一种微带贴片天线及其制备方法

1.本发明涉及电子与通信技术领域，特别是涉及一种微带贴片天线及其制备方法。


背景技术：

2.天线作为发射和接收电磁波的装置，在现代无线通信系统中占据着重要的位置。随着移动通信的发展，小型化、便携式设备日益流行，小型化天线也逐渐引起人们的广泛关注。其中，微带贴片天线由于结构紧凑、成本低廉等优点，一直是本领域的一种常用天线种类。但是由于传统微带贴片天线的谐振频率是与贴片长度成正比的，在确定天线工作频率并选定好介质基板后，天线贴片长度几乎就是一个固定值。而在移动通信中，天线的小型化是非常迫切的需求，因此，如何突破传统微带贴片天线的固有长度，进一步缩减微带天线的贴片尺寸，具有重要的意义。
3.常规的小型化微带天线设计方法，主要包括使用高介电常数介质基板和在贴片上开槽这两项技术。高介电常数基板的问题在于降低了天线的辐射效率，同时材料制备困难，经济成本较高；而开槽技术则严重依赖开槽的数量、位置以及结构参数设计，其设计复杂，且开槽的各项参数对谐振频率有较大影响，即鲁棒性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种微带贴片天线及其制备方法，能够在不依赖高介电常数介质基板和在贴片上开槽这两项技术的情况下，缩减天线的电尺寸，并保持优越的辐射性能。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种微带贴片天线，包括：樽形贴片、介质基板、金属接地板和同轴线；所述樽形贴片和所述金属接地板分别设置在所述介质基板的两侧；所述樽形贴片是在矩形贴片的相邻两个角处各自切去一个四分之一椭圆后形成；所述樽形贴片切去四分之一椭圆的一侧设置有预设数量的短路针或金属通孔；所述短路针或金属通孔穿过所述介质基板，连接所述樽形贴片与所述金属接地板；所述樽形贴片上还设置有所述同轴线，用于向所述微带贴片天线馈电。
7.可选地，当所述樽形贴片切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的金属通孔时，在所述樽形贴片上对应设置预设数量的焊盘，所述金属通孔经由所述焊盘固定在所述樽形贴片上；所述焊盘的直径大于所述金属通孔的直径。
8.可选地，所述同轴线的外导体与所述金属接地板相连，且位于所述金属接地板上远离所述介质基板的一侧；所述同轴线的内导体的一端与所述樽形贴片相连，所述同轴线的内导体的另一端依次穿过所述介质基板、所述金属接地板和所述外导体，并且不与所述金属接地板和所述外导体接触。
9.可选地，所述樽形贴片和所述金属接地板的材料为银、铜或铝。
10.一种微带贴片天线的制备方法，包括：
11.准备长度为l、宽度为w的矩形贴片；
12.在所述矩形贴片沿着宽度方向一侧的相邻两个角处各自切去一个四分之一椭圆，形成樽形贴片；
13.准备介质基板和金属接地板，并将所述樽形贴片和所述金属接地板分别设置在所述介质基板的两侧；
14.在所述樽形贴片切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的短路针或金属通孔，令所述短路针或金属通孔穿过所述介质基板，连接所述樽形贴片与所述金属接地板；
15.在所述樽形贴片上设置同轴线，用于向所述微带贴片天线馈电。
16.可选地，所述在所述矩形贴片沿着宽度方向一侧的相邻两个角处各自切去一个四分之一椭圆，形成樽形贴片，具体包括：
17.在所述矩形贴片沿着宽度w方向一侧的相邻两个角处各自切去一个半短轴为a、半长轴为b的四分之一椭圆，形成樽形贴片；其中b《l，2a《w。
18.可选地，所述在所述樽形贴片切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的金属通孔，具体包括：
19.在所述樽形贴片切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的焊盘，令所述金属通孔经由所述焊盘固定在所述樽形贴片上；所述焊盘的直径大于所述金属通孔的直径。
20.可选地，所述在所述樽形贴片上设置同轴线，具体包括：
21.在所述樽形贴片上设置同轴线，令所述同轴线的外导体与所述金属接地板相连，且位于所述金属接地板上远离所述介质基板的一侧；令所述同轴线的内导体的一端与所述樽形贴片相连，令所述同轴线的内导体的另一端依次穿过所述介质基板、所述金属接地板和所述外导体，并且不与所述金属接地板和所述外导体接触。
22.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
23.本发明提供一种微带贴片天线及其制备方法，通过将樽形贴片和金属接地板分别设置在介质基板的两侧，其中樽形贴片是在矩形贴片的相邻两个角处各自切去一个四分之一椭圆后形成，并在樽形贴片切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的短路针或金属通孔，短路针或金属通孔穿过介质基板，连接樽形贴片与金属接地板，在樽形贴片上设置同轴线向微带贴片天线馈电。本发明能够在不依赖高介电常数介质基板和在贴片上开槽这两项技术的情况下，有效降低天线谐振频率，极大缩减天线的电尺寸，并保持优越的辐射性能，使其电讯性能依然保持良好，可以满足现代移动通信的需求。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明微带贴片天线的概略图；
26.图2为本发明微带贴片天线的正视图；
27.图3为本发明微带贴片天线的侧视图；
28.图4为本发明实施例微带贴片天线的反射系数曲线图；
29.图5为本发明实施例微带贴片天线的效率曲线图；
30.图6为本发明实施例微带贴片天线的增益曲线图；
31.图7为本发明实施例微带贴片天线的e面辐射方向图；
32.图8为本发明实施例微带贴片天线的h面辐射方向图。
33.符号说明：
34.1—樽形贴片，2—介质基板，3—金属接地板，4—金属通孔，5—同轴线，501—同轴线的外导体，502—同轴线的内导体，6—焊盘。
具体实施方式
35.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，所描述的实施例仅仅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。
36.本发明的目的是提供一种在不依赖高介电常数介质基板和在贴片上开槽这两项技术的情况下，缩减天线的电尺寸，并保持优越的辐射性能的微带贴片天线及其制备方法。
37.特别要说明的是：在电磁场以及微波天线技术领域，所谓天线或微波器件的小型化实际是对“电尺寸”的小型化，这是因为它们都涉及到电磁波，而任何一个电磁波都有工作频率(对应工作波长)。
38.电尺寸的定义为：物理尺寸除以工作波长(见《微波工程》，(美)david m.pozar著，张肇仪，周乐柱，吴德明译，电子工业出版社，2010年)。例如同样30mm的物理长度，如果工作于1ghz(对应波长为λ＝300mm)，那么其电尺寸为0.1λ；如果工作于10ghz(对应波长为λ＝30mm)，那么其电尺寸为1λ，因此，30mm在1ghz时的电长度(0.1λ)要小于10ghz的电长度(1λ)。简单来讲，对于同样的物理尺寸，如果工作频率更低(对应波长更长)，则其电尺寸越短。
[0039]“电尺寸”的含义相比于物理尺寸来说更深刻，更具有实际意义。在实际应用中，小型化意味着两种情况：
[0040]
1、同样的物理尺寸，但是谐振频率更低(此时谐振波长更长)；
[0041]
2、同样的谐振频率(此时谐振波长相同)，但是物理尺寸更小。
[0042]
这两种情况统一称为具有更小的电尺寸。
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
[0044]
图1至图3分别为本发明微带贴片天线的概略图、正视图和侧视图。如图1至图3所示，本发明提供的一种微带贴片天线主要包括三层结构：上层的樽形贴片1、中间层的介质基板2以及下层的金属接地板3。此外所述微带贴片天线上还设置有短路针或金属通孔4以及同轴线5。
[0045]
所述樽形贴片1和所述金属接地板3分别设置在所述介质基板2的两侧，所述樽形贴片1是在矩形贴片的相邻两个角处各自切去一个形状相同的四分之一椭圆后形成的，其形状类似中国古代的一种礼器“樽”。通过调整切去的四分之一椭圆的半长轴、半短轴等几何尺寸，来精细调控天线的谐振频率，从而实现不同的小型化尺寸的设计目标。
[0046]
所述樽形贴片1切去四分之一椭圆的一侧设置有预设数量的短路针或金属通孔4，
所述短路针或金属通孔4穿过所述介质基板2，连接所述樽形贴片1与所述金属接地板3，所述樽形贴片1上还设置有所述同轴线5，用于向所述微带贴片天线馈电。
[0047]
具体的，所述樽形贴片1切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的金属通孔4时，在所述樽形贴片1上对应设置预设数量的焊盘6，所述金属通孔4经由所述焊盘6固定在所述樽形贴片1上，所述焊盘6的直径大于所述金属通孔4的直径。在樽形贴片1的一侧加载的若干金属通孔4，有效地连通了樽形贴片1和金属地平面。
[0048]
所述同轴线5的外导体501与所述金属接地板3相连，且位于所述金属接地板3上远离所述介质基板2的一侧，所述同轴线5的内导体502的一端与所述樽形贴片1相连，所述同轴线5的内导体502的另一端依次穿过所述介质基板2、所述金属接地板3和所述外导体501，并且不与所述金属接地板3和所述外导体501接触。
[0049]
所述樽形贴片1和所述金属接地板3可以采用银、铜或铝等具有较高导电率的金属或者合金。
[0050]
本发明还提供了所述微带贴片天线的制备方法，参见图1至图3，所述方法包括：
[0051]
准备长度为l、宽度为w的矩形贴片。
[0052]
在所述矩形贴片沿着宽度方向一侧的相邻两个角处各自切去一个形状相同的四分之一椭圆，形成樽形贴片1。
[0053]
具体的，在所述矩形贴片沿着宽度w方向一侧的相邻两个角处各自切去一个半短轴为a、半长轴为b的四分之一椭圆，形成樽形贴片1，如图2所示，其中b《l，2a《w。
[0054]
作为一个优选的实施例，其中上层的樽形贴片1基于横向尺寸为l＝11mm，w＝16mm的矩形贴片设计形成，在此矩形贴片基础上，进一步切去大小相同的两个四分之一椭圆，椭圆半短轴为a＝4.4mm，半长轴为b＝7mm，符合b《l，2a《w的关系。
[0055]
准备介质基板2和金属接地板3，并将所述樽形贴片1和所述金属接地板3分别设置在所述介质基板2的两侧。
[0056]
在所述樽形贴片1切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的金属通孔4，令所述金属通孔4穿过所述介质基板2，连接所述樽形贴片1与所述金属接地板3。
[0057]
在所述樽形贴片1切去四分之一椭圆的一侧设置预设数量的焊盘6，令所述金属通孔4经由所述焊盘6固定在所述樽形贴片1上；所述焊盘6的直径d1大于所述金属通孔4的直径d2。
[0058]
具体的，在沿着樽形贴片1切去两个四分之一椭圆的一侧，添加若干金属通孔4，金属通孔4穿过介质基板2，连接樽形贴片1和金属接地板3，为保证金属通孔4能顺利连接樽形贴片1，加入若干焊盘6，若焊盘6的直径为d1，而金属通孔4的直径为d2，需有d1》d2。
[0059]
作为一种优选的实施例，在樽形贴片1的下边缘处加入3个焊盘6，每个焊盘6的直径为d1＝3mm，而金属通孔4的直径为d2＝2mm，满足d1》d2的关系，其中金属通孔4的材料为铜。
[0060]
在所述樽形贴片1上设置同轴线5，用于向所述微带贴片天线馈电。
[0061]
具体的，在所述樽形贴片1上设置同轴线5，令所述同轴线5的外导体501与所述金属接地板3相连，且位于所述金属接地板3上远离所述介质基板2的一侧；令所述同轴线5的内导体502的一端与所述樽形贴片1相连，令所述同轴线5的内导体502的另一端依次穿过所述介质基板2、所述金属接地板3和所述外导体501，并且不与所述金属接地板3和所述外导
体501接触。
[0062]
本发明一个优选实施例中，如图3所示，采用的介质基板2的介电常数εr＝2.2，损耗正切角tanδ＝0.001，厚度h＝3mm，其外形为正方形，横向尺寸g＝30mm；金属接地板3也是正方形，其横向尺寸g＝30mm；樽形贴片1、金属接地板3的材料为铜，厚度t＝0.035mm；该微带贴片天线由特征阻抗为50欧姆的同轴线5馈电。
[0063]
图4为本发明实施例微带贴片天线的反射系数曲线。从图4可以看出，本发明实施例微带贴片天线在谐振频点3.496ghz(对应波长λ＝85.81mm)处的匹配性能良好。将贴片物理尺寸11mm
×
16mm对此波长进行归一化，得到贴片的电尺寸仅为0.13λ
×
0.19λ。而对于传统矩形贴片天线，如其贴片尺寸为l＝11mm，w＝16mm，其它参数如介质基板和金属接地板的尺寸和材料，都与本发明实施例微带贴片天线相同，则其谐振于8.193ghz(对应波长λ＝36.62mm)，其贴片的电尺寸仅为0.30λ
×
0.44λ。可见本发明实施例微带贴片天线的尺寸远远小于传统天线。
[0064]
表1将本发明实施例微带贴片天线与传统天线的性能做了对比，可以清楚地看到它们两者的在谐振频率和电尺寸上的差异。相较于传统天线，本发明实施例微带贴片天线的谐振频率大大降低，相应的贴片电尺寸也大为缩减。
[0065]
表1本发明实施例微带贴片天线与传统天线性能对比
[0066][0067]
图4还揭示了本发明实施例微带贴片天线的工作带宽，可以看出：其反射系数s11低于-10db的绝对带宽为77mhz(3.458ghz-3.535ghz)，相对带宽约为2.2％，可以满足3.5ghz频段5g移动通信需要。
[0068]
图5为本发明实施例微带贴片天线的效率曲线。从图5可以看出，本发明实施例微带贴片天线的效率的峰值高达97.4％，且在-10db带宽内效率不低于87％，这表明本发明微带贴片天线即使小型化后，其效率仍然很高，可以很好地满足移动通信的实际应用要求。
[0069]
图6为本发明实施例微带贴片天线的增益曲线，从图6可以看出，本发明实施例微带贴片天线的增益峰值高达4.08dbi，且在-10db带宽内的增益变化幅度也不大，均高于3.60dbi。这表明本发明微带贴片天线在小型化的同时，在辐射方向上仍然具有良好的信号收发能力。
[0070]
图7和图8为本发明实施例微带贴片天线在谐振频点3.496ghz处的辐射方向图，分别显示了天线在e面和h面的方向图。可以看出本发明微带贴片天线的方向图与传统天线类似，具有非常良好的远场辐射特性。
[0071]
以上实施例结果表明，本发明实施例中的微带贴片天线工作于3.496ghz，樽形贴片1的电尺寸仅为0.13λ
×
0.19λ，而相同尺寸的传统天线谐振于8.193ghz，矩形贴片的电尺寸为0.30λ
×
0.44λ，由此可见本发明微带贴片天线具有更小的电尺寸，且本发明微带贴片
天线的谐振频率大大降低，同时，其电讯性能依然保持良好，可以满足现代移动通信的需求，非常适合无线通信，特别是3.5ghz频段的5g移动通信应用，在移动通信等技术领域中具有广阔的应用前景，并且本发明微带贴片天线结构简单，加工容易，适合批量化生产。
[0072]
上述仅为本发明的优选实施例，并不对本发明有任何限制作用。任何依据本发明技术方案的实质和原理做出任何形式的等效变动和修改，均属于未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
[0073]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0074]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。