CN105514598A - 一种小型的共面波导馈电的宽带天线 - Google Patents

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张强
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Abstract

本发明公开了一种小型的共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板，所述介质基板的厚度为1.6mm，所述介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，所述辐射贴片的左右两侧相对称地设置有与所述辐射贴片成一体的三级阶梯结构，所述辐射贴片的下端与馈电网络相连接，所述接地板相对称地设置在所述馈电网络的左右两侧，所述接地板上相对应的设置有与接地板成一体的调谐枝节。本发明宽带天线的工作频带覆盖8.6-12.1GHz，在有效带宽内，天线均达到良好的阻抗匹配；该天线结构简单、尺寸小巧、易于制作，适用于无线通信***，有广阔的应用前景。

Description

一种小型的共面波导馈电的宽带天线
技术领域
本发明涉及一种宽带天线，更具体的说，是涉及一种小型的共面波导馈电的宽带天线。
背景技术
宽带天线，主要用来弥补窄带天线(如微带天线)带宽较窄的问题而得以提出和发展的，其重要的特性是宽频带、大范围覆盖。在无线通信***中，为了实现与其他通信设备的集成、使天线可同时工作于多种情形，因此天线的小型化和宽频带成为了研究的热点。而且，若很小的空间内布置多种天线，天线之间的干扰较为严重，又会影响通信质量，这也同样要求天线能有较宽的工作频带。
目前，宽带天线的设计和应用成为无线通信领域竞争的焦点之一。在宽带通信***中，天线的小型化、低成本、制作简单、易于集成等特点也成为评价天线实用性和性价比的重要指标。
共面波导馈电的宽带天线，其具有比微带天线更宽的带宽、较为稳定的方向性等优点。共面波导馈电的馈电方式使得天线的辐射贴片和接地板在同一平面内，这样可以有效降低天线的尺寸。而且，共面波导馈电的天线加工和调试方便、易于集成，使得其成为宽带天线研究与应用中很好的选择。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种小型的共面波导馈电的宽带天线，其工作频带覆盖8.6-12.1GHz，在有效带宽内，天线均达到良好的阻抗匹配；该天线结构简单、尺寸小巧、易于制作，适用于无线通信***，有广阔的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种小型的共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板，所述介质基板的厚度为1.6mm，所述介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，所述辐射贴片的左右两侧相对称地设置有与所述辐射贴片成一体的三级阶梯结构，所述辐射贴片的下端与馈电网络相连接，所述接地板相对称地设置在所述馈电网络的左右两侧，所述接地板上相对应的设置有与接地板成一体的调谐枝节。
所述调谐枝节的长度为10mm。
所述馈电网络的长度为8mm。
所述介质基板为环氧树脂板。所述介质基板的相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。所述介质基板的规格尺寸为30mm×28mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明宽带天线中辐射贴片、馈电网络和接地板均设置在介质基板的一侧，辐射贴片的左右两侧相对称地设置有与所述辐射贴片成一体的三级阶梯结构，接地板相对称地设置在所述馈电网络的左右两侧，接地板上相对应的设置有与接地板成一体的调谐枝节，以上设置使得该天线带宽为8.6-12.1GHz，有效带宽内的阻抗匹配程度良好，回波损耗在-18dB以下，最小为-26dB；可见，通过上述设置可以很大程度上改变辐射贴片上的电流分布特性，增加表面电流的长度，不仅可以减小天线尺寸，而且能够降低低频、改善有效带宽内的阻抗匹配程度，进而改善天线的性能。
2.本发明天线经过仿真分析，其带宽为8.6-12.1GHz，天线在有效带宽内回波损耗小于-10dB，电压驻波比VSWR<2，此外该天线既是宽带天线，又覆盖了超宽带天线的高频段(8.6-10.6GHz)，因此其能应用于多种情形，从而提高了该天线的实用性
3.本发明天线中各个部件及结构的尺寸均是通过仿真实验后精确设计得到，改变任何其中一个尺寸大小均会对本发明天线的性能产生影响，其中调谐枝节的长度为10mm，馈电网络的长度为8mm时，天线性能最为优异，整体设计合理，结构简单。
4.本发明天线具有良好的辐射性能和阻抗匹配，满足了宽带天线的设计要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的侧视结构示意图。
图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。
图4是不同结构辐射贴片的天线的回波损耗仿真结果。
图5是仅调谐枝节的长度不同的天线的回波损耗仿真结果。
图6是仅馈电网络的长度不同的天线的回波损耗仿真结果。
图7(a)、图7(b)和图7(c)为本发明天线分别在9GHz、10GHz和11GHz三个频率处的辐射方向图。
附图标记：1-介质基板2-辐射贴片3-馈电网络4-接地板5-调谐枝节
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1和图2所示，一种小型的共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板1，介质基板1由环氧树脂(FR4Epoxy)制成，其相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。
本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在规格尺寸为30mm×28mm的介质基板1上，介质基板1的厚度为1.6mm，辐射贴片2、馈电网络3和接地板4分别印刷在介质基板1的一侧，辐射贴片2的左右两侧相对称地刻蚀有与所述辐射贴片成一体的三级阶梯结构，辐射贴片2的下端与馈电网络3相连接，馈电网络3的长度为8mm，馈电方式采用共面波导馈电，输入阻抗为50Ω，接地板4相对称地设置在馈电网络3的左右两侧，接地板4上相对应的设置有与接地板4成一体的调谐枝节5，调谐枝节5的长度为10mm。
如图3所示：该图表示的是本发明天线经过优化设计后的具体尺寸参数，单位均为毫米，其中介质基板1的厚度为1.6mm。
为了研究本发明天线的相关特性，利用全波三维电磁仿真软件，对具有不同结构辐射贴片2及接地板1的天线(有、无对称的梯形结构及调谐枝节)进行仿真对比分析，得到天线的回波损耗。并对天线在9、10、11GHz频率处进行仿真，得到天线在其频率处的辐射方向图，并对仿真结果进行了分析。图4、图5和图6为不同结构或参数的天线的回波损耗仿真结果；图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为天线在9GHz、10GHz和11GHz频率处的辐射方向图仿真结果。
从图4可以看出，当接地板的结构相同，且接地板上相对应的设置有与接地板成一体的调谐枝节，而辐射贴片为不同结构时，天线的特性如回波损耗等将发生很大的变化：(1)当天线的辐射贴片无阶梯结构，即为完整的矩形时，天线带宽较窄，为9.8-11.8GHz。(2)当天线的辐射贴片具有二级对称的阶梯结构时，天线的回波损耗均在-10dB以上，无法达到实用天线的基本要求。(3)当天线的辐射贴片具有三级对称的阶梯结构，即本发明提出的结构时，天线带宽为8.6-12.1GHz，有效带宽内的阻抗匹配程度良好，回波损耗在-18dB以下，最小为-26dB。可见，当天线的辐射贴片和接地板均具有本发明所提出的结构时，可以很大程度上改变辐射贴片上的电流分布特性，增加表面电流的长度，不仅可以减小天线尺寸，而且能够降低低频、改善有效带宽内的阻抗匹配程度，进而改善天线的性能。
从图5可以看出，当辐射贴片相同，均具有对称的三级阶梯结构，而接地板上没有调谐枝节或调谐枝节的长度变化时，天线的特性如回波损耗等也会受到影响：(1)当无调谐枝节，即调谐枝节的长度为0mm时，天线有三个工作频段，即4.1-6.0GHz、7.1-9.6GHz及10.8-12.1GHz，且低频段和高频段阻抗匹配程度较差。(2)当调谐枝节长度为9mm时，天线的带宽为8.6-12.1GHz。(3)当调谐枝节的长度为10mm时，天线的带宽为8.6-12.1GHz，但与调谐枝节长度为9mm时相比，天线带宽内的阻抗匹配程度得到改善。(4)当调谐枝节的长度增加到11mm时，天线的带宽变窄且有少量的左移，覆盖8.5-11.2GHz。通过优化和对比分析可知，调谐枝节的长度发生变化时，对天线的性能如带宽、阻抗匹配程度等都会产生一定的影响，适当选择调谐枝节的长度大小，可以得到良好的天线性能，因而本实施例中调谐枝节长度为10mm。
从图6可以看出，馈电网络的长度大小也会影响天线的性能参数，保持天线的辐射贴片具有对称的三级阶梯结构、接地板具有调谐枝节：(1)当馈电网络的长度减为7mm时，天线的回波损耗均大于-10dB，不符合实用天线的要求。(2)当馈电网络的长度为8mm时，即为本发明提出的尺寸，天线有优异的性能。(3)当馈电网络的长度增加到9mm时，天线回波损耗小于-10dB的频段为8.5-11.6GHz，但是阻抗匹配程度较差。
通过以上几种不同结构和参数的天线的回波损耗仿真结果可以看出：辐射贴片和接地板的结构及相应参数都能够对天线的带宽及阻抗匹配程度产生作用，想要得到理想的天线，就必须设定合适的天线结构和参数，类似地，对天线其他参数进行优化，最终得到本发明的最优化尺寸(见图3)。
由图7(a)和图7(b)可知，本发明天线在E面和H面的辐射方向图分别呈近似倒“8”字形及蝴蝶形，且天线在9GHz、10GHz和11GHz三个频点处呈现出稳定的辐射方向特性。其中E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面。
综上：该天线在8.6-12.1GHz频段内的回波损耗小于-10dB，阻抗匹配程度良好，并且具有良好的辐射性能，满足宽带天线设计的要求。

Claims (6)

1.一种小型的共面波导馈电的宽带天线，包括矩形结构的介质基板，其特征在于，所述介质基板的厚度为1.6mm，所述介质基板的一侧分别设置有辐射贴片、馈电网络和接地板，所述辐射贴片的左右两侧相对称地设置有与所述辐射贴片成一体的三级阶梯结构，所述辐射贴片的下端与馈电网络相连接，所述接地板相对称地设置在所述馈电网络的左右两侧，所述接地板上相对应的设置有与接地板成一体的调谐枝节。
2.根据权利要求1所述的一种小型的共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述调谐枝节的长度为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种小型的共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述馈电网络的长度为8mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型的共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述介质基板为环氧树脂板。
5.根据权利要求1或4所述的一种小型的共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。
6.根据权利要求1或4所述的一种小型的共面波导馈电的宽带天线，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为30mm×28mm。
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