[发明专利]一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用

说明书

本发明属于天线技术领域，公开了一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用，所述小型化加载慢波单元的微带天线，包括一段印刷在上层介质基板顶部的微带馈电线、内嵌一段微带传输线的矩形辐射结构和在下层介质基板中的四个蘑菇型慢波单元。本发明为双层结构，利用微带线向矩形辐射结构馈电，通过在下层介质板上加入四个蘑菇型慢波单元实现天线的小型化设计，使微带天线尺寸减小。本发明的微带天线尺寸相比于同频率工作的常规微带天线，天线面积缩减了51.5%。相比于周期性超材料的加载方法，本发明在矩形微带辐射结构每个顶点下分别加载一慢波单元使天线设计更加简单，加工成本更低。

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用。

背景技术

目前，在现代无线通信系统中，天线是不可或缺的器件。其中微带天线是最广泛使用的天线之一，它的优势是结构简单、体积小及制造方便。随着毫米波系统和器件的不断完善提高，系统及器件的小型化引起了人们的特别关注，而天线作为无线电接收和发射系统中的必要组件，其尺寸的缩减有着意义。例如，要求微带天线在其远场增益近似不变的前提下减小尺寸。使用高介电常数介质基板是最广泛使用的微带天线小型化技术。然而，介质基板材料的误差会引起材料成本的增加以及天线谐振频率的偏移，而且会使天线工作带宽变窄。短路金属壁和短路金属柱技术可以使微带天线的尺寸缩减到原来的一半，该技术被大量用在移动通信天线，特别是蜂窝电话单元中。然而，该技术会导致微带天线辐射方向图的不对称。折叠技术是另一种可以有效降低微带天线谐振频率的方法，然而，该技术会使微带天线的体积增大，天线的设计难度增加。因此，需要一种新的简单有效的方法可以在减小天线尺寸的同时对天线的辐射性能影响不大。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

（1）介质基板材料的误差会引起材料成本的增加以及天线谐振频率的偏移，而且会使天线工作带宽变窄。

（2）短路金属壁和短路金属柱技术会导致微带天线辐射方向图的不对称。

（3）折叠技术会使微带天线的体积增大，天线的设计难度增加。

解决以上问题及缺陷的难度为：除了以上方法，超材料和电磁禁带结构加载技术由于其自身慢波特性也在天线小型化领域中引起了广泛关注。在这些设计中，实际的天线尺寸仍然很大，因为天线的总面积是由所采用的电磁禁带结构决定的。它们确实需要一定数量的周期性单元才能使整个结构有效。因此，解决上述技术问题的难度在于，如何能在减少周期性单元数量的同时使微带天线尺寸减小。

解决上述技术问题的意义：通过在微带天线四个顶点下单独使用四个慢波单元，避开了周期性单元加载使天线实际尺寸过大的问题。通过调整四个蘑菇型慢波单元的位置及金属化通孔的相对位置使得能在有效减小天线尺寸的同时天线辐射性能没有明显变化，大幅降低了加载慢波结构的小型化微带天线设计过程的复杂度，节约了天线设计及加工成本，提供了一种新的简单有效的微带天线小型化技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化加载慢波单元的微带天线、通信系统及应用。

本发明是这样实现的，所述小型化加载慢波单元的微带天线，包括一段印刷在上层介质基板顶部的微带馈电线、内嵌一段微带传输线的矩形辐射结构和印刷在下层介质基板中的四个蘑菇型慢波单元。

进一步，所述微带线和矩形辐射结构的连接处采用一段内嵌的微带线，所述微带线连接到所述矩形辐射结构凹进去的长边中线，用于实现对矩形辐射单元的馈电。

进一步，所述矩形辐射结构靠近微带线的辐射长边凹进去的部分与外入的微带传输线之间隔有一定距离，用于改善天线的阻抗匹配。

进一步，所述微带天线采用两层介质基板，且下层介质基板介电常数高于上层介质基板，四个蘑菇型慢波单元加载在底层介质基板上，且位于矩形辐射结构四个角的下方。