单阶梯型频率可重构贴片天线

1.本发明涉及贴片天线技术领域，尤其涉及一种单阶梯型频率可重构贴片天线。


背景技术：

2.5g+智能电网的快速发展，要求天线具有小型化和多功能的特点；而可重构天线可以在不增加天线整体尺寸的情况下实现天线的频率可重构、方向图可重构或者极化可重构等功能，可以满足该方向的发展需求。其中，频率可重构可以使天线实现在多个频带范围内进行切换的功能，从而扩展通信系统的容量和提升通信系统的抗干扰能力。
3.目前传统方法多为加载开关或者变容二极管来实现天线的频率可重构的功能，一方面，结构较为复杂，另一方面，由于电子元件的增加会使天线相邻单元间产生干扰，导致天线辐射特性变化难以达到在通信设备上应用的要求。


技术实现要素：

4.本发明提供一种单阶梯型频率可重构贴片天线，用以解决现有频率可重构的天线存在结构较为复杂的问题。
5.本发明提供一种单阶梯型频率可重构贴片天线，包括：介质基板、主辐射单元、金属接地板、同轴馈电及耦合条带；所述主辐射单元位于所述介质基板的上侧，所述金属接地板位于所述介质基板的下侧；所述同轴馈电依次穿过所述金属接地板与所述介质基板对所述主辐射单元进行馈电；所述耦合条带位于所述主辐射单元的下侧，所述耦合条带与所述主辐射单元之间部分重叠，所述耦合条带沿朝向靠近所述同轴馈电的一侧或远离所述同轴馈电的一侧可移动的设于所述介质基板内。
6.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述同轴馈电与所述主辐射单元的中心形成预设间距。
7.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述同轴馈电与所述耦合条带沿所述主辐射单元的长度方向排布，所述耦合条带沿所述主辐射单元的长度方向朝向靠近所述同轴馈电的一侧延伸。
8.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述耦合条带与所述主辐射单元沿所述主辐射单元的长度方向的重叠长度为预设长度。
9.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述同轴馈电位于所述主辐射单元的宽度方向的对称轴上。
10.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述同轴馈电的探针与所述主辐射单元连接。
11.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述主辐射单元与所述耦合条带之间的高度差为预设高度差。
12.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述介质基板的介电常数为2.2，所述介质基板的厚度为1.57mm。
13.根据本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线，所述主辐射单元与所述耦合条带均呈方形状。
14.本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线，通过调整耦合条带沿e面方向的位置和尺寸，以改变耦合条带与主辐射单元的重叠面积，在重叠面积改变的情况下，耦合条带与主辐射单元之间的耦合发生改变，使得该贴片天线的谐振频率发生偏移，从而可使得该贴片天线工作在不同的频段，与现有技术相比，该贴片天线结构简单，易于加工，在保持天线辐射特性的基础上实现了频率可重构功能。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
16.图1是本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线的结构示意图之一；
17.图2是本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线的结构示意图之二；
18.图3是图2在a-a方向上的剖视结构示意图；
19.图4是本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线、常规贴片天线和耦合条带未延伸时的单阶梯结构的回波损耗随频率变化的曲线对比图；
20.图5是本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线的耦合条带的不同延伸长度对应的回波损耗随频率变化的曲线对比图；
21.图6是本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线在5.8ghz处主辐射单元和耦合条带的电流分布仿真图；
22.图7是本发明提供的单阶梯型频率可重构贴片天线在5.8ghz处的e、h面增益的远场辐射方向图；
23.图8是常规贴片天线在5.8ghz处的e、h面增益的远场辐射方向图。
24.附图标记：
25.1：介质基板；2：主辐射单元；3：金属接地板；4：同轴馈电；
26.41：探针；42：外壳；5：耦合条带。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
29.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
30.下面结合图1至图8描述本发明提供的一种单阶梯型频率可重构贴片天线。
31.如图1至图3所示，本实施例所示的单阶梯型频率可重构贴片天线包括：介质基板1、主辐射单元2、金属接地板3、同轴馈电4及耦合条带5。
32.主辐射单元2位于介质基板1的上侧，金属接地板3位于介质基板1的下侧，即主辐射单元2位于上层，介质基板1位于中间层，金属接地板3位于下层，主辐射单元2贴合于介质基板1的上表面，金属接地板3贴合于介质基板1的下表面；同轴馈电4依次穿过金属接地板3与介质基板1对主辐射单元2进行馈电；耦合条带5位于主辐射单元2的下侧，耦合条带5由常规贴片的e平面被切割后的窄条带形成，耦合条带5与主辐射单元2之间部分重叠，从而形成单阶梯状结构，可以理解的是，耦合条带5与主辐射单元2在介质基板1的上表面所在的平面上的投影部分重叠，耦合条带5沿朝向靠近同轴馈电4的一侧或远离同轴馈电4的一侧可移动地设于介质基板1内，通过调整耦合条带5沿e面方向的位置和尺寸，以改变耦合条带5与主辐射单元2的重叠面积，在重叠面积改变的情况下，耦合条带5与主辐射单元2之间的耦合发生改变，使得该贴片天线的谐振频率发生偏移，从而可使得该贴片天线工作在不同的频段，与现有技术相比，该贴片天线结构简单，易于加工，在保持天线辐射特性的基础上实现了频率可重构功能。
33.其中，介质基板1采用rogers 5880，介质基板1的厚度为1.57mm，介电常数为2.2，相对介电损耗为0.0009。
34.在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的同轴馈电4与主辐射单元2的中心形成预设间隔，即将同轴馈电4呈偏离主辐射单元2的中心设置，以保证该贴片天线良好的阻抗匹配性。
35.在一些实施例中，如图1至图3所示，同轴馈电4与耦合条带5沿主辐射单元2的长度方向排布，耦合条带5沿主辐射单元2的长度方向朝向靠近同轴馈电4的一侧延伸，即沿e面延伸，不同的延伸长度相应地能够改变耦合条带5与主辐射单元2之间的耦合，从而使得该贴片天线工作在不同的频段，实现了频率可重构功能
36.其中，主辐射单元2的长度方向为图2和图3中由左至右或由右至左的方向。
37.在一些实施例中，如图3所示，本实施例所示耦合条带5与主辐射单元2沿主辐射单元2的长度方向的重叠长度为预设长度。
38.具体地，申请人在研发过程中对多个不同的重叠长度进行了试验，试验发现，在重叠长度d1＝4mm的情况下，该贴片天线的谐振频率保持稳定，频带内的阻抗匹配良好，且耦合条带5与主辐射单元2未重叠的部分的长度为2mm，即d2＝2mm，试验的具体数据将在后文描述。
39.在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的同轴馈电4位于主辐射单元2的宽度方向的对称轴上，由此，同轴馈电4与主辐射单元2的中心之间的预设间隙即为同轴馈电4与主辐射单元2的长度方向的对称轴之间的距离。
40.其中，主辐射单元2的宽度方向为图2中由上至下或由下至上的方向。
41.在一些实施例中，如图3所示，本实施例所示的同轴馈电4的探针41与主辐射单元2
连接，探针41设置于外壳42内，探针41依次穿过金属接地板3与介质基板1对主辐射单元2进行馈电，探针41的轴线通过主辐射单元2的宽度方向的对称轴，探针41的半径为0.5mm，外壳42的半径为1.15mm。
42.其中，根据常规贴片天线馈电位置的选取原则并对其参数扫描优化，探针41的轴线与主辐射单元2的长度方向的对称轴之间的距离为3.2mm，此时该贴片天线的阻抗匹配良好。
43.在一些实施例中，如图3所示，本实施例所示的主辐射单元2与耦合条带5之间的高度差为预设高度差。
44.具体地，主辐射单元2、介质基板1及金属接地板3沿介质基板1的厚度方向依次排布，相应地，预设高度差即为主辐射单元2与耦合条带5之间沿介质基板1的厚度方向的高度差，申请人在研发过程中发现，在预设高度差h＝0.1mm的情况下，主辐射单元2与耦合条带5之间的耦合效果较好。
45.在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的主辐射单元2与耦合条带5均呈方形状，即主辐射单元2与耦合条带5在介质基板1所在的平面上的投影形状均为方形。
46.其中，介质基板1呈正方形，介质基板1的长和宽均为40mm；耦合条带5呈长方形，耦合条带5的长为6mm，宽w为20.5mm。
47.下面结合图4至图8对本实施例所示的单阶梯型频率可重构贴片天线的试验数据进行介绍。
48.图4示意了不同结构的天线的回波损耗随频率变化的曲线图，实线示意了本实施例所示的单阶梯型频率可重构贴片天线的s11，划线示意了常规贴片天线的s11，点线示意了耦合条带未延伸时的单阶梯结构的s11，即d1＝0；由图4可以看出，常规贴片天线的谐振频率为5.72ghz，阻抗带宽为200mhz，当主辐射单元e平面被切割形成单阶梯结构后，由于电流长度的减小，其中，电流长度为图2中l的两倍，天线的谐振频率向高频偏移至6.15ghz；而本实施例的结构通过耦合条带的延伸使得主辐射单元与耦合条带重叠面积增加，而增强了主辐射单元与耦合条带之间的耦合，使得该贴片天线的谐振频率发生偏移，当延伸距离d1＝4mm时，该贴片天线的谐振频率变为5.8ghz，此时的阻抗带宽为210mhz，覆盖了5.8ghz ism频段，实现了频率可重构功能。
49.图5示意了耦合条带不同的延伸长度对应的回波损耗随频率变化的曲线图，点划线代表耦合条带未延伸时的s11，即d1＝0，划线代表延伸长度为1.5mm时的s11，即d1＝1.5mm，点线代表延伸长度为3.5mm时的s11，即d1＝3.5mm，实线代表延伸长度为d1＝4mm时即本实施例的结构的s11；从图5中可以看出，随着耦合条带延伸长度的增加，天线的谐振频率逐渐向低频偏移，且当延伸长度大于4mm后，天线的谐振频率在5.8ghz处保持稳定，此时主辐射单元与耦合条带之间的耦合作用良好，谐振频率不再变化。
50.图6示意了该贴片天线在5.8ghz处，主辐射单元和耦合条带的电流分布仿真图，从图6中可以看到，在该频点处，主辐射单元的电流及耦合条带的耦合电流，均由远端的辐射缝隙向着靠近同轴馈电的辐射缝隙流动，根据传统的微带贴片天线的理论，天线可等效为非等幅度激励的缝隙天线阵列的组合。
51.图7示意了该贴片天线在中心频率5.8ghz处的e、h面增益的辐射方向图，其中实线代表本实施例的结构的e面辐射方向图，划线代表本实施例的结构的h面辐射方向图。
52.图8示意了常规贴片天线在中心频率5.8ghz处的e、h面增益的辐射方向图，其中实线代表常规贴片天线的e面辐射方向图，划线代表常规贴片天线的h面辐射方向图。
53.结合图7和图8可以看出，本实施例所示的单阶梯型频率可重构贴片天线的最大增益与常规贴片天线相比变化很小，e面和h面的辐射特性也没有被改变，该天线仍能保持原有的辐射方式工作。
54.由此，本实施例所示的单阶梯型频率可重构贴片天线，通过调整所述耦合条带沿e面方向的位置和尺寸可以使得该贴片天线工作在不同的频段；该贴片天线结构简单，易于加工，与现有技术相比，本实施例在保持天线辐射特性的基础上实现了天线的频率可重构设计从而扩展了系统容量并提升了系统的抗干扰能力。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，包括：介质基板、主辐射单元、金属接地板、同轴馈电及耦合条带；所述主辐射单元位于所述介质基板的上侧，所述金属接地板位于所述介质基板的下侧；所述同轴馈电依次穿过所述金属接地板与所述介质基板对所述主辐射单元进行馈电；所述耦合条带位于所述主辐射单元的下侧，所述耦合条带与所述主辐射单元之间部分重叠，所述耦合条带沿朝向靠近所述同轴馈电的一侧或远离所述同轴馈电的一侧可移动地设于所述介质基板内。2.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述同轴馈电与所述主辐射单元的中心形成预设间距。3.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述同轴馈电与所述耦合条带沿所述主辐射单元的长度方向排布，所述耦合条带沿所述主辐射单元的长度方向朝向靠近所述同轴馈电的一侧延伸。4.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述耦合条带与所述主辐射单元沿所述主辐射单元的长度方向的重叠长度为预设长度。5.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述同轴馈电位于所述主辐射单元的宽度方向的对称轴上。6.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述同轴馈电的探针与所述主辐射单元连接。7.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述主辐射单元与所述耦合条带之间的高度差为预设高度差。8.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为2.2，所述介质基板的厚度为1.57mm。9.根据权利要求1所述的单阶梯型频率可重构贴片天线，其特征在于，所述主辐射单元与所述耦合条带均呈方形状。

技术总结
本发明涉及贴片天线技术领域，提供一种单阶梯型频率可重构贴片天线，包括：介质基板、主辐射单元、金属接地板、同轴馈电及耦合条带；主辐射单元位于介质基板的上侧，金属接地板位于介质基板的下侧；同轴馈电依次穿过金属接地板与介质基板对主辐射单元进行馈电；耦合条带位于主辐射单元的下侧，耦合条带与主辐射单元之间部分重叠，耦合条带沿朝向靠近同轴馈电的一侧或远离同轴馈电的一侧可移动地设于介质基板内；本发明通过调整耦合条带沿E面方向的位置和尺寸，可使得该贴片天线工作在不同的频段，结构简单，在保持天线辐射特性的基础上实现了频率可重构功能。现了频率可重构功能。现了频率可重构功能。


技术研发人员：赵豫京 张毓琪 申京 陆继钊 李功明 朱瑞 李琳 李永杰 李璐琦 丰雷
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/8/21