CN114336027B - 一种加载寄生耦合馈电网络的宽带天线 - Google Patents

Abstract

一种加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，包括：上表面设置有耦合天线阵列的上层介质板；位于上层介质板下方的中层介质板，中层介质板的上表面设置有馈电天线阵列，馈电天线阵列中的馈电贴片单元与耦合天线阵列中耦合贴片单元的大小及形状相同，上层和中层介质板间由空气层隔开；位于中层介质板下方的下层介质板，下层和中层介质板叠放在一起，下层介质板的上表面设置有地板，下表面设置有馈电线，馈电贴片单元与馈电线相连；馈电贴片单元之间设置有寄生单元，相邻的馈电线之间设置有与寄生单元对应的耦合网络，寄生单元分别与地板和与其对应的耦合网络相连，耦合网路与地板相连。本发明通过加载寄生耦合馈电网络，实现了天线带宽的提升。

Description

一种加载寄生耦合馈电网络的宽带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种加载寄生耦合馈电网络的宽带天线。

背景技术

具有多个阵元的宽带天线，阵元之间的耦合通常被视为恶化天线阵列性能的主要因素，尤其是当阵元间的间距很小时，阵元间的耦合会影响天线的阻抗匹配、辐射方向图、副瓣电平和扫描特性等。耦合调控对于天线阵列中的单元以及阵列性能的提高均有着很显著的作用，通过合理的耦合利用，可以将对单元性能不利的耦合调控至有利于整个阵列性能提高的程度。现有的关于耦合利用的设计主要利用的是空间结构加载形成紧耦合阵列，在引入的容性耦合来抵消对地电感、解除原有带宽限制的同时，使天线阵元间的耦合得到利用。但是基于空间结构的紧耦合阵列多是用在采用偶极子、渐变开槽天线、平面螺旋天线、TEM喇叭天线等作为天线阵列单元的平衡馈电类天线，鲜少用在用贴片天线作为阵列单元的非平衡馈电类中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用馈电网络结构来实现非平衡馈电类天线的耦合利用的宽带天线。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，包括：上层介质板，所述上层介质板的上表面设置有耦合天线阵列；位于所述上层介质板下方的中层介质板，所述中层介质板的上表面设置有和所述耦合天线阵列对应设置的馈电天线阵列，所述馈电天线阵列中的馈电贴片单元与所述耦合天线阵列中耦合贴片单元的大小及形状相同，所述上层介质板和所述中层介质板之间由空气层隔开；位于所述中层介质板下方的下层介质板，所述下层介质板和所述中层介质板叠放在一起，所述下层介质板的上表面设置有地板，下表面设置有馈电线，所述馈电天线阵列中的馈电贴片单元与所述馈电线相连；所述馈电天线阵列中相邻的馈电贴片单元之间设置有寄生单元，相邻的所述馈电线之间设置有与所述寄生单元对应的耦合网络，所述寄生单元分别与所述地板和与其对应的所述耦合网络相连，所述耦合网路与所述地板相连。

进一步的，所述耦合网络包括两个短路枝节和一个开路枝节，所述开路枝节连接于两个所述短路枝节之间，所述寄生单元与所述开路枝节相连，所述短路枝节和所述馈电线及地板相连。

进一步的，所述短路枝节为T形短路枝节，所述开路枝节为T形开路枝节。

进一步的，所述寄生单元为金属片，其包括方形的本体及与所述本体相连的连接臂，在所述本体和所述连接臂上分别设置有金属化过孔，所述寄生单元通过金属化过孔分别和所述地板以及所述耦合网络相连。

进一步的，所述耦合天线阵列包括按逆时针方向以2×2的轴对称阵列形式依次排布于所述上层介质板上的第一耦合贴片单元、第二耦合贴片单元、第三耦合贴片单元及第四耦合贴片单元；所述馈电贴片阵列包括与所述第一耦合贴片单元、第二耦合贴片单元、第三耦合贴片单元及第四耦合贴片单元相对应的第一馈电贴片单元、第二馈电贴片单元、第三馈电贴片单元及第四馈电贴片单元，所述第一耦合贴片单元、第二耦合贴片单元、第三耦合贴片单元、第四耦合贴片单元、所述第一馈电贴片单元、所述第二馈电贴片单元、所述第三馈电贴片单元及所述第四馈电贴片单元为大小相同的矩形金属片。

进一步的，所述寄生单元包括第一寄生单元和第二寄生单元，在所述第一馈电贴片单元和所述第二馈电贴片单元以及所述第三馈电贴片单元和所述第四馈电贴片单元之间设置所述第一寄生单元，在所述第一馈电贴片单元和所述第四馈电贴片单元以及所述第二馈电贴片单元和所述第三馈电贴片单元之间设置所述第二寄生单元。

进一步的，所述第一馈电贴片单元、所述第二馈电贴片单元、所述第三馈电贴片单元及第四馈电贴片单元上的馈电点分别位于各馈电贴片单元长度方向的中心线上且位于各馈电贴片单元的上部，所述馈电点通过穿越所述中层介质板、所述地板及所述下层介质板的金属探针与所述馈电线相连。

进一步的，所述宽带天线的工作频段为3.68～5.52GHz。

进一步的，所述上层介质板和所述中层介质板之间的间隔为0.06λ₀，λ₀为和宽带天线的中心频率相对应的波长。

进一步的，所述耦合网络和馈电线组成的结构在下层介质板的长度方向上为对称结构，在下层介质板的宽度方向上不对称；所述第一寄生单元和所述第二寄生单元均包括方形的本体及与所述本体相连的连接臂，在所述本体和所述连接臂上分别设置有金属化过孔，所述第一寄生单元的连接臂为弯折臂，所述第二寄生单元的连接臂为直臂。

由以上技术方案可知，本发明通过加载寄生耦合馈电网络，在相邻馈电贴片单元之间设置寄生单元，在相邻馈电线之间设置耦合网络，寄生单元与耦合网络电连接，从而将寄生单元与天线阵元间的耦合引入至耦合馈电网络中，实现了天线的有源阻抗带宽的拓展，在3～7GHz频段内的几乎所有频率处的耦合均满足耦合利用条件，使得宽带天线阵能够在3.68～5.52GHz(40％)的频段内工作，和未加载寄生耦合馈电网络的天线相比，带宽得到了显著提升。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中层介质板上表面的布局示意图；

图3为本发明实施例下层介质板下表面的布局示意图；

图4a、图4b和图4c分别为对比例天线的S参数、端口1相位差和端口2相位差的曲线图；

图5a、图5b和图5c分别为实施例天线的S参数、端口1相位差和端口2相位差的曲线图；

图6为实施例天线和对比例天线的增益对比曲线图；

图7a、图7b和图7c分别为实施例天线和对比例天线在3.8GHz、4.6GHz和5.4GHz处的归一化辐射方向图对比图。

下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2和图3所示，本实施例的宽带天线包括上层介质板1、中层介质板2和下层介质板3，上层介质板1和中层介质板2上下间隔设置，两者间由空气层隔开，中层介质板2和下层介质板3上下相邻设置、叠放在一起。上层介质板1和中层介质板2之间的间隔可为0.06λ₀，λ₀为和宽带天线的中心频率相对应的波长。将上层介质板1和中层介质板2之间由空气层隔开是为了实现天线的宽带工作，中层介质板2和下层介质板3叠放在一起以实现共地。在上层介质板1的上表面设置有耦合天线阵列，中层介质板2的上表面设置有馈电天线阵列，下层介质板3的上表面设置有地板(未图示)，下层介质板3的下表面设置有馈电线，地板的大小和下层介质板3的大小一致。耦合天线阵列中的耦合贴片单元的大小及形状和馈电天线阵列中的馈电贴片单元大小及形状相同，馈电天线阵列中的馈电贴片单元(馈电点)通过穿越中层介质板2、地板及下层介质板3的金属探针与下层介质板3下表面的馈电线相连。

本实施例的上层介质板1上的耦合天线阵列包括4个大小相同的耦合贴片单元：第一耦合贴片单元4-1、第二耦合贴片单元4-2、第三耦合贴片单元4-3及第四耦合贴片单元4-4，第一耦合贴片单元4-1、第二耦合贴片单元4-2、第三耦合贴片单元4-3及第四耦合贴片单元4-4按逆时针方向以2×2的轴对称阵列形式依次排布于上层介质板1上。本实施例的耦合贴片单元为矩形金属片，长宽尺寸为14.2mm×11mm，相邻的耦合贴片单元之间的距离为5mm，第一耦合贴片单元4-1和第二耦合贴片单元4-2之间的距离以及第三耦合贴片单元4-3和第四耦合贴片单元4-4之间的距离为5mm，第一耦合贴片单元4-1和第四耦合贴片单元4-4之间的距离以及第二耦合贴片单元4-2和第三耦合贴片单元4-3之间的距离为5mm。

如图2所示，中层介质板2上的馈电天线阵列包括4个大小相同的馈电贴片单元：第一馈电贴片单元5-1、第二馈电贴片单元5-2、第三馈电贴片单元5-3及第四馈电贴片单元5-4，第一馈电贴片单元5-1、第二馈电贴片单元5-2、第三馈电贴片单元5-3及第四馈电贴片单元5-4分别和第一耦合贴片单元4-1、第二耦合贴片单元4-2、第三耦合贴片单元4-3及第四耦合贴片单元4-4对应设置，按逆时针方向以2×2的轴对称阵列形式依次排布于中层介质板2上。馈电贴片单元的馈电点a位于馈电贴片单元长度方向(图2中y轴方向)的中心线上且位于馈电贴片单元的上部，本实施例的馈电点a和馈电贴片单元顶边之间的距离为2.2mm。对应设置的一个辐射贴片单元和一个馈电贴片单元构成天线阵列中的一个天线单元。

本发明在相邻的馈电贴片单元之间设置有寄生单元，寄生单元包括第一寄生单元6-1和第二寄生单元6-2，第一寄生单元6-1和第二寄生单元6-2的大小不同。在y轴方向上相邻的馈电贴片单元之间设置第一寄生单元6-1，在x轴方向上相连的馈电贴片单元之间设置第二寄生单元6-2。具体来说，本实施例在第一馈电贴片单元5-1和第二馈电贴片单元5-2以及第三馈电贴片单元5-3和第四馈电贴片单元5-4之间分别设置第一寄生单元6-1，在第一馈电贴片单元5-1和第四馈电贴片单元5-4以及第二馈电贴片单元5-2和第三馈电贴片单元5-3之间分别设置第二寄生单元6-2。本实施例的寄生单元为金属片，均包括方形的本体(未标号)以及与本体相连的连接臂(未标号)，在本体和连接臂上各设有一个金属化过孔b。寄生单元通过金属化过孔分别和地板以及下层介质板上的耦合网络相连。寄生单元用于将耦合到的能量经由金属化过孔传输到耦合网络中，通过耦合网络来调控耦合，从而实现耦合利用。

本实施例的寄生单元通过设置和本体相连的连接臂，即采用阶梯形的结构，可以使连接寄生单元和耦合网络的传输线具有相同的阻抗，以实现匹配。此外，如图3所示，本实施例的耦合网络和馈电线组成的结构在下层介质板3的y轴方向上为对称结构(即关于下层介质板3的y轴方向上的中心线L对称，下层介质板3的y轴方向为其长度方向)，在x轴方向上不是对称结构，因此，本实施例将第二寄生单元6-2的连接臂设置为直臂，第一寄生单元6-1的连接臂设置为弯折臂，通过第一寄生单元的弯折臂以使耦合网络在x轴方向上形成对称，对称的耦合网络可以简化网络的设计，避免耦合网络不对称，需要优化参数过多，增加复杂度。

以图2所示的寄生单元各部位的尺寸为例，本实施例的第一寄生单元6-1的尺寸分别为：l_e1＝4.7mm，l_e2＝4mm，w_e1＝1.5mm，w_e2＝4mm。第二寄生单元6-2的尺寸具体为：w_h1＝1.5mm，l_h1＝4.3mm，l_h2＝6mm，w_h2＝4mm。

如图3所示，在下层介质板3的下表面设置有和第一馈电贴片单元5-1电连接的第一馈电线7-1、和第二馈电贴片单元5-2电连接的第二馈电线7-2、和第三馈电贴片单元5-3电连接的第三馈电线7-3以及和第四馈电贴片单元5-4电连接的第四馈电线7-4，馈电线的自由端为宽带天线的端口。下层介质板3的下表面除了设置有4条分别与4个馈电贴片单元对应的馈电线外，在相邻的馈电线之间还设置有耦合网络，每一耦合网络均由两个短路枝节8-1和一个开路枝节8-2组成，开路枝节8-2连接于两个短路枝节8-1之间，寄生单元通过其上的金属化过孔分别和地板以及耦合网络中的开路枝节8-2相连。短路枝节8-1和馈电线相连，并通过金属化过孔和地板相连。

本实施例的短路枝节和开路枝节均为T形枝节，位于第一馈电线7-1和第二馈电线7-2之间的耦合网络中的T形短路枝节以及位于第三馈电线7-3和第四馈电线7-4之间的耦合网络中的T形短路枝节的尺寸和位于第一馈电线7-1和第四馈电线7-4之间的耦合网络中的T形短路枝节以及位于第二馈电线7-2和第三馈电线7-3之间的耦合网络中的T形短路枝节的尺寸稍有不同，以图3所示的短路枝节和开路枝节的尺寸为例，本实施例的耦合网络中T形短路枝节和T形开路枝节及馈电线、短路枝节和馈电线间以及短路枝节和开路枝节间的连接结构的尺寸具体为：w₁＝1.9mm，w₂＝0.6mm，w₃＝2mm，w₄＝5.2mm，l₁＝4mm，l₂＝6mm，w_h3＝15mm，l_h3＝23.5mm，w_h4＝1mm，l_h4＝2mm，w_e3＝6.6mm，l_e3＝13mm，l_e4＝4mm。寄生单元的尺寸和馈电线的尺寸主要影响天线的阻抗匹配，寄生单元的尺寸以天线工作带宽最大化为原则确定，馈电线的宽度为天线的中心工作频率对应的微带线宽度；枝节的尺寸影响耦合抑制效果，尺寸以耦合系数最低为原则确定，具体尺寸可根据需求通过仿真来确定。

对于二维天线阵列来说，在天线的端口处，根据反射系数圆和耦合系数圆的关系，为使天线单元的有源反射系数|S_11active|小于天线单元的反射系数|S₁₁|，天线单元的反射系数和与其有关的所有耦合系数的矢量和的相位差应该落在如下范围：

式中的N表示天线单元(阵元)的数量，S_1i表示与天线单元1与天线单元i之间的耦合系数，a_i表示天线单元i的输入电压，S₁₁表示天线单元1的反射系数；

上式成立的约束条件为该范围为多元天线阵列的耦合利用条件，根据该范围来判断天线单元间的耦合是否可以被合理利用来提高天线阵的性能。

本发明的宽带天线为四元轴对称天线阵，下面以第一端口和第二端口对应的天线单元进行分析，其有源反射系数和耦合利用条件具体如下：

式中的S₁₁表示第一天线单元的反射系数，S₁₂表示第一天线单元与第二天线单元之间的耦合系数，S₁₃表示第一天线单元与第三天线单元之间的耦合系数，S₁₄表示第一天线单元与第四天线单元之间的耦合系数，S₂₁表示第二天线单元与第一天线单元之间的耦合系数，S₂₂表示第二天线单元的反射系数，S₂₃表示第二天线单元与第三天线单元之间的耦合系数，S₂₄表示第二天线单元与第四天线单元之间的耦合系数；

为了验证本发明天线的效果，对本实施例采用电磁仿真软件HFSS进行仿真，仿真的参数以上述天线及馈电网络的相关尺寸为主，天线阵置于一空气盒子中，空气盒子各边缘与天线阵相应边缘的距离为最低频率对应波长的四分之一。为体现本发明的耦合利用效果，设置一对比例宽带天线进行对比，对比例的宽带天线除了不具有由寄生单元和耦合网络构成的寄生耦合馈电网络外，其它结构均与实施例宽带天线相同。

图4a、4b和4c分别为对比例天线的S参数(反射系数)、第一端口的相位差及其耦合利用条件的边界值和第二端口的相位差及其耦合利用条件的边界值。由于对比例天线的馈线间未加载任何结构，所以天线阵相对对称，第一端口和第二端口的特性相似。从图4a的S₁₁和S₂₂曲线图可以看出，对比例天线的阻抗带宽为4.38～5.36GHz(24.4％)。图4b对比了S₁₁和S₁₂+S₁₃+S₁₄的相位差与根据计算得到的耦合利用条件的边界值，尽管3～4.3GHz内的耦合可以被利用，但是该部分耦合并没有对天线阵的匹配产生足够的影响。图中边界值缺失部分是由于S参数没有满足约束条件，因此该部分耦合能否被利用具有不确定性。然而由S_11active和S_22active曲线可知，天线阵元间的耦合恶化了天线阵的有源阻抗匹配，致使天线阵的有源阻抗在整个频带内均属于失配状态。

图5a、5b和5c分别为实施例天线的S参数、第一端口的相位差及其耦合利用条件的边界值和第二端口的相位差及其耦合利用条件的边界值。从图5a可以看出，单端口激励时，第一天线单元和第二天线单元的反射系数S₁₁小于-10dB的频段分别为4.56～5.50GHz及5.92～6.16GHz和4.62～5.46GHz及5.62～6.22GHz。从图5b和5c可以看出，实施例天线几乎在给出的整个频段内的相位差均满足耦合利用条件，仅有的小部分缺失频段也并未对天线的有源阻抗匹配产生消极影响。第一天线单元和第二天线单元的有源阻抗带宽分别为3.66～6.28GHz(52.7％)和3.68～6.36GHz(53.4％)，天线阵的工作频段为两个天线单元带宽的重叠部分，为3.68～6.28GHz(52.2％)。实施例天线通过加载寄生耦合馈电网络，天线性能有了极大改善。

图6给出了实施例天线和对比例天线阵全馈时的增益对比图，从图6可以看出来，实施例天线与对比例天线的增益相当，但在3.84～5.38GHz频段内高于对比例天线的增益，实施例天线最终的有源阻抗带宽为3.68～5.52GHz(40％)。图7a、7b和7c分别为实施例天线和对比例天线在3.8GHz、4.6GHz和5.4GHz处的归一化辐射方向图对比图。从图7可以看出，实施例天线和对比例天线均能有效辐射，且实施例天线在一定程度上修正了对比例天线的方向图偏移。从以上仿真结果可知，本发明通过加载寄生耦合馈电网络，将非平衡馈电类天线的有源工作带宽拓宽至40％，且增益得到提高，方向图有了明显的改善。本发明在耦合利用领域采用新型网络结构结合寄生单元应用于非平衡馈电类天线，拓宽了耦合利用的应用范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于，包括：

上层介质板，所述上层介质板的上表面设置有耦合天线阵列；

位于所述上层介质板下方的中层介质板，所述中层介质板的上表面设置有和所述耦合天线阵列对应设置的馈电天线阵列，所述馈电天线阵列中的馈电贴片单元与所述耦合天线阵列中耦合贴片单元的大小及形状相同，所述上层介质板和所述中层介质板之间由空气层隔开；

位于所述中层介质板下方的下层介质板，所述下层介质板和所述中层介质板叠放在一起，所述下层介质板的上表面设置有地板，下表面设置有馈电线，所述馈电天线阵列中的馈电贴片单元与所述馈电线相连；

所述馈电天线阵列中相邻的馈电贴片单元之间设置有寄生单元，相邻的所述馈电线之间设置有与所述寄生单元对应的耦合网络，所述寄生单元分别与所述地板和与其对应的所述耦合网络相连，所述耦合网路与所述地板相连。

2.根据权利要求1所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述耦合网络包括两个短路枝节和一个开路枝节，所述开路枝节连接于两个所述短路枝节之间，所述寄生单元与所述开路枝节相连，所述短路枝节和所述馈电线及地板相连。

3.根据权利要求2所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述短路枝节为T形短路枝节，所述开路枝节为T形开路枝节。

4.根据权利要求1所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述寄生单元为金属片，其包括方形的本体及与所述本体相连的连接臂，在所述本体和所述连接臂上分别设置有金属化过孔，所述寄生单元通过金属化过孔分别和所述地板以及所述耦合网络相连。

5.根据权利要求1所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述耦合天线阵列包括按逆时针方向以2×2的轴对称阵列形式依次排布于所述上层介质板上的第一耦合贴片单元、第二耦合贴片单元、第三耦合贴片单元及第四耦合贴片单元；所述馈电贴片单元包括与所述第一耦合贴片单元、第二耦合贴片单元、第三耦合贴片单元及第四耦合贴片单元相对应的第一馈电贴片单元、第二馈电贴片单元、第三馈电贴片单元及第四馈电贴片单元，所述第一耦合贴片单元、第二耦合贴片单元、第三耦合贴片单元、第四耦合贴片单元、所述第一馈电贴片单元、所述第二馈电贴片单元、所述第三馈电贴片单元及所述第四馈电贴片单元为大小相同的矩形金属片。

6.根据权利要求5所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述寄生单元包括第一寄生单元和第二寄生单元，在所述第一馈电贴片单元和所述第二馈电贴片单元以及所述第三馈电贴片单元和所述第四馈电贴片单元之间设置所述第一寄生单元，在所述第一馈电贴片单元和所述第四馈电贴片单元以及所述第二馈电贴片单元和所述第三馈电贴片单元之间设置所述第二寄生单元。

7.根据权利要求5所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述第一馈电贴片单元、所述第二馈电贴片单元、所述第三馈电贴片单元及第四馈电贴片单元上的馈电点分别位于各馈电贴片单元长度方向的中心线上且位于各馈电贴片单元的上部，所述馈电点通过穿越所述中层介质板、所述地板及所述下层介质板的金属探针与所述馈电线相连。

8.根据权利要求1所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述宽带天线的工作频段为3.68～5.52GHz。

9.根据权利要求1所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述上层介质板和所述中层介质板之间的间隔为0.06λ ₀，λ ₀为和宽带天线的中心频率相对应的波长。

10.根据权利要求6所述的加载寄生耦合馈电网络的宽带天线，其特征在于：所述耦合网络和馈电线组成的结构在下层介质板的长度方向上为对称结构，在下层介质板的宽度方向上不对称；

所述第一寄生单元和所述第二寄生单元均包括方形的本体及与所述本体相连的连接臂，在所述本体和所述连接臂上分别设置有金属化过孔，所述第一寄生单元的连接臂为弯折臂，所述第二寄生单元的连接臂为直臂。