CN102299418B

CN102299418B - 多层宽频微带天线

Info

Publication number: CN102299418B
Application number: CN 201110160593
Authority: CN
Inventors: 陈彭
Original assignee: Jimei University
Current assignee: Jimei University
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: CN102299418A

Abstract

本发明公开了一种多层宽频微带天线，它包括上层介质基板、中间层介质基板、下层介质基板、上层低介电常数绝缘介质层、下层低介电常数绝缘介质层、反射板和馈电探针。其中上层介质基板下表面和中间层介质基板上表面附有金属铜贴片矩形辐射器，辐射器分别具有大小不同的U型缝隙结构。由于本发明特殊的双层倒置U型缝隙耦合馈电方式，可使天线的E面或H面方向图对称性更好，保证天线在更多方向上性能更加一致，无论作为探测还是通信天线更有现实意义。而EBG结构的反射板在指定的频率相对传统金属反射板可更好的抑制后向辐射，提升天线的指向性，进一步提高天线增益。

Description

多层宽频微带天线

技术领域

本发明涉及的是一种双导线微波传输线的辐射终端，特别涉及一种多层宽频微带天线。

背景技术

无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用无线技术，替代传统有线局域网的所有功能，使局域网的组网和使用更加灵活、便利。

IEEE802.11是第一代无线局域网标准之一。该标准定义了物理层和媒体访问控制(MAC)协议的规范，允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。该标准下有多个协议组，其中IEEE802.11a、IEEE802.11n、IEEE802.11p等多个扩展协议可工作在5GHz-6GHz的频段上。

随着无线局域网与无线宽带接入设备的普及，越来越多的无线通信终端或电子产品已经不能缺少无线局域网技术的参与，这同时也对无线局域网设备（或模块）提出了小型化、高性能等多方面的要求。

作为无线辐射终端，天线的尺寸和性能很大程度上决定了通信设备的小型化和通信性能。目前广泛应用的各种天线中，微带天线有体积小重量轻适合与载体共形等特点，但传统微带天线有着阻抗带宽相对较窄的缺点。随着近、现代微带天线结构、设计方法上的创新，利用缝隙耦合技术、叠层技术等手段可以有效的提升天线的阻抗带宽。但利用缝隙耦合技术、叠层技术势必改变天线原有的辐射结构，激起表面波等干扰因素，使方向图上产生后瓣、旁瓣，带来天线方向图性能的下降，影响微带天线在一些强指向性场景中的应用。所以对天线方向图的优化设计就显得十分必要。

电磁带隙( Elec tromagnetic Bandgap,EBG)结构是近年来研究的热点之一。由于其形成的频率带隙能有效抑制天线的表面波,提高辐射效率,被广泛地应用于微带天线的设计中。决定天线性能的参数指标主要有工作带宽（Working bandwidth）、辐射方向图（Radiation Pattern）、回波损耗（Return Loss）和天线增益（Antenna Gain）。天线方向图决定了天线的发射接收性能，特定应用场景的天线应具有方向指向性好的特点，所以抑制方向图后瓣和旁瓣是指向性天线一个重要的技术特点。EBG结构反射板可以很好的抑制天线方向图后瓣，改善方向图特性。此外，对于后瓣和旁瓣的抑制也可以提升主辐射方向上的增益，有效提高天线的有效辐射，抑制干扰。

本发明中所述的EBG结构为平面结构，利用PCB工艺很容易得到周期EBG结构，制作EBG反射板。对于目前已有的EBG结构，例如200910036654.9的专利申请发明方案所涉及的EBG结构，实施本发明所述的EBG结构可采用更简捷、更普遍的工艺流程，从而有效的降低天线成本，提高性能稳定度，缩短产品周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易于实现、加工生产成本低、工作频带宽、增益高、方向图指向性好、可以使用在无线局域网通信设备、卫星与地面通信、探测等领域的且兼容性好的多用途多层宽频微带天线。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种多层宽频微带天线，它包括上层介质基板、中间层介质基板、下层介质基板、上层低介电常数绝缘介质层、下层低介电常数绝缘介质层和馈电探针；所述的上层介质基板的下表面附有作为辐射器的上层矩形金属贴片，该上层矩形金属贴片开设有U型槽；中间层介质基板上表面同样附有作为耦合器的中间矩形金属贴片，中间矩形金属贴片开设有U型槽；所述的中间层介质基板下表面整体附有金属接地层，在金属接地层中心设有小圆孔；在上层介质基板与中间层介质基板之间夹有上层低介电常数绝缘介质层；紧贴着中间层介质基板下表面为下层介质基板，下层介质基板的下表面为天线的馈电结构；金属探针垂直贯穿中间层介质基板、下层介质基板且位于中间层介质基板、下层介质基板中心位置，其长度等于两基板厚度和，其直径略小于金属接地层中心小圆孔，馈电探针与中间层介质基板上表面中间矩形金属贴片和下层介质基板下表面的馈电微带线分别焊接，形成馈电辐射通路；在下层介质基板下表面紧贴下层低介电常数绝缘介质层，下层低介电常数绝缘介质层的下层为反射板；所述的反射板为带有EBG结构的反射板；所述的上层介质基板下表面的上层矩形金属贴片上的U型槽与中间层介质基板上表面中间矩形金属贴片上的U型槽槽口相对，为缝隙耦合方式。

所述的附在最上层介质基板下表面的上层矩形金属贴片上的U型槽由两条垂直矩形开槽和一条水平矩形开槽拼接而成，其拼接形状类似英文大写字母“U”；所述的中间层介质基板上表面中间矩形金属贴片上的U型槽由两条垂直矩形开槽和一条水平矩形开槽拼接而成，其尺寸小于上层矩形金属贴片上的U型槽。

所述的带有EBG结构的反射板上有序的周期性排列着EBG孔，其中单个EBG孔由15个固定排列、尺寸一致的矩形孔构成，EBG孔与EBG孔之间在横向和纵向上有着固定间隔，且EBG孔尺寸和EBG孔间隔应使EBG结构周期为四分之一至四分之三的截止波长。

本发明所有金属贴片辐射器、EBG反射板、接地板、微带馈线及其基板均采用印制电路板工艺实现。介质基板可采用微波介质板或PCB板材实现，低介电常数绝缘介质层可用悬空的方法（空气层）或用泡沫或其他电性能相似材料实现。基板与低介电常数绝缘介质层的粘合可采用低介电常数粘胶溶剂，或外部紧固形式。

采用上述方案后，由于本发明特殊的双层倒置U型缝隙耦合馈电方式，可使天线的E面或H面方向图对称性更好，保证天线在更多方向上性能更加一致，无论作为探测还是通信天线更有现实意义。而EBG结构的反射板在指定的频率相对传统金属反射板可更好的抑制后向辐射，提升天线的指向性，进一步提高天线增益。本发明特殊的EBG反射板平面结构也为加工制作EBG结构天线反射板提供了方便。

本发明兼容IEEE802.11标准下多种无线局域网协议，可作为其协议标准的无线设备收发天线使用；本发明工作频带位于卫星通信频段，也可作为卫星或地面通信天线或探测天线使用。应用本发明可以有效的提高微带天线带宽，大幅改善天线方向图特性，使天线指向性更强，增益更高，满足通信、探测、测速、测距、成像等应用。本发明实施简单，加工容易，工艺复杂度低，可有效降低生产成本，其应用范围较广。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的轴测图；

图2是本发明一种实施方式的侧视图；

图3是本发明一种实施方式上层介质基板的俯视图；

图4是本发明一种实施方式中间层介质基板的俯视图；

图5是本发明一种实施方式金属接地层的俯视图；

图6是本发明一种实施方式下层介质基板下表面的仰视图；

图7是本发明一种实施方式金属反射板的俯视图；

图8是本发明一种实施方式驻波比的测量数据图；

图9是本发明一种实施方式天线E面H面方向图（工作频率5.55GHz）。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是一种多层宽频微带天线，它包括上层介质基板1、中间层介质基板2、下层介质基板3、上层低介电常数绝缘介质层4、下层低介电常数绝缘介质层5、馈电探针6、上层矩形金属贴片7、中间矩形金属贴片8、金属接地层9、反射板10。

所述的上层介质基板1的下表面附有作为辐射器的上层矩形金属贴片7，该上层矩形金属贴片7开设有U型槽71（如图3所示）。中间层介质基板2上表面同样附有作为耦合器的中间矩形金属贴片8，中间矩形金属贴片8开设有U型槽81（如图4所示），其尺寸与上层矩形金属贴片7不同；所述的中间层介质基板2下表面整体附有金属接地层9，在金属接地层9中心设有圆孔91（如图5所示）；在上层介质基板1与中间层介质基板2之间夹有上层低介电常数绝缘介质层4；紧贴着中间层介质基板2下表面为下层介质基板3，下层介质基板3的下表面为天线的馈电结构；金属探针6垂直贯穿中间层介质基板2、下层介质基板3且位于中间层介质基板2、下层介质基板3中心位置，其长度等于两基板厚度和，其直径略小于金属接地层9中心小圆孔91，馈电探针6与中间矩形金属贴片8和馈电微带线20分别焊接，形成馈电辐射通路。馈电探针6为表面光洁导电性良好的金属圆柱。焊接时保证连接良好，焊点在金属贴片内并尽量平整小巧。

所述的上层介质基板1、中间层介质基板2、下层介质基板3厚度均为1.5mm。上层介质基板1、下层介质基板3介电常数为，中间层介质基板2介电常数

Figure 2011101605934100002DEST_PATH_IMAGE004

。上层低介电常数绝缘介质层4、下层低介电常数绝缘介质层5为介电常数

Figure 2011101605934100002DEST_PATH_IMAGE006

的泡沫。

所述的上层介质基板1下表面的上层矩形金属贴片7上的U型槽71与中间层介质基板2上表面中间矩形金属贴片8上的U型槽81槽口相对，为缝隙耦合方式，即，“U”型开槽方向相差180度，且从自顶向下的透视视角观察，小“U”型槽在大“U”型槽内部，其形式类似汉字中“回”字：小“口”在大“口”内部。

所述的附在最上层介质基板1下表面的上层矩形金属贴片7上的U型槽71由两条垂直矩形开槽711和一条水平矩形开槽712拼接而成，其拼接形状类似英文大写字母“U”；所述的中间层介质基板2上表面中间矩形金属贴片8上的U型槽81由两条垂直矩形开槽811和一条水平矩形开槽812拼接而成，其尺寸小于上层矩形金属贴片7上的U型槽71。

如图3所示，附着在上层介质基板1下表面的上层矩形金属贴片7，厚度0.043mm，W=17.5，L=16.5。上层矩形金属贴片7上有 “U”型孔槽71，槽孔暴露出上层介质基板1的下表面局部（d=2mm，h=12mm，h1=2.3mm，h2=5mm），其中上层矩形金属贴片7、U型槽71及上层介质基板1部分采用印制电路板工艺实现。

如图4所示，附着在中间层介质基板2上表面的中间矩形金属贴片8，厚度0.043mm，W=8.5，L=16。金属贴片上有反U型槽81，槽孔暴露出中间层介质基板2的上表面局部（d=1.1mm，h=7.5mm，h1=5mm，h2=2mm，h3=7mm）。其中中间矩形金属贴片8、反“U”型槽以及中间层介质基板2采用印制电路板工艺实现。在中间层介质基板2中心处直径为0.5mm的馈电探针6垂直贯穿中间层介质基板2，与附着在中间层介质基板2表面的中间矩形金属贴片8焊接。

如图5所示，在中间层介质基板2下表面上全部附着金属接地层9，厚度0.043mm。在金属接地层9中心处有直径为1mm的小圆孔91，小圆孔91暴露出中间层介质基板2的下表面局部。其中，中间层介质基板2上、下表面的金属贴片、接地层以及槽孔部分均采用印制电路板工艺实现。

参照图6，馈电微带线20附着在下层介质基板3下表面。所述的馈电微带线20矩形焊盘和金属微带线拼接构成。微带馈电线由下层介质基板3一端延伸至基板中心位置，在中心位置处呈矩形焊盘。其焊盘201的中心与下层介质基板3中心重合。微带馈电线20各个部分尺寸参数为：d=1.4mm,d1=2.6mm， l1=25.9mm, l2=4.8mm。馈电探针6在下层介质基板3中心处垂直贯穿下层介质基板3与馈电微带线20。馈电探针6与馈电微带线20之间采用焊接连接，焊接工艺应保证表面光洁导电性良好，保证连接良好焊点在金属薄片内部并尽量平整小巧。其中金属贴片、馈电微带线20、接地板、槽孔部分以及基板部分采用印制电路板工艺实现。

如图7所示，所述的反射板10为带有EBG结构的反射板10，其应具有周期性的EBG孔结构特点，在金属反射板上有序的周期性排列着EBG孔，EBG孔与EBG孔之间在横向和纵向上有着固定间隔，其中单个EBG孔由15个固定排列、尺寸一致的矩形孔构成。其EBG孔尺寸和EBG孔间隔应使EBG结构周期为四分之一至四分之三的截止波长，较佳值为二分之一的截止波长。此EBG反射板具有PCB平面结构特点，很容易使用PCB工艺实现。在本实施例中，EBG孔101共有4×7个，横向和纵向(自顶向下)的孔间隔分别为0.1mm和0.2mm，单个EBG孔101由15个边长分别为a、b的矩形孔构成。

结合图1、图2所示，下层介质基板3与反射板10之间是下层低介电常数绝缘介质层5（泡沫），介电常数

，厚度为6.5mm。所有基板、泡沫、反射板长宽一致，长为23.7mm宽为16.5mm。并且长宽可以根据应用环境要求任意放大或略微减小。只需保证中心位置一致，并延长馈电微带线20即可。

此发明多层宽频微带天线有良好的阻抗带宽及辐射特性。图8为本发明一种较佳实施例的多层宽频微带天线的驻波比测量数据图。当天线工作中心频率为5.38GHz若以驻波比VSWR<2为基准从4.76GHz到6GHz达到了1.24GHz，相对带宽达到23%。

图9为本发明一种较佳实施例的多层宽频微带天线5.38GHz方向图。从图中可得知，本发明一种多层宽频微带天线有相当优良的指向性辐射场和低后瓣特性，且增益相对较高，足以满足使用者的需求。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明实施各种相应的变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种多层宽频微带天线，它包括上层介质基板、中间层介质基板、下层介质基板、上层低介电常数绝缘介质层、下层低介电常数绝缘介质层和馈电探针；所述的上层介质基板的下表面附有作为辐射器的上层矩形金属贴片，该上层矩形金属贴片开设有U型槽；中间层介质基板上表面同样附有作为耦合器的中间矩形金属贴片，中间矩形金属贴片开设有U型槽；所述的中间层介质基板下表面整体附有金属接地层，在金属接地层中心设有小圆孔；在上层介质基板与中间层介质基板之间夹有上层低介电常数绝缘介质层；紧贴着中间层介质基板下表面为下层介质基板，下层介质基板的下表面为天线的馈电结构；金属探针垂直贯穿中间层介质基板、下层介质基板且位于中间层介质基板、下层介质基板中心位置，其长度等于两基板厚度和，其直径略小于金属接地层中心小圆孔，馈电探针与中间层介质基板上表面中间矩形金属贴片和下层介质基板下表面的馈电微带线分别焊接，形成馈电辐射通路；在下层介质基板下表面紧贴下层低介电常数绝缘介质层，下层低介电常数绝缘介质层的下层为反射板；其特征在于：所述的反射板为带有EBG结构的反射板；所述的上层介质基板下表面的上层矩形金属贴片上的U型槽与中间层介质基板上表面中间矩形金属贴片上的U型槽槽口相对，为缝隙耦合方式；所述的附在最上层介质基板下表面的上层矩形金属贴片上的U型槽由两条垂直矩形开槽和一条水平矩形开槽拼接而成，其拼接形状类似英文大写字母“U”；所述的中间层介质基板上表面中间矩形金属贴片上的U型槽由两条垂直矩形开槽和一条水平矩形开槽拼接而成，其尺寸小于上层矩形金属贴片上的U型槽；所述的带有EBG结构的反射板上有序的周期性排列着EBG孔，其中单个EBG孔由15个固定排列、尺寸一致的矩形孔构成，EBG孔与EBG孔之间在横向和纵向上有着固定间隔，且EBG孔尺寸和EBG孔间隔应使EBG结构周期为四分之一至四分之三的截止波长。