一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线
阅读说明：本技术 一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线 (Broadband coupling patch antenna with consistent radiation pattern and improved gain ) 是由 张晓� 李国雄 袁涛 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线,包括依次层叠的馈电网络层、第一介质层、金属地板、第二介质层和辐射层；辐射层设置有主贴片、第一寄生贴片和第二寄生贴片,金属地板上设有镂空槽,馈电网络层设有微带馈线；微带馈线通过镂空槽与主贴片耦合,主贴片分别与第一寄生贴片、第二寄生贴片耦合；主贴片上设有用于保持辐射方向图一致的缝隙组；缝隙组由位于同一直线上的N条缝隙构成,直线过主贴片的中心；第一寄生贴片与第二寄生贴片关于直线呈镜像对称；N为自然数,N≥1。在微带馈线、镂空槽、主贴片、缝隙组、两寄生贴片的协同作用下,天线呈现交叉极化低、工作带宽宽、增益提高、带内辐射方向图一致的特性。(The invention provides a broadband coupling patch antenna with consistent radiation patterns and improved gain, which comprises a feed network layer, a first dielectric layer, a metal floor, a second dielectric layer and a radiation layer which are sequentially stacked; the radiation layer is provided with a main patch, a first parasitic patch and a second parasitic patch, the metal floor is provided with a hollow groove, and the feed network layer is provided with a micro-strip feed line; the microstrip feeder line is coupled with the main patch through the hollow groove, and the main patch is coupled with the first parasitic patch and the second parasitic patch respectively; the main patch is provided with a slot group for keeping the radiation patterns consistent; the gap group consists of N gaps which are positioned on the same straight line, and the straight line passes through the center of the main patch; the first parasitic patch and the second parasitic patch are in mirror symmetry with respect to a straight line; n is a natural number, and N is more than or equal to 1. Under the synergistic action of the microstrip feeder line, the hollow groove, the main patch, the slot group and the two parasitic patches, the antenna has the characteristics of low cross polarization, wide working bandwidth, improved gain and consistent in-band radiation pattern.)
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，尤其是指一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线。
背景技术
近年来，随着无线通信的迅速发展，日渐复杂的应用场景，对无线通信系统中的天线的带宽和其他性能的要求越来越高。由于微带贴片天线具有剖面低、重量轻、易于加工以及成本低等优点，被广泛地应用在各种无线通信中。然而，传统的微带贴片天线存在两个较大的缺点：带宽较窄以及增益较低，进而导致其很难应用于宽带通信以及中远距离通信中。
近几十年来，国内外许多学者对贴片天线了进行大量的研究以提高贴片天线的带宽。传统的方法如增加介质基板的厚度或减小介质基板的介电常数。增加介质基板的厚度可以降低贴片天线的品质因数，从而提高贴片天线的带宽，但是由于较长探针引入较大的感抗使得贴片天线难以匹配，因此该方法所提高的带宽有限。而较低介电常数的介质基板所能提高的天线的带宽也很有限。
有学者提出了通过在贴片天线上加载U形槽（ T. Huynh and K. F. Lee,“Single-layer Single-patch Wideband Microstrip Antenna, ” IEEE ElectronicsLetters., vol. 31, no. 16, Aug. 1995.）或者E形槽（ F. Yang, X. X. Zhang and Y.R. Samii, “Wide-Band E-Shaped Patch Antennas for Wireless Communications, ”IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 49, no. 7, July. 2001.）以提高贴片天线的带宽，通过加载两种形状的槽使贴片天线的高次模与基模相互靠近，从而实现较宽的带宽，但是这种方法提高了天线的交叉极化水平，降低了天线的辐射性能。
也有学者提出了使用L形探针（ C. L. Mak, K. M. Luk, K. F. Lee and Y. L.Chow, “Experimental study of a microstrip patch antenna with an L-shapedprobe,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, no. 5, pp.777-783, May 2000.）的方法提高贴片天线的带宽，但这一类天线一般需要较高的天线剖面（一般为0.1真空波长），并且L型探针会影响方向图的对称性和交叉极化水平。
也有学者提出了使用垂直寄生单元（ R. Q. Lee, and K. F. Lee,“Experimental study of the two-layer electromagnetically coupled rectangularpatch antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 38, no.8, pp. 1298‒1302, August 1990.）提高天线的带宽。该结构由底部的驱动贴片与顶部的寄生贴片组成，底部驱动贴片使用同轴探针馈电，但是使用垂直寄生单元的方法极大地增加了天线的剖面。
此外，有学者提出了使用水平寄生单元（G. Kumar and K. Gupta, “Broad-bandmicrostrip antennas using additional resonators gap-coupled to the radiatingedges,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 32, no. 12, pp.1375-1379, December 1984.）提高天线的带宽，通过主贴片与寄生贴片的耦合产生出新的辐射模式。然而，将多个辐射模式靠近以形成宽带时，带内的辐射方向图形状无法保持一致。从原理上来说，带内辐射方向图畸变的根本原因在于由于耦合使得三个贴片单元作为整体时产生了电流分布完全不同的两个奇模以及一个偶模，偶模与奇模叠加下使得带内辐射方向图产生畸变。在实际应用中，稳定的辐射方向图非常重要，因为方向图的一致性决定了信号覆盖的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种同时具有剖面低、交叉极化低、工作带宽宽、馈电结构简单、加工工艺简单、成本低、带内辐射方向图一致等优点的贴片天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线，包括依次层叠的馈电网络层、第一介质层、金属地板、第二介质层和辐射层；所述辐射层设置有主贴片、第一寄生贴片和第二寄生贴片，所述金属地板上设置有镂空槽，所述馈电网络层设置有微带馈线；所述微带馈线通过所述镂空槽与所述主贴片耦合，所述主贴片分别与所述第一寄生贴片、所述第二寄生贴片耦合；所述主贴片上设置有用于保持辐射方向图一致的缝隙组；所述缝隙组由位于同一直线上的N条缝隙构成，所述直线过所述主贴片的中心；所述第一寄生贴片与所述第二寄生贴片关于所述直线呈镜像对称，其中，N为自然数，N≥1。
进一步地，所述主贴片中心的第一投影与所述镂空槽的中心重合；所述镂空槽为矩形槽，所述直线与所述矩形槽的长度方向平行。
进一步地，所述缝隙组由第一缝隙、第二缝隙组成；所述第一缝隙的一端延伸至所述主贴片的一边边沿，所述第二缝隙的一端延伸至所述主贴片的另一边边沿；所述第一缝隙、所述第二缝隙关于所述主贴片的中心对称。
或进一步地，所述缝隙组由第三缝隙组成；所述第三缝隙的中心与所述主贴片的中心重合。
进一步地，所述第一寄生贴片、所述第二寄生贴片、所述主贴片均为矩形贴片；所述第一寄生贴片的两相互垂直的边分别为第一边和第二边，所述第一边的长度为A，所述第二边的长度为a；所述主贴片的两相互垂直的边分别为第三边和第四边，所述第三边的长度为B，所述第四边的长度为b；所述第一边、所述第三边均与所述直线平行；所述缝隙组的缝隙总长度为C，其中，1≤A/a≤2，1<B/b≤4，b<a，0.5B≤C≤0.7B。
进一步地，所述第二介质层的中心工作频率介质波长为λ；所述主贴片与所述第一寄生贴片之间的间隙为D；所述镂空槽的长度为E，宽度为e，其中，0.3λ≤a≤0.5λ，0.02λ≤D≤0.1λ，0.2≤E/B≤0.6，3≤E/e≤7。
进一步地，所述微带馈线为矩形微带；所述矩形微带的长度方向与所述矩形槽的长度方向相互正交。
进一步地，所述第一介质层的中心工作频率介质波长为λ1；所述镂空槽中心的第二投影落在所述微带馈线上，所述第二投影到所述微带馈线信号输入末端的距离为F，其中，0.2λ1≤F≤0.3λ1。
进一步地，所述微带馈线的信号输入始端位于所述第一介质层的边缘。
进一步地，所述第一介质层由第一介质基板构成，所述第二介质层由第二介质基板构成；所述第一介质基板的介电常数大于等于所述第二介质基板的介电常数。
传统的使用寄生单元拓宽微带贴片天线带宽的方法，存在着带内辐射方向图不一致的问题。从原理上来说，带内辐射方向图畸变的根本原因在于由于耦合使得三个贴片单元作为整体时产生了电流分布完全不同的两个奇模以及一个偶模，偶模与奇模叠加下使得带内辐射方向图产生畸变。本发明通过使用缝隙耦合馈电的方式抑制偶模，有利于实现带内方向图的一致性。同时，本发明通过在主贴片上的缝隙组改变了两个奇模的电流分布，使得两个奇模的电流分布趋于相似，有效地抑制副瓣并且使得两个奇模的辐射方向图趋于一致，最终同时实现了宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。总而言之，在微带馈线、镂空槽、主贴片及主贴片上的缝隙组、第一寄生贴片和第二寄生贴片的协同作用下，天线呈现交叉极化低、易于匹配、工作带宽宽、增益提高、带内辐射方向图一致的特性。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的层状结构示意图；
图2为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的俯视图：
图3为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的仰视图；
图4为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的结构爆炸图；
图5为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的反射系数随频率变化的仿真曲线图；
图6为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的增益随频率变化的仿真曲线图；
图7为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的在3.085 GHz频点处的E面辐射方向图；
图8为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的在3.085 GHz频点处的H面辐射方向图；
图9为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的在3.19 GHz频点处的E面辐射方向图；
图10为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的在3.19 GHz频点处的H面辐射方向图；
图11为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的在3.275 GHz频点处的E面辐射方向图；
图12为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线的在3.275 GHz频点处的H面辐射方向图；
图13为贴片天线在未加载缝隙组时两个奇模的表面电流分布图，其中，（a）为两个奇模中的一个，（b）为两个奇模中的另一个；
图14为本发明的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线在加载缝隙组后两个奇模的表面电流分布图，其中，（a）为与图13（a）对应的奇模，（b）为与图13（b）对应的奇模；
其中，1-馈电网络层，11-微带馈线，2-第一介质层，3-金属地板，31-镂空槽，4-第二介质层，5-辐射层，51-第一寄生贴片，511-第一边，512-第二边，52-第二寄生贴片，53-主贴片，531-第一缝隙，532-第二缝隙，533-第三边，534-第四边。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1至图4，一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线，包括依次层叠的馈电网络层1、第一介质层2、金属地板3、第二介质层4和辐射层5；所述辐射层5设置有主贴片53、第一寄生贴片51和第二寄生贴片52，所述金属地板3上设置有镂空槽31，所述馈电网络层1设置有微带馈线11；所述微带馈线11通过所述镂空槽31与所述主贴片53耦合，所述主贴片53分别与所述第一寄生贴片51、所述第二寄生贴片52耦合；所述主贴片53上设置有用于保持辐射方向一致的缝隙组；所述缝隙组由位于同一直线上的N条缝隙构成，所述直线过所述主贴片53的中心；所述第一寄生贴片51与所述第二寄生贴片52关于所述直线呈镜像对称，其中，N为自然数，N≥1。
微带馈线11通过镂空槽31与主贴片53耦合馈电，可以有效得抑制偶模，实现带内方向图的一致性。同时使用缝隙耦合馈电的方式也有利于我们增加介质基板的厚度，提高天线的带宽，而无需考虑天线难以匹配的问题；引入的第一寄生贴片51和第二寄生贴片52提高贴片天线的带宽；引入缝隙组有效地解决因寄生贴片而引起的带内方向图不一致的问题，具体原理为：利用镂空槽31耦合抑制偶模，同时在主贴片53上的缝隙组改变两个奇模的电流分布，使得两个奇模的电流分布趋于相似，有效地抑制副瓣且使得两个奇模的辐射方向图趋于一致，最终同时实现了宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。总而言之，在微带馈线11、镂空槽31、主贴片53及主贴片53上的缝隙组、第一寄生贴片51和第二寄生贴片52的协同作用下，天线呈现交叉极化低、易于匹配、工作带宽宽、增益提高、带内辐射方向图一致的特性。
实施例2
在上述结构基础上，所述主贴片53中心的第一投影与所述镂空槽31的中心重合；所述镂空槽31为矩形槽，所述直线与所述矩形槽的长度方向平行，进一步提升宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。
实施例3
在上述结构基础上，所述缝隙组由第一缝隙531、第二缝隙532组成；所述第一缝隙531的一端延伸至所述主贴片53的一边边沿，所述第二缝隙532的一端延伸至所述主贴片53的另一边边沿；所述第一缝隙531、所述第二缝隙532关于所述主贴片53的中心对称，进一步提升宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。
实施例4
或在实施例2的结构基础上，所述缝隙组由第三缝隙组成；所述第三缝隙的中心与所述主贴片53的中心重合，进一步提升宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。
实施例5
在上述结构基础上，所述第一寄生贴片51、所述第二寄生贴片52、所述主贴片53均为矩形贴片；所述第一寄生贴片51的两相互垂直的边分别为第一边511和第二边512，所述第一边511的长度为A，所述第二边512的长度为a；所述主贴片53的两相互垂直的边分别为第三边533和第四边534，所述第三边533的长度为B，所述第四边534的长度为b；所述第一边511、所述第三边533均与所述直线平行；所述缝隙组的缝隙总长度为C，其中，1≤A/a≤2，1<B/b≤4，b<a，0.5B≤C≤0.7B，进一步提升增益、宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。
当所述缝隙组由第一缝隙531、第二缝隙532组成时，缝隙总长度为第一缝隙531的长度与第二缝隙532的长度之和；当所述缝隙组由第三缝隙组成时，缝隙总长度为第三缝隙的长度。
实施例6
在上述结构基础上，所述第二介质层4的中心工作频率介质波长为λ；所述主贴片53与所述第一寄生贴片51之间的间隙为D，由于镜像对称关系，所述主贴片53与所述第二寄生贴片52之间的间隙也为D；所述镂空槽31的长度为E，宽度为e，其中，0.3λ≤a≤0.5λ，0.02λ≤D≤0.1λ，0.2≤E/B≤0.6，3≤E/e≤7。进一步提升增益、宽带辐射和稳定的辐射方向图特性。
实施例7
在上述结构基础上，所述微带馈线11为矩形微带；所述矩形微带的长度方向与所述矩形槽的长度方向相互正交，进一步提升带宽辐射特性。
实施例8
在上述结构基础上，所述第一介质层2的中心工作频率介质波长为λ1；所述镂空槽31中心的第二投影落在所述微带馈线11上，所述第二投影到所述微带馈线11信号输入末端的距离为F，其中，0.2λ1≤F≤0.3λ1。该结构进一步提升带宽辐射特性。
实施例9
在上述结构基础上，所述微带馈线11的信号输入始端位于所述第一介质层2的边缘，方便馈电接头接入。
实施例10
在上述结构基础上，所述第一介质层2由第一介质基板构成，所述第二介质层4由第二介质基板构成；所述第一介质基板的介电常数大于等于所述第二介质基板的介电常数。
试验例
采用实施例10的结构，其中，缝隙组由第一缝隙531、第二缝隙532组成；所述微带馈线11为50Ω馈线，第一介质基板的介电常数为3.55，第二介质基板的介电常数为2.33，第二投影到矩形的微带馈线11信号输入末端的距离为0.2λ1~0.3λ1，a=0.44λ，D=0.04λ。按照图1至图4的结构和实施例的比例关系建模并进行仿真测试，测试结果详见图5至图12。
图5为本发明贴片天线的反射系数随频率变化的仿真曲线图，从图5中可以看出，贴片天线有两个谐振模式，实现的相对带宽约为9.49%，覆盖的频段从3.01 GHz到3.31GHz，即本发明的贴片天线的带宽相比于传统的贴片天线得到了有效的提高。本发明的贴片天线的工作带宽也并不限制于图5上所覆盖的频率，可以通过改变天线系统的尺寸或者介质基板的介电常数使其能够覆盖在其他所需要的频段。相对于传统的使用同轴探针馈电的贴片天线，本申请可以通过增加介质基板的厚度有效地提高天线的带宽，而无需考虑天线难以匹配的问题。
图6为本发明贴片天线的增益随频率变化的仿真曲线图，从图6中可以看出，贴片天线在工作频带内具有较为平坦的增益，在带宽范围内该贴片天线的实际增益高于8.25dB。
图7为本发明贴片天线的在3.085 GHz频点处的E面辐射方向图，图8为本发明贴片天线的在3.085 GHz频点处的H面辐射方向图；图9为本发明的贴片天线的在3.19 GHz频点处的E面辐射方向图，图10为本发明的贴片天线的在3.19 GHz频点处的H面辐射方向图；图11为本发明的贴片天线的在3.275 GHz频点处的E面辐射方向图，图12为本发明的贴片天线的在3.275 GHz频点处的H面辐射方向图。从图7至图12的三个频点的辐射方向图中可以看出，贴片天线在通带上具有稳定的辐射方向图和低交叉极化的性能。
图13（a）和图13（b）为贴片天线在未加载缝隙组时两个奇模的表面电流分布图；图14（a）和图14（b）为本发明的贴片天线在加载缝隙组后两个奇模的表面电流分布图。由图13(b)可以看到，在未加载缝隙组的情况下，其中一个奇模在主贴片53上存在着反向电流，由于反向电流的存在，使得这个奇模的方向图存在着较高的旁瓣电平。加载缝隙组后，缝隙组的存在改变了主贴片53的表面电流的分布，使电流绕缝隙流动，截断后的电流关于缝隙呈现奇对称，该部分电流远场辐射相互抵消，详见图14（b）,因此旁瓣辐射减小，加载缝隙组使得带内方向图保持一致。由于缝隙组的存在，使得主贴片53的电流路径变长，因此，为了使得主贴片53的谐振频率保持不变，加载缝隙组的同时，需要缩减第四边534的长度。
综上所述，本发明提供的一种具有一致辐射方向图且增益提高的宽带耦合贴片天线，在微带馈线、镂空槽、主贴片及主贴片上的缝隙组、第一寄生贴片和第二寄生贴片的协同作用下，天线呈现交叉极化低、易于匹配、工作带宽宽、增益提高、带内辐射方向图一致的特性。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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