CN107482315B - 一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线，包括从下至上依次层叠设置的一层双面印刷有电路的印刷电路板、一层介质基板、三层介质片，所述三层介质片包括最上层的第一介质薄片、中间层的介质厚片、最下层的第二介质薄片，其中，所述第一介质薄片、所述第二介质薄片采用介电常数ε1的材料制作，所述介质厚片采用介电常数ε2的材料制作，ε1大于ε2，ε1为ε2的5倍以上。本发明相比于传统的介质谐振器天线有更高的增益和更低的剖面；相比于一般的介质贴片天线有更宽的带宽。

Description

一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线。

背景技术

因为减少了金属带来的欧姆损耗，介质谐振器天线相比于传统微带金属贴片天线拥有更高的辐射效率，该特性在毫米波频段的应用尤为显著。同时，介质谐振器天线设计灵活，可以根据需要采用不同的材料和设计不同的厚度。但是，相比于传统的金属微带贴片天线来说，介质谐振器天线也有其劣势，比如增益偏低，剖面较高，限制了其发展和应用。

近期，有学者提出了介质贴片天线的概念。这种天线在结构设计中利用高介电常数的薄介质贴片代替金属贴片，其辐射机理与金属微带贴片天线相似，因此介质贴片天线拥有与金属微带天线类似的高增益，比常规的介质谐振器天线高出约2dB，同时，因采用的薄介质片也使得该类天线具有较低的剖面高度。另一方面，介质贴片天线仍属于介质谐振器范畴，其场模式分布与常规介质谐振器无异。因为没有欧姆损耗，其辐射效率高于金属微带贴片天线(在毫米波频段尤为显著)。

尽管介质贴片天线具有较金属微带贴片天线更高的辐射效率，以及较常规介质谐振器天线更高的增益，其工作带宽却较窄。从其辐射机理类似于金属微带贴片角度而言，由于金属微带贴片天线带宽较窄，因而介质贴片天线的工作带宽也有限；从其本质上仍属于介质谐振器范畴而言，高介电常数的介质谐振器具有较高Q值因而也决定了介质贴片天线的带宽受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线，包括从下至上依次层叠设置的一层双面印刷有电路的印刷电路板、一层介质基板、三层介质片，所述三层介质片包括最上层的第一介质薄片、中间层的介质厚片、最下层的第二介质薄片，其特征在于，所述第一介质薄片、所述第二介质薄片采用介电常数ε1的材料制作，所述介质厚片采用介电常数ε2的材料制作，ε1大于ε2，ε1为ε2的5倍以上。通过增加第一和第二介质片可以获得比传统介质贴片更宽的带宽。其中，所述三层介质片、介质基板、印刷电路板均为矩形板状且中心重合，所述三层介质片的平面尺寸相同，所述介质基板、印刷电路板的平面尺寸相同，所述三层介质片的平面尺寸小于所述介质基板、所述印刷电路板的平面尺寸。

其中，所述印刷电路板的顶面设置一层金属地，且该层金属地的垂直中分面上具有一缝隙，所述印刷电路板的底面设置有一微带馈线，所述微带馈线自所述印刷电路板的一条边的中心起沿朝向对边的方向延伸，且所述缝隙在所述印刷电路板底面上的投影与所述微带馈线垂直相交。

实施本发明的宽带平坦增益的层叠介质贴片天线，具有以下有益效果：本发明的层叠介质贴片天线，相比于传统的介质谐振器天线有更高的增益和更低的剖面；相比于一般的介质贴片天线有更宽的带宽，在通带内能够维持稳定的增益，利于组成天线阵列。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明层叠介质贴片天线的实施例的分解图；

图2是本发明层叠介质贴片天线的剖视图；

图3是本发明层叠介质贴片天线的等效模型图；

图4是最下层的介质贴片的边长L1’与反射系数关系图；

图5是中间层的介质贴片的高度h4与反射系数关系图；

图6是一个具体实施例中天线的反射系数和增益的仿真和测试结果示意图；

图7是一个具体实施例中天线在E面和H面仿真测试方向图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图1-2，本发明的宽带高增益的层叠介质贴片天线包括从下至上依次层叠设置的：一层双面印刷有电路的印刷电路板300、一层介质基板200、三层介质片101-103。其中，所述三层介质片101-103包括最上层的第一介质薄片101、中间层的介质厚片102、最下层的第二介质薄片103。印刷电路板300、介质基板200、三层介质片101-103的五层结构从下到上的厚度分别为h1～h5，每层结构之间通过薄胶水压制粘连在一起，这些胶水对天线性能的影响可以忽略。

其中，所述第一介质薄片101、所述第二介质薄片103采用高介电常数ε1的材料制作，所述介质厚片102采用低介电常数ε2的材料制作，ε1远大于ε2，ε1为ε2的5倍以上。理论上，ε1、ε2的具体数值并不做限制，只要其比值较大即可，且ε1要远大于介质基板200的介电常数。

本实施例中，所述三层介质片101-103、介质基板200、印刷电路板300均为矩形板状且中心重合。为了方便装配时对准，可以修改三层介质片的厚度使所述三层介质片101-103的平面尺寸相同，均为L1×L1。为了设计和制作简单，介质基板200和印刷电路板300都采用Rogers RO5880的材料来设计，且介质基板200、印刷电路板300的平面尺寸相同，均为L3×L3。本实施例中，所述三层介质片101-103的平面尺寸小于所述介质基板200、所述印刷电路板300的平面尺寸，即L1小于L3。

关于本发明的天线的馈电，具体的，所述印刷电路板300的顶面设置一层金属地303，且该层金属地303的垂直中分面上具有一缝隙301，缝隙301尺寸为S1×S2。所述印刷电路板300的底面设置有一50Ω的微带馈线302，微带馈线302的宽度为S3＝1.5mm，长度为L2＝26mm。具体的，所述微带馈线302自所述印刷电路板300的一条边的中心起沿朝向对边的方向延伸至超过缝隙301 3mm，即缝隙301在所述印刷电路板300底面上的投影与所述微带馈线302垂直相交。

在选取不同介电常数的介质时，会获得不同的品质因数Q；选取的介质的介电常数较高时，Q值较大，谐振器的带宽也就比较窄，增益虽然会有些许增加，但是随着频率的改变，增益会迅速降低，此时介质贴片天线的性能就非常类似于金属贴片天线；随着介电常数的降低，Q值逐渐降低，天线的带宽也逐渐展宽，虽然最大增益有所降低，但是可以在一个较宽的频带内保持一个较高的水准。一个具体实施例中，同时考虑带宽和增益，选择了表1中所示的材料来设计天线。其次，为了方便转配和测试，利用介质天线加工的灵活性，选取不同的厚度使得层叠结构的平面尺寸保持一致，大大降低了装配时对准的难度。同时该天线的平面尺寸小于金属贴片，同时馈电结构简单，方便构成阵列。

表1

Parameters	h<sub>1</sub>	h<sub>2</sub>	h<sub>3</sub>	h<sub>4</sub>	h<sub>5</sub>	L<sub>1</sub>	ε<sub>1</sub>
								Values/mm	0.508	1.016	1	0.5	5	14.5	69
Parameters	S<sub>1</sub>	S<sub>2</sub>	S<sub>3</sub>	S<sub>4</sub>	L<sub>2</sub>	L<sub>3</sub>	ε<sub>2</sub>
								Values/mm	8.5	1	1.5	3	26	45	5.7

本实施例的原理如下：采用较低介电常数设计的介质厚片被夹在两层采用高介电常数的介质薄片之间。由于这两个介电常数之间的差别足够大，约5倍以上时可以将其分界面等效为理想磁壁。位于介质片之下的地平面则可以等效为理想的电壁。因此，本发明所提出的层叠介质贴片天线可以等效为如图3所示的分析模型。因为这种特殊的边界条件，同时可以分别激励起两个不同频率的TE11模。图4、5中给出了这款天线的两个关键参数的参数扫描，同时保持其他参数固定。在图4中给出了只改变第二介质薄片103的边长为L1’时的反射系数，可以看出，当L1’的大小从13.5mm增加到15.5mm时，低频的谐振点在逐渐向低频移动而高频的谐振点保持不变。在图5中给出了中间层的介质厚片选取不同高度时的反射系数，可以看出，当h4逐渐增加时，高频的谐振点在逐渐向低频移动而低频的谐振点保持不变。但是，如果改变任意一种材料，介电常数的变化都会造成边界条件的改变，会对两个谐振频率都造成影响。这个现象也证明了两个谐振频率与边界条件是相关的。这种设计的意义在于可以两个谐振点可以独立控制，有利于天线的设计。

为了证实以上的设计，图6中给出了反射系数和增益的仿真和测试结果，从图中可以看出，阻抗带宽达到了18.2％，从5GHz到6GHz，略小于仿真结果，主要可能是因为装配带来的天线失配问题。测试的增益在整个频段平均能够达到7.2dBi。图7给出了此款天线在在5.2GHz和5.8GHz时的方向图(上面两幅是5.2GHz，下面两幅是5.8GHz)，图中虚线表示仿真结果，实线表示测试结果，可见测试结果和仿真结果相类似，测试时的交叉极化在E面和H面都小于-20dB，右边的图是H面主极化的方向图，是对称的。左边的图是E面的主极化方向图，略有不对称，造成的原因可能是侧面的馈电端口。

可见，本实施例设计的天线可以获得一个18.2％，|S11|<-10dB的阻抗带宽，平均增益在带内达到了7.2dBi，且天线拥有稳定的方向图，较宽的阻抗匹配和较高的增益，同时馈电结构简单，易于组阵。因为此款天线没有使用金属作为辐射单元，所以其设计理念也可以应用在毫米波***中。

综上所述，实施本发明的宽带高增益的层叠介质贴片天线，具有以下有益效果：相比于一般的介质谐振器天线有更高的增益和更低的剖面；相比于传统的介质贴片天线有更宽的带宽及更平坦的增益。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种宽带平坦增益的层叠介质贴片天线，其特征在于，结构包括从下至上依次层叠设置的一层双面印刷有电路的印刷电路板、一层介质基板、三层介质片，所述三层介质片包括最上层的第一介质薄片、中间层的介质厚片、最下层的第二介质薄片，其中，所述第一介质薄片、所述第二介质薄片采用介电常数ε1的材料制作，介质厚片采用介电常数ε2的材料制作，ε1大于ε2，ε1为ε2的5倍以上，第一介质薄片与介质厚片构成了第一个介质谐振器结构，第二介质薄片与介质基板构成了第二个介质谐振器结构。

2.根据权利要求1所述的宽带平坦增益的层叠介质贴片天线，其特征在于，所述三层介质片的平面尺寸相同，所述介质基板、印刷电路板的平面尺寸相同，所述三层介质片的平面尺寸小于所述介质基板、所述印刷电路板的平面尺寸。

3.根据权利要求1所述的宽带平坦增益的层叠介质贴片天线，其特征在于，所述印刷电路板的顶面设置一层金属地，且该层金属地的垂直中分面上具有一缝隙，所述印刷电路板的底面设置有一微带馈线，所述微带馈线自所述印刷电路板的一条边的中心起沿朝向对边的方向延伸，且所述缝隙在所述印刷电路板底面上的投影与所述微带馈线垂直相交。

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