一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线。

背景技术

微带贴片天线是在一个厚度远小于工作波长的薄介质基板上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电的天线。介质基层一般采用的是绝缘材料，介质基层上下两部分均以金属作为材料附着。在微带天线设计中，根据不同的环境、工作频率、应用领域、频段要求和结构美观，金属辐射片可以根据不同的要求设计成不同的形状。

微带天线具有剖面低、体积小、重量轻和易于制造等优点，现如今，已应用于通信系统中。但简单辐射片的尺寸设计出来的天线带宽较窄，且增益不高，使得微带天线在应用中受到很大限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线，本发明所提出的天线具有超宽带和高增益的特性，辐射稳定，方向性良好。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线，包括：上层介质基板、下层介质基板、连接柱、辐射贴片单元、金属接地板和圆形金属薄膜；

所述上层介质基板与下层介质基板之间通过两个相同的所述连接柱连接；

所述辐射贴片单元位于所述上层介质基板的上表面，所述金属接地板位于所述上层介质基板的下表面；

所述金属接地板中设置有缺陷地结构；

所述圆形金属薄膜位于所述下层介质基板的上表面。

可选地，所述上层介质基板的上表面还设有有间隙寄生枝节和无间隙寄生枝节；

所述有间隙寄生枝节与无间隙寄生枝节分别位于所述辐射贴片单元两侧；

所述有间隙寄生枝节与所述辐射贴片单元平行，并与所述辐射贴片单元之间留有预设间隙，所述无间隙寄生枝节与所述辐射贴片单元连接。

可选地，所述金属接地板与所述上层介质基板的边长相同，所述缺陷地结构为所述金属接地板中间挖去切掉两角的矩形。

可选地，所述上层介质基板与所述下层介质基板边长相同，且均为正方形；

所述上层介质基板的高度小于所述下层介质基板的高度；

所述上层介质基板采用Rogers5880；

所述下层介质基板采用FR4环氧树脂板材。

可选地，所述辐射贴片单元为去除第一切角与第二切角的矩形形状；

所述第一切角与第二切角均为相同的等腰三角形，所述所述第一切角与第二切角基于所述辐射贴片单元的水平中线上下对称，所述第一切角与第二切角的厚度相同。

可选地，所述矩形位于所述金属接地板正中间，其宽度与所述辐射贴片单元的宽度一致，长度为所述辐射贴片单元的长度的两倍，切去的两角与所述第一切角与第二切角的大小和位置相同。

可选地，所述圆形金属薄膜的圆心位于所述下层介质基板的中心。

可选地，所述辐射贴片单元、金属接地板、圆形金属薄膜、有间隙寄生枝节与无间隙寄生枝节的材质均为铜；所述连接柱采用Arlon25FR。

可选地，所述宽带高增益天线的频率涵盖WLAN5.2/5.8GHz、WiMAX3.5/5.5GHz以及三大运营商的5G通讯频段。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明的基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线，通过采用加载寄生枝节来拓宽带宽和添加反射板即下层介质基板来提高增益的方法，设计了一款相对带宽为64％(3.45-6.33GHz)的超宽带天线。由于反射板的反射作用，天线增益由本来的4.19dBi提高至7.22dBi。另外，选取了3.7GHz、4.5GHz、4.9GHz、5.2GHz和5.8GHz这五个频点的二维辐射图，其方向性良好。此结构具备宽带宽、高增益、辐射稳定的优点，工作带宽覆盖了包含WLAN5.2/5.8GHz、WiMAX3.5/5.5GHz以及三大运营商的5G通讯频段。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线结构示意图；

图2为本发明实施例的上层介质上表面示意图；

图3为本发明实施例的上层介质下表面示意图；

图4为本发明实施例的下层介质上表面示意图；

图5为本发明实施例的回波损耗仿真示意图；

图6为本发明实施例的增益仿真示意图；

图7为本发明实施例3.7GHz的仿真E面和H面增益方向图；

图8为本发明实施例4.5GHz的仿真E面和H面增益方向图；

图9为本发明实施例4.9GHz的仿真E面和H面增益方向图；

图10为本发明实施例5.2GHz的仿真E面和H面增益方向图；

图11为本发明实施例5.8GHz的仿真E面和H面增益方向图；

其中，1、上层介质基板；2、辐射贴片单元；3、有间隙寄生枝节；4、金属接地板；5、矩形；6、连接柱；7、下层介质基板；8、圆形金属薄膜；9、无间隙寄生枝节。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例

如图1-4所示，本发明公开了一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线，包括：上层介质基板1、下层介质基板7、连接柱6、辐射贴片单元2、金属接地板4与圆形金属薄膜8；

上层介质基板1与下层介质基板7之间通过两个相同的连接柱6连接；

辐射贴片单元2位于上层介质基板1的上表面，是天线的主要辐射部分，金属接地板4位于上层介质基板1的下表面；

圆形金属薄膜8位于下层介质基板7的上表面。作为反射板提升天线增益。

上层介质基板1的上表面还设有有间隙寄生枝节3与无间隙寄生枝节9；

有间隙寄生枝节3与无间隙寄生枝节9分别位于辐射贴片单元2两侧；

有间隙寄生枝节3与辐射贴片单元2平行，无间隙寄生枝节9与辐射贴片单元2连接。

金属接地板4与上层介质基板1的边长相同，为中间挖去切掉两角的矩形5的缺陷地结构。

上层介质基板1与下层介质基板7边长相同，且均为正方形，其边长为54mm；

上层介质基板1的高度为0.8mm，下层介质基板7的高度为1.5mm；

上层介质基板1的材料为Rogers5880，相对介电常数为2.2；

下层介质基板7的材料为FR4环氧树脂板材，相对介电常数为4.4。

辐射贴片单元2为去除第一切角与第二切角的矩形形状，其中，辐射贴片单元2的长度为25mm，宽度为16mm；第一切角与第二切角均为腰长4.5mm的等腰三角形，第一切角与第二切角基于辐射贴片单元2的水平中线上下对称，第一切角与第二切角的厚度均为0.018mm。

矩形5位于金属接地板4正中间，其宽度与辐射贴片单元2的宽度一致，长度为辐射贴片单元2的长度的两倍，切去的两角与第一切角与第二切角的大小和位置相同。

圆形金属薄膜8的圆心位于下层介质基板7的中心。

辐射贴片单元2、金属接地板4、圆形金属薄膜8、有间隙寄生枝节3与无间隙寄生枝节9的材质均为铜；连接柱6的材料为Arlon25FR。

有间隙寄生枝节3的长度为16mm，宽度为3mm，有间隙寄生枝节3与辐射贴片单元2之间的距离为1.5mm；无间隙寄生枝节9的长度为10mm，宽度为4mm；金属薄膜8的半径为16mm，深度为0.018mm；连接柱6的高度为21mm，半径为1mm。

宽带高增益天线的频率涵盖WLAN5.2/5.8GHz、WiMAX3.5/5.5GHz以及三大运营商的5G通讯频段。

如图1-4所示，本实施例提供了一种基于缺陷地与反射板结构的宽带高增益天线，包括：上层介质基板1、下层介质基板7以及两者之间的连接柱6。其中，上层介质基板1的上表面设有辐射贴片单元2，上层介质基板1的下表面设有金属接地板4，下层介质基板7的上表面敷以圆形金属薄膜8，辐射贴片2位于上层介质基板1的中间靠左的位置，辐射贴片2为将两个角切角的矩形形状，在辐射贴片2左右两侧分别加载有间隙寄生枝节3和无间隙寄生枝节9，有间隙寄生枝节3平行于辐射贴片2的长或宽，在金属接地板4中挖去切掉两角的矩形5，圆形金属薄膜8的圆心位于下层介质基板7中心，上层介质基板1和下层介质基板7通过两个大小、长短以及材质相同的连接柱6连接。

进一步地，在金属接地板4中挖去切掉两角的矩形5，形成缺陷地结构，将下层介质基板7，即反射板通过连接柱6与上层介质基板1连接。

进一步地，上层介质基板1的上下表面为正方形，所用材料是Rogers5880，相对介电常数为2.2。下层介质基板7的材料为FR4环氧树脂板材，相对介电常数为4.4。

进一步地，辐射贴片单元2、有间隙寄生枝节3、无间隙寄生枝节9、金属接地板4以及圆形金属薄膜8的材质均为铜。连接柱6的材料为Arlon 25FR。

辐射贴片单元2位于上层介质基板1中间靠左的位置，金属接地板4紧贴着上层介质基板1下表面，此仿真模型转换为PCB板进行精密加工制作，再焊接SMA接头方可进行测试。

在本实施例中，天线采用的馈电方式为微带线馈电。坐标系中心点设在天线本体的中心处，仿真软件采用HFSS软件，通过HFSS软件具体优化后尺寸如表1所示。

表1

其中上层介质基板1的边长L

辐射贴片单元2的左上角切去形状为等腰三角形的一角，切去的该三角形的水平边长l

在本实施例中，有间隙寄生枝节3和无间隙寄生枝节9实现了宽频带的效果，下层介质和圆形金属薄膜组成的反射板实现了高增益的效果。上述参数是利用HFSS优化分析得到的最优参数。如图5所示，是上述参数优化对应的|S

如图6所示，为本实施例天线频段内的增益曲线，增益是天线的重要指标之一，会直接影响天线发射和接收的功能，可以从天线在各个频点处的增益方向图获得，组成频段内的增益曲线，本实施例天线在3.9GHz处天线获得最大增益7.26dBi。

如图7所示，为本实施例天线的3.7GHz仿真二维辐射方向图，分别显示了E面和H面方向图，其中，虚线是E面，实线是H面，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为75.53°和69.92°，主辐射在θ＝9.5°左右，增益为7.12dBi。

如图8所示，为本实施例天线的4.5GHz仿真二维辐射方向图，分别显示了E面和H面方向图，其中，虚线是E面，实线是H面，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为87.10°和99.25°，主辐射在θ＝12.5°左右，增益为5.74dBi。

如图9所示，为本实施例天线的4.9GHz仿真二维辐射方向图，分别显示了E面和H面方向图，其中，虚线是E面，实线是H面，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为62.83°和99.08°，主辐射在θ＝28.5°左右，增益为5.70dBi。

如图10所示，为本实施例天线的5.2GHz仿真二维辐射方向图，分别显示了E面和H面方向图，其中，虚线是E面，实线是H面，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为51.84°和54.70°，主辐射在θ＝30.5°左右，增益为6.36dBi。

如图11所示，为本实施例天线的5.8GHz仿真二维辐射方向图，分别显示了E面和H面方向图，其中，虚线是E面，实线是H面，天线的E面和H面半功率波束宽度分别为48.19°和52.90°，主辐射在θ＝34°左右，增益为7.15dBi。

本实施例的工作原理如下：矩形微带天线，它是在一块远小于工作波长的上层介质基片(绝缘介质层1)的一面敷以金属辐射片(辐射贴片单元2)、一面敷以挖去切角的矩形5的金属层作为接地板(金属接地板4)而成，在辐射贴片2两侧分别加载有间隙寄生枝节3和无间隙寄生枝节9，在上层介质基板的正下方放置上表面敷以圆形金属薄膜8的下层介质基板7，上下层介质基板之间通过连接柱6连接。辐射贴片2采用微带线馈电，输入阻抗设置为50欧姆，从而获得良好的匹配。在本例中，得到的效果非常合理化，回波损耗、增益、方向性都有优良的效果。本实施例设计的天线符合设计，工作带宽覆盖了包含WLAN5.2/5.8GHz、WiMAX3.5/5.5GHz以及三大运营商的5G通讯频段。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。