本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線。

背景技術(shù)：

差分貼片天線(differentially-driven patch antenna)既具備微帶貼片天線的體積小、剖面低、結(jié)構(gòu)簡單和易集成的特點(diǎn)。而且由于引入差分饋電的技術(shù)，相比單端的貼片天線，差分貼片天線既能擁有更高的輻射效率，又能獲得諧波抑制、降低交叉極化水平等性能。隨著后端差分型芯片越來越成為主流，基于單端饋電實(shí)現(xiàn)的天線往往需要引入巴倫元件才能實(shí)現(xiàn)與差分型芯片的互聯(lián)，這大大增加了損耗和結(jié)構(gòu)尺寸。而差分貼片天線能夠?qū)崿F(xiàn)與差分芯片的無縫對接，實(shí)現(xiàn)低損耗和小型化。基于這一背景，我們采用差分饋電，并引入輻射模式諧振頻點(diǎn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種具有雙輻射模式、尺寸小、較低交叉極化水平的寬帶差分微帶貼片天線。

已有文獻(xiàn)報(bào)道了差分貼片天線的結(jié)構(gòu)：

文獻(xiàn)1(Yue Ping Zhang,Design and experiment on differentially-driven microstrip antennas,IEEE Transactions on antenna and propagation,2007,55,(10),pp:2701-2708)中的差分貼片天線利用開槽的方式拓展電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)拓展帶寬的目的，然而該設(shè)計(jì)中天線結(jié)構(gòu)剖面高，并且只利用了天線的基礎(chǔ)模式，只實(shí)現(xiàn)了一定程度的寬帶寬特性。

文獻(xiàn)2(Quan Xue,Xiu Yin Zhang,and Ching-Hong K.Chin,A novel differential-fed patch antenna,IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.,2006,5,pp:471-474)中結(jié)合差分饋電和拓寬帶寬的技術(shù)，在輻射貼片上開H型槽實(shí)現(xiàn)寬帶特性。然而該天線剖面高，不便于實(shí)現(xiàn)集成。

文獻(xiàn)3(Liping Han,Wenmei Zhang,Xinwei Chen,Guorui Han,and Runbo Ma,Design of compact differential dual-frequency antenna with stacked patches,IEEE Transactions on antenna and propagation,2010,58,(4):1387-1392)中的差分貼片天線通過采用多層結(jié)構(gòu)，并引入短路柱實(shí)現(xiàn)了拓寬帶寬的目的。但是由于該天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜增加了設(shè)計(jì)和加工的難度，使得剖面增高。

綜上所述，(1)文獻(xiàn)1和2中設(shè)計(jì)的差分貼片天線通過在輻射貼片挖槽來擴(kuò)展天線表面電流路徑從而實(shí)現(xiàn)寬帶寬，然而設(shè)計(jì)中只使用了單個模式且天線的剖面高，不方便 實(shí)現(xiàn)集成。(2)文獻(xiàn)3中設(shè)計(jì)的差分貼片天線采用多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且?guī)挷⒉荒苓_(dá)到寬帶寬的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種尺寸小、電路結(jié)構(gòu)簡單、交叉極化水平低的基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線，包括介質(zhì)基板、矩形輻射貼片、金屬接地板、四個短路柱和兩個差分饋電探針，其中矩形輻射貼片設(shè)置于介質(zhì)基板上表面，金屬接地板設(shè)置于介質(zhì)基板下表面，四個短路柱和兩個差分饋電探針均垂直貫穿介質(zhì)基板連接矩形輻射貼片和金屬接地板；所述四個短路柱分布于矩形輻射貼片的四個角，第一差分饋電探針、第二差分饋電探針分別設(shè)置于矩形輻射貼片相對兩條邊的邊沿；

等幅差分電磁信號從兩個差分饋電探針進(jìn)入天線，由于等幅差分信號的激勵，偶次模式被抑制、奇次模式不受影響；通過四個短路柱調(diào)整各個奇次模式的諧振頻點(diǎn)，使兩個或多個諧振模式靠近形成一個通帶，從而實(shí)現(xiàn)具有雙諧振模式的寬帶差分貼片天線。

進(jìn)一步地，所述四個短路柱分布于矩形輻射貼片的四個角，該四個短路柱關(guān)于矩形輻射貼片的中心點(diǎn)對稱。

進(jìn)一步地，所述第一差分饋電探針、第二差分饋電探針對稱設(shè)置于矩形輻射貼片兩條長邊的邊緣，且第一差分饋電探針、第二差分饋電探針至矩形輻射貼片兩條短邊的距離相等。

進(jìn)一步地，所述第一差分饋電探針、第二差分饋電探針的金屬接地板一側(cè)連接有SMA接頭，且兩個差分饋電探針的直徑與SMA接頭內(nèi)徑相同。

進(jìn)一步地，所述四個短路柱的直徑為3mm。

進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板的介電常數(shù)為2.2，厚度為3.175mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：(1)結(jié)構(gòu)簡單，可在單片PCB板上實(shí)現(xiàn)，便與加工，生產(chǎn)成本低；(2)具有差分信號提供激勵的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)與越來越成為主流的差分型芯片互聯(lián)，而不需要引入巴倫元件實(shí)現(xiàn)平衡/不平衡信號的轉(zhuǎn)換，減小系統(tǒng)占用空間，簡化電路設(shè)計(jì)；(3)尺寸小、工作頻帶寬(從1.78MHz至2.51GHz)、交叉極化水平低、能夠利用兩個輻射貼片的諧振模式、輻射特性優(yōu)良等特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖4是本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的實(shí)施例的回波損耗示意圖。

圖5是本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的實(shí)施例的三個頻點(diǎn)的方向圖，其中(a)為1.8GHz頻點(diǎn)的方向圖，(b)為2.15GHz頻點(diǎn)的方向圖，(c)為2.5GHz頻點(diǎn)的方向圖。

圖6是本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的實(shí)施例的增益示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下獲得的所有其他實(shí)施例都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線，通過在普通貼片天線的基礎(chǔ)上引入差分饋電技術(shù)和輻射模式諧振頻點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)低的交叉極化水平、對稱的輻射特性，更能夠同時(shí)利用輻射貼片多個諧振模式，改善天線的性能。

結(jié)合圖1～2，本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線，包括介質(zhì)基板3、矩形輻射貼片4、金屬接地板6、四個短路柱1和兩個差分饋電探針2、5，其中矩形輻射貼片4設(shè)置于介質(zhì)基板3上表面，金屬接地板6設(shè)置于介質(zhì)基板3下表面，四個短路柱1和兩個差分饋電探針2、5均垂直貫穿介質(zhì)基板3連接矩形輻射貼片4和金屬接地板6；所述四個短路柱1分布于矩形輻射貼片4的四個角，第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5分別設(shè)置于矩形輻射貼片4相對兩條邊的邊沿；

工作原理為：等幅差分電磁信號從兩個差分饋電探針2、5進(jìn)入天線，由于等幅差分信號的激勵，偶次模式被抑制、奇次模式不受影響；通過四個短路柱1調(diào)整各個奇次模式的諧振頻點(diǎn)，使兩個或多個諧振模式靠近形成一個通帶，從而實(shí)現(xiàn)具有雙諧振模式的寬帶差分貼片天線。

進(jìn)一步地，所述四個短路柱1分布于矩形輻射貼片4的四個角，該四個短路柱1關(guān)于矩形輻射貼片4的中心點(diǎn)對稱。

進(jìn)一步地，所述第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5對稱設(shè)置于矩形輻射貼 片4兩條長邊的邊緣，且第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5至矩形輻射貼片4兩條短邊的距離相等。

進(jìn)一步地，所述第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5的金屬接地板6一側(cè)連接有SMA接頭7，且兩個差分饋電探針2、5的直徑與SMA接頭7內(nèi)徑相同。

進(jìn)一步地，所述四個短路柱1的直徑為3mm。

進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板3的介電常數(shù)為2.2，厚度為3.175mm。

結(jié)合圖1～2，介質(zhì)基板3在圖中為淺灰色陰影填充，矩形輻射貼片4在圖1中為深灰色陰影填充，位于介質(zhì)基板3的上表面。金屬接地板6在圖2中為深灰色線條表示，位于介質(zhì)基板3的下表面，金屬接地板6與SMA接頭7的外導(dǎo)體相連接。第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5作為差分電磁波信號饋入源，一端連接矩形輻射貼片4，另一端與SMA接頭7的內(nèi)導(dǎo)體相連。

本發(fā)明立足于無線通信向?qū)拵?、小型化發(fā)展背景，是基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線。介質(zhì)基板3、金屬接地板6、矩形輻射貼片4、四個居于對稱位置的短路柱1、兩個對稱排布的差分饋電探針2、5。矩形輻射貼片4位于介質(zhì)基板3正面，矩形輻射貼片4邊緣距離介質(zhì)基板3邊緣有一定距離。兩個差分饋電探針2、5沿矩形輻射貼片4較長邊對稱分布，用于對矩形輻射貼片4饋電。介質(zhì)基板3的反面貼有金屬接地板6。四個短路柱1對稱分布于介質(zhì)基板3中特定位置，連接矩形輻射貼片4和金屬接地板6。

實(shí)施例1

結(jié)合圖3，本實(shí)施例基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的結(jié)構(gòu)尺寸如下：介質(zhì)基板3的尺寸為W×L＝70mm×80mm，高度h為3.175mm，介質(zhì)基板3的相對介電常數(shù)為2.2，在介質(zhì)基板3的上表面蝕刻有尺寸為W₁×L₁＝52mm×62mm的矩形輻射貼片4。介質(zhì)基板3的下表面貼有相同尺寸的金屬接地板6。第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5的直徑均為1.3mm，位于介質(zhì)基板3較窄邊的中心線上，饋電探針中心距離介質(zhì)基板3的較窄邊的邊緣距離L₃＝10mm。四個圓形金屬短路柱1的直徑為3mm，對稱分布于介質(zhì)基板3中，短路柱1的中心距離矩形輻射貼片4的較長邊的邊緣的距離W₂＝4mm，距離矩形輻射貼片4的較短邊的邊緣的距離L₂＝14mm。

本實(shí)施例中的天線激勵采用差分激勵，即激勵信號為一對幅度相等，相位相差180度的等幅差分信號，通過兩個對稱分布的金屬饋電探針2和5饋電。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下， 可將介質(zhì)基板3的相對介電常數(shù)設(shè)定為其他值，可將輻射貼片4的尺寸設(shè)定為其他值，可將四個圓形金屬柱1的位置設(shè)定為其他數(shù)值，這些改進(jìn)也將視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的工作過程如下：等幅差分電磁信號從第一差分饋電探針2、第二差分饋電探針5進(jìn)入天線，由于等幅差分信號的激勵，不需要的偶次模式(如TM₀₂、TM₁₂模式)被抑制，奇次模式(如TM₀₁、TM₀₃模式)不受影響，通過引入四個金屬短路柱1，可以改變保留下來的各個奇次模式的諧振頻點(diǎn)，通過合適的調(diào)整可以使兩個和多個諧振模式靠近形成一個通帶，并具有相似的輻射特性。從而實(shí)現(xiàn)尺寸小、交叉極化水平低的具有雙諧振模式的寬帶差分貼片天線。

在制造上，通過印制電路板制造工藝對電路基板正面電路及背面的電路加工形成所需的金屬圖案。本實(shí)例超寬帶巴倫是在電磁仿真軟件HFSS.13中建模仿真的。

結(jié)合圖4，本實(shí)施例基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的回波損耗示意圖。從圖中可以看出，天線的S參數(shù)在1.78-2.51GHz的范圍內(nèi)是小于-10dB的，具有寬帶的特點(diǎn)。

結(jié)合圖5，為本實(shí)施例基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的三個具有代表性頻點(diǎn)的方向圖。其中圖5(a)為1.8GHz頻點(diǎn)的方向圖，圖5(b)為2.15GHz頻點(diǎn)的方向圖，圖5(c)為2.5GHz頻點(diǎn)的方向圖，從圖中可以看出，帶寬范圍內(nèi)天線的輻射方向圖穩(wěn)定，三個頻點(diǎn)的交叉極化均低于-40dB，交叉極化水平低。

結(jié)合圖6，本實(shí)施例基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線的增益示意圖。從圖中可以看出，天線的增益在通帶范圍內(nèi)大于5.7dB，最高增益達(dá)到8dB。

綜上所述，本發(fā)明基于雙諧振模式的寬帶差分貼片天線，利用兩種不同類型的寬帶互聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超寬帶巴倫，該超寬帶具有尺寸小、插入損耗低、兩輸出端口匹配特性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。