CN103762427B - 一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，在介电常数为2-20范围内的介质基板屏蔽导体上蚀刻一条缝隙，在介质基板的另一面制作微带馈线和调谐支节，缝隙上方垂直连接一个对称振子—槽线组合结构的天线，该对称振子—槽线组合结构天线是在介电常数为2-20范围内的介质基板上分别设计反对称的顶层辐射单元与底层辐射单元组合而成，顶层辐射单元与底层辐射单元分别跨接在缝隙两侧。本发明采用偏心微带线馈电方式，通过改变馈电点的位置，馈线、调谐支节与振子的长度可以得到性能良好的宽带定向天线，在不加反射背腔的情况下，可以获得相对较高的增益、稳定的方向图，而且结构简单、制作成本低廉。

Description

一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线
技术领域
本发明涉及一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，属于微波技术领域。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的快速发展，WLAN无线局域网及射频识别系统的应用日益增多，对室内信号覆盖的要求越来越高。然而现存的室内信号覆盖系统中的定向天线结构复杂、带宽有限、增益性能不佳，不能覆盖多种制式无线通信系统的频段。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于针对背景技术存在的问题，提出一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，该天线工作频带宽、结构简单、制作成本低廉，在不加反射背腔的情况下，可以获得较高的增益以及稳定的定向辐射特性。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：
一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，包括第一介质基板、设置在第一介质基板底面的微带馈线和调谐支节，在所述第一介质基板的顶面中心位置沿纵向开有一缝隙；所述微带馈线的一端与第一介质基板的纵向边平齐，另一端与调谐支节直接相连，构成天线的馈电部分；其中调谐支节与缝隙的位置垂直相交；
在所述缝隙的上方垂直连接一个对称振子—槽线组合结构的天线；所述对称振子—槽线组合结构的天线包括与第一介质基板垂直连接的第二介质基板，以及分别设置在第二介质基板两个表面的底层辐射单元、顶层辐射单元，所述底层辐射单元与顶层辐射单元分别跨接在缝隙的两侧；其中底层辐射单元包括彼此相连的底层槽线辐射单元和底层振子辐射单元，所述顶层辐射单元包括彼此相连的顶层槽线辐射单元和顶层振子辐射单元；所述顶层辐射单元与底层辐射单元结构与尺寸相同，并且相对于第二介质基板反对称排布。
作为本发明的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线的进一步的优化方案，微带馈线与调谐支节形成偏心馈电结构。
作为本发明的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线的进一步的优化方案，缝隙、微带馈线、调谐支节、槽线辐射单元、振子辐射单元的形状均为矩形。
作为本发明的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线的进一步优化方案：所述第一介质基板和第二介质基板的介电常数范围为2-20。
作为本发明的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线的进一步优化方案：所述缝隙的长度范围为：21-23mm，调谐支节的长度范围为：10.5-11.5mm，以及微带馈线相对于第一介质板的偏心距离范围为：4-5mm。
作为本发明的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线的进一步优化方案：所述振子辐射单元的长度范围为：18-22mm。
本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：
本发明能够在不加反射背腔的情况获得较高的增益、稳定的定向辐射特性，并且天线结构简单，制作工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1（a）是第一介质基板1所在平面示意图。
图1（b）是第二介质基板2所在平面示意图。
图1（c）是本发明天线结构的三维立体示意图。
图2是解释通过偏心馈电方式增加天线高频段带宽的电流分布原理图。
图3是说明通过调整调谐支节的长度可以使天线阻抗匹配。
图4是利用HFSS软件计算的本发明天线结的回波损耗特性图。
图5是利用HFSS软件计算的天线方向图。
图6是采用HFSS软件计算的天线增益曲线。
图中标号：1和2是介质基板，3是缝隙，4是微带馈线，5是调谐支节，6是底层槽线辐射单元，7是顶层槽线辐射单元，8是底层振子单元，9是顶层振子单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1（a）~图1（c）所示，本发明的结构是：在介质基板1的屏蔽导体中心位置蚀刻一条缝隙，在介质基板的另一面制作微带馈线和调谐支节；在介质基板2上，底层辐射单元与顶层辐射单元结构与尺寸相同，并且相对于介质基板2反对称排布；底层辐射单元由底层槽线辐射单元6与底层振子单元8连接而成，顶层辐射单元由顶层槽线辐射单元7与顶层振子单元9连接而成；介质基板1与介质基板2垂直连接，底层辐射单元与顶层辐射单元分别跨接在缝隙两侧。
其中：微带馈线4与调谐支节5形成偏心馈电结构，通过改变馈电点的位置，可以得到性能良好的宽带定向特性。对照附图2，图2是解释通过偏心馈电方式增加天线带宽的电场分布原理图。假设缝隙水平开在z轴上，缝隙长度为L，a、b、c三点分别作为馈电点，即对应不同的偏心距离。假设1、2、3三条曲线（粗实线、细实线和虚线）分别对应不同模式的电场分布。当在a处馈电时，模式2在a处电场强度为零，模式3在a处电场强度较小，只有模式1才能充分激发；当在b处馈电时，模式3在b处电场强度为零，模式1和2都有一定的电场强度，因此模式1,2都有可能被激发；同理，当在c处馈电时，则模式1,2,3都有可能被激发，从而调节阻抗带宽、增加带宽。通过设置偏心馈电方式，可以激发缝隙单元的多个谐振模式，从而实现宽带特性。
本发明的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，其缝隙、微带馈线、调谐支节、槽线辐射单元、振子单元的形状均为矩形。调整调谐支节和微带馈线的长度，可以获得良好的匹配阻抗带宽。附图3给出了微带馈线长度为60mm，调谐支节长度分别为10.5mm、11mm、11.5mm时，利用HFSS仿真软件计算的天线的回波损耗特性。
附图4给出了介质基板1、介质基板2按照相对介电常数为2.2、厚为0.8mm、微带馈线长度为60mm、调谐支节长度为11mm、振子长度为19mm时，利用HFSS软件计算的天线回波损耗特性。根据图2可见，微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线能够完全覆盖4.76GHz-10.08GHz频段（按照回波损耗低于-10dB计），其中包含了用于射频识别的5.725-5.825GHz频段，无线局域网（5.15-5.35GHz与5.725-5.825GHz）以及超宽带通信（6-8.5GHz）等频段。
对照附图1(a)~图1(c)中的参考坐标系，附图5(a)-(f)分别给出了5GHz、5.8GHz和7GHz的两个主工作面方向图（yz-平面与xz-平面），图中的实线为主极化分量，点划线为交叉极化分量；附图4给出了工作频段内的增益特性。由图5和图6可见，在整个工作频段内，即使在不加反射背腔的情况下，该天线可以获得稳定的定向辐射特性（其主波束指向+z方向）和较高的增益（7dBi左右）。
综上所述，微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，由于缝隙与其激励的对称振子-槽线组合结构的辐射单元具有相同的极化特性，方向图在主工作平面上相互叠加，从而可以在不加反射背腔的情况下，获得稳定的定向辐射特性及较高的增益。而且此天线结构简单、易于制作、成本低廉。按照前述实施方式制作的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线可将其用作WLAN-5G/RFID等移动通信系统的室内分布定向天线，具有广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，其特征在于：包括第一介质基板（1）、设置在第一介质基板（1）底面的微带馈线（4）和调谐支节（5），在所述第一介质基板（1）的顶面中心位置沿纵向开有一缝隙（3）；所述微带馈线（4）的一端与第一介质基板（1）的纵向边平齐，另一端与调谐支节（5）直接相连，构成天线的馈电部分；其中调谐支节（5）与缝隙（3）的位置垂直相交；
在所述缝隙（3）的上方垂直连接一个对称振子—槽线组合结构的天线；所述对称振子—槽线组合结构的天线包括与第一介质基板（1）垂直连接的第二介质基板（2），以及分别设置在第二介质基板（2）两个表面的底层辐射单元、顶层辐射单元，所述底层辐射单元与顶层辐射单元分别跨接在缝隙（3）的两侧；其中底层辐射单元包括彼此相连的底层槽线辐射单元（6）和底层振子辐射单元（8），所述顶层辐射单元包括彼此相连的顶层槽线辐射单元（7）和顶层振子辐射单元（9）；所述顶层辐射单元与底层辐射单元结构与尺寸相同，并且相对于第二介质基板（2）反对称排布；
所述缝隙（3）的长度范围为：21-23mm，调谐支节（5）的长度范围为：10.5-11.5mm，以及微带馈线（4）相对于第一介质基板（1）的偏心距离范围为：4-5mm。
2.根据权利要求1所述的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，其特征在于：所述微带馈线（4）与调谐支节（5）形成偏心馈电结构。
3.根据权利要求1所述的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，其特征在于：所述第一介质基板（1）和第二介质基板（2）的介电常数范围为2-20。
4.根据权利要求1所述的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，其特征在于：所述缝隙、微带馈线、调谐支节、槽线辐射单元、振子辐射单元的形状均为矩形。
5.根据权利要求1所述的微带-缝隙激励的宽带电-磁振子组合天线，其特征在于：所述振子辐射单元的长度范围为：18-22mm。
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