一种基于多模谐振的低剖面宽带贴片天线的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.目前主要有以下一些方法展宽微带天线带宽：
5.(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；
6.(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；
7.(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。
8.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。
9.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。
10.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；
11.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。


技术实现要素：

12.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。
13.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。
14.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。
15.作为本发明的优化方案，条形缝隙开设在tm
3/2，0
模式的零电流位置处，短路销钉组成的阵列开设在tm
3/2，0
模式电场节点处。
16.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pin
x
为：
17.pin
x
＝0.75p
x
18.其中，p
x
为矩形贴片的宽度。
19.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。
20.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。
21.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。
22.本发明具有积极的效果：本发明首先将贴片天线的tm
1/2,0
、tm
3/2,0
和tm
rs
模式组合来增强阻抗带宽，然后引入tm
1/2,2
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
23.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。
24.图1是本发明的整体结构图；
25.图2是本发明的俯视图；
26.图3是谐振频率f
1/2,0
，f
3/2,0
和f
rs
随sloty变化情况示意图；
27.图4是谐振频率f
1/2,0
，f
3/2,0
和f
rs
随slotx变化情况示意图；
28.图5是谐振频率f
1/2,0
，f
3/2,0
和f
rs
随slotw变化情况示意图；
29.图6是仿真和测量的|s
11
|和增益曲线图；
30.图7是e面2.7ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
31.图8是h面2.7ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
32.图9是e面2.9ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
33.图10是h面2.9ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
34.图11是e面3.1ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
35.图12是h面3.1ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
36.图13是e面3.3ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图；
37.图14是h面3.3ghz仿真和测量归一化远场辐射方向图。
38.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
39.下面结合附图对本发明的实现做进一步详细的描述：
40.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。
41.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。
42.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tm
3/2，0
模式的零电流位置处，短路销钉4组成的阵列开设在tm
3/2，0
模式电场节点处。
43.在贴片的tm
3/2,0
模式电场节点线附近插入四个短路销钉，保持f
3/2,0
不变，增加f
1/2,0
和f
1/2,2
；最后在tm
3/2,0
模式的零电流线附近蚀刻条形缝隙14，激发缝隙辐射模式tm
rs
，实现基于tm
1/2,0
、tm
3/2,0
和tm
rs
的三模谐振低剖面宽带天线。
44.本发明首先将贴片天线的tm
1/2,0
、tm
3/2,0
和tm
rs
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f
1/2,0
提升至2.68ghz左右，同时保持f
3/2,0
在2.83ghz附近，此时f
1/2,2
也被提升至3.75ghz，远离f
3/2,0
。接下来在矩形贴片1上的tm
3/2,0
模式的零电流线附近切一个缝隙，可以激发tmrs模式，并且对tm
1/2,0
和tm
3/2,0
模式的影响可控，此时tm
rs
模式在3.07ghz工作，靠近f
1/2,0
和f
3/2,0
。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。
45.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pin
x
为：
46.pin
x
＝0.75p
x
47.其中，p
x
为矩形贴片的宽度。在pin
x
/p
x
达到约0.75之后，因为短路销钉4适当地放置在tm
3/2,0
模式的电场的节点线周围，可获得最小的f
3/2,0
/f
1/2,0
。
48.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。
49.为了进一步拓宽天线的阻抗带宽，在tm
3/2,0
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tm
rs
模，并将其移近tm
1/2,0
和tm
3/2,0
模。通过适当地修改条形缝隙14长度(sloty)，可以组合tm
3/2,0
和tm
rs
模式来扩展带宽。三模谐振频率f
1/2,0
，f
3/2,0
和f
rs
随sloty变化情况见图3，从中可以看出，随着sloty从40mm增加到50mm，f
rs
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。
50.图6展示了仿真和测量的|s
11
|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tm
1/2,0
(2.68ghz)，tm
3/2,0
(2.9ghz)、tm
rs
(3.1ghz)和tm
1/2,2
(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)。
51.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。
52.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。