一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线

1.本发明涉及天线工程技术领域，尤其涉及一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线。


背景技术：

2.随着现代通信系统的持续发展，人们对通信设备的重量、体积和结构等要求越来越高，小型化、模块化成为现今通信器件发展的趋势，然而，小型化阵列由于电子元器件间的紧密耦合，导致互耦作用增强，势必影响器件的整体性能，因此，如何在保证性能的前提下，实现紧凑的结构，成为了时下的一个研究重点，紧凑型天线的研究也应运而生。
3.在中国标准《无线通信设备电磁兼容性要求和测量方法的第15部分：超宽带(uwb)通信设备》中对超宽带技术的描述为：“用于短距离无线电通信的技术，其中涉及在极大频率范围内分布的射频能量的有用生成和发射，此频率范围可能与分配给无线电通信业务的若干带相重叠，使用超宽带技术的设备通过天线产生的有用辐射应至少为500mhz/-10db带宽”，该技术出现在上世纪50年代末，在2002年正式用于民用市场，超宽带具有使用功耗低、抗外界干扰因素能力强、信号传输效率高、安全通信、可抵御多径衰落等优点，可广泛应用于精准定位、生命体征检测、短距离通信等场景，实现交通、医疗、军事等领域的智能化、机动化和高保密性，因此，天线作为超宽带系统的核心器件，无疑需要拥有足够宽的带宽，以满足系统的硬件基础。
4.微带贴片天线作为一种低剖面的定向辐射型天线，可以同时兼备超宽带性能以及在不同应用设备中的高集成度，是较为常用的超宽带天线，虽然常规的微带贴片天线本身并不具有宽带特性，但针对微带贴片天线的宽带技术研究已经比较成熟，如在贴片和/或接地板上刻蚀缝隙、加载寄生贴片、改善馈电结构等，可激励出天线的多种谐振模式，叠加后形成宽带，然而，由于目前的宽带微带天线结构较为复杂，且仍然存在频带窄等缺点，难以满足现有通信系统对更宽频带天线的需求，使得微带贴片天线的工作带宽仍有待进一步拓展，因此，亟需设计一种兼具微带天线超宽带、小型化、低剖面的天线。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线，解决的技术问题是，目前的微带贴片天线结构较为复杂，且仍然存在频带窄等缺点，无法满足现有通信系统对更宽频带天线的需求。
6.为解决以上技术问题，本发明提供了一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线，包括天线辐射主体以及与天线辐射主体连接的巴伦转换器，所述天线辐射主体包括自上而下依次设置的最上层介质基板、中间层介质基板以及最下层介质基板，所述最上层介质基板的上表面附有两组形成左右镜像对称和上下镜像对称的辐射贴片对，所述最下层介质基板的上表面附有t形功分器；
7.所述t形功分器通过金属馈电探针与形成左右镜像对称的辐射贴片对同相连接，所述t形功分器通过双端口平行差分馈线与形成上下镜像对称的辐射贴片对反相连接。
8.在进一步的实施方案中，每组辐射贴片对包括两个辐射贴片，每个辐射贴片上均刻蚀有u形槽。
9.在进一步的实施方案中，辐射贴片之间设置有预设间距。
10.在进一步的实施方案中，所述预设间距为五分之十六至三分之八的中心频率自由空间波长。
11.在进一步的实施方案中，所述巴伦转换器包括单端口微带线、第一金属探针、klopfenstein锥形地、巴伦接地板以及第二金属探针；其中，第一金属探针、klopfenstein锥形地和巴伦接地板设置在最下层介质基板的下表面；
12.所述双端口平行差分馈线与所述单端口微带线之间通过第一金属探针和klopfenstein锥形地进行差分端口至单端口的阻抗匹配；
13.所述单端口微带线通过第二金属探针连接附着于最上层介质基板上表面的矩形铜皮。
14.在进一步的实施方案中，还包括设置在最下层介质基板的下表面的天线接地板。
15.在进一步的实施方案中，所述最上层介质基板、所述中间层介质基板以及所述最下层介质基板均采用fr4材料。
16.在进一步的实施方案中，所述天线辐射主体的长度、宽度均为20mm，高度为1.9mm。
17.在进一步的实施方案中，所述天线辐射主体的工作频带为6.72-9.29ghz。
18.本发明提供了一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线，包括设置在最上层介质基板上表面的两组形成左右镜像对称和上下镜像对称的辐射贴片对，最下层介质基板上表面的t形功分器通过金属馈电探针与形成左右镜像对称的辐射贴片对同相连接，t形功分器通过双端口平行差分馈线与形成上下镜像对称的辐射贴片对反相连接。与现有技术相比，该方法通过采用u形缝隙刻蚀、差分馈电及元件间紧密耦合技术，并对天线的各结构参数进行优化，得到了天线辐射主体与输入、输出端口间良好的阻抗匹配，实现了具有超宽带、小型化、低剖面等优点的紧耦合超宽带顶射天线，本发明提供的超宽带顶射天线获得了32.10％的带宽，频带内增益超5dbi，满足了现有通信系统对天线的需求。
附图说明
19.图1是本发明实施例提供的紧耦合超宽带顶射天线侧视图；
20.图2是本发明实施例提供的最上层介质基板上表面示意图；
21.图3是本发明实施例提供的最下层介质基板上表面示意图；
22.图4是本发明实施例提供的最下层介质基板下表面示意图；
23.图5是本发明实施例提供的紧耦合超宽带顶射天线三维透视图；
24.图6是本发明实施例提供的单阵元天线与四阵元天线性能对比示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
26.参考图1，本发明实施例提供了一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线，如图1所示，
9.29ghz(达到了32.10％的带宽)，频带内增益大于5dbi。
37.本发明实施例通过调整贴片间的间距及馈电探针的位置实现了紧凑型紧耦合超宽带顶射天线，同时采用了“u形”缝隙刻蚀以及差分馈电的结构扩宽了阻抗带宽，使得天线辐射主体与输入、输出端口间良好的阻抗匹配，为了方便应用于现有的通信设备，天线与巴伦转换器相连接，实现了差分端口与单端口间的转换，使得单输出端口可以方便地与现有的通信设备兼容。在本实施例中，整个天线长40mm，宽20mm，高度仅约1.9mm，有效工作频带为6.72-9.29ghz，获得了32.10％的带宽，频带内增益超过5dbi，满足现有通信系统对天线的要求，具有超宽带、小型化、低剖面等优点，在常规的微带贴片天线宽带仅为约10％的前提下，本发明实施例提出的天线在测试中可以实现近40％。
38.本实施例提供了一种紧凑型的紧耦合超宽带顶射天线，所述天线辐射主体包括依次设置的最上层介质基板、中间层介质基板以及最下层介质基板，所述最上层介质基板的上表面附有两组形成左右镜像对称和上下镜像对称的辐射贴片对，所述最下层介质基板的上表面附有t形功分器；所述t形功分器通过金属馈电探针与形成左右镜像对称的辐射贴片对同相连接；所述t形功分器通过双端口平行差分馈线与形成上下镜像对称的辐射贴片对反相连接，同时天线辐射主体与巴伦转换器连接，实现了差分端口与单端口间的转换。与现有技术相比，本实施例采用“u形”缝隙刻蚀、差分馈电结构以及与线辐射主体连接的巴伦转换器，扩宽了阻抗带宽并实现了差分端口与单端口间的转换，从而实现了6.72-9.29ghz的有效工作频带，达到了32.10％的带宽，且频带内增益大于5dbi。
39.以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。