一种单层宽带贴片天线及其设计方法

1.本发明属于雷达通信领域，具体涉及一种单层宽带贴片天线及其设计方法。


背景技术：

2.在当前高性毫米波系统逐渐发展的当下，对毫米波波段天线的带宽、增益、方向图等要求也逐渐提高。越来越多的天线趋向于小型化、低剖面、低复杂度设计，而在此种因素下，微带贴片天线逐渐成为当前毫米波系统的主要选择，其便于加工，方便封装，尤其被应用在当前小型的77ghz车载毫米波4d雷达设计中。但当前大部分市场上4d雷达都应用串馈天线阵列，利用较大的天线增益弥补带宽不足的缺点，而一些宽带天线的解决方案则需要多层的pcb板结构，增加加工难度。


技术实现要素：

3.针对目前易加工宽带毫米波天线缺失的问题，本发明提供一种单层宽带贴片天线及其设计方法，其为一种单层基于耦合现象的宽带贴片天线，易于加工，可以与目前市场上的毫米波雷达芯片一起集成在单层pcb上。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种单层宽带贴片天线，包括两分支微带馈线、驱动贴片、第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片、接地板和介质层；由两分支微带馈线馈电给两个驱动贴片，驱动贴片分布在两分支微带馈线的两侧关于两分支微带馈线中心线对称；两个第一耦合贴片竖直排布被驱动贴片包裹、两个第二耦合贴片平行排布且分别分布在驱动贴片两侧，尾部耦合贴片位于末端与两分支微带馈线形成对称结构，第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片与驱动贴片均留有间隔，均耦合来自驱动贴片的电磁能量；驱动贴片和第一耦合贴片、第二耦合贴片等效为三个调谐电路的串并结构，使得单层宽带贴片天线具有三个共振频率，从而扩展天线带宽；所述接地板和介质层构成单层pcb，所述单层宽带贴片天线加工在单层pcb上。
6.进一步地，所述介质层的厚度为0.127mm，在0.5盎司电解铜箔下的相对介电常数为3.16，所述介质层处于两分支微带馈线、驱动贴片、第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片所在层与接地板之间。
7.本发明还提供一种单层宽带贴片天线的设计方法，首先建立介质层和接地板的模型，并建立两分支微带馈线、驱动贴片和内侧的第一耦合贴片的模型，并初步调整谐振频率在设计频率范围内；随后在外侧加入第二耦合贴片并再次调整谐振频率；最后在末端加入尾部耦合贴片并根据天线的各个结构参数调整谐振频率和方向图。
8.进一步地，所述结构参数包括：两分支微带馈线的长度、第一耦合贴片与驱动贴片的间隙、第一耦合贴片的间隙、第二耦合贴片与驱动贴片的间隙、第二耦合贴片的长度、驱动贴片的长度、第一耦合贴片的长度。
9.有益效果：
10.本发明提出了一种单层贴片天线，该贴片天线利用两个驱动贴片和四个耦合贴片实现更宽的带宽；给出一组最佳的设计参数，在78.3ghz的中心频率下实现了12.6％的相对带宽；同时单层介质更有利于pcb板的加工制作，降低天线与射频器件的集成难度，有利于缩减成本。
附图说明
11.图1a为单层宽带贴片天线的立体结构示意图；
12.图1b为单层宽带贴片天线的俯视示意图；
13.图2a，图2b，图2c为天线结构表面电流分布图，其中，图2a为74ghz，图2b为80ghz，图2c为82ghz；
14.图3为单层宽带贴片天线的输入阻抗图；
15.图4为天线的s11回波损耗和可实现增益图；
16.图5a，图5b为天线的主极化和交叉极化辐射方向图；其中，图5a为e面，图5b为h面；
17.图6a，图6b，图6c，图6d为不同贴片参数的影响图；其中，图6a的左图为lf参数变化对天线输入阻抗的影响，图6a的右图为s1参数变化对天线输入阻抗的影响，图6b的左图为s2参数变化对天线输入阻抗的影响，图6b的右图为s3参数变化对天线输入阻抗的影响，图6c的左图为lside参数变化对天线输入阻抗的影响，图6c的右图为lr参数变化对天线输入阻抗的影响，图6d为l参数变化对天线输入阻抗的影响。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
19.如图1a所示，本发明的单层宽带贴片天线包括两分支微带馈线1、驱动贴片2、第一耦合贴片3、第二耦合贴片4、尾部耦合贴片5、接地板6和介质层7。微带线从微带馈电口转接两分支微带馈线1馈电。所述单层宽带贴片天线包括两个驱动贴片2，两个第一耦合贴片3、两个第二耦合贴片4和一个尾部耦合贴片5。驱动贴片2和第一耦合贴片3、第二耦合贴片4等效为三个调谐电路的串并结构，形成单层宽带耦合结构，并具有三个共振频率，从而扩展天线带宽。所述尾部耦合贴片5主要保证结构的对称性以优化方向图质量。
20.本发明的单层宽带贴片天线仅需要加工在单层pcb上，所述单层pcb由一个接地板6和介质层7组成，不需要另外的多层介质结构。
21.如图1b所示，本发明的单层宽带贴片天线的各个参数的一个设计实例的参数尺寸列于表1。w和l分别是内侧的第一耦合贴片3的宽度和长度。wr和lr分别是驱动贴片2的宽度和长度。w
side
和l
side
分别是外侧的第二耦合贴片4的宽度和长度。w1和lf分别表示两分支微带馈线1的宽度和长度。w
gnd
是接地板6的宽度。s1是内侧的第一耦合贴片3与驱动贴片2的间隙。s2是内侧的第一耦合贴片3的间隙。s3是外侧的第二耦合贴片4与驱动贴片2的间隙。s4是尾部耦合贴片5与驱动贴片2的间隙。所述单层宽带贴片天线的介质层7为单层，厚度为0.127mm，相对介电常数在0.5盎司电解铜下为3.16.。
22.表1天线各部分的结构参数
[0023][0024]
如图2a，图2b，图2c所示，在三种频率下的单层宽带贴片天线的贴片表面电流的分布，由箭头深度分布图可以发现起主导作用的贴片分别是驱动贴片2、第一耦合贴片3和第二耦合贴片4，其与图3中的输入阻抗峰值p2、p3、p4的谐振频率相对应。其中，图2a为74ghz，图2b为80ghz，图2c为82ghz。
[0025]
如图3所示，输入阻抗峰值p2-p4对天线的s11回波损耗参数的调节起着关键作用，可以通过调整输入阻抗峰值p2-p4的位置和峰值来优化天线的回波损耗性能。
[0026]
如图4所示，天线的-10db阻抗匹配带宽为73.4ghz至83.3ghz(或在78.3ghz时相对带宽为12.6％)，可实现增益在72ghz-84ghz都在6dbi以上。
[0027]
图5a，图5b显示78.5ghz时的天线可实现增益方向图，其中，图5a显示的e面和图5b显示的h面方向图3db宽度都大于50度，交叉极化则分别为-100dbi和-16dbi，天线方向图和交叉极化性能都符合应用要求。
[0028]
本发明的单层宽带贴片天线的设计方法包括：首先，建立介质层7和接地板6的模型，并建立两分支微带馈线1、驱动贴片2和内侧的第一耦合贴片3的模型，并初步调整谐振频率在设计频率范围内。随后在外侧加入第二耦合贴片4并再次调整谐振频率。最后末端加入尾部耦合贴片5并根据各个参数的影响调整谐振频率和方向图。最终天线整体参数调整的策略可以参考图6a-图6d中各个结构参数的作用示意图。
[0029]
如图6a所示，谐振频率点p4及其谐振阻抗都随着两分支微带馈线1的长度lf和第一耦合贴片3与驱动贴片2的间隙sl的尺寸增加而降低，而谐振频率点p2降低但其谐振阻抗变大。
[0030]
如图6b所示，第一耦合贴片3的间隙s2、第二耦合贴片4与驱动贴片2的间隙s3几乎不影响谐振频率点p2的谐振频率的谐振。增加第一耦合贴片3的间隙s2将提高谐振频率点p3的谐振频率，而增加间隙s3将略微降低谐振频率点p4的谐振频率。
[0031]
如图6c所示，增加第二耦合贴片4的长度l
side
将降低p4的谐振频率并略微降低p2的谐振阻抗。增加驱动贴片2的长度lr将降低p2的谐振频率增加p2的谐振阻抗，同时降低p3和p4的谐振阻抗。
[0032]
如图6d所示，增加第一耦合贴片3的长度l将降低谐振频率点p3的谐振频率，降低谐振频率点p2的谐振阻抗，并略微影响谐振频率点p4的谐振阻抗。当一个谐振点靠近另一个谐振点时，被接近的谐振点阻抗将下降。
[0033]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单层宽带贴片天线，其特征在于：包括两分支微带馈线、驱动贴片、第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片、接地板和介质层；由两分支微带馈线馈电给两个驱动贴片，驱动贴片分布在两分支微带馈线的两侧关于两分支微带馈线中心对称；两个第一耦合贴片竖直排布被驱动贴片包裹、两个第二耦合贴片平行排布且分别分布在驱动贴片两侧，尾部耦合贴片位于末端与两分支微带馈线形成对称结构，第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片与驱动贴片均留有间隔，均耦合来自驱动贴片的电磁能量；驱动贴片和第一耦合贴片、第二耦合贴片等效为三个调谐电路的串并结构，使得单层宽带贴片天线具有三个共振频率，从而扩展天线带宽；所述接地板和介质层构成单层pcb，所述单层宽带贴片天线加工在单层pcb上。2.根据权利要求1所述的一种单层宽带贴片天线，其特征在于：所述介质层的厚度为0.127mm，在0.5盎司电解铜箔下的相对介电常数为3.16，所述介质层处于两分支微带馈线、驱动贴片、第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片所在层与接地板之间。3.根据权利要求1-2之一所述的一种单层宽带贴片天线的设计方法，其特征在于，首先建立介质层和接地板的模型，并建立两分支微带馈线、驱动贴片和内侧的第一耦合贴片的模型，并初步调整谐振频率在设计频率范围内；随后在外侧加入第二耦合贴片并再次调整谐振频率；最后在末端加入尾部耦合贴片并根据天线的各个结构参数调整谐振频率和方向图。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述结构参数包括：两分支微带馈线的长度、第一耦合贴片与驱动贴片的间隙、第一耦合贴片的间隙、第二耦合贴片与驱动贴片的间隙、第二耦合贴片的长度、驱动贴片的长度、第一耦合贴片的长度。

技术总结
本发明提供一种单层宽带贴片天线及其设计方法，包括两分支微带馈线、驱动贴片、第一耦合贴片、第二耦合贴片、尾部耦合贴片、接地板和介质层；由两分支微带馈线馈电给两个驱动贴片，驱动贴片分布在两分支微带馈线的两侧关于两分支微带馈线中心对称；两个第一耦合贴片竖直排布被驱动贴片包裹、两个第二耦合贴片平行排布且分别分布在驱动贴片两侧，尾部耦合贴片位于末端与两分支微带馈线形成对称结构，所述接地板和介质层构成单层PCB，所述单层宽带贴片天线加工在单层PCB上。本发明的天线在单层PCB上具有更宽的带宽，并有利于PCB板的加工制作，降低天线与射频器件的集成难度，有利于缩减成本。减成本。减成本。


技术研发人员：纪奕才 张文瑞 王子豪 李超 卢伟 刘小军 方广有
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/8/9