一种超宽带耦合贴片天线及其设计方法

本发明属于雷达通信领域，具体涉及一种超宽带耦合贴片天线及其设计方法。

背景技术：

1、在当前毫米波通信系统、超宽带成像系统逐渐发展的当下，对天线的带宽、成本、尺寸、加工难度都提供了更大的要求。复杂的超宽带系统往往要求天线在满足带宽要求的情况下具有更小的体积，更低的加工成本和复杂度。目前现有的大多数超宽带天线都采用多层pcb、多个寄生贴片、复杂馈电结构、改变传输线形状等实现天线的超宽带特性，但针对单个天线单元在保证简单的天线结构的情况下很少能具有超宽带特性。

技术实现思路

1、针对目前毫米波频段超宽带天线结构较为复杂的问题，本发明提出了一种超宽带耦合贴片天线及其设计方法，其为一种基于耦合作用的简单三层介质结构的超宽带天线单元，可以降低天线加工成本和复杂度。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种超宽带耦合贴片天线，包括顶层导电层、接地板、底层导电层；所述顶层导电层包括两个驱动贴片，驱动贴片外侧有两个平行排布的第一耦合贴片，每个驱动贴片的前后侧均放置两个第二耦合贴片，两个驱动贴片的内侧包裹两个竖直排布的第三耦合贴片，为了保证辐射方向图的稳定性，只利用驱动贴片和第二耦合贴片作为阻抗调节的贴片；所述接地板挖有一个孔径耦合馈点，孔径耦合馈点处于天线中心位置；所述底层导电层包括底层微带线，所述底层微带线被转换为一个两分支馈电结构，两分支馈电结构将电磁能量通过孔径耦合馈点传送给驱动贴片；所述底层微带线连接两分支馈电结构通过一个孔径耦合馈点分别激发两个驱动贴片的中心部分；所述顶层导电层与接地板之间设置第一介质层、第二介质层，接地板与底层导电层之间设置第三介质层。

4、进一步地，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层均采用介质基板，并采用高频材料；所述第一介质层的相对介电常数为3.7，厚度为0.168mm；所述第二层介质层的相对介电常数为3.52，厚度为0.102毫米；所述第三层介质层的相对介电常数为3.03，厚度为0.127毫米。

5、进一步地，所述顶层导电层、接地板、底层导电层均利用0.5盎司电解铜制作。

6、本发明还提供一种超宽带耦合贴片天线的设计方法，首先建立第一介质层、第二介质层、第三介质层、接地板、孔径耦合馈点、底层微带线、两分支馈电结构、驱动贴片和内侧的第三耦合贴片的模型，并初步调整谐振频率；将谐振频率调整到需求频率范围内后，在驱动贴片前后侧加入第二耦合贴片并再次调整谐振频率；最终在驱动贴片两侧加入第三耦合贴片并根据天线的各个结构参数优化调整谐振频率和天线方向图。

7、进一步地，所述结构参数包括：所述两分支馈电结构的长度、孔径耦合馈点的孔径宽度、驱动贴片的宽度、驱动贴片与第三耦合贴片的间隙、第二耦合贴片的长度、第三耦合贴片与驱动贴片的间隙。

8、有益效果：

9、本发明利用孔径耦合馈电加耦合贴片拓宽频带的方式，在加工简单的基础上对单个天线单元实现了超宽带性能，降低了超宽带天线的制作成本；给出一组最佳的设计参数，可以实现最佳的带宽和可实现增益；同时单个天线单元体积较小，具有较好的组成天线阵列的能力，在高增益场景中也能有效应用。

技术特征：

1.一种超宽带耦合贴片天线，其特征在于：包括顶层导电层、接地板、底层导电层；所述顶层导电层包括两个驱动贴片，驱动贴片外侧有两个平行排布的第一耦合贴片，每个驱动贴片的前后侧均放置两个第二耦合贴片，两个驱动贴片的内侧包裹两个竖直排布的第三耦合贴片，为了保证辐射方向图的稳定性，只利用驱动贴片和第二耦合贴片作为阻抗调节的贴片；所述接地板挖有一个孔径耦合馈点，孔径耦合馈点处于天线中心位置；所述底层导电层设置底层微带线，所述底层微带线被转换为一个两分支馈电结构，两分支馈电结构将电磁能量通过孔径耦合馈点传送给驱动贴片；所述底层微带线连接两分支馈电结构通过一个孔径耦合馈点分别激发两个驱动贴片的中心部分；所述顶层导电层与接地板之间由上到下设置第一介质层、第二介质层，接地板与底层导电层之间设置第三介质层。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带耦合贴片天线，其特征在于：所述第一介质层、第二介质层和第三介质层均采用高频材料；所述第一介质层的相对介电常数为3.7，厚度为0.168mm；所述第二层介质层的相对介电常数为3.52，厚度为0.102毫米；所述第三层介质层的相对介电常数为3.03，厚度为0.127毫米。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带耦合贴片天线，其特征在于：所述顶层导电层、接地板和底层导电层均利用0.5盎司电解铜制作。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种超宽带耦合贴片天线的设计方法，其特征在于，首先建立第一介质层、第二介质层、第三介质层、接地板、孔径耦合馈点、底层微带线、两分支馈电结构、驱动贴片和内侧的第三耦合贴片的模型，并初步调整谐振频率；将谐振频率调整到需求频率范围内后，在驱动贴片前后侧加入第二耦合贴片并再次调整谐振频率；最终在驱动贴片两侧加入第三耦合贴片并根据天线的各个结构参数优化调整谐振频率和天线方向图。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述结构参数包括：所述两分支馈电结构的长度、孔径耦合馈点的孔径宽度、驱动贴片的宽度、驱动贴片与第三耦合贴片的间隙、第二耦合贴片的长度、第三耦合贴片与驱动贴片的间隙。

技术总结
本发明公开一种超宽带耦合贴片天线及其设计方法，包括顶层导电层、接地板、底层导电层；所述顶层导电层包括两个驱动贴片，驱动贴片外侧有两个平行排布的第一耦合贴片，每个驱动贴片的前后侧均放置两个第二耦合贴片，两个驱动贴片的内侧包裹两个竖直排布的第三耦合贴片，为了保证辐射方向图的稳定性，只利用驱动贴片和第二耦合贴片作为阻抗调节的贴片；所述接地板挖有一个孔径耦合馈点，孔径耦合馈点处于天线中心位置；所述底层导电层包括底层微带线，所述底层微带线被转换为一个两分支馈电结构，两分支馈电结构将电磁能量通过孔径耦合馈点传送给驱动贴片。本发明基于耦合作用的简单三层介质结构，可以降低天线加工成本和复杂度。

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：
技术公布日：2024/1/13