CN109524779B - 一种像素阵列的宽带贴片天线 - Google Patents

一种像素阵列的宽带贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种像素阵列的宽带贴片天线，包括由下而上依次设置的第一、第二以及第三介质板，第一介质板的下表面设置有第一覆铜层、上表面设置有接地板，第二介质板的上表面设置有第二覆铜层，第三介质板的上表面设置有第三覆铜层；第一覆铜层上设置有T型馈线以及与T型馈线相连的调谐枝节，接地板上设置有耦合孔径，第二覆铜层上设置有矩形贴片，第三覆铜层上设置有像素阵列；第一介质板上设置有馈电端口，该馈电端口与T型馈线连接，通过馈电端口馈电，信号从T型馈线通过耦合孔径耦合馈电到矩形贴片和像素阵列上，最后信号通过矩形贴片和像素阵列将信号辐射出去。该天线在2G‑4GHz频率范围内稳定工作且天线回波损耗小于‑10dB。

Description

一种像素阵列的宽带贴片天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种像素阵列的宽带贴片天线。
背景技术
近年来无线通信的高速发展，随着第五代通信***的到来，对于***的通信容量和传输速率有了更高的要求。贴片天线由于其重量轻、体积小、易共形、易加工、成本低等优点被广泛应用到无线通讯***中。然而，微带贴片天线常常受限于其工作带宽过窄。对于贴片天线的带宽扩展，很多学者通过不断的改进和研究其特性，提出了许多贴片天线的拓展技术。然而有些方法会导致效率减低，增益降低、方向图不稳定等问题。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
李启方教授和器研究生在1995年提出加载U型缝隙来拓宽带宽。加载U型缝隙使贴片形成多调谐电路，从而展宽了频带。后面很多加载缝隙拓宽带宽的也是基于这一原理。
S.D.Targonski等人提出了利用“口径-积叠贴片”(Aperture-Stacked Patch)的设计方法拓宽带宽。
总的来说，现有的工作中，有不少关于拓展贴片天线宽带的研究，但是很多设计会使得天线损耗大使得效率变低。或者通过加缝隙等方法形成多调谐回路实现带宽拓宽，但是天线的增益和波形或受到影响。因此，设计一款简单的宽带高增益的贴片天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种像素阵列的宽带贴片天线。本发明的天线单元可以在2GHz-4GHz的范围内稳定工作，在2GHz-4GHz的频率范围内天线回波损耗小于-10dB，而且在2GHz-4GHz的频率范围内的增益保持在9dB左右。整个天线结构简单而且加工方便，成本低。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种像素阵列的宽带贴片天线，所述的宽带贴片天线包括由下而上依次设置的第一介质板1、第二介质板2以及第三介质板3，其中，所述的第一介质板1与第二介质板2之间设置有第一空气层8，所述的第二介质板1和第三介质板3之间设置有第二空气层9，所述的第一介质板1的下表面设置有第一覆铜层4，所述的第一介质板1的上表面设置有接地板5，所述的第二介质板2的上表面设置有第二覆铜层6，所述的第三介质板3的上表面设置有第三覆铜层7；
所述的第一覆铜层4上设置有T型馈线13以及与T型馈线13相连的调谐枝节14，所述的接地板5上设置有耦合孔径12，所述的第二覆铜层6上设置有矩形贴片11，所述的第三覆铜层7上设置有像素阵列10；
所述的第一介质板1上设置有馈电端口15，该馈电端口15与T型馈线13连接，通过馈电端口15馈电，信号从T型馈线13通过耦合孔径12耦合馈电到矩形贴片11和像素阵列10上，最后信号通过矩形贴片11和像素阵列10将信号辐射出去。
进一步地，所述的馈电端口15同时作为宽带贴片天线的输入端口和输出端口。
进一步地，所述的像素阵列10用于提高宽带贴片天线的带宽。
进一步地，所述的矩形贴片11用于整个宽带贴片天线的辐射源。
进一步地，所述的调谐枝节14用于引入一个谐振模式拓展带宽。
进一步地，所述的像素阵列10由6×6的正方形贴片组成，其中，每个正方形贴片的尺寸为7mm，缝隙为0.7mm。
进一步地，所述的第一空气层8用于减少矩形贴片11与耦合孔径12的耦合，把由矩形贴片11引起的谐振模式和由耦合孔径12引起的谐振模式相离的频率间隔拉大。
进一步地，所述的第二空气层9用于提高宽带贴片天线的增益和带宽。
进一步地，所述的第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029，所述的第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的厚度均为1.5mm。
进一步地，所述的第一空气层8的厚度为10mm，所述的第二空气层9的厚度为9mm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明公开的像素阵列的宽带贴片天线工作频率为超过2GHz-4GHz的频率范围，相对带宽超过67％。
2、本发明公开的像素阵列的宽带贴片天线在2GHz-4GHz的频率范围内增益非常平坦，在9dB左右的范围内维持稳定。
3、本发明公开的像素阵列的宽带贴片天线波束在2GHz-4GHz的频率范围内具有良好的特性。
4、本发明公开的像素阵列的宽带贴片天线，加工简单，重量轻，加工成本低，工作带宽宽，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线3D结构图；
图2是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线的介质结构图；
图3是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线的像素阵列图；
图4是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线的矩形贴片结构图；
图5是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线馈线和耦合孔径的结构图；
图6是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线的回波损耗S11仿真结果图；
图7是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线增益曲线仿真结果图；
图8是本发明公开的一种像素阵列的宽带贴片天线各个频率点的方向图的仿真结果图，图8(a)是2GHz频率点的方向图的仿真结果图，图8(b)是2.5GHz频率点的方向图的仿真结果图，图8(c)是3GHz频率点的方向图的仿真结果图，图8(d)是3.5GHz频率点的方向图的仿真结果图，图8(e)是4GHz频率点的方向图的仿真结果图；
其中，1-第一介质板，2-第二介质板，3-第三介质板，4-放置T型馈线的第一覆铜层，5-接地板，6-放置矩形贴片的第二覆铜层，7-放置像素阵列的第三覆铜层，8-第一空气层，9-第二空气层，10-像素阵列，11-矩形贴片，12耦合孔径，13-T型馈线，14-调谐枝节，15-馈电端口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的3D结构图。
参照图2、3、4、5所示，本实施例公开的一种像素阵列的宽带贴片天线，包括第一介质板1，位于第一介质板1下表面的第一覆铜层4，位于第一介质板1上表面的接地板5，第二介质板2、位于第二介质板2上表面的第二覆铜层6，第三介质板3，位于第三介质板3上表面的第三覆铜层7；第一介质板1与第二介质板2之间设置有第一空气层8、第二介质板2和第三介质板3之间设置有第二空气层9。
第一覆铜层4上设置有T型馈线13和调谐枝节14，接地板5上设置有耦合孔径12，第二覆铜层6上设置有矩形贴片11；第三覆铜层7上设置有6×6像素阵列10。第一介质板1上设置有馈电端口15。
设计中第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029。第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的厚度均为1.5mm；第一空气层的厚度为10mm、第二空气层的厚度为9mm。
参见图2所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的介质结构图，整个天线由三层介质板和两层空气层组成。第一空气层8的主要作用是为了减少矩形贴片11与耦合孔径12的耦合，把由矩形贴片11引起的谐振模式和由耦合孔径12引起的谐振模式相离的频率间隔大一点。第二空气层9主要是为了提高增益和带宽。
参见图3所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的像素阵列的模型图，像素阵列10由6×6的正方形贴片组成；每个正方形贴片的尺寸为7mm，缝隙为0.7mm。6×6像素阵列10主要的目的是提高贴片天线的带宽。
参见图4所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的矩形贴片。矩形贴片11作为整个天线单元的主要辐射源。
参见图5所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的馈电结构。馈线结构为T型馈线13，通过添加调谐枝节14引入一个谐振模式拓展带宽。T型馈线13通过耦合孔径12对矩形贴片11进行馈电。
馈电端口15同时作为宽带贴片天线的输入端口和输出端口，并与T型馈线13连接，通过馈电端口15馈电，信号从T型馈线13通过耦合孔径12耦合到矩形贴片11和像素阵列10上，最后信号通过矩形贴片和像素阵列将信号辐射出去。
参见图6所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的回波损耗S11仿真结果图。从仿真结果可以看到，天线回波损耗小于-10dB的频率范围超过了2GHz-4GHz的频率区间，相对带宽超过了67％。
参见图7所示，显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线的增益结果图。从仿真结果图可以看到，在2GHz-4GHz的频率范围内，增益平坦，保持在9dB左右。
参见图8中图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)和图8(e)所示，分别显示了本发明的一种像素阵列的宽带贴片天线在2GHz、2.5GHz、3GHz、3.5GHz和4GHz五个频率点的仿真方向图。从仿真结果可以看到，本发明的天线可以在2GHz-4GHz的方向图符合需要的特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种像素阵列的宽带贴片天线，其特征在于，所述的宽带贴片天线包括由下而上依次设置的第一介质板（1）、第二介质板（2）以及第三介质板（3），其中，所述的第一介质板（1）与第二介质板（2）之间设置有第一空气层（8），所述的第二介质板（2）和第三介质板（3）之间设置有第二空气层（9），所述的第一介质板（1）的下表面设置有第一覆铜层（4），所述的第一介质板（1）的上表面设置有接地板（5），所述的第二介质板（2）的上表面设置有第二覆铜层（6），所述的第三介质板（3）的上表面设置有第三覆铜层（7）；
所述的第一覆铜层（4）上设置有T型馈线（13）以及与T型馈线（13）相连的调谐枝节（14），所述的接地板（5）上设置有耦合孔径（12），所述的第二覆铜层（6）上设置有矩形贴片（11），所述的第三覆铜层（7）上设置有像素阵列（10）；
其中，第一空气层（8）减少矩形贴片（11）与耦合孔径（12）的耦合，拉开由矩形贴片（11）引起的谐振模式和由耦合孔径（12）引起的谐振模式相离的频率间隔，第二空气层（9）提高宽带贴片天线的增益和带宽；
所述的调谐枝节（14）用于引入一个谐振模式拓展带宽；
所述的像素阵列（10）由6×6的正方形贴片组成，其中，每个正方形贴片的尺寸为7mm，缝隙为0.7mm；
所述的第一介质板（1）上设置有馈电端口（15），该馈电端口（15）与T型馈线（13）连接，通过馈电端口（15）馈电，信号从T型馈线（13）通过耦合孔径（12）耦合馈电到矩形贴片（11）和像素阵列（10）上，最后信号通过矩形贴片（11）和像素阵列（10）将信号辐射出去。
2.根据权利要求1所述的一种像素阵列的宽带贴片天线，其特征在于，所述的馈电端口（15）同时作为宽带贴片天线的输入端口和输出端口。
3.根据权利要求1所述的一种像素阵列的宽带贴片天线，其特征在于，所述的像素阵列（10）用于提高宽带贴片天线的带宽。
4.根据权利要求1所述的一种像素阵列的宽带贴片天线，其特征在于，所述的矩形贴片（11）用于整个宽带贴片天线的辐射源。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种像素阵列的宽带贴片天线，其特征在于，所述的第一介质板（1）、第二介质板（2）和第三介质板（3）的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029，所述的第一介质板（1）、第二介质板（2）和第三介质板（3）的厚度均为1.5 mm。
6.根据权利要求1至4任一所述的一种像素阵列的宽带贴片天线，其特征在于，所述的第一空气层（8）的厚度为10mm，所述的第二空气层（9）的厚度为9mm。
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