CN102738572A - 宽带定向微带贴片天线 - Google Patents

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杨汶汶
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Abstract

本发明公开了一种宽带定向微带贴片天线，从下到上依次设有第一介质层和设在第一介质层上的微带馈线网络、第二介质层和设在第二介质层上的开缝的接地面、第三介质层和设在第三介质层上的辐射贴片阵列。本发明宽带定向微带贴片天线，加工简单且易于安装。

Description

宽带定向微带贴片天线
技术领域
本发明属于通信技术应用领域，具体涉及一种宽带定向微带贴片天线。
背景技术
近年来，无线通信技术得到了快速发展，并获得了广泛应用。天线是无线通信***的关键部件。现代通信***要求低成本、易制作、易于与其他微波射频平面电路集成的天线。目前低频通信已经趋向饱和，于是，高频段、定向辐射、易制作、易集成的天线成为新的研究热点之一。
微带贴片可以实现垂直极化或者水平极化的定向辐射，单个微带贴片辐射增益有限，可以采用串馈阵列或者并馈阵列提高辐射增益。但是微带贴片天线具有极窄的频带，串馈技术不利于调整阵元的相位从而难以实现天线的波束下倾。
H形缝隙馈电结构能有效的展宽带宽，其馈电网络和辐射贴片由开缝金属接地面隔开，馈线寄生辐射弱，交叉极化水平低。并联缝隙馈电则可以灵活调整阵元的相位，实现天线的波束下倾。
现有的微带贴片天线阵列多采用多层结构，馈电网络与开缝接地面之间用介质板填充，而缝隙与辐射贴片间常用泡沫或者空气作为填充以展宽带宽，这种结构增加了加工的复杂性，不利于天线的安装固定。
在应用于基站天线等场合中，天线多安置在高处，为了加强覆盖区域信号强度，现在多采用机械下倾的方式，这种方式增加了安装的复杂性。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种宽带定向微带贴片天线，加工简单且易于安装。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种宽带定向微带贴片天线，由下到上依次设有微带馈线网络、第一介质层、金属接地面、第二介质层和辐射贴片阵列。
进一步地，所述金属接地面上开有若干H形的缝隙。
进一步地，所述第一介质层的背面还连接金属反射板。更进一步地，所述第一介质层的背面与金属反射板通过定距螺母相连。
进一步地，所述微带馈线网络包括开路微带馈线，该开路微带馈线通过第一阻抗变换器与第一馈线相连，第一馈线通过第二阻抗变换器连接第二馈线，第二馈线还连接第三馈线，该第三馈线延伸至所述第一介质层的一端；开路微带馈线通过开缝对辐射贴片阵列耦合馈电。
进一步地，还包括设在第一介质层和第二介质层一端的第一焊盘和第二焊盘，该第一焊盘、第二焊盘和金属接地面的对应位置设有若干金属化通孔，第一焊盘和第二焊盘通过金属化通孔与金属接地面相连。
进一步地，为实现波束下倾，所述第一馈线与第二阻抗变换器的连接点偏离第一馈线的中点，第二馈线与第三馈线的连接点偏离第二馈线的中点。
进一步地，所述第一介质层和第二介质层的材料均相同。所述材料优选泰康尼克。更优选地，所述泰康尼克的介电常数为2.55。
有益效果：本发明基于印刷PCB工艺，采用具有垂直极化和水平极化定向辐射特性的微带贴片辐射阵列，通过H形缝隙并联馈电，设计出带15°倾角的垂直极化和水平极化宽带定向微带贴片天线。
缝隙并馈微带贴片阵列呈单板平面结构，所用介质层均为介电常数为2.55的Taconic(泰康尼克)，易于采用标准PCB工艺加工，加工精度高、成本低、安装方便，易于批量生产。
辐射贴片阵列与微带馈电网络处于不同层，可以减小布板面积，易于灵活组阵；辐射贴片阵列与微带馈电网络之间的开缝的接地面的存在大大增加了辐射贴片阵列与微带馈电网络之间的隔离度；H形缝隙馈电的方式有效的展宽了工作带宽，改善了交叉极化性能；辐射贴片阵列与微带馈电网络可以分开设计，设计步骤简单。
垂直极化定向微带贴片天线和水平极化定向微带贴片天线的分别实现有效保证了极化分集，在基站天线应用中，该天线因具有15°波束下倾，可避免安装机械下倾装置而采用直接悬挂或张贴固定，使得安装简单方便。
在高频段，例如在C频段，垂直极化和水平极化的宽带定向微带贴片天线具有良好的应用前景。
附图说明
图1为垂直极化宽带微带贴片天线整体结构示意图；
图2为垂直极化宽带微带贴片天线各层平面结构示意图；
图3为水平极化宽带微带贴片天线整体结构示意图；
图4为水平极化宽带微带贴片天线各层平面结构示意图；
图5为实施例中工作在6-6.5GHz的垂直极化宽带微带贴片天线的输入端口反射系数测试结果图；
图6为实施例中工作在6-6.5GHz的垂直极化宽带微带贴片天线的E面及H面辐射方向图测试结果图；
图7为实施例中工作在6-6.5GHz的水平极化宽带微带贴片天线的输入端口反射系数测试结果图；
图8为实施例中工作在6-6.5GHz的水平极化宽带微带贴片天线的E面及H面辐射方向图测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明中的微带贴片天线，分别具有垂直极化和水平极化定向辐射特性。
如图1所示，垂直极化微带贴片天线的辐射部分包括：第一介质层100和设在第一介质层100上表面的辐射贴片阵列1、位于第一介质层100下方的开有H形缝隙9的金属接地面2、位于金属接地面2下方的第二介质板300，该第二介质板300的背表面设有微带馈线网络3。如图2所示，开路微带馈线10通过H形缝隙9对辐射贴片阵列1耦合馈电，此馈电方式可以有效的展宽工作带宽并改善交叉极化性能。开路微带馈线10交汇处通过四分之一阻抗变换线11与100欧姆馈线12相连接，馈线12交汇处通过四分之一阻抗变换线13与100欧姆馈线14相连接，连接点偏离馈线12的中点以引入贴片单元间的均匀相位差，馈线14交汇处与50欧姆微带线15相连接，连接点偏离馈线14的中点以引入贴片单元间的均匀相位差，上述两处引入的相位差使得贴片单元的相位呈等差分布，从而实现了15°的波束下倾角。馈线15延伸至介质层一端，焊盘16通过接地金属化通孔17与金属接地面2相连接，外接50欧姆SMA接头(未图示)与馈线15和焊盘16可以构成匹配连接。天线的辐射部分与金属反射板4通过定距螺母相连接以减小天线的背向辐射。
如图3所示，水平极化微带贴片天线的辐射部分包括：第三介质层500和设在第三介质层500上表面的辐射贴片阵列5、位于第三介质层500下方的开有H形缝隙18的金属接地面6、位于金属接地面6下方的第四介质板700，该第四介质板300的背表面设有微带馈线网络7。如图4所示，开路微带馈线19通过H形缝隙18对贴片单元耦合馈电，此馈电方式可以有效的展宽工作带宽并改善交叉极化性能。馈线19交汇处通过四分之一阻抗变换线20与100欧姆馈线21相连接，馈线21交汇处通过四分之一阻抗变换线22与100欧姆馈线23相连接，连接点偏离馈线23的中点以引入贴片单元间的均匀相位差，馈线23交汇处与50欧姆微带线24相连接，连接点偏离馈线23的中点以引入贴片单元间的均匀相位差，上述两处引入的相位差使得贴片单元间的相位呈等差分布，从而实现了15°的波束下倾角。馈线24延伸至介质层一端，焊盘25通过接地金属化通孔26与金属接地板6相连接，外接50欧姆SMA接头(未图示)与馈线24和焊盘25可以构成匹配连接。天线的辐射部分与金属反射板8通过定距螺母相连接以减小天线的背向辐射。
实施例1：带15°倾角的垂直极化宽带微带贴片天线
天线结构如图1所示，各层结构如图2所示。带金属反射板4的天线总尺寸为105mm×59mm×15.5mm(L×W×H)。辐射贴片阵列1与金属接地面2之间的介质层厚度为2mm，金属接地面2与微带馈线网络3之间的介质层厚度为1mm，作为介质层的介质基片的介电常数均为2.55的Taconic(泰康尼克)。贴片单元横向间距为25mm，纵向间距为24mm。金属接地面2上开有5.5mm×5mm的H形缝隙9，缝宽为1mm。开路微带线10纵向尺寸为9.5mm，横向尺寸等同于贴片单元横向间距为25mm，线宽为1mm。四分之一阻抗变换线11、四分之一阻抗变换线13的尺寸分别为7.5mm×1.8mm和8.2mm×1.5mm。100欧姆微带线12尺寸为8mm×0.73mm，四分之一阻抗变换线13与100欧姆微带线12的连接点偏离100欧姆微带线12中点的长度为2mm，50欧姆微带线15与馈线14的连接点偏离馈线14中点的长度为4mm。焊盘16尺寸为8mm×6mm，焊盘边缘距离50欧姆微带线15的距离为2mm，金属化通孔17的直径为0.8mm。实测天线工作于6-6.5GHz，输入端反射系数和方向图测试结果分别示于图5、图6，其中，天线增益在工作频段内增益均大于12dB。
实施例2：带15°倾角的水平极化宽带微带贴片天线
天线结构如图3所示，各层结构如图4所示。带金属反射板8的天线总尺寸为111mm×51mm×15.5mm(L×W×H)。辐射贴片阵列5与金属接地面6之间的介质层厚度为2mm，金属接地面6与微带馈线网络7之间的介质层厚度为1mm，作为介质层的介质基片均为介电常数为2.55的Taconic(泰康尼克)。贴片单元横向间距为22mm，纵向间距为25mm。金属接地面6上开有5.5mm×4.5mm的H形缝隙18，缝宽为1mm。开路微带线19横向尺寸为9mm，纵向尺寸等同于贴片单元纵向间距为25mm，线宽为1mm。四分之一阻抗变换线20、四分之一阻抗变换线22的尺寸分别为7mm×1.6mm和7.4mm×2.1mm。100欧姆微带线21尺寸为7mm×0.8mm，四分之一阻抗变换线20与100欧姆微带线19的连接点偏离100欧姆微带线19中点的长度为2mm，50欧姆微带线24与馈线23的连接点偏离馈线23中点的长度为4mm。焊盘25尺寸为5mm×4mm，焊盘边缘距离50欧姆微带线24的距离为2mm，金属化通孔26的直径为0.8mm。实测天线工作于6-6.5GHz，输入端反射系数和方向图测试结果分别示于图7、图8，其中，天线增益在工作频段内增益均大于12dB。

Claims (10)

1.一种宽带定向微带贴片天线，其特征在于：由下到上依次设有微带馈线网络、第一介质层、金属接地面、第二介质层和辐射贴片阵列。
2.根据权利要求1所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述金属接地面上开有若干H形的缝隙。
3.根据权利要求1所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述第一介质层的背面还连接金属反射板。
4.根据权利要求3所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述第一介质层的背面与金属反射板通过定距螺母相连。
5.根据权利要求1所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述微带馈线网络包括开路微带馈线，该开路微带馈线通过第一阻抗变换器与第一馈线相连，第一馈线通过第二阻抗变换器连接第二馈线，第二馈线还连接第三馈线，该第三馈线延伸至所述第一介质层的一端；开路微带馈线通过开缝对辐射贴片阵列耦合馈电。
6.根据权利要求1所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：还包括设在第一介质层和第二介质层一端的第一焊盘和第二焊盘，该第一焊盘、第二焊盘和金属接地面的对应位置设有若干金属化通孔，第一焊盘和第二焊盘通过金属化通孔与金属接地面相连。
7.根据权利要求5所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述第一馈线与第二阻抗变换器的连接点偏离第一馈线的中点，第二馈线与第三馈线的连接点偏离第二馈线的中点。
8.根据权利要求1所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述第一介质层和第二介质层的材料均相同。
9.根据权利要求8所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述材料为泰康尼克。
10.根据权利要求9所述宽带定向微带贴片天线，其特征在于：所述泰康尼克的介电常数为2.55。
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