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CN108736153B - 一种三频低剖面贴片天线 - Google Patents

一种三频低剖面贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种三频低剖面贴片天线，包括介质板、印制在介质板上表面的金属辐射贴片和下表面的金属地板；所述金属辐射贴片的中心位置蚀刻有第一矩形缝隙，该第一矩形缝隙两侧各蚀刻有一条与其平行的第二矩形缝隙；所述介质板上位于第一矩形缝隙与两条第二矩形缝隙之间的位置各设置有一个同轴接头和至少两个短路部件；所述同轴接头的内导体与所述金属辐射贴片连接，外导体与所述金属地板连接；所述短路部件，用于实现金属辐射贴片与金属地板之间的短路连接。本发明天线在三个独立的频段内实现稳定的高增益和相同的辐射波束。

Description

一种三频低剖面贴片天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种三频低剖面贴片天线，可用于无线通信系统。
背景技术
贴片天线是在一个薄介质基片的一面附上金属薄层作为接地板，另一面用腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。因其剖面低、体积小、结构简单、易于集成等特点，被广泛应用于无线通信系统中。
随着无线通信系统向着小型化、多功能化的方向发展，为节省成本和空间，系统中通常工作于多个工作频段。相应的，多频天线成为了天线领域内的一个重要研究方向。无线系统信号覆盖范围很大程度上受天线本身的增益及波束宽度的影响。现有技术中提出的三频段天线在不同频段增益相差很大，需要在后续射频电路中进行相应的补偿，加大了设计难度，不利于系统小型化的实现。为了使无线信号在三个不同的工作频带有相同的覆盖效果，天线在三个工作频带内应有相同的辐射特性，而现有技术中天线在三个频段的波束宽度差异很大，不能满足这样的要求。
2014年，中国计量学院的李九生在专利文献CN203434274U中公开了一种同向开口回字形三频微带天线，其中天线由两个开口矩形环贴片、矩形连接线、阻抗匹配输入传输线和带缺口环形接地板组成。天线工作于3.024GHz～4.208GHz、6.552GHz～6.816GHz和8.736GHz～9.136GHz三个不同频段。但是工作频带内增益很低，方向图不仅波束宽度变化很大，而且畸变严重，实用价值较低。
2015年，郑宏兴等人在专利文献CN204732535U中公开了一种边缘多矩形槽三频天线。天线由介质基板、微带馈线、辐射贴片、接地面组成，辐射贴片和微带馈线相连与接地板分别印刷在介质基板的两侧。天线可以工作在X波段、C波段和Ku波段。同样存在着增益较低，方向图畸变严重的问题。
因此，设计出能工作在三个频带且具有稳定辐射性能的天线是天线技术领域亟需解决的问题，具有较大的实用意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种三频低剖面贴片天线，通过在金属辐射贴片上加载矩形缝隙和短路部件的方式，改变天线在不同谐振模式下的电流分布和场分布，从而达到提高低频增益和抑制高频副瓣的效果，最终实现天线在三个不同工作频带取得稳定的增益和辐射方向图。
为实现上述目的，本发明包括介质板、印制在介质板上表面的金属辐射贴片和下表面的金属地板；
所述金属辐射贴片的中心位置蚀刻有第一矩形缝隙，该第一矩形缝隙两侧各蚀刻有一条与其平行的第二矩形缝隙；所述介质板上位于第一矩形缝隙与两条第二矩形缝隙之间的位置各设置有一个同轴接头和至少两个短路部件；所述同轴接头的内导体与所述金属辐射贴片连接，外导体与所述金属地板连接；所述短路部件，用于实现金属辐射贴片与金属地板之间的短路连接；
所述金属辐射贴片，采用中心与介质板表面中心重合的矩形贴片；
所述第一矩形缝隙，其中心与所述矩形金属辐射贴片的中心重合；
所述第一矩形缝隙，其两侧蚀刻的第二矩形缝隙关于该第一矩形缝隙对称，且长度大于所述第二矩形缝隙的长度；
所述第一矩形缝隙，其与两侧蚀刻的第二矩形缝隙之间的间距为S，0.08λ≤S≤0.32λ，λ表示三频低剖面贴片天线中频段的中心频率波长。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在所述金属辐射贴片的中心位置蚀刻有第一矩形缝隙，该第一矩形缝隙两侧各蚀刻有一条与其平行的第二矩形缝隙，通过调整第一矩形缝隙和第二矩形缝隙的长度、第一矩形缝隙和第二矩形缝隙的间距，可在中高频获得较高的增益和稳定的波束宽度，克服了现有技术方向图畸变的问题，使得天线在三个工作频段有相同的波束宽度，改善了天线的信号覆盖能力。
2、本发明设置有短路部件，可调整短路部件相对于金属辐射贴片中心的位置，使得低频增益提高，克服了现有技术中天线在低频段增益较低问题，并使天线获得良好的低频阻抗匹配。
附图说明
图1是本发明天线的结构示意图。
图2是本发明天线的俯视图。
图3是本发明天线的差分反射系数曲线图。
图4是本发明天线的E面和H面辐射方向图。
图5是本发明天线在工作频带内增益曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述：
实施例1：
参照图1
本发明包括介质板1、印制在介质板1上表面的金属辐射贴片2和下表面的金属地板3；其特征在于，所述金属辐射贴片2采用中心与介质板1表面中心重合的矩形贴片，该金属辐射贴片2上蚀刻有中心与该矩形金属辐射贴片2的中心重合的第一矩形缝隙22，该第一矩形缝隙22两侧关于该第一矩形缝隙22对称的第二矩形缝隙21，且第一矩形缝隙22的长度大于第二矩形缝隙21的长度；所述介质板1上位于第一矩形缝隙22与两条第二矩形缝隙21之间的位置各设置有一个同轴接头5和至少两个短路部件4；所述同轴接头5的内导体与所述金属辐射贴片2连接，外导体与所述金属地板3连接；所述短路部件4，用于实现金属辐射贴片2与金属地板3之间的短路连接。
所述短路部件可以是通过印刷电路板工艺实现的金属化过孔，也可以是其他形式的柱状金属。为取得良好的短路效果，同时降低加工难度，在本实施例中所述短路部件数量为4；
所述同轴接头用以实现对天线的差分馈电，即两个馈电点的输入信号幅度相同相位相反，以抑制不需要的偶次谐振模，减小对天线辐射方向图的影响。
参照图2，所述第一矩形缝隙的长度表示为L1，L1小于所述矩形金属辐射贴片的边长，避免切断金属辐射贴片所造成场分布和电流分布的突变，导致天线辐射方向图畸变。
原有高频谐振模式TM12模的方向图在最大辐射方向内陷，导致高频增益较低，设置第一矩形缝隙引入了新的辐射场，与TM12模的辐射场叠加，使得TM12模方向图内陷的问题得到解决，从而有效的改善了高频方向图，并增加高频段增益。
所述第二矩形缝隙的长度表示为L2。第二矩形缝隙延长了TM30模的电流路径，有效的抑制了副瓣电平，压缩了中频波束宽度。为避免中频波束宽度过窄，L2应不大于所述第一矩形缝隙的长度L1。
所述第二矩形缝隙与第一矩形缝隙平行，且关于第一矩形缝隙对称分布，两者间距表示为S，且0.08λ≤S≤0.32λ，λ表示三频低剖面贴片天线中频段的中心频率波长。
通过调整间距S可以有效的改变TM30模的谐振频率，从而控制中频增益。在本实施例中，所述第二矩形缝隙与第一矩形间距S为18mm，此时中频段的中心频率波长λ为60.9mm，S等于0.3λ。
实施例2：
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：
参照图2，所述第二矩形缝隙与第一矩形缝隙的间距S为5.2mm，此时中频段的中心频率波长λ为65.2mm，S等于0.08λ。
实施例3：
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：
参照图2，所述第二矩形缝隙与第一矩形缝隙的间距S为19.2mm，此时中频段的中心频率波长λ为60mm，S等于0.32λ。
下面结合附图3、附图4和附图5和对本发明作进一步的描述：
参照图3，本发明通过电磁仿真软件Ansoft HFSS建模，对实施例1中的天线进行仿真，得到的差分反射系数曲线如图3所示，图中横坐标表示频率，纵坐标表示天线差分反射系数，从图中可以看出，天线在2.45GHz、5.1GHz和5.8GHz这三个WLAN频段内匹配良好，反射系数小于-10dB，可以实现在三频段稳定工作。
参照图4，图4为实施例1中天线的E面和H面辐射方向图，其中图4a表示E面天线增益随角度变化的函数曲线，图4b表示H面天线增益随角度变化的函数曲线，在上述两个观察平面内，天线三个工作频段的法向增益和波束宽度相等，主波束十分吻合。
参照图5，图5为实施例1天线的增益曲线图，图中横坐标表示频率，纵坐标表示天线增益，可见，天线在2.45GHz、5.1GHz和5.8GHz这三个WLAN频段内最小增益达7.9dBi，最大增益为8.4dBi，在三个工作频段内的增益较高且十分稳定。
综上所述，本发明提出的三频低剖面贴片天线能基于简单的结构，在三个独立的频段内同时实现稳定的高增益和相同的辐射波束，有利于改善无线通信系统的信号覆盖问题。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。
以上所述仅为本发明的三种具体实施方式，不构成对本发明的任何限制，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，所做的形式和细节上的各种修改或替换，均应包含在本发明的权力要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三频低剖面贴片天线，包括介质板(1)、印制在介质板(1)上表面的金属辐射贴片(2)和下表面的金属地板(3)；其特征在于，所述金属辐射贴片(2)采用中心与介质板(1)表面中心重合的矩形贴片，该金属辐射贴片(2)上蚀刻有中心与该矩形金属辐射贴片(2)的中心重合的第一矩形缝隙(22)，该第一矩形缝隙(22)两侧关于该第一矩形缝隙(22)对称的第二矩形缝隙(21)，且第一矩形缝隙(22)的长度大于第二矩形缝隙(21)的长度；所述介质板(1)上位于第一矩形缝隙(22)与两条第二矩形缝隙(21)之间的位置各设置有一个同轴接头(5)和至少两个短路部件(4)；所述同轴接头(5)的内导体与所述金属辐射贴片(2)连接，外导体与所述金属地板(3)连接；所述短路部件(4)，用于实现金属辐射贴片(2)与金属地板(3)之间的短路连接。
2.根据权利要求1所述的一种三频低剖面贴片天线，其特征在于，所述第一矩形缝隙(22)，其与两侧蚀刻的第二矩形缝隙(21)之间的间距为S，0.08λ≤S≤0.32λ，λ表示三频低剖面贴片天线中频段的中心频率波长。
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