[发明专利]小型化差分微带天线

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统中射频前端的紧凑、全集成设计，具体为一种小型化差分微带天线。

背景技术

无线通信技术的飞速发展，促进了紧凑、全集成射频前端产品成为无线通信系统的设计主流。由于平衡电路可以大大减小串扰，射频前端通常采用差分技术。目前，除天线外，大多数射频前端能够集成到收发器芯片，大大减少了分立元件的数目，降低了无线设备的成本。天线作为射频前端的关键部件之一，大多数天线设计为单端口器件，为了解决单端口天线与射频前端的集成，通常采用巴仑(平衡不平衡转换器)把差分信号转换为单端信号后馈入单端口天线。但是，巴仑的使用会引起射频前端损耗，降低系统效率，也不是全集成的解决方案。差分天线改变了传统的单端口设计方法，设计为双端口天线，直接把差分信号馈入到天线的两个端口，为设计高集成的射频前端提供了行之有效的解决方案。

微带天线是在背面带有导体接地板的介质基板上贴加导体薄片形成的，导体薄片通常是具有规则形状的面元（如矩形、圆形、三角形等），其馈电方式分为微带线馈电、同轴馈电、共面波导馈电、接近耦合馈电以及孔径耦合馈电五类。微带天线在外加电压的激励下，贴片和接地板间激励起射频电磁场，并且通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。与普通天线相比，微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面低、成本低、易批量生产、易与微带线路集成等优点，得到越来越广泛的应用，包括雷达技术、空间科学、生物医学领域及各种无线通信系统。

差分微带天线和单端口微带天线一样，阻抗带宽较窄，通常只有0.6%～3%，尤其是小型化差分微带天线的带宽性能更低，远远不能满足无线通信的需求。现有的单端口微带天线的带宽展宽方法主要有以下几种：附加寄生贴片、附加阻抗匹配网络、加载集总元件、加载缝隙以及采用电磁带隙结构（或光子带隙结构）等方法。由于差分微带天线结构的对称性，单端口微带天线的许多带宽展宽方法，对差分微带天线效果并不十分显著。

发明内容

本发明为解决目前微带天线带宽较窄、射频前端全集成难度较大的技术问题，提供一种小型化差分微带天线。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种小型化差分微带天线，包括从上到下依次层叠的矩形辐射贴片、第二基板以及接地板；矩形辐射贴片上开有两个馈电孔，所述两个馈电孔位于矩形辐射贴片的一条中心线上且两个馈电孔关于矩形辐射贴片的中心点对称；矩形辐射贴片上还开有关于馈电孔所在中心线对称的一对U形缝隙组；所述U形缝隙组包括一个开口正对馈电孔连线的外U形缝隙以及位于外U形缝隙开口内且开口同样正对馈电孔连线的内U形缝隙。

本发明所述的小型化差分微带天线采用同轴馈电，馈电孔处于馈电点。矩形辐射贴片加载U形缝隙实现了天线的小型化。通常，矩形贴片天线的尺寸约为1/2导波波长，本发明中矩形辐射贴片尺寸的选择使其工作在高于所需要的频率。矩形辐射贴片开有四个U形缝隙，改变了贴片上的电流路径，激励起贴片天线的一个较低谐振频率，通过电磁仿真软件CST优化U形缝隙的尺寸，使得贴片天线工作在所需的频率。因此，小型化差分微带天线的工作频率由四个U形缝隙的尺寸以及贴片的尺寸决定。理论上讲，只要在辐射贴片上开有缝隙即可降低天线的频率，本领域技术人员通过电磁仿真软件CST，通过有限次的仿真试验可容易地确定出所需工作频率下的缝隙尺寸；本发明选用U形缝隙并使四个U形缝隙关于中心点对称，可更容易地通过选择缝隙尺寸和贴片尺寸来获得所需的频率。如图2所示。

进一步的，还包括位于矩形辐射贴片的上方且从上到下依次层叠的开口谐振环阵列、第一基板以及金属线阵列；所述金属线阵列位于矩形辐射贴片的上方；开口谐振环阵列包括十六个开口谐振环，金属线阵列为四条相互平行的金属线且相邻金属线之间的间距相同；每条金属线都与馈电孔所在中心线相垂直；所述开口谐振环阵列和金属线阵列分别刻蚀在第一基板的上表面和下表面；十六个开口谐振环分成四列，每列四个布置；每个开口谐振环均包括一个外环以及位于外环内的一个内环，所述外环和内环均设有一个开口且两个开口相背设置；所述每条金属线均对应一列开口谐振环；所述每列四个开口谐振环的内外环的开口中心连线均与和其对应的金属线位于同一竖直平面上。