CN207690998U - 一种具有宽带高增益的微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

一种具有宽带高增益的微带贴片天线，包括由下至上层叠设置的金属地、介质基片和辐射贴片，辐射贴片通过贯穿于介质基片内的同轴馈电导体针馈电，区别于现有贴片天线，本实用新型所述辐射贴片的长边轴线方向上还对称设有寄生贴片，寄生贴片与辐射贴片之间留有一耦合缝隙以实现阻抗匹配。本实用新型通过增设寄生贴片并适当调节寄生贴片的尺寸，在原先辐射贴片所确定的单一的谐振频率基础上引入新的高频谐振频率，实现两谐振频率之间的良好的阻抗匹配。由此，该微带贴片天线的阻抗带宽和增益将会大大增加。由于寄生贴片的引入，本实用新型无需增加介质基片的厚度或层次，即可实现宽频带和高增益，易于与平面电路集成，因而应用前景广泛。

Description

一种具有宽带高增益的微带贴片天线

技术领域

本实用新型涉及贴片天线领域，尤其涉及一种具有宽带高增益的微带贴片天线。

背景技术

天线领域在过去的近一百年里已经成为通信革命不可缺少的关键技术。经历长、中、短波线形天线的成熟期后，厘米波天线得到了普及，使得适用于超短波和微波频段的面天线得到了发展。

然而，随着半导体技术、单片微波集成电路(MMIC)技术和计算机技术等电子技术的发展，人们对数据传输速率以及带宽的需求越来越高，这使得传统的低频段频谱资源越来越紧张。因此，对高频段的频谱资源进行开发和利用已经成为通信行业发展的迫切需要。

带宽和增益是决定天线性能的两个最基本的因素，宽带特性有利于天线适用于更多场合，高增益特性有利于节约信号传输所需的能量。随着无线业务需求的急剧增加，低频段的频谱资源已无法满足人们日益增长的无线业务需求，因此无线通信的频率逐渐向毫米波频段转移。凭借其特殊的大气传输特性、广泛的可利用频带范围以及天线波束窄等特点，毫米波技术在通信、雷达、制导、遥感技术和射电天文等领域具备广泛的应用前景。毫米波天线已然成为新一代天线的趋势。

在毫米波天线设计中，宽带特性和高增益特性无疑是人们追求的目标。宽频带，可使得天线辐射信号的传输速率高，***容量大，同时也可以提高抗多径干扰的能力；高增益，可大大减小发射信号的功率，同时也可以大大增加信号传输的距离。

现有技术实现宽带天线的常规方法，一般是通过多层介质基片结构或者采用厚介质基片，这些方法剖面高。介质基片物理特性的特殊要求使得现有宽带天线很难与其他平面电路集成，也不容易固定在高速运行的物体表面。此外，这些方法的增益平坦度也难以达到现有通信***的需求。

因此，目前急需一种能够兼具宽频带和高增益的、易于与平面电路集成的天线。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有宽带高增益的微带贴片天线，以达到宽频带和高增益的要求，并且能够方便的与平面电路集成。

为实现上述目的，本实用新型提供的具有宽带高增益的微带贴片天线，包括由下至上层叠设置的金属地、介质基片和辐射贴片，所述辐射贴片与金属地之间设有贯穿所述介质基片的同轴馈电导体针，其特征在于，所述辐射贴片为矩形，所述辐射贴片的长边轴线方向上还对称设有寄生贴片，所述寄生贴片与所述辐射贴片之间设有第一耦合缝隙，所述第一耦合缝隙的宽度小于所述寄生贴片的长度的1/10。

进一步，上述的微带贴片天线中，所述寄生贴片为方形，所述辐射贴片的长边尺寸为所述寄生贴片边长的1.3至1.4倍。

进一步，上述的微带贴片天线中，所述寄生贴片的数量为6个，其中，第一对所述寄生贴片对称设置于所述辐射贴片的长边轴线方向，其余2对所述寄生贴片分别平行于所述辐射贴片短边轴线方向对称设置于第一对所述寄生贴片的两侧。

再进一步，上述的微带贴片天线中，所述6个寄生贴片的尺寸完全相同。

具体而言，上述的微带贴片天线中，相邻2个所述寄生贴片之间设有第二耦合缝隙，所述第二耦合缝隙宽度小于所述寄生贴片的长度的1/5。

更进一步，上述的微带贴片天线中，所述各寄生贴片的中心还分别设有贯穿所述介质基片连接至所述金属地的金属化通孔。

具体而言，上述的微带贴片天线中，所述金属化通孔的直径小于所述寄生贴片的长度的1/5。

上述的微带贴片天线中，所述同轴馈电导体针沿所述辐射贴片的长边轴线方向设置，所述同轴馈电导体针的中心与所述辐射贴片的中心距离满足天线工作频率下输入阻抗匹配要求。

上述的微带贴片天线中，所述金属地、所述辐射贴片以及所述各寄生贴片均为铜皮材质；所述介质基片为罗杰斯5880板材，其介电常数为2.2。

本实用新型和现有方案相比具有如下技术效果:

1.区别于现有贴片天线，本实用新型在所述辐射贴片的长边轴线方向上增设对称的寄生贴片，并在寄生贴片与辐射贴片之间留有一耦合缝隙以实现阻抗匹配。本实用新型通过增设寄生贴片并适当调节寄生贴片的尺寸，在原先辐射贴片所确定的单一的谐振频率基础上引入新的高频谐振频率，实现两谐振频率之间的良好的阻抗匹配。由此，该微带贴片天线的阻抗带宽和增益将会大大增加。由于寄生贴片的引入，本实用新型无需增加介质基片的厚度或层次，通过平面的结构即可实现宽频带和高增益，易于与平面电路集成，因而应用前景广泛。

2.进一步，上述的微带贴片天线中，所述寄生贴片的数量具体设计为6个，呈直线对称排列于辐射贴片的两端辐射方向。6个寄生贴片的尺寸完全相同。调节寄生贴片的尺寸，可以调整高阶模式的谐振频率。应当注意，对于微带贴片、寄生贴片之间以及寄生贴片之间的两种耦合缝隙结构，其尺寸太小时，天线的阻抗匹配效果不佳，S参数无法满足实际需要；随着缝隙尺寸逐渐变大，天线的阻抗匹配效果越来越好；但是当缝隙尺寸过大时，虽然匹配效果更好，但会导致整个天线的带宽变窄。因此需要根据天线工作频段适当选取缝隙的尺寸大小以便设计天线宽带。

3.更进一步，上述的微带贴片天线中，所述各寄生贴片的中心还分别设有贯穿所述介质基片连接至所述金属地的金属化通孔。金属化通孔，与金属杆作用类似但加工工艺简便快捷，可进一步拓展天线带宽。除此之外，设置于寄生贴片中心的金属化通孔还可以引入感性阻抗，平衡各寄生贴片带来的电容特性，中和天线贴片之间以及贴片与金属地之间形成的容性阻抗，从而使得各贴片上的电流分布更加均匀，在增加天线增益的同时，保证天线增益平稳，有效增益带宽范围更宽。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为根据本实用新型的具有宽带高增益的微带贴片天线结构示意图；

图2为根据本实用新型的微带贴片天线的侧视图；

图3为根据本实用新型的微带贴片天线的驻波比曲线图；

图4为根据本实用新型的微带贴片天线的增益曲线图；

图5为根据本实用新型的微带贴片天线的E面辐射方向图；

图6为根据本实用新型的微带贴片天线的H面辐射方向图。

图中有：金属地1、介质基片2、金属化通孔3、同轴馈电导体针4、寄生贴片之间的第二耦合缝隙5、微带贴片与寄生贴片之间的第一耦合缝隙6、寄生贴片7、辐射贴片8。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1、图2为根据本实用新型的具有宽带高增益的微带贴片天线结构示意图，如图1或图2所示，本实用新型的具有宽带高增益的微带贴片天线，包括由下至上层叠设置的金属地1、介质基片2和辐射贴片8，所述辐射贴片8与金属地1之间设有贯穿所述介质基片2的同轴馈电导体针4，其特征在于，所述辐射贴片8为矩形，所述辐射贴片8的长边轴线方向上还对称设有寄生贴片7，所述寄生贴片7与所述辐射贴片8之间设有第一耦合缝隙6，所述第一耦合缝隙的宽度小于所述寄生贴片的长度的1/10。

传统微带贴片天线包括介质基片，主辐射贴片，金属地以及同轴馈电结构。本实用新型在传统的微带贴片天线的基础上，在辐射贴片8的两辐射边(所述辐射贴片8的长边轴线方向上)分别加载寄生贴片，由寄生贴片在原先辐射贴片8确定的单一的谐振频率基础上引入新的高频谐振频率，通过适当调节寄生贴片的尺寸，可以使得两谐振频率之间实现良好的阻抗匹配。由此，该微带贴片天线的阻抗带宽将会大大增加。

进一步，上述的微带贴片天线中，所述寄生贴片7为方形，所述辐射贴片8的长边尺寸为所述寄生贴片7边长的1.3至1.4倍。

对于传统贴片天线，决定谐振频率的是两谐振边之间的距离，在本实用新型中即矩形辐射贴片8长边尺寸:长边尺寸越长，谐振频率越低。对于方形贴片天线，决定谐振频率的是正方形边长尺寸。因此方形的寄生贴片7边长应小于中间矩形贴片长边尺寸，才能在更高频率上产生谐振。同时为了满足宽带效果，寄生方形贴片边长不能太小，否则只能产生两个孤立的谐振点。在本实用新型中，中间矩形贴片长边尺寸与寄生方形贴片边长尺寸之比在1.3-1.4之间能够实现良好的阻抗匹配，产生宽带效果。

进一步，上述的微带贴片天线中，所述寄生贴片7的数量为6个，其中，第一对所述寄生贴片7对称设置于所述辐射贴片8的长边轴线方向，其余2对所述寄生贴片7分别平行于所述辐射贴片8的短边轴线方向对称设置于第一对所述寄生贴片7的两侧。

再进一步，上述的微带贴片天线中，所述6个寄生贴片7的尺寸完全相同。调节寄生贴片的尺寸，可以调整高阶模式的谐振频率，通过调节辐射贴片8与寄生贴片7所对应的两谐振频率之间的距离，可使得该天线在两谐振频率之间也能实现良好的阻抗匹配，实现天线的宽带特性。

具体而言，上述的微带贴片天线中，相邻2个所述寄生贴片7之间设有第二耦合缝隙5，所述第二耦合缝隙5宽度为小于所述寄生贴片的长度的1/5。

应当注意，对于微带贴片与寄生贴片之间的第一耦合缝隙6，通过仿真发现，当第一耦合缝隙6尺寸太小时，天线的阻抗匹配效果不佳，S参数无法满足实际需要；随着第一耦合缝隙6尺寸逐渐变大，天线的阻抗匹配效果越来越好；但是当第一耦合缝隙6尺寸过大时，虽然匹配效果更好，但会导致整个天线的带宽变窄。因此应适当选取第一和第二耦合缝隙的尺寸大小以便设计宽带天线。

同样的设计思路也适用于各寄生贴片之间的相同的第二耦合缝隙5。第二耦合缝隙5主要对寄生贴片引起的高频谐振频率产生影响，随着第二耦合缝隙5尺寸逐渐变大，天线在高频谐振频率上的匹配效果明显加强，同时天线带宽会略有降低，因此也要合理选择第二耦合缝隙5的尺寸大小。

更进一步，上述的微带贴片天线中，所述各寄生贴片7的中心还分别设有贯穿所述介质基片2连接至所述金属地1的金属化通孔3。金属化通孔在工艺上，首先在方形寄生贴片中心与金属地之间打圆柱形通孔，然后在孔壁上镀上金属。对于金属化通孔，它起到的作用与金属杆时一样的，但是在天线的加工制作中，金属化通孔的加工工艺简便快捷。金属化通孔除了对带宽产生一定的影响之外，最大的作用就是平衡寄生贴片带来的电容特性，金属化通孔大大增强了天线的电感特性，中和天线贴片之间以及贴片与金属地之间形成的容性阻抗，从而使得各贴片上的电流分布更加均匀，实现天线的平稳高增益。如果没有金属化通孔，天线的增益平坦度会有剧烈的波动起伏。

具体而言，上述的微带贴片天线中，所述金属化通孔3的直径小于所述寄生贴片的长度的1/5。调节金属化通孔的尺寸，可以优化各贴片上的电流分布，实现天线的高增益特性。

上述的微带贴片天线中，所述同轴馈电导体针4沿所述辐射贴片8的长轴线方向设置，所述同轴馈电导体针4的中心与所述辐射贴片8的中心距离满足天线工作频率下输入阻抗匹配要求。本实用新型馈电的同轴线结构需要调节其辐射贴片8中心的距离，使其满足在工作频率下具有50欧姆的输入阻抗特性。

上述的微带贴片天线中，所述金属地1、所述辐射贴片8以及所述各寄生贴片7均为铜皮材质；所述介质基片2为罗杰斯5880板材，其介电常数为2.2。

结合图3、图4、图5以及图6，本实用新型的具有宽带高增益特性的微带贴片天线的带宽(回波损耗小于-10dB)范围为12.2GHz至18GHz，相对带宽约40％，远远大于传统的微带贴片天线的带宽，同时，带宽范围内增益在9dBi以上，当频率低于17.5GHz时，增益保持在10dBi以上，具有明显的高增益特性。同时，在带宽范围内，具有稳定的边射辐射特性。

下面举例说明本***的工作过程：

本实施例下，天线能量由同轴馈电导体针输入，直接激励辐射贴片8，然后由两辐射边向外辐射，通过两辐射边的第一耦合缝隙6耦合到与之相邻的寄生贴片中，再由寄生贴片之间的第二耦合缝隙5耦合到其他的寄生贴片中，使之在更高频率产生谐振，最终各贴片将能量有效的辐射到自由空间中。本实施例通过调节寄生贴片的大小，微带贴片与寄生贴片之间的缝隙尺寸以及各寄生贴片之间的缝隙尺寸，使之满足在设计频率下的阻抗匹配要求，可以在更高频率上产生新的谐振模式，更加有效地展宽天线的带宽；另外，通过调节寄生贴片与金属地之间的圆柱形金属化通孔的尺寸，可以优化贴片上的电流分布，增强天线的电感特性，使得各贴片上电流分布更加均匀，使辐射能力更强，从而有效提高天线的增益。由于天线完全采用单层的贴片结构进行设计，无需增加介质基片的厚度或层次，平面的结构更加易于与平面电路集成，且能够兼顾宽频带和高增益，因此，本实施例所提供的天线结构应用前景广泛。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有宽带高增益的微带贴片天线，包括由下至上层叠设置的金属地(1)、介质基片(2)和辐射贴片(8)，所述辐射贴片(8)与金属地(1)之间设有贯穿所述介质基片(2)的同轴馈电导体针(4)，其特征在于，所述辐射贴片(8)为矩形，所述辐射贴片(8)的长边轴线方向上还对称设有寄生贴片(7)，所述寄生贴片(7)与所述辐射贴片(8)之间设有第一耦合缝隙(6)，所述第一耦合缝隙(6)的宽度小于所述寄生贴片的长度的1/10。

2.如权利要求1所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述寄生贴片(7)为方形，所述辐射贴片(8)的长边尺寸为所述寄生贴片(7)边长的1.3至1.4倍。

3.如权利要求2所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述寄生贴片(7)的数量为6个，其中，第一对所述寄生贴片(7)对称设置于所述辐射贴片(8)的长边轴线方向，其余2对所述寄生贴片(7)分别平行于所述辐射贴片(8)的短边轴线方向对称设置于第一对所述寄生贴片(7)的两侧。

4.如权利要求3所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述6个寄生贴片(7)的尺寸完全相同。

5.如权利要求4所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，相邻2个所述寄生贴片(7)之间设有第二耦合缝隙(5)，所述第二耦合缝隙(5)宽度小于所述寄生贴片的长度的1/5。

6.如权利要求2所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述各寄生贴片(7)的中心还分别设有贯穿所述介质基片(2)连接至所述金属地(1)的金属化通孔(3)。

7.如权利要求6所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述金属化通孔(3)的直径小于所述寄生贴片的长度的1/5。

8.如权利要求1至7任一所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述同轴馈电导体针(4)沿所述辐射贴片(8)的长边轴线方向设置，所述同轴馈电导体针(4)的中心与所述辐射贴片(8)的中心距离满足天线工作频率下输入阻抗匹配要求。

9.如权利要求8所述的具有宽带高增益的微带贴片天线，其特征在于，所述金属地(1)、所述辐射贴片(8)以及所述各寄生贴片(7)均为铜皮材质；所述介质基片(2)为罗杰斯5880板材。