CN109193136B - 一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，包括介质基片、金属底板、辐射贴片、第一谐振单元、第二谐振单元和馈电体。介质基片一面接金属底板，另一面接两谐振单元，辐射贴片位于两谐振单元上方，第一谐振单元和第二谐振单元为同心结构。辐射贴片上开有两凹槽，开槽方向与构成第一谐振单元的矩形微带的方向垂直。辐射贴片外轮廓为矩形，其边长均大于半个在工作频带内的自由空间波长。组成天线的各层很薄，使得天线的剖面低。通过在辐射贴片上开槽，改变天线在高阶谐振模式下的电流分布和场分布，通过压低E面的副瓣和缩小H面的波束宽度，极大地提高了天线的增益。通过多个谐振单元耦合馈电引入多个谐振模式，提高了天线的工作带宽。

Description

一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，尤其是指一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线。

背景技术

近年来，随着无线通信的迅速发展，日渐复杂的应用场景，对无线通信***中的天线的带宽和其他性能的要求越来越高。

首先，由于应用环境的需要，现在的很多无线通信零部件都必须嵌入或者集成到一个很小的通信设备中，这就需要对这些零部件进行小型化设计；同时从市场产品的角度去考虑，实用的天线也应该具有剖面低、重量轻和加工容易等特点。其次，通信***的信号覆盖范围和距离受天线增益的影响，为了对抗传输损耗，在中远距离通信中要求天线具有较高的增益。目前高增益的天线形式有很多，如专利申请号为：201310122359.1，专利名称为《一种双频高增益同轴馈电贴片天线》的中国专利就提出了一种同时工作于2.45GHz和5.8GHz高增益天线，主要包括一个矩形薄层金属贴片，一个金属接地板以及EBG的两个覆层，天线实现了在2.40GHz-2.483GHz最高增益10dB,5.725GHz-5.875GHz最高增益8dB。但是采用EBG结构在提高增益的同时使得天线结构变得复杂。又如专利申请号为：201310610313.4，专利名称为《一种高增益双频基站天线》的中国专利也提出了一种高增益天线，主要包括两组U型贴片单元和经过两次弯折成Γ型的耦合馈线，天线实现了在2.3GHz-2.46GHz最高增益为9.5dBi,3.33GHz-3.73GHz最大增益为13.0dBi。但是采用了Γ型的耦合馈线使得天线的剖面变得很高。最后，为提高***集成度和降低成本，在实际应用中，往往需要多个不同频段的通信***共用一个天线，因此天线需要具备较宽的带宽。

总而言之，一个实用的天线，应具有良好的阻抗匹配特性、稳定的辐射方向性、相对平坦的增益特性，而且天线体积足够小，成本低廉，便于加工和安装。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：得到增益高且带宽的低剖面天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，包括介质基片、金属底板、辐射贴片、谐振单元组和馈电体，其中，介质基片一面接谐振单元组，介质基片另一面接金属底板，辐射贴片置于谐振单元组上方。

所述谐振单元组包括同心的第一谐振单元和第二谐振单元；所述第一谐振单元包括长条形矩形微带，长条形矩形微带两端分别设置有与矩形微带镜像的两个开口向内的U型枝节；所述第二谐振单元为条状微带环绕形成矩形环；所述第二谐振单元环绕第一谐振单元外侧；所述第一谐振单元通过所述馈电体与金属底板形成馈电连接；所述谐振单元组与所述辐射贴片之间相互耦合；所述辐射贴片上开有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽与所述第二开槽的开槽方向与所述第一谐振单元的矩形微带方向垂直；所述辐射贴片外轮廓为矩形，其边长A均大于半个在工作频带内的自由空间波长λ，即A>0.5λ。进一步的，所述辐射贴片为轴对称结构；所述第一开槽和所述第二开槽为矩形，长度大于10倍宽度，两槽的开槽方向的中线过所述辐射贴片中心。进一步的，所述辐射贴片中心与所述谐振单元组中心在所述金属底板上的投影重合。进一步的，所述第二谐振单元的两条边与所述第一谐振单元的长条形矩形微带方向平行。进一步的，构成所述谐振单元组的微带宽度为α，其中，0.5mm≤α≤3.5mm。进一步的，所述第二谐振单元的微带总长度为β，其中，0.5λ≤β≤λ。进一步的，所述第一谐振单元能形成两个对称的支路电流，一个电流支路长度为γ，其中，0.2λ≤γ≤0.5λ。进一步的，所述馈电体为同轴线内导体，所述金属底板上开一小孔，同轴线内导体穿过该小孔与所述第一谐振单元连接。进一步的，所述辐射贴片的外部轮廓呈圆形，其直径为Φ，其中Φ>0.5λ。进一步的，所述介质基片是空气。

本发明的有益效果在于：天线为层状结构，各层材料很薄，进而使得天线的剖面很低。通过在辐射贴片上开槽，改变天线在高阶谐振模式下的电流分布和场分布，通过压低E面的副瓣和缩小H面的波束宽度，极大地提高了该贴片天线增益，同时通过多个谐振单元耦合馈电引入多个谐振模式，从而提高了该天线的工作带宽。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明的具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线的结构立体图。

图2为本发明的具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线的结构俯视图。

图3为本发明的具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线的结构侧视图。

图4为本发明的具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线的输入端反射系数变化图。

图5为本发明的具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线的增益随频率变化的曲线图。

其中，1-金属底板，2-介质基片，3-第一谐振单元，4-第二谐振单元，5-辐射贴片，6-第一凹槽，7-第二凹槽，8-馈电体。

具体实施方式

本发明最关键的构思在于：在辐射贴片上开两个凹槽，开槽方向与第一谐振单元的矩形微带相互垂直。辐射贴片与第一谐振单元、第二谐振单元相互耦合。通过在辐射贴片上开槽，改变天线在高阶谐振模式下的电流分布和场分布，通过压低E面的副瓣和缩小H面的波束宽度，极大地提高了该贴片天线增益，同时通过多个谐振单元耦合馈电引入多个谐振模式，从而提高了该天线的工作带宽。

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1、图2以及图3，一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，包括介质基片2、金属底板1、辐射贴片5、谐振单元组和馈电体8，其中，介质基片2一面接谐振单元组，介质基片2另一面接金属底板1，辐射贴片5置于谐振单元组上方。

所述谐振单元组包括同心的第一谐振单元3和第二谐振单元4；所述第一谐振单元3包括长条形矩形微带，长条形矩形微带两端分别设置有与矩形微带镜像的两个开口向内的U型枝节；所述第二谐振单元4为条状微带环绕形成矩形环；所述第二谐振单元环绕第一谐振单元外侧；所述第一谐振单元3通过所述馈电体8与金属底板1形成馈电连接；所述谐振单元组与所述辐射贴片5之间相互耦合；所述辐射贴片5上开有第一开槽6和第二开槽7，所述第一开槽6与所述第二开槽7的开槽方向与所述第一谐振单元3的矩形微带方向垂直；所述辐射贴片5外轮廓为矩形，其边长A均大于半个在工作频带内的自由空间波长λ，即A>0.5λ。

所述天线为层状结构，各层材料很薄，进而使得天线的剖面很低。通过在辐射贴片5上开槽，改变所述天线在高阶谐振模式下的电流分布和场分布，通过压低E面的副瓣和缩小H面的波束宽度，极大地提高了所述天线增益，同时通过多个谐振单元耦合馈电引入多个谐振模式，从而提高了所述天线的工作带宽。

进一步的，所述辐射贴片5为轴对称结构；所述第一开槽6和所述第二开槽7为矩形，长度大于10倍宽度，两槽的开槽方向的中线过所述辐射贴片5中心。通过在辐射贴片5中线位置上开窄长的矩形槽，通过压低E面的副瓣和缩小H面的波束宽度，极大地提高了所述天线增益。

进一步的，所述辐射贴片5中心与所述谐振单元组中心在所述金属底板1上的投影重合。此时，辐射贴片5与谐振单元组之间的耦合作用提高，从而提高了所述天线的工作带宽。

进一步的，所述第二谐振单元3的两条边与所述第一谐振单元4的长条形矩形微带方向平行。第一谐振单元3与第二谐振单元4之间的耦合作用提高，从而提高了所述天线的工作带宽。

进一步的，构成所述谐振单元组的微带宽度为α，其中，0.5mm≤α≤3.5mm。适宜的微带宽度，使得第一谐振单元3与第二谐振单元4之间的耦合作用提高，从而提高了所述天线的工作带宽。

进一步的，所述第二谐振单元4的微带总长度为β，其中，0.5λ≤β≤λ。适宜的微带宽度，使得第一谐振单元3与第二谐振单元4之间的耦合作用提高，从而提高了所述天线的工作带宽。

进一步的，所述第一谐振单元3能形成两个对称的支路电流，一个电流支路长度为γ，其中，0.2λ≤γ≤0.5λ。适宜的微带宽度，使得第一谐振单元3与第二谐振单元4之间的耦合作用提高，从而提高了所述天线的工作带宽。

进一步的，所述馈电体8为同轴线内导体，所述金属底板1上开一小孔，同轴线内导体穿过该小孔与所述第一谐振单元3连接。同轴线内导体的引入，使得天线结构更加简单，进而使得天线剖面低。

进一步的，所述辐射贴片5的外部轮廓呈圆形，其直径为Φ，其中Φ>0.5λ。改变辐射贴片5的形状，得到另一种外观结构不同但具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线。

进一步的，所述介质基片2是空气。将介质基片2改为空气，得到另一种外观结构不同但具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线。

请参阅图4，所示的是所述天线随频率变化的反射系数变化图，可以发现，天线在工作频率4.01GHz-4.26GHz的工作频带内得到了良好的匹配，反射系数均小于-10dB；而且由于引入了多个谐振模式，使得所述天线的相对带宽在7％左右，大于其他高增益贴片天线的在1％左右的相对带宽。

请参阅图5，所示的是所述天线的辐射增益随频率变化的曲线图，可以发现，天线在工作频率4.01GHz-4.26GHz的工作频带内的增益大于12dBi,相对于常规的增益一般小于8dBi的贴片天线单元,所述天线的增益极大地被提高。除此之外，所述天线的辐射增益在工作频带内稳定平坦，且在低频端具有良好的频率选择特性，即所述天线具有良好的滤波特性。

需要注意的是，所述天线不限于工作在4.01GHz-4.26GHz的频段，根据需要，可以通过调节所述辐射贴片5、所述第一谐振单元3、所述第二谐振单元4、所述第一凹槽6和所述第二凹槽7，来调节天线的工作频段和带宽。

综上所述，本发明的具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线能基于简单的结构，能在较宽的工作频带内实现平坦的高增益和良好的频率选择特性，有利于改善无线通信***的信号覆盖等问题。同时，本发明具有剖面低、重量轻、加工简单和价格低廉等特点。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，

所述天线包括介质基片、金属底板、辐射贴片、谐振单元组和馈电体，其中，介质基片一面接谐振单元组，介质基片另一面接金属底板，辐射贴片置于谐振单元组上方；

所述谐振单元组包括同心的第一谐振单元和第二谐振单元；

所述第一谐振单元包括长条形矩形微带，长条形矩形微带两端分别设置有两个呈镜像对称的且开口相对的U型枝节；

所述第二谐振单元为条状微带环绕形成矩形环；

所述第二谐振单元环绕第一谐振单元外侧；

所述第一谐振单元通过所述馈电体与金属底板形成馈电连接；

所述谐振单元组与所述辐射贴片之间相互耦合；

所述辐射贴片上开有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽与所述第二开槽的开槽方向与所述第一谐振单元的矩形微带方向垂直；

所述辐射贴片外轮廓为矩形，其边长A均大于半个在工作频带内的自由空间波长λ，即A>0.5λ。

2.如权利要求1所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片为轴对称结构；所述第一开槽和所述第二开槽为矩形，长度大于10倍宽度，两槽的开槽方向的中线过所述辐射贴片中心。

3.如权利要求2所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片中心与所述谐振单元组中心在所述金属底板上的投影重合。

4.如权利要求3所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述第二谐振单元的两条边与所述第一谐振单元的长条形矩形微带方向平行。

5.如权利要求4所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，构成所述谐振单元组的微带宽度为α，其中，0.5mm≤α≤3.5mm。

6.如权利要求5所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述第二谐振单元的微带总长度为β，其中，0.5λ≤β≤λ。

7.如权利要求6所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述第一谐振单元能形成两个对称的支路电流，一个电流支路长度为γ，其中，0.2λ≤γ≤0.5λ。

8.如权利要求7所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述馈电体为同轴线内导体，所述金属底板上开一小孔，同轴线内导体穿过该小孔与所述第一谐振单元连接。

9.如权利要求1至8任一所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片的外部轮廓呈圆形，其直径为Φ，其中Φ>0.5λ。

10.如权利要求1至8任一所述具有宽带及滤波特性的高增益贴片天线，其特征在于，所述介质基片是空气。

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