一种应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线。


背景技术：

2.对于一些特殊应用场景而言，例如微波探测场景，由于探测仪器系统具有较小的体积，因此系统所留给射频前端天线的空间位置有限。然而，微波探测系统对天线的性能具有高要求，需要天线具备良好的阻抗带宽，高增益以及小尺寸。为了避免天线对后端电路的影响，天线还需具备良好的前后比。
3.现有的天线多为微带贴片天线，其通过采用传统扩展带宽的方法，实现宽带特性。然而，微带贴片天线具有如下缺点：
4.1、带宽窄，增益低；
5.2、需要组成阵列实现高增益，从而导致天线尺寸较大；
6.3、需引入寄生贴片等方法，从而导致结构复杂，成本高。
7.综上所述，亟需一种可应用于需要宽带高增益天线的探测等场景中的安装空间受限场景的宽带高增益天线。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线，该方法包括：上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(2)，上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(2)之间设置有支撑结构(3)，通过支撑结构(3)使上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(2)之间形成空气层；上层印刷电路板的上表面设置有六边形贴片金属层(11)和弧形金属层(12)，上层印刷电路板的下表面设置有四边形贴片金属层(14)；同轴探针(13)穿过上层印刷电路板，且同轴探针内导体与弧形金属层(12)的一端连接，同轴探针外导体与四边形贴片金属层(14)连接；弧形金属层(12)的另一端与六边形贴片金属层(11)连接；下层印刷电路板(2)的下表面设置有底面金属层(21)，底面金属层(21)与下层印刷电路板(2)重合。
9.优选的，上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(2)为圆形或矩形。
10.进一步的，上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(2)的中心设置有通孔。
11.优选的，上层印刷电路板(1)的面积小于下层印刷电路板(2)的面积。
12.优选的，上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(2)的材料为介电常数4.4的fr4。
13.进一步的，支撑结构(3)为塑料螺钉。
14.优选的，四边形贴片金属层(14)的一边与上层圆环形印刷电路板(1)边缘重合。
15.进一步的，四边形贴片金属层(14)采用缺陷地结构，用于实现天线宽带特性。
16.本发明的有益效果为：本发明设计的应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线，采用缺陷地的四边形贴片、六边形贴片、弧形馈线等结构，使得本发明具有较宽的阻抗
带宽，高增益和良好的前后比，且本发明体积小，可应用于安装空间受限场景下需要宽带高增益天线的探测等系统；同时，本发明采用印刷电路板技术实现，其结构简单、成本低、易加工，实用性高。
附图说明
17.图1为本发明中应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线的俯视图；
18.图2为本发明中应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线的侧视图；
19.图3为本发明中一种优选实施例的圆环形天线的电压驻波比随工作频率变化曲线图；
20.图4为本发明中一种优选实施例的圆环形天线在工作频率为4.3ghz时的方向图；
21.图5为本发明中一种优选实施例的圆环形天线在工作频率为5.0ghz时的方向图；
22.图6为本发明中一种优选实施例的圆环形天线的增益随工作频率变化曲线图；
23.图中：1、上层印刷电路板；11、六边形贴片金属层；12、弧形金属层；13、同轴探针；14、四边形贴片金属层；2、下层印刷电路板；21、底面金属层；3、支撑结构。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明提出了一种应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线，如图1、图2所示，所述天线包括：
26.上层印刷电路板1和下层印刷电路板2，上层印刷电路板1和下层印刷电路板2之间设置有支撑结构3，通过支撑结构3使上层印刷电路板1和下层印刷电路板2之间形成空气层；上层印刷电路板的上表面设置有六边形贴片金属层11和弧形金属层12，上层印刷电路板的下表面设置有四边形贴片金属层14；同轴探针13穿过上层印刷电路板，且同轴探针内导体与弧形金属层12的一端连接，同轴探针外导体与四边形贴片金属层14连接；弧形金属层12的另一端与六边形贴片金属层11连接；下层印刷电路板2的下表面设置有底面金属层21，底面金属层21与下层印刷电路板2重合。
27.上层印刷电路板的上表面的六边形贴片金属层和弧形金属层作为辐射体，上层印刷电路板上表面的弧形金属层的一端直接与同轴探针内导体电连接，另一端与六边形贴片金属层连接；六边形贴片金属层和弧形金属层将同轴探针馈入的电磁能量向空间辐射，可得到宽的工作频带。
28.下层印刷电路板作为反射器，可提高天线的增益，实现良好前后比；同时，下层印刷电路板可增大天线系统的等效介电常数，从而降低天线剖面。
29.空气层位于上层圆环形印刷电路板与下层圆环形印刷电路板之间，空气层可为无材料的空间，也可在其中添加相对介电常数接近于1的塑料泡沫板；空气层可以改善天线匹配，实现宽带特性，并且还可以提高天线增益。
30.优选的，上层印刷电路板1和下层印刷电路板2为圆形或矩形。
31.进一步的，上层印刷电路板1和下层印刷电路板2的中心设置有通孔；优选的，上层印刷电路板和下层印刷电路板的通孔大小相同；采用中心设置的通孔结构可以为前端的射频系统预留更多的空间。
32.优选的，上层印刷电路板1的面积小于下层印刷电路板2的面积。
33.优选的，上层印刷电路板1和下层印刷电路板2的材料为介电常数4.4的fr4。
34.进一步的，支撑结构3为塑料螺钉；采用塑料螺钉固定上层印刷电路板和下层印刷电路板，相比金属固定材料，其可减小对天线的影响。
35.优选的，四边形贴片金属层14的一边与上层圆环形印刷电路板1边缘重合。
36.进一步的，四边形贴片金属层14采用缺陷地结构，用于实现天线宽带特性；四边形贴片金属层作为接地板，其采用缺陷地结构，可实现天线的宽带特性。
37.在一些优选实施例中，上层印刷电路板和下层印刷电路板为圆环结构，其上层印刷电路板的内圆环和下层印刷电路板的内圆环大小相同；上层印刷电路板和下层印刷电路板的材料为介电常数4.4的fr4；上层印刷电路板的内半径为4.0-5.0mm，外半径为18.0-22.0mm，厚度为1.8-2.2mm；下层印刷电路板的内半径为4.0-5.0mm，外半径为25.0-35.0mm，厚度为1.8-2.2mm；六边形贴片金属层各边长分别为11.8-12.2mm、3.9-4.1mm、4.1-4.3mm、5.9-6.1mm、4.1-4.3mm和3.9-4.1mm；弧形金属层内半径为11.5-12.5mm，外半径为13.5-14.5mm；四边形贴片金属层一边为圆弧且与下层印刷电路板的边缘重合，另外三边的边长分别为13.8-14.4mm,11.7-12.3mm，13.8-14.4mm；底面金属层为与下层印刷电路板重合的圆环，其内半径为4.0-5.0mm，外半径为25.0-35.0mm；空气层位于上层印刷电路板与下层印刷电路板之间，厚度为6.0-8.0mm。
38.在本发明的一种优选实施例中，应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线的上层印刷电路板和下层印刷电路板为圆环结构，该天线的具体尺寸如下：
39.上层印刷电路板的内半径为4.5mm，外半径为20.0mm，厚度为2.0mm；下层印刷电路板的内半径为4.5mm，外半径为30mm，厚度为2.0mm；六边形贴片金属层各边长分别为12.0mm、4.0mm、4.2mm、6.0mm、4.2mm和4.0mm；弧形金属层内半径为12.0mm，外半径为14.0mm；四边形贴片金属层不与下层印刷电路板的边缘重合的三边边长分别为14.1mm，12.0mm，14.1mm；底面金属层的内半径为4.5mm，外半径为30.0mm；空气层厚度为7mm。
40.本发明拥有很好的性能，如图3所示，本发明设计的应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线的工作频带为3.85ghz
–
6.19ghz，相对带宽达到46.6％，实现了宽带特性；如图4、图5所示，本发明在4.3ghz和5.0ghz的最大增益分别为9.5dbi和9.3dbi，前后比分别为17.8db和24.3db，其增益高，前后比良好；如图6所示，本发明在工作频带内具有稳定增益，天线在工作频带内增益为7.91dbi至9.93dbi。
41.本发明设计的应用于安装空间受限场景的宽带高增益天线采用贴片天线实现，加工成本低且易于批量生产；本发明相对带宽达到46.6％，天线在工作频带内增益为7.91-9.93dbi，具有宽带阻抗匹配的优点，其天线结构简单，增益高且前后比良好，可应用于需要宽带高增益天线的探测等系统，实用性高。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个
元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。