添加一个小矩形，最下方的小矩形与一段馈线相连。
圆形贴片的半径为6.7mm，圆形贴片外部增加的所述圆环形的厚度为1.7mm、外圈半径为8.7mm。两个细长的竖向的矩形贴片的尺寸为3.5mm×16.5mm。横向的矩形的尺寸由上到下分别为14mm×1mm、14mm×1mm、14mm×6mm。在最上方的横向的矩形贴片中间增加的小矩形用于增加天线的工作带宽，其尺寸为3mm×2mm。
底层接地板金属贴片层呈长方形，挖去了两个对称的矩形缝隙。底层接地板金属贴片层的尺寸为50mm×11.8mm，其中两个挖去的对称的矩形缝隙大小为3.8mm×1.3mm。
信号由顶层辐射金属贴片层的微带馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、介质层和底层接地板金属贴片层共同形成天线的结构。微带馈线的尺寸为0.98mm×22.3mm。
本实施例中的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 | 50 |
| W | 50 |
| H | 1.2 |
| L2 | 11.8 |
| L3 | 3.8 |
| W1 | 14 |
| W2 | 3 |
| W3 | 3.8 |
| W4 | 17.5 |
| a | 1.3 |
| b | 4.5 |
| R | 6.7 |
| R1 | 8.7 |
表1
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-7GHZ频段的性能进行分析计算。
本发明采用基于有限元算法的HFSS全波仿真软件对所述天线结构进行仿真，天线的S11参数和Gain参数仿真结果如图2和图3所示。从图中可以看出，该天线的S11参数小于-10dB的频带范围为1.4GHz-6.6GHz，相对工作带宽高达130％，与此同时，天线的增益性能相对来说也十分优异，其Gain参数在相同的带宽范围内都处于2.5dB以上，低频处最高达到了11dB，高频处最高实现了17dB，符合在实际应用中的工作条件。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，突破了频段较窄的缺点，使微带天线在这个频段内的应用范围得到了扩展。
一般来说，天线的各个特性参数都是频率的函数，在中心频率上天线可能具有最好的特性。回波损耗S11和增益Gain是天线性能优劣的两个重要参数，其中要求S11<-10dB并且在相同带宽内Gain>2.5dB才能说明天线有实际的应用价值。此天线的频带范围为1.4GHz-6.6GHz，相对工作带宽为130％，完全覆盖S波段且增益较高，在蓝牙和WiFi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。
Claims (1)
1.一种新型S波段宽频微带贴片天线，其特征在于，包括顶层辐射金属贴片层、底层接地板金属贴片层及位于顶层辐射金属贴片层与底层接地板金属贴片层之间的介质层，其中：
介质层的整体尺寸为50mm×50mm×1.2mm，介质层的材料为FR4_epoxy，其相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02；
顶层辐射金属贴片层包括两个对称圆环以及圆环延申的矩形贴片，其制作方法为：在两个对称的圆形贴片的外圈增加一个圆环形成圆环贴片，两个对称的圆形贴片的半径为6.7mm，圆形贴片外部增加的圆环形的厚度为1.7mm、外圈半径为8.7mm，然后在圆环贴片下方加入两个细长的竖向的矩形贴片，两个细长的竖向的所述矩形贴片的尺寸为3.5mm×16.5mm，接着在这两个矩形贴片中间连接三个尺寸不同的横向的矩形，横向的矩形的尺寸由上到下分别为14mm×1mm、14mm×1mm、14mm×6mm，其中最上方和最下方的矩形上方和下方又分别添加一个小矩形，在最上方的横向的矩形贴片中间增加的小矩形用于增加天线的工作带宽，其尺寸为3mm×2mm，最下方的小矩形与一段馈线相连；
底层接地板金属贴片层呈长方形，挖去了两个对称的矩形缝隙，底层接地板金属贴片层的尺寸为50mm×11.8mm，两个挖去的对称的矩形缝隙大小为3.8mm×1.3mm；
信号由顶层辐射金属贴片层的微带馈线馈入，从而使顶层辐射金属贴片层、介质层和底层接地板金属贴片层共同形成天线的结构，微带馈线的尺寸为0.98mm×22.3mm。
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