CN107611616A - 一种基于表面开槽的双频微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于表面开槽的双频微带贴片天线，包括辐射贴片、地平面、地平面基板、同轴馈电导体针和馈电微带线；辐射贴片的横向剖面呈圆形，地平面的横向剖面呈正方形；辐射贴片水平设置在地平面基板的上方，辐射贴片与地平面基板之间留有间距；地平面设置在地平面基板的顶面上，地平面的中心与辐射贴片的圆心在垂直方向上重合；馈电微带线设置在地平面基板的底面上，馈电微带线与同轴馈电导体针的一端连接，同轴馈电导体针的另一端穿过地平面基板、地平面后与辐射贴片上的馈电点电连接；馈电点的设置位置与地平面的对角线相对应；辐射贴片上开设有一弧状开槽，弧状开槽的内弧与外弧的圆心与辐射贴片的圆心重合。

Description

一种基于表面开槽的双频微带贴片天线

技术领域

本发明涉及无线信号与能量传输领域，更具体地，涉及一种基于表面开槽的双频微带贴片天线。

背景技术

并发无线能量与信号传输(SWIPT)是指信号加载在强载波射频能量中，从能量源并发传输到信号接收终端或能量接受终端的一个过程。复合信号通过射频辐射在自由空间传播，并被各终端接收。信号接收终端能正常接收复合信号并解调出有用信息，同时能量接收终端通过整流转化为直流电能，提供直流供电。SWIPT可以实现远距离的能量与信号传输，近年来成为研究热点。

在能量接收或信号接收系统中，天线处在系统的最前端，负责将能量从自由空间中转换到后级电路加以利用。随着现在通信系统的发展，通信系统呈现双频带/多频带的发展态势，为使SWIPT兼容多频信号，接收天线应具备双频或多频的接收特性，并保证双频或多频工作模式下，天线的辐射特性相似，以适应特定的应用场合。同时，作为系统的一部分，为增强实用性，天线应具备剖面低，重量小，易制作，易集成的特性。

微带天线具备剖面低，重量小，易制作的特性，辐射特性变化相对灵活。但在传统的微带天线中，双频特性的实现通常伴随着体积的提升，或者辐射特性的改变，甚至辐射强度的弱化。同时，由于双频特性结构分析的复杂性，其双频的高低频比的范围不大，这使得微带天线在多频带，频率比比较大的接收应用场合中受到限制。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种基于表面开槽的双频微带贴片天线，该天线在不降低辐射效率和方向增益的前提下，实现了更宽更灵活的双频/多频频率比，并使所有辐射工作模式都具有相似的辐射特性。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于表面开槽的双频微带贴片天线，包括辐射贴片、地平面、地平面基板、同轴馈电导体针和馈电微带线；所述辐射贴片的横向剖面呈圆形，所述地平面的横向剖面呈正方形；其中所述辐射贴片水平设置在地平面基板的上方，辐射贴片与地平面基板之间留有间距；地平面设置在地平面基板的顶面上，地平面的中心与辐射贴片的圆心在垂直方向上重合；所述馈电微带线设置在地平面基板的底面上，馈电微带线与同轴馈电导体针的一端连接，同轴馈电导体针的另一端穿过地平面基板、地平面后与辐射贴片上的馈电点电连接，所述同轴馈电导体针与地平面之间不进行电气连接；所述馈电点的设置位置与地平面的对角线相对应；所述辐射贴片上开设有一弧状开槽，所述弧状开槽的内弧与外弧的圆心与辐射贴片的圆心重合。

上述方案中，辐射贴片作为主要辐射单元，微波能量由馈电微带线传输到同轴馈电导体针，并由同轴馈电导体针激励辐射单元，将微波能量有效地辐射到自由空间中。由于在辐射单元引入开槽，扰动了辐射单元表面的电流分布，将在传统不带开槽的辐射贴片的工作模式基础上增加额外的辐射工作模式。同时通过引入相对开槽不对称的位于地平面对角线上的馈电点位置，使得辐射贴片在两个极化平面上的电流分布情况产生差异，从而产生更多不同频率的辐射模式，进一步扩宽双频/多频应用的频率比范围。由于开槽与非对称馈电点位置对辐射贴片表面电流的双重扰动，改善了基于TM₀₂模式下辐射贴片的辐射特性，使其更接近于主模TM₁₁模的辐射模式。为克服传统开槽技术带来的辐射效率与方向增益降低的问题，本发明引入空气介质，有效提高了辐射效率与方向增益。同时引入同轴-微带线过渡结构，使得本发明的天线能更紧凑、损耗更低地与后级射频电路连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的天线，具备双频/多频的工作特性，所有频率的工作模式下的辐射特性较为相似，能作为雷达、WIFI系统的发射天线，并在多频情况下有效定向辐射能量。

2)本发明提供的天线具有灵活的工作模式可选性，并实现了比传统双频天线更宽的高低频率比范围，达到1.17至2.21；

3)本发明提供的天线相比传统的双频天线辐射效率更高，达到86％以上，辐射增益更高，所有模式最大增益均达到8.2dBi以上。

4)本发明提供的天线具有更高集成度，易于与射频电流进行连接，结构紧凑。

附图说明

图1为天线的横向与纵向的剖面示意图。

图2为实施例2在不同频段的最优反射系数曲线图。

图3为实施例2在不同频段的辐射效率与增益图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，一种基于表面开槽的双频微带贴片天线，包括辐射贴片1、贴片开槽2、辐射基板9、地平面3、空气介质4、同轴馈电导体针5、馈电微带线6、支撑件7、地平面基板8，其中辐射贴片1设置在辐射基板9的顶面上，辐射贴片1的尺寸与辐射基板9的尺寸一致并在垂直方向上重合。辐射基板9设置在地平面3上方，在垂直方向上，辐射基板9的圆心与地平面的中心重合。在辐射贴片3上设置有一个弧状开槽2，弧状开槽2的外弧和内弧的圆心与辐射贴片1的圆心重合，外弧与内弧的圆心角保持一致，两条弧的两端分别用直线边缘相连。在辐射基板9与地平面3之间存在空气介质4，辐射基板的刚性用四个尺寸一样的，位置均匀分布在靠近辐射基板9边缘的正方形支撑件7提供。地平面基板8设置在地平面3底面上，尺寸与地平面3一致并重合，地平面3设置在地平面基板8的一面，地平面基板8的另一面是长方形的馈电微带线6。馈电微带线6的一端与圆柱形的馈电导体针5呈90度连接，另一端可连接测试SMA接头或后级射频电路。导体针5的一端和馈电微带线6连接，另一端穿过地平面基板8、地平面3、空气介质4、辐射基板9与辐射贴片1在馈电点10的位置呈90度连接，同时应注意，馈电导体针5不与地平面3进行电气连接，为此必须在馈电导体针5穿过地平面3的附近开一个直径比馈电导体针5直径稍大的小孔，方便导体针通过。馈电点10设置在地平面3的对角线上，位置可移动，馈电微带线6和馈电导体针5的位置跟随馈电点10移动，馈电点10和馈电导体针5的圆心重合，并使它们的圆心保持落在馈电微带线6的长边对称轴上。

上述方案中，辐射贴片1作为辐射单元，微波能量由馈电微带线、馈电导体针激励辐射单元，将微波能量有效地辐射到自由空间中。其中弧状开槽2的设置对辐射贴片1的表面电流进行扰动，从而创造出基础的扰动工作模式，并通过对角线馈电的设置，激发出更多工作模式。在不同双频高低频率比的需求下，可选择不同的工作模式工作，从而拓宽频率比变化范围，以适应更多应用场合。通过对弧状开槽2的尺寸设置，可使不同工作模式的频率比变化。同时，由于引入空气介质4，绝大部分基于传统介质板的损耗被去除，因此微带天线的辐射效率被大幅提升。

在具体的实施过程中，实施例1的天线工作频段被设置为WIFI频段：2.45GHz和5.2GHz。为实现该频率比，辐射贴片1的半径在35mm到45mm可调，弧状开槽2的宽度在1mm到5mm可调，外弧的半径在25mm到35mm可调，圆心角在90度到270度可调。地平面3的边长是辐射贴片1直径的1.2倍以上，空气介质4的宽度在1mm至3mm可调，支撑件7的高度和空气介质4的宽度保持一致，长和宽在1mm*1mm到2mm*2mm之间可调。所述辐射基板厚度在0.1mm到0.3mm可调，介电常数ε_r＝2.2，介质损耗角正切值tanδ＝0.0014。所述地平面基板厚度在0.5mm到1.2mm可调，介电常数ε_r＝2.55，介质损耗角正切值tanδ＝0.0014。

在具体的实施过程中，辐射贴片1与地平面3由铜导体支撑。

在具体的实施过程中，辐射基板9与地平面基板8由聚四氟乙烯材料制成。

实施例2

本实施例对实施例1提供的微带天线进行了具体的实验，其实验结果如图2、3所示。

如图2所示，实施例1提供的微带天线在谐振频率2.45GHz和5.2GHz有最优反射系数，分别为S11＝-24dB与-13dB。

如图3所示，实施例1提供的微带天线在谐振频率2.45GHz和5.2GHz有最优辐射效率与增益。在2.45GHz的辐射效率为90％，最大方向增益为9.1dBi；5.2GHz的辐射效率为95％，最大增益为9.3dBi。

实验证明，本发明提供的微带天线在使用时的反射系数小，辐射效率高，方向增益好，适用于各类无线通信与传能应用领域。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：包括辐射贴片、地平面、地平面基板、同轴馈电导体针和馈电微带线；所述辐射贴片的横向剖面呈圆形，所述地平面的横向剖面呈正方形；其中所述辐射贴片水平设置在地平面基板的上方，辐射贴片与地平面基板之间留有间距；地平面设置在地平面基板的顶面上，地平面的中心与辐射贴片的圆心在垂直方向上重合；所述馈电微带线设置在地平面基板的底面上，馈电微带线与同轴馈电导体针的一端连接，同轴馈电导体针的另一端穿过地平面基板、地平面后与辐射贴片上的馈电点电连接，所述同轴馈电导体针与地平面之间不进行电气连接；所述馈电点的设置位置与地平面的对角线相对应；所述辐射贴片上开设有一弧状开槽，所述弧状开槽的内弧与外弧的圆心与辐射贴片的圆心重合。

2.根据权利要求1所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述辐射贴片设置在辐射基板的顶面上，辐射基板设置在地平面基板的上方，辐射基板与地平面基板之间留有间距，同轴馈电导体针的另一端穿过地平面基板、地平面、辐射基板后与辐射贴片上的馈电点电连接。

3.根据权利要求2所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述辐射基板、地平面之间通过四组支撑件进行连接。

4.根据权利要求3所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述四组支撑件在圆周方面上均匀分布。

5.根据权利要求2所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述辐射基板、地平面基板横向剖面的形状分别与辐射贴片、地平面横向剖面的形状一致。

6.根据权利要求5所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述辐射贴片的半径范围为35mm到45mm，地平面的边长为辐射贴片直径的1.2倍以上。

7.根据权利要求1所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述弧状开槽外弧的圆心角与内弧的圆心角一致。

8.根据权利要求7所述的基于表面开槽的双频微带贴片天线，其特征在于：所述内弧、外弧的圆心角的范围为60度~270度。