一款平面U型贴片结构高增益Ku波段微带类八木天线

一款平面u型贴片结构高增益ku波段微带类八木天线
技术领域
1.本发明属于基本电气元件中的天线领域，具体涉及一款平面u型贴片结构高增益ku波段微带类八木天线。


背景技术：

2.卫星和通信技术近年来发展非常迅速，卫星广播也在我国普及开来，ku波段卫星数字广播相比其他更低波段具备体积小，地面干扰小，抗其他频率电磁波干扰能力强，对接收环境要求低等优点。目前在通信传输大的信息量时，微波的低频段资源非常拥挤，只能转向ku波段和ka波段等高频段来传输大信息量，因此研究ku波段的天线有着实际的应用意义。
3.其中口径耦合馈电在ku波段天线中应用非常广泛，polar于1985年提出口径耦合的馈电方式，这种方式有许多的优点，使馈电部分与辐射部分分置在接地板的两侧，可以有效抑制馈电网络的寄生辐射对天线方向图的影响，有较高的隔离度和低交叉极化的特性，并且合理调整耦合缝隙的结构和尺寸有助于提高天线的阻抗带宽。同时口径耦合馈电克服了传统馈电方式中的许多缺点，避免了同轴线馈电引入的电感，也减少了馈电网络产生的寄生辐射等，不会破坏微带天线低剖面特性，有紧凑的天线结构，易于与电路集成，众多优点使口径耦合馈电方式越来越受到人们的青睐。同时喇叭天线、反射面天线等结构天线具有高增益，通过阵列获得高增益是传统技术手段之一，但阵列天线由于具有多个辐射单元，天线体积往往比较大，而喇叭天线和反射面天线是立体结构天线，天线的剖面太高，实践应用极不方便。
4.同时由于微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于加工与易于电路集成等诸多优点，其在一定程度上克服了传统抛物面天线体积和质量大、造价高、不易与移动载体共形、不满足家庭个体接收小型化需求等缺点，所以微带天线在通信和雷达等领域应用很广泛。然而微带天线同样有频带窄、效率低、增益和功率容量比较小等缺点，在很多应用中限制了微带天线的使用。
5.中国专利cn107785671b公开了一种频率可重构微带贴片八木天线，包括三层结构，第一层结构包括第一层介质基板，在第一层介质基板的上表面设置耦合微带线、直流偏置电路和金属通孔，在第一层介质基板的下表面安装阻抗变换线、反射贴片、有源贴片和引向贴片重构方法为向液晶材料两端加入直流电压，直流电压由t型偏置器通过金属通孔加载在有源贴片下方的介质，即液晶材料两端，改变直流偏置电路的电压即可改变液晶材料的有效介电常数，从而改变八木天线工作频率。其频率重构方便，该重构天线易于集成，降低了加工难度，还能让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，接收信号效果更好。
6.中国专利cn106961022a公开了一种基于人工电磁结构的小型化倾斜波束微带八木天线，属于天线技术领域。该天线由多层结构组成：自下而上依次为金属接地板、下层介质、中间层金属贴片ebg阵列，上层介质，顶层金属贴片。其提供的微带八木天线中引入ebg结构，使得微带八木天线的特征更加明显，增大了普通微带八木天线的主瓣偏移角度；还可
实现天线的小型化设计，在相同的外型尺寸下，可实现工作频点向低频移动。
7.但因为ku波段天线的结构形式不合理，其并没有采用平面结构天线以及元平面天线在ku波段没有较好的辐射特性等固有缺陷，就导致了ku波段天线的体积过大，天线立体剖面过高。因此设计一款高度集成化和小型化的ku波段天线就显得尤为重要。


技术实现要素：

8.为解决上述问题，以求设计一款辐射方向偏离介质基板法线方向且具有高增益的，进而实现天线的小型化和集成化。
9.为达到上述效果，本发明设计一款平面u型贴片结构高增益ku波段微带类八木天线。
10.一款平面u型贴片结构高增益ku波段微带类八木天线，其包括介质基板、u型金属贴片、金属接地板和同轴馈电结构；
11.所述u型金属贴片设置在介质基板上；
12.所述金属接地板设置在介质基板底部；
13.所述同轴馈电结构设置在介质基板中。
14.优选地，所述u型金属贴片包括六个u型贴片，所述六个u型贴片分为三组，由外向内，最外层的是反射贴片，第二个是馈电激励贴片，内侧四个是引向贴片。
15.优选地，所述同轴馈电结构包括圆形非金属化区域和圆形非金属化过孔；
16.所述圆形非金属化区域为金属接地板中设置的中空区域；
17.所述圆形非金属化过孔为介质基板中设置的中空孔；
18.所述圆形非金属化过孔和圆形非金属区域的圆心重合。
19.优选地，所述六个u型贴片均向上呈开口状态；
20.所述六个u型贴片的边宽度都相同；
21.所述单个u型贴片的三个边长度相等，每边的长度大于宽度。
22.优选地，所述六个u型贴片的几何中心与介质基板上表面的几何中心重合。
23.优选地，所述相邻u型贴片的间距相等，所述六个u型贴片从外向内边长等距递减。
24.优选地，所述同轴馈电结构的几何中心与馈电激励贴片下侧边的几何中心重合。
25.优选地，所述金属接地板是覆盖在介质基板背面的金属贴片；
26.所述金属接地板的几何大小与介质基板表面相同；
27.所述金属接地板与介质基板均为正方形。
28.优选地，所述圆形非金属化过孔的高度等于介质基板的厚度。
29.优选地，所述介质基板的材料为聚四氟乙烯fr4；所述介质基板的材料介电常数为4.4
±
5％，损耗角正切为0.02
±
2％。
30.优选地，对天线实物模型进行实验测试时，需要将sma接头的内芯通过非金属化过孔与上表面的馈电激励贴片连接。sma接头的外侧接地板金属结构与圆形非金属区域外侧的金属接地板连接起来，便可进行测试。
31.本技术的优点和效果如下：
32.1、本技术采用微带结构设计的低剖面天线，采用金属贴片的方式，实现了天线的集成性，同时实现其便于加工，极化特性以及易于调整等特性；同时实现了结合高增益天
线、小型化天线、单向辐射特性、以及最大辐射方向偏离天线平面法线方向于一体的全新的辐射结构，即多u型贴片间的辐射、引向和反射作用。
33.2、本技术采用统一的u型辐射结构和加载结构，将直线臂两端弯曲，极大的减小了天线的几何尺寸，实现了天线的小型化和集成化，即设计了一款平面小型化微带天线。
34.3、本技术采用类八木结构，改变传统微带天线的最大辐射方向：垂直于介质基板平面，提高天线辐射增益，设计一款辐射方向偏离介质基板法线方向且具有高增益的ku波段天线。
35.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
36.根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
38.图1为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的透视结构示意图；
39.图2为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的俯视结构示意图；
40.图3为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的仰视结构示意图；
41.图4为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的侧视结构示意图；
42.图5为利用三维电磁仿真软件对本发明设计平面u型贴片微带类八木天线分析所得端口反射参数随频率变化曲线图；
43.附图标记：11、介质基板；12、反射贴片；13、馈电激励贴片；14、引向贴片；15、圆形非金属化区域；16、圆形非金属化过孔；17、金属接地板。
具体实施方式
44.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本技术的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本技术的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
45.应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
46.此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
47.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
48.本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b的至少一种，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
49.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
50.实施例1
51.本实施例主要介绍一款平面u型贴片结构高增益ku波段微带类八木天线的基础设计，具体结构请参考图1-4。图1为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的透视结构示意图；图2为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的俯视结构示意图；图3为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的仰视结构示意图；图4为本发明设计平面u型贴片微带类八木天线的侧视结构示意图。
52.本发明设计的平面u型贴片结构高增益ku波段微带类八木天线组成结构上包括一块正方形介质基板、六个相同的u型金属贴片、一块正方形金属接地板和一个同轴馈电结构。
53.所述的介质基板是一个组成为聚四氟乙烯fr4的正方形基板，材料介电常数为4.4
±
5％，损耗角正切为0.02
±
2％。本发明设计的天线所有金属结构都印刷与该介质基板的两侧。
54.所述的介质基板外的其他部分都是金属结构，金属结构所用的材料可以是铜或银。
55.本发明设计天线介质基板表面的所有金属贴片材质都是铜或银，金属贴片厚度极小，都可以忽略不计。
56.所述的正方形接地板是覆盖在正方形介质基板背面的金属贴片，几何大小与介质基板表面相同。
57.所述的六个u型金属贴片是刻蚀在正方形介质基板上表面六个大小不同的u型金属贴片。六个u型贴片分为三组，由外向内，最外层的是反射贴片，第二个是馈电激励贴片，内侧四个是引向贴片。六个u型贴片的几何中心与正方形介质基板上表面的几何中心重合。六个u型贴片均向上呈开口状态，所有的边宽度都相同，每个u型贴片的三个边长度相等，每边的长度远远大于宽度。由外向内，每两个相邻u型贴片间距相等，对应三个边的长度差也相等。为了描述方便，由外向内，六个u型贴片分别表示为第一、第二、第三、第四、第五、第六u型金属贴片。
58.所述的馈电结构是由一个非金属化过孔，接地板中的一个非金属化区域组成。非金属化过孔和圆形非金属区域的圆心重合，圆心与馈电激励贴片下侧矩形边中心重合。圆形非金属化区域的半径大约是圆形非金属化过孔半径的3倍。圆形非金属化过孔的高度等于正方形介质基板的厚度。
59.对天线实物模型进行实验测试时，需要将sma接头的内芯通过非金属化过孔与上表面的馈电激励贴片连接。sma接头的外侧接地板金属结构与圆形非金属区域外侧的金属接地板连接起来，便可进行测试。
60.本技术采用微带结构设计的低剖面天线，采用金属贴片的方式，实现其集成性，同时实现其便于加工，极化特性以及易于调整等特性；同时实现了结合高增益天线、小型化天线、单向辐射特性、以及最大辐射方向偏离天线平面法线方向于一体的全新的辐射结构，即多u型贴片间的辐射、引向和反射作用。
61.本技术采用统一的u型辐射结构和加载结构，将直线臂两端弯曲，极大的减小了天线的几何尺寸，实现了天线的小型化和集成化，即设计了一款平面小型化微带天线。
62.实施例2
63.基于上述实施例1，本实施例主要介绍平面u型贴片高增益微带类八木天线具体实施方式。
64.首先选择一块长度l＝80
±
5％mm、宽度w＝80
±
5％mm、厚度h＝1.6
±
3％mm的聚四氟乙烯fr4板作为本发明设计天线的介质基板11，在介质基板11下表面，采用电路板印刷技术，印刷长l＝80
±
5％mm、宽度w＝80
±
5％mm、厚度极小的银涂层，作为本发明设计天线的金属接地板17。在介质基板11上表面，印刷六个u型金属贴片，反射贴片12的宽度w1＝2
±
5％mm，长度l1＝40
±
5％mm。馈电激励贴片13的宽度也为w1，长度l2＝35
±
5％mm，反射贴片12与馈电激励贴片13三个平行边间距d＝0.5
±
2％mm。反射贴片12左侧、下侧、右侧三个边与介质基板上表面三边距离相等，都是20
±
5％mm。第三u型金属贴片、第四u型金属贴片、第五u型金属贴片、第六u型金属贴片均为引向贴片；所述第三u型金属贴片三边长l3＝30
±
5％mm，第四u型金属贴片三边长l4＝25
±
5％mm，第五u型金属贴片三边长l5＝20
±
5％mm，第六u型金属贴片三边长l6＝15
±
5％mm。每两个相邻u型金属贴片间三边长的差相等，δl＝5
±
5％mm，相邻两个u型金属贴片间距也都相等d＝0.5
±
2％mm。以馈电激励贴片13下侧矩形边几何中心为圆心，加工一个半径为r2＝1.5
±
2％mm的圆形非金属化过孔16，过孔的高度h1＝1.6
±
2％mm。同时以非金属化过孔16圆心为中心，金属接地板17中加工一个半径为r1＝4.6
±
2％mm的圆形非金属区域15。
65.若要对本发明设计天线实物模型进行实验测试，需要将标准sma接头的内芯通过非金属化过孔16与上表面的馈电激励贴片连接。sma接头的外侧接地板金属结构与圆形非金属区域15外侧的金属接地板17连接起来，便可进行测试。
66.本技术采用类八木结构，改变传统微带天线的最大辐射方向：垂直于介质基板平面，提高天线辐射增益，设计一款辐射方向偏离介质基板法线方向且具有高增益的ku波段天线。
67.实施例3
68.基于上述实施例2，本实施例主要介绍本发明设计平面u型贴片高增益ku波段微带天线的效果验证。
69.利用三维电磁仿真软件hfss对本发明设计平面u型贴片高增益ku波段微带天线进行仿真分析得知，如图5所述，该天线在12.75
±
2％ghz～13.37
±
2％ghz频段内，端口反射系数s11小于-10
±
2％db。即在上述频带内，天线能够应用无线通信信号的发生和接收。
70.其绝对带宽为0.63ghz，相对带宽为4.80
±
0.05％。在上述频段内，天线有两个谐振频点，分别为f1＝12.89
±
2％ghz和f2＝13.22
±
2％ghz。在中心频点f0＝13.0
±
2％ghz处，本发明设计天线的远场辐射增益达到11
±
2％dbi，实现了高增益辐射。
71.即本发明设计天线是一个高增益辐射天线；同时，本发明设计的天线金属辐射贴片全部位于具有介质基板的单个侧面上，具有单侧辐射特性。
72.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。