一种宽带全向贴片天线及其设计方法

本发明属于天线通信系统，具体涉及一种宽带全向贴片天线及其设计方法。

背景技术：

1、微带贴片天线能够实现不同类型的辐射方向图要求，并且具有低成本、易集成与高可靠性特点，被广泛应用于无线通信系统。其中，针对垂直极化全向天线应用需求，单层圆形贴片是最简单常用的一种天线结构，具备低剖面与低成本优势。但是，单层圆形贴片天线的相对带宽通常为1.5％～5％，直径能够达到1λ0(λ0为中心波长)，难以实现宽带性能且尺寸较大。

2、在单个圆形贴片的基础上，进一步堆叠可以形成多层贴片结构，结合腔模分析法引入其它谐振模式，能够提升带宽。但是腔模分析法难以对多层堆叠结构进行整体分析，无法提供天线整体的谐振模式与带宽，限制了天线性能的进一步提升。

3、特征模分析方法是一种无源分析方法，不需要提供激励的情况下能够完成天线整体性能分析，高效获得天线辐射机制，获取有效的模式特征，明确优化思路。但是，该方法多用于超表面结构的定向天线设计。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种宽带全向贴片天线及其设计方法，用以解决宽带全向双层贴片天线的设计问题，提升天线性能枷锁。

2、本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

3、一种宽带全向贴片天线，包括依次堆叠的顶层贴片、顶层介质基板、底层贴片、底层介质基板，其中顶层贴片为圆形结构，底层贴片为双同心圆环结构。

4、进一步地，所述底层介质基板底部设有一层金属地板。

5、进一步地，天线底部设有sma接口。

6、进一步地，所述sma接口的探针垂直于天线表面，并沿天线轴线延伸至所述底层贴片处。

7、进一步地，所述顶层贴片半径为12mm，顶层介质基板厚度为2.32mm，底层贴片中底层内环贴片的内径为1mm、外径为12mm，底层外环贴片的内径为13mm、外径为28.5mm，底层介质基板厚度为3.45mm，探针半径0.35mm。

8、一种针对上述宽带全向贴片天线的设计方法，包括：

9、步骤1，针对由金属地板、底层介质基板、底层圆形贴片构成的单层圆形贴片天线，依据所需的谐振频率，确定所述底层圆形贴片的半径和底层介质基板的厚度；之后在此基础上调节底层圆形贴片的半径，使tm01模的谐振频点移至设计目标的低端频点范围内；

10、步骤2，将所述圆形贴片替换为双同心圆环结构，包括底层内环贴片和底层外环贴片，其中底层内环贴片的初始外径为底层圆形贴片半径的一半，底层外环贴片的初始外径与底层圆形贴片半径相等；在上述初始尺寸的基础上调节底层内环贴片和底层外环贴片尺寸，使tm02模的谐振频点移动至设计目标的高端频点范围内；

11、步骤3，一方面依据步骤2确定的尺寸参数设置所述宽带全向贴片天线，另一方面在所述高端频点范围内选择一个频点作为顶层贴片的谐振频点，并基于此确定顶层贴片的初始半径和顶层介质基板的厚度；在上述尺寸基础上调节，使所述宽带全向贴片天线的两个有效谐振模式的模式带宽能够分别覆盖所述低端频点和所述高端频点。

12、进一步地，所述步骤1包括：

13、步骤1.1，针对所述单层圆形贴片天线，依据所需的谐振频率，确定所述底层圆形贴片的初始半径和底层介质基板的厚度；

14、步骤1.2，针对所述单层圆形贴片天线，在所需的带宽范围内进行谐振模式仿真，依据ms≥0.707时，筛选出有效的谐振模式；

15、步骤1.3，仿真出各谐振模式对应的模式电流，进一步筛选出模式电流与单极子天线电流一致的谐振模式；

16、步骤1.4，针对进一步筛选出的谐振模式，调整底层圆形贴片的半径，使ms峰值频点与所需谐振频点一致；

17、步骤1.5，调节底层圆形贴片的半径，使tm01模的谐振频点移至设计目标的低端频点范围内。

18、进一步地，所述步骤2包括：

19、步骤2.1，将所述圆形贴片替换为双同心圆环结构，包括底层内环贴片和底层外环贴片，其中底层内环贴片的初始外径为底层圆形贴片半径的一半，底层外环贴片的初始外径与底层圆形贴片半径相等；

20、步骤2.2，对步骤2.1修改后的单层天线进行仿真，确定其有效的谐振模式，以及tm01模和tm02模各自的谐振频点；

21、步骤2.3，在上下浮动不超过2.5mm的范围内调节底层内环贴片和底层外环贴片的尺寸，使tm02模的谐振频点移动至设计目标的高端频点范围内。

22、进一步地，所述步骤3包括：

23、步骤3.1，一方面依据步骤2确定的尺寸参数设置所述宽带全向贴片天线，另一方面在所述高端频点范围内选择一个频点作为顶层贴片的谐振频点，并基于此确定顶层贴片的初始半径和顶层介质基板的厚度；

24、步骤3.2，对所述宽带全向贴片天线进行仿真，筛选出ms≥0.707，且模式电流与单极子天线电流一致的两个谐振模式；

25、步骤3.3，在上下浮动不超过2.5mm的范围内调节所述宽带全向贴片天线的结构尺寸，使步骤3.2选出的两个谐振模式的模式带宽能够分别覆盖低端频点和高端频点；

26、步骤3.4，针对所选出的两个模式带宽，分别从中各选出一组频点进行仿真测试；每组所选频点须至少包括以下3个：该模式带宽的最低频点、最高频点、中心频点；针对各组所选取的频点进行仿真，最后依照仿真结果调节底层内环贴片、底层外环贴片以及顶层贴片的尺寸，使两个模式带宽的重合范围增大。

27、进一步地，所述低端频点范围为[fl，fl+0.15bw]，所述高端频点范围为[fh-0.15bw]，fh]，其中fh为设计目标带宽范围内的最高频点，fl为设计目标带宽范围内的最低频点，bw为目标带宽。

28、本发明的有益效果为：

29、(1)本发明提供了一种宽带全向贴片天线及其设计方法，其中所提出的设计方法简单准确，相应设计出的双层结构的贴片天线能够显著提高天线带宽。如示例具体给出的宽带全向贴片天线，相对带宽达到了73.8％，极化隔离优于28db，带内回波损耗优于10db，最大增益约为8.7dbi，宽带性能优于同类贴片天线。

30、(2)本发明基于特征模分析方法，结合模式带宽范围内不同频点的模式电流特性、辐射方向图，对贴片和堆叠结构进行针对性优化，仿真结果准确有效。天线具有低剖面特性，馈电接口易装配，便捷可靠，适用于批量生产。

1.一种宽带全向贴片天线，其特征在于：包括依次堆叠的顶层贴片(6)、顶层介质基板(5)、底层贴片、底层介质基板(2)，其中顶层贴片(6)为圆形结构，底层贴片为双同心圆环结构。

2.根据权利要求1所述的宽带全向贴片天线，其特征在于：所述底层介质基板(2)底部设有一层金属地板(1)。

3.根据权利要求1所述的宽带全向贴片天线，其特征在于：天线底部设有sma接口(8)。

4.根据权利要求3所述的宽带全向贴片天线，其特征在于：所述sma接口(8)的探针(7)垂直于天线表面，并沿天线轴线延伸至所述底层贴片处。

5.根据权利要求4所述的宽带全向贴片天线，其特征在于：所述顶层贴片(6)半径为12mm，顶层介质基板(5)厚度为2.32mm，底层贴片中底层内环贴片(3)的内径为1mm、外径为12mm，底层外环贴片(4)的内径为13mm、外径为28.5mm，底层介质基板(2)厚度为3.45mm，探针(7)半径0.35mm。

6.一种针对权利要求1～5任一项所述宽带全向贴片天线的设计方法，其特征在于：包括：

7.根据权利要求6所述的宽带全向贴片天线的设计方法，其特征在于：所述步骤1包括：

8.根据权利要求6所述的宽带全向贴片天线的设计方法，其特征在于：所述步骤2包括：

9.根据权利要求6所述的宽带全向贴片天线的设计方法，其特征在于：所述步骤3包括：

10.根据权利要求6所述的宽带全向贴片天线的设计方法，其特征在于：所述低端频点范围为[fl，fl+0.15bw]，所述高端频点范围为[fh-0.15bw]，fh]，其中fh为设计目标带宽范围内的最高频点，fl为设计目标带宽范围内的最低频点，bw为目标带宽。