CN101145634A - 利用简化左手微带结构的全向辐射天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用简化左手微带结构的全向辐射天线。该天线包括一个介质基板；一个辐射金属贴片，一个金属地板，分别印制在介质基板的两侧；至少一个通过介质基板，连接金属地板和辐射金属贴片的金属过孔；一个同轴连接器接头，连接辐射金属贴片和金属接地板，并作为天线电波信号的馈入接口。本发明的天线结构简单，制造方便，具有低剖面，可以与载体共形，在某一频率具有水平面内全向辐射，具有垂直电场极化和低的交叉极化水平的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，属于无线通讯技术领域，用于接受或传输电磁信号，具有全向辐射性能的微带天线。
背景技术
在无线通讯、雷达、卫星、电子对抗和电子导航等诸多电子设备中，日益要求采用体积小、重量轻的天线。天线技术从传统的振子天线、八木天线、抛物面天线、喇叭天线发展到目前体积更小、结构更简单的微带天线。与传统天线相比，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、具有平面结构，易于与载体(如导弹、卫星等高速飞行器)共形，馈电网络可与天线结构一起制成，适合用于印刷电路技术大批量生产的优点。但目前的微带天线通过设计不同的微带元可实现最大辐射方向从边射到端射范围内调整，但未实现全向辐射。同时，能实现全向辐射的天线，如偶极子天线，立体圆盘形天线，并不具有平面结构，难于与载体共形。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术的不足，提供一种能实现全向辐射的微带天线，该天线在原有普通贴片天线的基础上，对受到广泛关注的左手/右手传输线结构实现全向辐射的天线进行了优化和简化，同样得到了性能良好的全向辐射的天线，同时保证天线呈平面结构，具有低剖面的优点。
技术方案：本发明所述的全向辐射的微带天线，包括一个介质基板；一个辐射金属贴片和一个金属地板，分别印制在介质基板的两侧；N个通过介质基板，连接金属地板和辐射金属贴片的金属过孔(N≥1，自然数)；一个包括内芯和外芯的射频同轴连接器SMA接头，连接辐射金属贴片和金属接地板，通过该连接器使馈电从金属地板激励到辐射金属片，形成电磁辐射。
所述辐射金属贴片可以是矩形或是圆形，或是任意形状，但要求保持图形相对天线平面的法线对称。
SMA接头的位置通过计算电磁软件(如Ansoft HFSS，CST等)的模拟计算，使天线的反射系数(S11)在工作频率附近最小(一般小于-10dB即可)，此时馈电的位置可以认为使整个加载后的天线达到阻抗匹配。一般选在关于该天线金属辐射片对称的位置上，此技术是成熟技术。
金属过孔有两种设计方式，一种是均匀分布，两相邻过孔之间的角度为360°/N，其中N是金属过孔的个数；另一种是非均匀分布，但其天线结构必须对称，分布于天线平面的法线。
通过改变介质基板的介电常数和厚度，金属过孔的直径和长度，以及辐射金属贴片的大小，可以控制全向辐射发生的谐振频率。介质基板的介电常数越大，厚度越厚，金属过孔的直径越小，长度越长，辐射金属贴片尺寸越大，则全向辐射发生的谐振频率越低。
传统传输线结构可以等效成串联电感和并联电容的级联。而左手传输线结构与传统的传输线结构相反，可以等效成串联电容和并联电感的级联，所以左手传输线结构传输特性和右手结构的正好相反，可以实现能流方向和波矢方向相反，具有反向传输特性。当把左手传输线和右手传输线结构结合起来时，可以在某频率时实现传播常数为零的传输，从而结构上的各部分相位保持相同，保持同相谐振。将这种结构运用到天线上，可以实现全向辐射的微带天线。当简化左手传输线模型，仅保留并联电感，构成简化的左手/右手传输线模型，并运用到天线上，同样可以实现全向辐射的辐射特性。同时，简化了天线的模型，降低了制作的精密度要求，有利于大批量的工业生产制作。
本发明用辐射金属贴片实现传统的右手传输线结构，即在微波频率下可等效成串联电感和并联电容，用金属过孔来实现并联电感，构成简化的左手/右手传输线模型的微带天线。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、具有低剖面，可以与载体共形；2、在某一频率，具有水平面内全向辐射的特性；3、具有垂直线性电场极化，具有低的交叉极化水平；4、结构简单，有利于降低制作的精密度要求，利于大批量的工业生产制作。
附图说明
图1是本发明的微带天线结构透视图。
图2是本发明的微带天线结构主视图。
图3是本发明的微带天线结构后视图。
图4是本发明的微带天线结构侧面方向的剖视图。
图5是本发明的微带天线在全向辐射频率时天线的Etotal在空间的辐射方向图。
图6是本发明的微带天线在全向辐射频率时天线辐射的E面同极化和交叉极化方向电场方向图的仿真和实验结果。
图7是本发明的微带天线在全向辐射频率时天线辐射在theta＝90°平面上同极化和交叉极化电场方向图的仿真和实验结果。
图8是本发明的具有8个金属过孔的微带天线结构主视图。
图9是本发明的具有圆形辐射金属贴片的微带天线结构主视图。
在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1：首先参考图1～4描述的本发明的微带天线的结构图。
介质基板(1)的下底面是金属地板(6)，介质基板(1)的上面是辐射金属贴片(2)。金属地板(6)、介质基板(1)和辐射金属贴片(2)从下往上依次平行放置。金属过孔(3)垂直穿过介质基板(1)，连接金属地板(6)和辐射金属贴片(2)，一个射频同轴连接器SMA接头，连接辐射金属贴片(2)和金属接地板(6)，馈源通过此连接器激励到辐射板，形成电磁辐射。SMA同轴接头的内芯(4)穿过金属接地板(6)上钻好的相同尺寸的小孔和介质基板(1)与辐射金属贴片(2)相连，而同轴接头的外芯(5)的金属外壁与金属地板(6)相连。上述的同轴接头也可以被激励探针等其他的连接器取代，这对于本领域技术人员而言，是现有成熟技术。
为了模拟上述结果，本发明采用相对介电常数为4.4，尺寸为40mm×40mm×2mm的FR4介质基板(1)。辐射金属贴片2外轮廓边长22.6mm，内轮廓边长4mm，金属过孔3半径0.3mm，相邻过孔间距离10.8mm。为了减小馈电点对天线的方向性的影响，馈电点选择在天线的任一对称轴上，同时通过仿真软件根据在所求频率点处有最小反射系数(S11)来进行优化，确定馈入点的位置。
这种微带天线可以等效为首尾相连的环形简化的左手/右手传输线结构，金属贴片可以用传统的右手传输线来等效，可以等效成串联的电感和并联的电容。金属过孔用并联的电感来等效。上述结构采用Ansoft HFSS电磁仿真软件进行了仿真。得到天线的全向辐射频率发生在2.94GHz。在该频率，传播系数为零，天线各位置相位保持同相，天线可以全向辐射。
图5是在软件中得到的天线在全向辐射频率时的Etotal在三维空间的辐射方向图仿真结果。可以看到，在此频率时，天线能实现水平面内的全向辐射。图6是本发明的微带天线在全向辐射频率时天线辐射的E面电场方向图的仿真和实验结果，图中分别画出了电场同极化和交叉极化的值，两者相差近17.5dB。图7是本发明的微带天线在全向辐射频率时天线辐射在theta＝90°平面上同极化和交叉极化电场方向图的仿真和实验结果。两图的实验结果和仿真结果匹配。可以看到，此天线在该频率具有水平面内全向辐射的特性，并具有较低的交叉极化水平。
实施例2：参照图8，仍采用相对介电常数为4.4，尺寸为40mm×40mm×2mm的FR4介质基板，辐射金属贴片外轮廓边长22.6mm，内轮廓边长4mm，金属过孔半径0.3mm，相邻过孔间距离10.8mm。这种情况下，天线的辐射金属贴片含有更多个金属过孔。这相当于增加了金属过孔的直径，等效的并联电感变小，全向辐射频率将变高，此天线的全向辐射频率发生在4.4GHz处。
实施例3：参照图9，天线的辐射金属贴片不仅可以是矩形，还可以是圆形，或其他形状，同时满足此天线关于天线平面的法线对称，因为他们的等效电路是相同的，仅是等效的值不同，只会影响到全向辐射的工作频率，但都具有全向辐射的性能。此天线仅辐射金属片的形状与前述实施例的不同，其余均类似，故此处不再赘述。
实施例4：参照图9，金属过孔3均匀分布，两相邻过孔之间的角度为360°/4，即90°，其中4是金属过孔的个数。除此之外，其余与实施例1相同。
实施例5：参照图8，金属过孔3非均匀分布，其天线结构对称分布于天线平面的法线。除此之外，其余与实施例1相同。
实施例6：上述全向辐射天线的制作方法，包括如下步骤：
(1)采用电路板刻蚀技术，在介质基板的两侧分别蚀刻金属接地板和金属辐射片；
(2)辐射金属贴片外轮廓形状可以是矩形、圆形，或是任意形状，辐射金属贴片对称于天线平面的法线。
(3)在介质基板上打入金属过孔，通过介质基板，连接金属地板和辐射金属贴片，具有相同直径和高度。
(4)选取合适的馈电点，焊上同轴连接器SMA接头，通过该连接器使馈电从金属地板激励到辐射金属片，形成电磁辐射，完成天线制作。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。
Claims (5)
1.一种利用简化左手微带结构的全向辐射天线，其特征是该天线包括一个介质基板(1)；一个辐射金属贴片(2)和一个金属地板(6)，分别印制在介质基板(1)的两侧；至少一个通过介质基板(1)，连接金属地板(6)和辐射金属贴片(2)的金属过孔(3)；一个包括内芯(4)和外芯(5)的射频同轴连接器SMA接头，其内芯一端连接到辐射金属贴片(2)，外芯一端连接到金属接地板(6)，馈源通过此连接器激励到辐射板，形成电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的利用简化左手微带结构的全向辐射天线，其特征金属过孔(3)具有相同直径和高度。
3.根据权利要求1所述的利用简化左手微带结构的全向辐射天线，其特征是辐射金属贴片(2)外轮廓形状可以是矩形、圆形，或是对称于天线平面法线的其他形状的辐射金属贴片。
4.根据权利要求1或2所述的利用简化左手微带结构的全向辐射天线，其特征是金属过孔(3)均匀分布，两相邻过孔之间的角度为360°/N，其中N是金属过孔的个数。
5.根据权利要求1或2所述的利用简化左手微带结构的全向辐射天线，其特征是金属过孔(3)非均匀分布，其天线结构对称分布于天线平面的法线。
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