[發(fā)明專利]一種小型化加載慢波單元的微帶天線、通信系統(tǒng)及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110494626.2
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113422209B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅瑞清;張小苗;潘麗花;劉宏基;鄧敬亞;孫冬全
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01Q9/04
• 分類號: H01Q9/04;H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q1/24
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種小型化加載慢波單元的微帶天線、通信系統(tǒng)及應(yīng)用，所述小型化加載慢波單元的微帶天線，包括一段印刷在上層介質(zhì)基板頂部的微帶饋電線、內(nèi)嵌一段微帶傳輸線的矩形輻射結(jié)構(gòu)和在下層介質(zhì)基板中的四個(gè)蘑菇型慢波單元。本發(fā)明為雙層結(jié)構(gòu)，利用微帶線向矩形輻射結(jié)構(gòu)饋電，通過在下層介質(zhì)板上加入四個(gè)蘑菇型慢波單元實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計(jì)，使微帶天線尺寸減小。本發(fā)明的微帶天線尺寸相比于同頻率工作的常規(guī)微帶天線，天線面積縮減了51.5%。相比于周期性超材料的加載方法，本發(fā)明在矩形微帶輻射結(jié)構(gòu)每個(gè)頂點(diǎn)下分別加載一慢波單元使天線設(shè)計(jì)更加簡單，加工成本更低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小型化加載慢波單元的微帶天線、通信系統(tǒng)及應(yīng)用。

背景技術(shù)

目前，在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，天線是不可或缺的器件。其中微帶天線是最廣泛使用的天線之一，它的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、體積小及制造方便。隨著毫米波系統(tǒng)和器件的不斷完善提高，系統(tǒng)及器件的小型化引起了人們的特別關(guān)注，而天線作為無線電接收和發(fā)射系統(tǒng)中的必要組件，其尺寸的縮減有著意義。例如，要求微帶天線在其遠(yuǎn)場增益近似不變的前提下減小尺寸。使用高介電常數(shù)介質(zhì)基板是最廣泛使用的微帶天線小型化技術(shù)。然而，介質(zhì)基板材料的誤差會引起材料成本的增加以及天線諧振頻率的偏移，而且會使天線工作帶寬變窄。短路金屬壁和短路金屬柱技術(shù)可以使微帶天線的尺寸縮減到原來的一半，該技術(shù)被大量用在移動通信天線，特別是蜂窩電話單元中。然而，該技術(shù)會導(dǎo)致微帶天線輻射方向圖的不對稱。折疊技術(shù)是另一種可以有效降低微帶天線諧振頻率的方法，然而，該技術(shù)會使微帶天線的體積增大，天線的設(shè)計(jì)難度增加。因此，需要一種新的簡單有效的方法可以在減小天線尺寸的同時(shí)對天線的輻射性能影響不大。

通過上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷為：

（1）介質(zhì)基板材料的誤差會引起材料成本的增加以及天線諧振頻率的偏移，而且會使天線工作帶寬變窄。

（2）短路金屬壁和短路金屬柱技術(shù)會導(dǎo)致微帶天線輻射方向圖的不對稱。

（3）折疊技術(shù)會使微帶天線的體積增大，天線的設(shè)計(jì)難度增加。

解決以上問題及缺陷的難度為：除了以上方法，超材料和電磁禁帶結(jié)構(gòu)加載技術(shù)由于其自身慢波特性也在天線小型化領(lǐng)域中引起了廣泛關(guān)注。在這些設(shè)計(jì)中，實(shí)際的天線尺寸仍然很大，因?yàn)樘炀€的總面積是由所采用的電磁禁帶結(jié)構(gòu)決定的。它們確實(shí)需要一定數(shù)量的周期性單元才能使整個(gè)結(jié)構(gòu)有效。因此，解決上述技術(shù)問題的難度在于，如何能在減少周期性單元數(shù)量的同時(shí)使微帶天線尺寸減小。

解決上述技術(shù)問題的意義：通過在微帶天線四個(gè)頂點(diǎn)下單獨(dú)使用四個(gè)慢波單元，避開了周期性單元加載使天線實(shí)際尺寸過大的問題。通過調(diào)整四個(gè)蘑菇型慢波單元的位置及金屬化通孔的相對位置使得能在有效減小天線尺寸的同時(shí)天線輻射性能沒有明顯變化，大幅降低了加載慢波結(jié)構(gòu)的小型化微帶天線設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜度，節(jié)約了天線設(shè)計(jì)及加工成本，提供了一種新的簡單有效的微帶天線小型化技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種小型化加載慢波單元的微帶天線、通信系統(tǒng)及應(yīng)用。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，所述小型化加載慢波單元的微帶天線，包括一段印刷在上層介質(zhì)基板頂部的微帶饋電線、內(nèi)嵌一段微帶傳輸線的矩形輻射結(jié)構(gòu)和印刷在下層介質(zhì)基板中的四個(gè)蘑菇型慢波單元。

進(jìn)一步，所述微帶線和矩形輻射結(jié)構(gòu)的連接處采用一段內(nèi)嵌的微帶線，所述微帶線連接到所述矩形輻射結(jié)構(gòu)凹進(jìn)去的長邊中線，用于實(shí)現(xiàn)對矩形輻射單元的饋電。

進(jìn)一步，所述矩形輻射結(jié)構(gòu)靠近微帶線的輻射長邊凹進(jìn)去的部分與外入的微帶傳輸線之間隔有一定距離，用于改善天線的阻抗匹配。

進(jìn)一步，所述微帶天線采用兩層介質(zhì)基板，且下層介質(zhì)基板介電常數(shù)高于上層介質(zhì)基板，四個(gè)蘑菇型慢波單元加載在底層介質(zhì)基板上，且位于矩形輻射結(jié)構(gòu)四個(gè)角的下方。