具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线的制作方法

1.本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种同时具备结构紧凑、宽阻抗带宽和谐波抑制效果的微带贴片天线。


背景技术：

2.随着现代无线通讯技术的发展与无线通讯设备不断地小型化、便携化，天线的性能与尺寸问题越来越被人们所关注。微带贴片天线因为其低剖面、易共形、易于加工等优点，在雷达、卫星导航等领域得到了广泛的应用。而微带贴片天线作为一种谐振式天线往往更容易产生谐波，不必要的谐波除了会对其它射频器件产生的信号造成串扰外还容易出现电磁兼容问题，所以解决微带贴片天线的谐波问题，一直是人们所关注的热点问题。到目前，关于微带贴片天线谐波抑制的设计方法已经被广泛地研究与报道，但是大多研究人员都没有在此基础上考虑过增加微带贴片天线的阻抗带宽。
3.文献1(s.biswas,d.guha and c.kumar,"control of higher harmonics and their radiations in microstrip antennas using compact defected ground structures,"ieee trans.antennas propag.,vol.61,no.6,pp.3349-3353,june 2013.)中提出了一种基于缺陷地结构的具有谐波抑制功能的微带贴片天线，该结构设计简单，但是地面的完整性遭到破坏，微带贴片天线的阻抗带宽也未得到改善。
4.文献2(x.y.zhang,w.duan and y.pan,"high-gain filtering patch antenna without extra circuit,"ieee trans.antennas propag.,vol.63,no.12,pp.5883-5888,dec.2015.)通过引入增益零点的方式来有效地抑制微带贴片天线谐波的产生，但是多个被引入的短路针增加了加工的难度，而且微带贴片天线的阻抗带宽同样未得到改善。
5.文献3(m.-j.sun,n.-w.liu,l.zhu and g.fu,"wideband microstrip patch antenna with low rcs using multi-mode resonance,"2021 15th european conference on antennas and propagation(eucap),2021,pp.1-3,doi:10.23919/eucap51087.2021.9411319.)利用多模谐振的方式增加了微带贴片天线的带宽，但是文中并未考虑到微带贴片天线的谐波问题。
6.总之，现有技术存在的问题是：针对微带贴片天线进行谐波抑制的方法无法兼顾改善微带贴片天线的阻抗带宽，这使得具有谐波抑制功能的微带贴片天线在现代无线通信系统中的应用得到了限制。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线，该微带贴片天线不仅具有良好的谐波抑制功能，同时阻抗带宽也得到了改善。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：
9.一种具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线，包括矩形的介质板和金属地板，所述金属地板位于介质板的下表面；所述介质板的上表面设有50欧姆的输入端口馈
线、两段l型四分之波长传输线以及e型金属辐射贴片，所述两段l型四分之波长传输线相连接，形成π型传输线；所述输入端口馈线与两段l型四分之波长传输线的连接处相连，所述π型传输线的两端伸入e型金属辐射贴片的凹入部分并与所述e型金属辐射贴片相连接，实现对e型金属辐射贴片的双点嵌入式馈电；在所述e型金属辐射贴片的短边的两侧各配置一个共面的矩形金属寄生贴片，两金属寄生贴片与e型金属辐射贴片的两短边之间有一定的距离，且距离相等。
10.进一步：所述l型四分之一波长传输线的直角弯折进行切角处理。
11.进一步：所述e型金属辐射贴片的制作方法为：从矩形金属辐射贴片的一条长边，沿短边方向向内切割出两个矩形缺口，缺口沿矩形金属辐射贴片短边方向的长度为矩形金属辐射贴片短边长度的四分之一。
12.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
13.(1)本发明结构简单，便于加工，生产成本低；
14.(2)本发明采用嵌入式馈电的方式，实现了微带贴片天线的谐波抑制，获得了2.8倍工作频率的谐波抑制效果；
15.(3)本发明采用附加寄生贴片的方式增加微带贴片的阻抗带宽，在谐波抑制的基础上有效地改善了微带贴片天线的阻抗带宽。
附图说明
16.图1是本发明具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线的立体结构示意图。
17.图2是图1的俯视图；
18.图3是实施例1的结构尺寸示意图；
19.图4是实施例1的s参数仿真曲线图；
20.图5是实施例1的电压驻波比仿真曲线图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
22.如图1所示，本发明具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线，包括矩形的介质板2、金属地板1，所述金属地板1位于介质板2的下表面。
23.如图2所示，在介质板的上表面设有50欧姆的输入端口馈线3，与输入端口馈线3相连的是两段l型四分之一波长的传输线，两段四分之一波长传输线4的末端直接伸入到e型金属辐射贴片的凹入部分并与金属辐射贴片相连。在金属辐射贴片5的两窄边旁各平行配置了一片矩形的金属寄生贴片6、7。
24.所述与输入端口馈线3相连接的四分之一波长的传输线4包括四分之一波长传输线41和四分之一波长传输线42，两段四分之一波长传输线4均呈l型直角弯折，弯折部分均进行了切角处理，两段呈l型直角弯折的四分之一波长传输线相连接形成π型传输线4，在两段四分之一波长传输线41、42相连接部分接入50欧姆的输入端口馈线3。
25.矩形微带贴片天线除了在基频谐振产生辐射所需要的tm
10
模式外，还会产生谐波对应的tm
02
模、tm
12
模、tm
20
模、tm
22
模等模式。本实例采用在tm
02
模、tm
12
模、tm
20
模、tm
22
模的
电壁交点处进行馈电的方法来抑制这些谐波的产生。根据贴片表面的电场分布情况，tm
02
模、tm
12
模、tm
20
模、tm
22
模的电壁交点位于矩形微带贴片天线的内部两点处，采用四分之一波长传输线4实现的对e型金属辐射贴片5的双点嵌入式馈电，需要对原矩形金属辐射贴片进行切割。在矩形金属辐射贴片宽边的一侧，沿窄边方向切割出两个矩形的缺口，切割后的金属辐射贴片5呈e型，矩形缺口宽边的长度为e型金属辐射贴片5窄边长度的四分之一，矩形缺口窄边中心与金属辐射贴片5窄边之间的距离为金属辐射贴片5宽边长度的四分之一。
26.在金属辐射贴片5窄边的两侧均平行配置了矩形的寄生贴片6、7，金属辐射贴片5与寄生贴片6、7均位于介质上表面，两寄生贴片6、7与e型金属辐射贴片5的两窄边之间有一定的距离，且距离相等。
27.如图3所示，本发明具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线中，e型金属辐射贴片窄边的长度l0决定了微带贴片天线的中心频率，四分之波长传输线的长度l2和宽度w2决定了微带贴片天线在中心频率处的阻抗匹配。寄生贴片沿着主辐射贴片(e型金属辐射贴片5)的非辐射边界(窄边)放置，寄生贴片的引入使得简单的rlc谐振电路变为多谐振点的耦合谐振电路，从而在双点馈电结构谐波抑制的基础上形成了双调谐特性，增加了天线的阻抗带宽。e型金属辐射贴片与寄生贴片之间的距离w4决定了耦合的强度,寄生贴片的长度l1决定了第二个谐振频点，选择合适的耦合距离w4与寄生贴片长度l1，就可以在谐波抑制的基础上有效地改善天线的阻抗带宽。
28.本发明在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀，从而形成所需的金属图案，结构紧凑，生产成本低。同时利用这种双点嵌入式双点馈电进行谐波抑制，利用四分之波长传输线对天线进行阻抗匹配，以及使用寄生贴片来改善阻抗带宽的方法都可以直接在pcb板上实现。由于本发明的具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线不仅结构简单、紧凑，而且具有良好的谐波抑制效果和改善微带贴片天线阻抗带宽的功能，所以在现代无线通信系统有良好的应用前景。
29.下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
30.实施例1
31.具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线的立体结构如图1所示，俯视图如图2所示，图3为结构尺寸示意图。本实施例所采用的介质板的相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02，介质板总面积为101.92
×
60.46mm2。结合图3，天线的各尺寸参数如下：w0＝37.26mm，w1＝10mm，w2＝0.8mm，w3＝3.1mm，w4＝3.7mm，w5＝2mm，w6＝w0/4＝9.32mm，l0＝28.7mm，l1＝29mm，l2＝17.7mm，l3＝15mm，l4＝l0/4＝16.7mm。
32.本实例具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线是在电磁仿真软件hfss.18.0中建模仿真的。图4是本实例微带贴片天线的s参数仿真图，图5是本实例微带贴片天线的电压驻波比仿真图。从图4中可以看出，本实例保留了微带贴片天线辐射所需要的tm
10
模，其它谐波对应的tm
02
模、tm
12
模、tm
20
模、tm
22
被有效地抑制。从图4和图5中可以看出，该微带贴片天线的阻抗带宽为2.38ghz～2.55ghz，在此频率范围内该实例的电压驻波比小于2，该微带贴片天线的相对带宽为6.9％。
33.综上所述，本发明具有宽阻抗带宽和谐波抑制功能的微带贴片天线采用双点嵌入式馈电的方法，在谐波的电壁交点处进行馈电，从而使得谐波对应的模式无法被激励；通过共面配置的寄生贴片，使得天线在谐波抑制的基础上具有了双调谐特性，从而改善了天线
的阻抗带宽。该实例非常适用于现代无线通信系统。
34.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。