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CN113839187B - 一种寄生单元加载的高增益双频微带天线 - Google Patents

一种寄生单元加载的高增益双频微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种寄生单元加载的高增益双频微带天线，所述天线其主要包括：金属地板层、介质基板层、矩形辐射贴片、馈线、寄生单元；所述金属地板层为最底层，所述介质基板层覆盖于金属地板层之上，所述矩形辐射贴片位于介质基板层上表面，所述微带馈线设于介质基板层上表面的一侧，并与矩形辐射贴片相连接，所述寄生单元具有多个，置于馈线两侧；所述矩形辐射贴片的上半部分由多个均匀排布的四叶草状弧形图案组成；所述寄生单元的结构是通过将正方形的一组对边分别设置为“凹”字形而得到。该天线能以较小的结构在S波段实现双频谐振频点，并提高了微带天线的增益，增强了微带天线的实用性。

Description

一种寄生单元加载的高增益双频微带天线
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种寄生单元加载的高增益双频微带天线。
背景技术
随着移动通信、航空航天等领域电子技术的发展，各种电子设备均向着小型化方向发展。微带天线在移动通信、航天航空、电子对抗及雷达等领域有着广泛的应用。微带天线以其体积小，剖面低，易于与大规模集成电路相集成等良好特性而受到广泛关注。但其自身的结构特点，导致微带天线的增益低，方向性差等缺点。而且由于天线无线系统发展迅速，原有的频段显得越来越拥挤。为了增加信道数量常常要求采用新的频段，而考虑到兼容性又常常要求采用一台设备就可以工作于双频甚至多频，因此也要求天线具有双频或者多频功能。
目前，实现双频工作的方式有很多，如在贴片表面开槽，同一介质层上采用两个辐射贴片重叠结构等。为了提高微带天线的增益，通常增大天线基板厚度，或者采用阵列天线来实现高增益。但以上方法增大了体积或者剖面积，与微带贴片天线的小型化和低剖面的发展趋势不相符，同时在一定程度上限制了微带天线的使用性。
发明内容
为了解决传统的微带天线频带拥挤，增益较低，体积和剖面积大，本发明提出了一种寄生单元加载的高增益双频微带天线，旨在通过较小的结构在S波段实现双频谐振频点，并提高微带天线的增益，增强微带天线的实用性。
所述天线其主要包括：金属地板层、介质基板层、矩形辐射贴片、馈线、寄生单元；所述金属地板层为最底层，所述介质基板层覆盖于金属地板层之上，所述矩形辐射贴片位于介质基板层上表面，所述微带馈线设于介质基板层上表面的一侧，并与矩形辐射贴片相连接，所述寄生单元具有多个，置于馈线两侧；所述矩形辐射贴片的上半部分由多个均匀排布的四叶草状弧形图案组成；所述寄生单元的结构是通过将正方形的一组对边分别设置为“凹”字形而得到。
所述四叶草状弧形图案通过以正方形的边长作为圆的直径，分别以正方形的四条边作圆，截取重叠部分得到，其材料为金属铜，厚度为0.035mm。
所述介质基板层的材料是介电常数为4.3的FR-4(loss free)，厚度为1.6mm。
所述金属地板层的材料为铜，厚度为0.035mm。
所述寄生单元的材料为金属铜，厚度为0.035mm。
所述寄生单元的“凹”字形处的凹槽，其长宽分别为2mm×0.4mm，其正方形边长为4mm。
所述馈线的阻抗为50Ω。
本发明的有益效果有：
(1)本发明所提出的天线结构较为简单，体积小，采用FR-4(loss free)的介质基板，因此可以减少加工成本，从而增加了微带天线的使用性，可以广泛应用于各种无线通讯系统中。
(2)通过调整矩形辐射贴片上四叶草状弧形图案单元的正方形的边长d，能有效地改善微带天线的各项性能参数，在S波段出现两个谐振点，并在双频谐振点处得到较好的回波损耗值。
(3)在介质基板层上加载寄生单元，不仅提高了微带天线的增益，而且省去了馈电网络部分所占用的一部分面积，实现了微带天线小型化的设计目的。
附图说明
图1为天线结构示意图。
图2为四叶草状弧形图案示意图。
图3为寄生单元结构示意图。
图4为不同d值下的天线的回波损耗。
图5为未加载寄生单元频率2.4GHz处天线仿真增益。
图6为未加载寄生单元频率3.67GHz处天线仿真增益。
图7为加载寄生单元后的天线回波损耗。
图8为加载寄生单元后2.4GHz处天线增益图。
图9为加载寄生单元后3.67GHz处天线增益图。
图10为天线增益仿真曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明提出了一种寄生单元加载的高增益双频微带天线，如图1所示，所述天线包括金属地板层、介质基板层1、矩形辐射贴片2、馈线3、寄生单元4；所述金属地板层为最底层，所述介质基板层1覆盖于金属地板层之上，所述矩形辐射贴片2位于介质基板层1上表面，所述馈线3设于介质基板层1上表面的一侧，并与矩形辐射贴片2相连接，所述寄生单元4具有多个，置于馈线3两侧；所述矩形辐射贴片2的上半部分由多个均匀排布的四叶草状弧形图案组成；所述寄生单元4的结构是通过将正方形的一组对边分别设置为“凹”字形而得到。
使用所述四叶草状弧形图案可以改善微带天线的谐振频率，并在S波段可以实现双频谐振点。同时，使用寄生单元4可以有效的提高微带天线增益，使微带天线能达到预期的效果。
在其中一个实施例中，四叶草状弧形图案共有128个，其结构为以正方形的边长作为圆的直径，然后分别以正方形的四条边作圆，截取重叠部分形成四叶草状的弧形图案，如图2所示。逐渐减小圆的直径，可以改善微带天线的谐振频率，并在S波段可以实现双频谐振点。四叶草状弧形图案的材料为金属铜，厚度为0.035mm，其结构下层为介质基板层1，材料是介电常数为4.3的FR-4(loss free)，厚度为1.6mm,最底层为金属地板层，其材料为铜，厚度为0.035mm。
为了提高微带天线的增益，在介质基板层1上方，靠近微带线处加载一系列的寄生单元4，所述寄生单元4的结构如图3所示，材料由金属铜组成，厚度为0.035mm。其结构具体为4mm×4mm的正方形内挖出对称的两个长方形“凹”字形的凹槽，其长方形的长宽为0.4mm×2mm。所述寄生单元4共有48个，置于馈线3的两侧，与馈线3的距离为0.86mm。所述馈线3的阻抗设置为50Ω。通过减小正方形的边长，并微调寄生单元的位置，可以提高微带天线的增益，减小了微带天线的尺寸，从而可以实现小型化的设计目的。
为了验证本发明的微带天线效果，使用三维电磁软件CST仿真优化，本发明的微带天线的谐振频率随着四叶草状弧形图案正方形边长d的减小而变大，并且S11的值也随着d的减小而减小，如图4所示。当d＝2mm时，天线的谐振频率为2.4GHz，其回波损耗为-36.22dBi，在频率为3.67GHz时，天线的回波损耗为-36.708dBi。
图5和图6给出了未加载寄生单元贴片时天线在双频谐振点出的E面和H面的辐射方向图，从图中可知，在频率为2.4GHz时，天线的增益为6.69dBi，在频率为3.67GHz时，增益为7.19dBi，由仿真结果可知未加载寄生单元贴片时，微带天线的在频率2.4GHz处增益较低。
图7为加载寄生单元贴片下的天线回波损耗。天线的谐振频点为2.4GHz，3.67GHz，与原始的相比，并未改变谐振频点。由图可知在频率为2.4GHz时天线的回波损耗为-40.12dBi，在双频谐振频率3.67GHz时的天线的回波损耗为-23.83dBi，在两个谐振点的S11都小于-10dBi，说明在两个谐振频点天线的匹配效果较佳。
图8和图9给出了双频谐振点2.45GHz和3.67GHz加载寄生贴片后的天线的E面和H面的辐射方向图，与未加载寄生单元的天线相比，在E面和H面上的辐射并未发生很大的改变，并从图中可知在谐振频点2.4GHz时天线的增益为7.004dBi，在3.67GHz时天线的增益为7.338dBi，在两个谐振点的增益均大于7dBi。
图10给出了加载寄生单元贴片前后天线增益频率曲线图，由图可知天线加载寄生贴片后从2.35GHz-3.2GHz和3.4GHz-4GHz天线的增益有了明显的提高，在频率为2.4GHz和3.67GHz时天线的增益分别提高了0.313dBi，0.145dBi。
综合以上结果，寄生单元贴片加载的高增益双频微带天线从体积，加工成本，还有辐射性能，增益等方面分析都能够很好的达到预期效果。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种寄生单元加载的高增益双频微带天线，其特征在于，所述天线其主要包括：金属地板层、介质基板层、矩形辐射贴片、馈线、寄生单元；所述金属地板层为最底层，所述介质基板层覆盖于金属地板层之上，所述矩形辐射贴片位于介质基板层上表面，所述微带馈线设于介质基板层上表面的一侧，并与矩形辐射贴片相连接，所述寄生单元具有多个，置于馈线两侧；
所述矩形辐射贴片的上半部分由多个均匀排布的四叶草状弧形图案组成，所述四叶草状弧形图案通过以正方形的边长作为圆的直径，分别以正方形的四条边作圆，截取重叠部分得到；通过调整矩形辐射贴片上四叶草状弧形图案单元的正方形的边长，能有效地改善微带天线的各项性能参数，在S波段出现两个谐振点，并在双频谐振点处得到较好的回波损耗值；
所述寄生单元的结构是通过将正方形的一组对边分别设置为“凹”字形而得到，即在正方形的一组对边挖出对称的两个长方形凹槽，不仅提高了微带天线的增益，而且实现了微带天线小型化的设计目的。
2.如权利要求1所述天线，其特征在于，所述四叶草状弧形图案的材料为金属铜，厚度为0.035 mm。
3.如权利要求1所述天线，其特征在于，所述介质基板层的材料是介电常数为4.3的FR-4，厚度为1.6 mm。
4.如权利要求1所述天线，其特征在于，所述金属地板层的材料为铜，厚度为0.035 mm。
5.如权利要求1所述天线，其特征在于，所述寄生单元的材料为金属铜，厚度为0.035mm。
6.如权利要求5所述天线，其特征在于，所述寄生单元的“凹”字形处的凹槽，其长宽分别为2 mm×0.4mm，其正方形边长为4mm。
7.如权利要求5所述天线，其特征在于，所述馈线的阻抗为 。
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