一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线
阅读说明：本技术 一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线 (Low-profile broadband patch antenna based on multimode resonance ) 是由 徐溯 张际 刁杨华 刘元莹 陈志� 陈董秀 侯超 姚鹏 张懿 胡航 陈永明 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微波与天线技术领域,尤其涉及一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线,包括从上到下依次设置的矩形贴片、介质基板和金属地面,矩形贴片的辐射边加载第一短路壁,矩形贴片的非辐射边加载相对的第二短路壁和第三短路壁,矩形贴片的下方设置有短路销钉组成的阵列,短路销钉贯穿介质基板。本发明低剖面,但中心带宽可以达到21.7％的,通过加载短路壁使得天线的辐射方向图有所改善,E面旁瓣降低,有效减小H面交叉极化。(The invention relates to the technical field of microwaves and antennas, in particular to a multimode resonance-based low-profile broadband patch antenna which comprises a rectangular patch, a dielectric substrate and a metal ground, wherein the rectangular patch, the dielectric substrate and the metal ground are sequentially arranged from top to bottom, a first short-circuit wall is loaded on a radiation side of the rectangular patch, a second short-circuit wall and a third short-circuit wall which are opposite to each other are loaded on a non-radiation side of the rectangular patch, an array formed by short-circuit pins is arranged below the rectangular patch, and the short-circuit pins penetrate through the dielectric substrate. The invention has low profile, but the central bandwidth can reach 21.7%, the radiation pattern of the antenna is improved by loading the short-circuit wall, the side lobe of the E surface is reduced, and the cross polarization of the H surface is effectively reduced.)
技术领域
本发明涉及微波与天线技术领域，尤其涉及一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线。
背景技术
微带贴片天线是微带天线中最基本、最常见的形式。微带贴片天线结构简单，由底层的导体接地板，中间层的介质基板和上层的导体贴片构成，因为介质基板厚度相比波长很小，所以能实现小型化。微带天线的低剖面平面结构是其最显著的特点，所以易与柱面、曲面等形状的载体共形。但是低剖面结构也导致了微带贴片天线形如漏波空腔，谐振特性近似RLC并联谐振电路，Q值高，因此天线的阻抗带宽很窄。
目前双模谐振低剖面宽带贴片天线，分别采用差分馈电和孔径耦合馈电，通过增加短路销钉能有效增强工作带宽至13％，但也由于一种模式谐振频率增加，使得E面副瓣急剧上升到0dB附近。
目前主要有以下一些方法展宽微带天线带宽：
(1)使用高厚度或者使用低介电常数的介质基板来降低等效电路Q值，从而增加阻抗带宽，但是这种平面天线中的表面波泄漏增加，导致辐射效率较差；
(2)改进馈电方式，例如采用电磁耦合馈电，使用L形探针馈电等方式，但是天线辐射模式会随频率变化，而且交叉极化较高；
(3)用寄生元件组合多种耦合谐振模式增加带宽，但其体积会增大很多，会破坏微带贴片天线的低剖面特性。
另外在辐射贴片上蚀刻U形槽，在主谐振点附近引入了额外的谐振模式来展宽带宽，但天线的厚度较大；类似结构还有单层E形微带天线、层叠E形微带天线等。
在矩形贴片上加载多缝隙来同时激发两个正交模式，实现带宽增强和结构紧凑，在0.01λ0的低剖面基础上实现了3.8％的阻抗带宽，但因使用高损耗的FR-4基材和蚀刻多缝隙，导致天线增益偏低，交叉极化高达-5dB。
在圆形贴片上加载短路针，重构了两种模式的谐振频率，在单极子辐射模式下实现了18％的宽阻抗带宽，能保持0.024λ0的低剖面特性，缺点是在工作频带内辐射峰值不能稳定；
在等边三角形贴片下放置短路销钉并蚀刻V形缝隙，激发两种模式，使天线带宽达到32％，但天线厚度也增加到0.09λ0。
发明内容
本发明提供了一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线，同时具有增强带宽和改善辐射特性的优点。
为了实现本发明的目的，一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线，包括从上到下依次设置的矩形贴片、介质基板和金属地面，矩形贴片的辐射边加载第一短路壁，矩形贴片的非辐射边加载相对的第二短路壁和第三短路壁，矩形贴片的下方设置有短路销钉组成的阵列，短路销钉贯穿介质基板。
作为本发明的优化方案，矩形贴片上设置有条形缝隙，条形缝隙与短路销钉组成的阵列平行。
作为本发明的优化方案，条形缝隙开设在TM3/2，0模式的零电流位置处，短路销钉组成的阵列开设在TM3/2，0模式电场节点处。
作为本发明的优化方案，单个短路销钉在矩形贴片的中心平面处沿x方向距离第一短路壁11距离Pinx为：
Pinx＝0.75Px
其中，Px为矩形贴片的宽度。
作为本发明的优化方案，条形缝隙的宽度Slotx的取值范围为16.7mm～17.7mm，条形缝隙的长度Sloty的取值范围为40mm～50mm，条形缝隙左侧长边距离矩形贴片左侧长边的Slotw的取值范围为2mm～4mm。
作为本发明的优化方案，基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线的厚度为0.03λ0，λ0为天线工作频段的中心频率自由空间波长。
作为本发明的优化方案，矩形贴片的表面积小于金属地面的表面积。
本发明具有积极的效果：本发明首先将贴片天线的TM1/2,0、TM3/2,0和TMRS模式组合来增强阻抗带宽，然后引入TM1/2,2模式，使其频率降低到原来三个谐振模频点，设计了四模谐振低剖面宽带天线，其厚度只有0.03λ0，但中心带宽可以达到21.7％的，H面交叉极化在整个工作频带上大于20dB，增益在8.5dB左右，本发明通过加载短路壁使得天线的辐射方向图有所改善，E面旁瓣降低，有效减小H面交叉极化。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的俯视图；
图3是谐振频率f1/2,0，f3/2,0和fRS随Sloty变化情况示意图；
图4是谐振频率f1/2,0，f3/2,0和fRS随Slotx变化情况示意图；
图5是谐振频率f1/2,0，f3/2,0和fRS随Slotw变化情况示意图；
图6是仿真和测量的|S11|和增益曲线图；
图7是E面2.7GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图8是H面2.7GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图9是E面2.9GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图10是H面2.9GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图11是E面3.1GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图12是H面3.1GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图13是E面3.3GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
图14是H面3.3GHz仿真和测量归一化远场辐射方向图。
其中：1、矩形贴片，2、介质基板，3、金属地面，11、第一短路壁，12、第二短路壁，13、第三短路壁，4、短路销钉，14、条形缝隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实现做进一步详细的描述：
如图1-2所示，本发明公开了一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线，包括从上到下依次设置的矩形贴片1、介质基板2和金属地面3，矩形贴片1的辐射边加载第一短路壁11，矩形贴片1的非辐射边加载相对的第二短路壁12和第三短路壁13，矩形贴片1的下方设置有短路销钉4组成的阵列，短路销钉4贯穿介质基板2。
其中，加载第一短路壁11可以抑制偶数阶模式，同时减小E面高旁瓣；加载第二短路壁12，可以降低H面辐射方向图的高交叉极化。短路壁可以较大改善天线远区辐射性能。
矩形贴片1上设置有条形缝隙14，条形缝隙14与短路销钉4组成的阵列平行。条形缝隙14开设在TM3/2，0模式的零电流位置处，短路销钉4组成的阵列开设在TM3/2，0模式电场节点处。
在贴片的TM3/2,0模式电场节点线附近插入四个短路销钉，保持f3/2,0不变，增加f1/2,0和f1/2,2；最后在TM3/2,0模式的零电流线附近蚀刻条形缝隙14，激发缝隙辐射模式TMRS，实现基于TM1/2,0、TM3/2,0和TMRS的三模谐振低剖面宽带天线。
本发明首先将贴片天线的TM1/2,0、TM3/2,0和TMRS模的谐振频率重新分配到彼此接近的位置以提高带宽，在矩形贴片1下方加载一个由四个短路销钉4组成的阵列，将f1/2,0提升至2.68GHz左右，同时保持f3/2,0在2.83GHz附近，此时f1/2,2也被提升至3.75GHz，远离f3/2,0。接下来在矩形贴片1上的TM3/2,0模式的零电流线附近切一个缝隙，可以激发TMRS模式，并且对TM1/2,0和TM3/2,0模式的影响可控，此时TMRS模式在3.07GHz工作，靠近f1/2,0和f3/2,0。通过这些措施，天线的带宽和辐射性能在三谐振模同时辐射下都得到了改善。
单个短路销钉在矩形贴片的中心平面处沿x方向距离第一短路壁11距离Pinx为：
Pinx＝0.75Px
其中，Px为矩形贴片的宽度。在Pinx/Px达到约0.75之后，因为短路销钉4适当地放置在TM3/2,0模式的电场的节点线周围，可获得最小的f3/2,0/f1/2,0。
条形缝隙14的宽度Slotx的取值范围为16.7mm～17.7mm，条形缝隙14的长度Sloty的取值范围为40mm～50mm，条形缝隙14左侧长边距离矩形贴片1左侧长边的Slotw的取值范围为2mm～4mm。
为了进一步拓宽天线的阻抗带宽，在TM3/2,0模的零电流线附近的辐射贴片上蚀刻一个线性槽，激发贴片天线的TMRS模，并将其移近TM1/2,0和TM3/2,0模。通过适当地修改条形缝隙14长度(Sloty)，可以组合TM3/2,0和TMRS模式来扩展带宽。三模谐振频率f1/2,0，f3/2,0和fRS随Sloty变化情况见图3，从中可以看出，随着Sloty从40mm增加到50mm，fRS从3.5GHz急剧下降到3.1GHz，但f1/2,0和f3/2,0基本保持不变，因此为最宽的带宽选择了Sloty＝50mm。进一步调整缝隙位置(Slotx)和宽度(Slotw)来分析阻抗匹配的问题，图4和图5表明，Slotx从16.7mm增加到17.7mm，Slotw从2mm增加到4mm，尤其是当Slotx＝17.2mm，Slotw＝3mm，可以实现更宽的带宽和良好的阻抗匹配。
图6展示了仿真和测量的|S11|和增益。可以发现，在2.5至3.4GHz内的工作频带上存在四个谐振点，这与仿真的四个谐振模式一致，即TM1/2,0(2.68GHz)，TM3/2,0(2.9GHz)、TMRS(3.1GHz)和TM1/2,2(3.3GHz)。由于结合了四种谐振模式，所提出的实测工作带宽从三模天线的18％(2.64GHz-3.17GHz)进一步扩展到21.7％(2.67-3.32GHz)。
如图7-14所示，为基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线在四个谐振极点2.7GHz、2.9GHz、3.1GHz和3.3GHz时的仿真和测量归一化远场辐射方向图，分别对应于四个谐振模式。此外，在工作波段获得了稳定辐射方向图，由于加载了第一短路壁11和第二短路壁12，天线E面辐射图的副瓣较低，同时整体的H面交叉极化很低，降低到-20dB以下，频带内实测峰值增益约9dBi。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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