CN102148428A - 一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线 - Google Patents

一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线 Download PDF

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刘光聪
蒋洪平
傅金桥
张龙
刘良芳
马晋毅
唐平
刘锦
薛伟
林廷芬
段志奇
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Abstract

一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线,包括衬底基板，衬底基板上表面设置第一辐射贴片和第二辐射贴片，第一辐射贴片位于环状的第二辐射贴片中空内且二者具有相同中心，衬底基板下表面设置导电接地板，衬底基板上竖直穿过有同轴探针馈电，同轴探针馈电上端与第一辐射贴片耦合，下端连接同轴射频接头，同轴探针馈电与第一辐射贴片直接连接发生电耦合，第二辐射贴片与第一辐射贴片相互电磁耦合，衬底基板的侧壁包贴有电极，该电极与导电接地板相连接形成背腔电极。本发明在不增大双频天线体积、基板厚度和剖面积的前提下，通过增加与天线接地面相连的背腔电极，提高了双频双极化微带贴片天线增益，解决了天线增益与体积相互制约的难题。

Description

一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线
技术领域
本发明涉及天线，尤其是一种通信领域使用的小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线。
背景技术
目前微带天线是由一块厚度远小于波长的介质基板和刻蚀在其两侧的金属贴片组成，利用同轴线或微带线馈电，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线具有抛面薄、体积小、重量轻，平面结构，易与导弹、卫星等载体表面相共形等优点，在卫星通信、雷达、遥感等方面得到了广泛应用。但是微带天线自身的结构特点，致使了其增益低，方向性差等缺点。为了提升微带天线的增益，目前可行的方法主要有三种：其一是增大天线基板厚度，这样导致天线笨重；其二是采用低介电常数的天线基板材料，但辐射贴片面积要增大；其三是采用天线阵结构，则天线剖面积大大增大。可见，以上三种提高微带天线增益的方法都是以牺牲天线的体积和剖面积为代价的，与微带贴片天线小型化和低剖面的发展趋势相违背，同时也在很大程度上限定了其实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有微带天线由于自身的结构特点导致增益低，方向性差的缺点，而提供一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线,包括衬底基板，在衬底基板上表面设置有辐射贴片，在衬底基板下表面设置有导电接地板，在衬底基板上竖直穿过有同轴探针馈电，该同轴探针馈电上端与辐射贴片耦合，下端连接有同轴射频接头，所述辐射贴片由方形的第一辐射贴片和环状的第二辐射贴片构成，所述第一辐射贴片位于第二辐射贴片中空内且两者具有相同的中心，第一辐射贴片和第二辐射贴片垂直平分线重合，同轴探针馈电与第一辐射贴片直接连接发生电耦合，第二辐射贴片与第一辐射贴片相互电磁耦合，其特征在于，所述衬底基板的侧壁包贴有电极，该电极与所述导电接地板相连接形成背腔电极。
进一步，衬底基板为微波介质陶瓷基板，第一辐射贴片、第二辐射贴片、背腔电极的电极材料均为低损耗微波介质银浆，其均采用丝网工艺在衬底基板表面进行电极印刷，并烧结而成。
所述第一辐射贴片和第二辐射贴片均为在对角位置对称切角的切角贴片，其中切角均为等腰直角三角形。
所述第一辐射贴片的切角位置和第二辐射贴片的切角位置交错设置。
第一辐射贴片和同轴探针馈电的耦合点位于第一辐射贴片的垂直平分线上。
所述的第一辐射贴片、第二辐射贴片、背腔电极的表面均镀金。
本发明的积极效果是：本发明结合了传统的实现双频段工作的两种方式，提出一种新颖的单层双片结构，使天线很好的实现双频圆极化特性。更重要的是在不增大双频天线体积、基板厚度和剖面积的前提下，通过增加与天线接地面相连的背腔电极，等效于增大了接地面的面积，使电磁波尽量向上半空辐射，显著的提高了双频双极化微带贴片天线增益，很好地解决了天线增益与体积相互制约的难题，实现了双频圆极化，具备高增益、体积小、低剖面、制作工艺简单、成本低的有益效果。
 
附图说明
图1本发明第一辐射贴片示意图；
图2本发明第二辐射贴片示意图；
图3本发明小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线结构示意图；
图4本发明导电接地板结构示意图；
图5本发明小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线横截面示意图；
图6本发明双频双极化微带天线工作于2.7GHz频点时的天线增益；
图7本发明双频双极化微带天线工作于3.2GHz频点时的天线增益；
图8常规双频双极化微带天线工作于2.7GHz频点时的天线增益；
图9常规双频双极化微带天线工作于3.2GHz频点时的天线增益。
具体实施方式
参见图3和图5，本发明单馈电点双频双极化微带天线，包括微波介质陶瓷的衬底基板2，在衬底基板2上表面设有第一辐射贴片5和第二辐射贴片4，在衬底基板2下表面设有导电接地板8和同轴射频接头9。衬底基板的侧壁包贴有电极1，该电极1与导电接地板8相连接形成接地的电极，本发明称之为背腔电极。第一辐射贴片5、第二辐射贴片4、背腔电极均由低损耗导电银浆材料丝网印刷之后烧结而成。如图1和图2所示，第一辐射贴片5和第二辐射贴片4均为在对角位置对称切角的切角贴片，其中切角3、6都为等腰直角三角形，其中斜线阴影部分为印刷低损耗导电银浆烧结而成的电极，通过手工平面印刷工艺制作，也可采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术工艺实现。并且第一辐射贴片5的切角位置和第二辐射贴片4的切角位置90度交错设置。第一辐射贴片5为方形实心贴片，第二辐射贴片4为方形环状贴片，第一辐射贴片5位于第二辐射贴片4中空内且两者中心重合，第一辐射贴片5和第二辐射贴片4的垂直平分线重合。在衬底基板2上设有同轴探针馈电7，同轴探针馈电7通过通孔从衬底基板2下表面的导电接地板8直接连接到衬底基板2上表面的第一辐射贴片5并发生电耦合，同轴探针馈电7下端与同轴射频接头9连接。第二辐射贴片4与第一辐射贴片5的间距以使两者相互产生电磁耦合，而不是直接与上述同轴探针馈电7电耦合；第一辐射贴片5的中心点、第二辐射贴片4的中心点和第一辐射贴片5与同轴探针馈电7的耦合点位于方形切角贴片未切角时正方形的垂直平分线上。
本单层基板的介电常数ε r为4.4较佳。同轴探针馈电7由电讯号直接耦合的方式予以激发第一辐射贴片5，以间接耦合的方式激励第二辐射贴片4，其中第二辐射贴片4作为天线部分接收及传送低频段讯号(本发明预设为2.7GHz)，第一辐射贴片5作为天线部分接收及传送高频段讯号(本发明预设为3.2GHz)。
如图1所示，第一辐射贴片5的边长为L1并且在馈电点处被馈电。第一辐射贴片天线的谐振频率基本上由第一辐射贴片5的边长L1来决定。当上述天线的波长为λ的时候，第一辐射切角贴片的边长L1为λ/2。同时参见图2，第一辐射贴片5、第二辐射贴片4的两个对角分别被以直角边长为S1、S2的等腰直角三角形6、3的形式所切掉。由于方形被切角，从馈电点到方形切角贴片两边的电长度不相等，因此将有两种谐振模式被获得，通过调整切角在方形的位置，可以得到两种幅度相等，互相垂直正交，相位相差90度的电磁波，从而实现不同的圆极化方式，如左旋圆极化或右旋圆极化。通过调整切角边长S1、S2，可以得到良好的圆极化轴比。
参见图1、图2和图3所示，双频带的谐振频率的阻抗匹配可通过调节同轴探针馈电7的位置来实现。另外，第二辐射贴片4的中心处为中空，故使用者也可适当调整第二辐射贴片环的宽度w，从而达到阻抗匹配目的。一般而言，环的宽度愈窄则第二辐射贴片4的阻抗愈高。由于第二辐射贴片4的中间为中空，第一辐射贴片5可置于第二辐射贴片4的中空处以达到节省电路面积的目的。
参考图3、图4和图5所示，采取在双频双极化微带天线的衬底基板2四周侧壁印刷银电极1，并与导电接地板8相连接，形成背腔电极，等效于增大天线导电接地板面积，从而在不增加天线体积或剖面积的前提下，较显著的提高单馈电点双频双极化微带天线的增益。第一辐射贴片5、第二辐射贴片4和背腔电极的材料均采用金属银。具体制备方法可采用丝网印刷工艺印刷在微波介质陶瓷衬底基板上。为防止银电极氧化，在两块辐射贴片和背腔电极表面喷金。为保护电极，在天线表面喷一层三防漆，起绝缘保护作用。
众所皆知，天线的工作频带宽度与天线衬底基板7厚度有关。因此，参考图3所示，为了得到使用者需要的频带宽度，可适当调节衬底基板7厚度H。一般而言，衬底基板厚度跟频带宽度成正比。但从物理意义上说，增大衬底基板的厚度，即增大微带贴片四周缝隙的宽度，从而增加了从谐振腔中辐射出的能量。但是厚度的增加会激励起更多的表面波模式，虽然表面波损耗也会降低Q值，但同时也降低了需要方向上的辐射，并且会改变天线的方向特性，因此基片厚度的增加只能在一定程度上进行，应折中考虑。本发明作为一个实施例的微带天线参数如下：H=1.6mm，L1=18.6mm，L2=50.4mm，S1=1.2mm，S2=4mm，D=4.5mm，w=0.15mm，其中H为衬底基板厚度。上述天线引入背腔电极时，分别工作于2.7GHz和3.2GHz频点时的增益分别如图6和图7所示，而未引入背腔电极时，分别工作于2.7GHz和3.2GHz频点时的增益分别如图8和图9所示。可见，常规方式设计的双频微带天线增益均小于3dB，而印刷背腔电极后，双频微带天线的两个工作频点增益可提高到5dB左右，在不增大天线体积和剖面厚度的前提下，较大程度地提高了天线的增益。依据本发明，通过对衬底基板材料特性、辐射贴片面积、同轴探针馈电的位置和衬底基板高度等参数的调整，也可以使天线的谐振频率和阻抗达到其他设计指标要求，形成既是效率高，增益大，方向性好的天线，可用于高性能卫星导航***接收机。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线,包括衬底基板（2），在衬底基板（2）上表面设置有辐射贴片，在衬底基板（2）下表面设置有导电接地板（8），在衬底基板（2）上竖直穿过有同轴探针馈电（7），该同轴探针馈电（7）上端与辐射贴片耦合，下端连接有同轴射频接头（9），所述辐射贴片由方形的第一辐射贴片（5）和环状的第二辐射贴片（4）构成，所述第一辐射贴片（5）位于第二辐射贴片（4）中空内且两者具有相同的中心，第一辐射贴片（5）和第二辐射贴片（4）垂直平分线重合，同轴探针馈电（7）与第一辐射贴片（5）直接连接发生电耦合，第二辐射贴片（4）与第一辐射贴片（5）相互电磁耦合，其特征在于，所述衬底基板（2）的侧壁包贴有电极（1），该电极（1）与所述导电接地板（8）相连接形成背腔电极。
2.根据权利要求1所述的小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于：所述衬底基板（2）为微波介质陶瓷基板，所述第一辐射贴片（5）、第二辐射贴片（4）、背腔电极的电极材料均为低损耗微波介质银浆，其均采用丝网工艺在衬底基板（2）表面进行电极印刷，并烧结而成。
3.根据权利要求1或2所述的小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于，所述第一辐射贴片（5）和第二辐射贴片（4）均为在对角位置对称切角的切角贴片，其中切角（3，6）均为等腰直角三角形。
4.根据权利要求3所述的小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于，所述第一辐射贴片（5）的切角位置和第二辐射贴片（4）的切角位置交错设置。
5.根据权利要求4所述的小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于，第一辐射贴片（5）和同轴探针馈电（7）的耦合点位于第一辐射贴片（5）的垂直平分线上。
6.根据权利要求1或2所述的小型化高增益单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于：所述的第一辐射贴片（5）、第二辐射贴片（4）、背腔电极的表面均镀金。
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