CN104577329B - 应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，属于天线技术领域。该天线包括泡沫支撑物、介质基板、激励元、寄生元、接地板和同轴电缆；所述泡沫支撑物为一切割后的圆柱面，其表面贴有介质基板；所述介质基板由一个半椭圆面和矩形组成，介质基板上表面的上半椭圆面上设置有寄生元，所述介质基板上表面的靠下部分设置有弯曲的接地板，接地板分为左右两部分，所述接地板之间设置有一倒伞柄形状的激励元，所述激励元的一端与左侧接地板连接，另一端与同轴线的内芯连接。本天线有效地实现了平面寄生耦合定向辐射特性，同时还具有结构紧凑、简单，易于制造等优势。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线。
背景技术
柔性共形天线以其剖面低，重量轻等优点，广泛应用于航空航天导航制导等领域中。因柔性共形天线常附着在飞行器表面，在实现宽角度范围扫描和全方位覆盖的同时，不破坏飞行器表面的机械结构和强度，使得飞行器在高速飞行时仍然保持良好的空气动力学性能，鉴于这些优点，柔性共形天线已成为当前天线领域的研究热点之一。
小型化柔性天线，更加易于集成，加上软基板，可以与物体表面紧密贴合，而它具有的高增益高定向辐射性能可以广泛地用于生产实践与社会生活中，其在不同环境中增益，方向性保持良好的性能可以适合于复杂通讯系统，因此设计一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线具有广阔的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，该天线采用寄生耦合结构，通过激励元和寄生元之间的耦合而工作，长度不同的寄生振子所起的作用不同，能使方向图波束或者指向寄生元或远离寄生元，调节激励元与寄生元之间的距离和各自的长度，可以使天线朝正向或反向辐射。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，包括泡沫支撑物、介质基板、激励元、寄生元、接地板和同轴电缆；所述泡沫支撑物为一切割后的圆柱面，其表面贴有介质基板；所述介质基板由一个半椭圆面和矩形组成，介质基板上表面的上半椭圆面上设置有寄生元，所述介质基板上表面的靠下部分设置有弯曲的接地板，接地板分为左右两部分，所述接地板之间设置有一倒伞柄形状的激励元，所述激励元的一端与左侧接地板连接，另一端与同轴线的内芯连接。
进一步，所述寄生元由外圈内圈两个半椭圆环及其之间的矩形连接体组成；所述外圈的半椭圆环中间有一个开口L6为12.3mm，外圈半椭圆环外围椭圆长轴A1为26mm，短轴B1为28.5mm，宽度W5为4mm；所述内圈半椭圆环边缘较小椭圆的长轴A2为7.6mm，短轴B2为7.6mm，宽度W4为6mm，所述矩形连接体的宽度W6为4mm。
进一步，所述接地板为弯曲结构，分为左右两部分，紧贴于介质基板的下边缘，左侧接地板是由长度L1为29.85mm，宽度W1为14.5mm的矩形，减去三个长度L5为4.2mm，宽度W3为13mm的小矩形得到；右侧接地板是由长度L2为19.85mm，宽度W1为14.5mm的矩形，减去两个长度L5为4.2mm，宽度W3为13mm的小矩形得到。
进一步，所述激励元为一倒伞柄结构，伞柄半圆环的末端与左侧的接地板连接，另一端与同轴线的内芯连接，且激励元与两侧的接地板都有间距L4为0.15mm。
进一步，所述同轴电缆包括内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与激励元连接；所述介质层、外导体的横截面与介质基板、接地板的下边缘接触。
进一步，所述介质基板俯视平面由半椭圆和矩形组成，所述半椭圆的长轴A1为26mm，短轴B1为28.5mm，所述矩形的长度L为52mm，宽度W为14.5mm，高度H为0.127mm。
本发明的有益效果在于：1)该天线通过激励元与寄生元之间的耦合，调节激励元与寄生元的相对大小和距离，可以确定天线朝正向还是反向辐射，若激励元相对较长，则向正向辐射，若寄生元相对较长，则向反向辐射；2)该天线可以有不同程度的弯折，而方向性和增益良好；3)该天线的ka<1，实现了天线的小型化，且辐射效率大于90％；4)除了有效的实现了小型化高增益高效率的定向辐射特性，还具有结构紧凑、简单，易于制造等优势。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述天线的整体结构三维视图；
图2为本发明所述天线的俯视图；
图3为本发明所述天线在不同弯曲程度下S11参数随频率变化的曲线图；
图4为本发明所述天线在不同弯曲程度下的方向增益图；
其中：1-接地板，2-泡沫支撑物，3-寄生元，4-介质基板，5-激励元，6-同轴线。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明所述的应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线的整体结构三维视图，图2为本发明所述天线的俯视图，如图所示：该天线包括泡沫支撑物2、介质基板4、激励元5、寄生元3、接地板1和同轴电缆6，所述泡沫支撑物2采用切割后的圆柱面，其表面贴有介质基板4，所述介质基板4由一个半椭圆面和矩形组成，所述介质基板4上表面的上半椭圆面设置有寄生元3，所述介质基板4上表面的靠下部分设置有弯曲的接地板1，接地板1分为左右两部分，所述接地板1之间设置有一倒伞柄形状的激励元5，所述激励元5的一端与左侧的接地板1连接，另一端与同轴线6的内芯连接，使得天线在GPS L1频段有效地实现了小型化高增益高效率定向辐射特性。
在本实施例中，寄生元3由两个半椭圆环及其之间的矩形连接体组成，外圈的半椭圆环中间有一个开口L6为12.3mm，外圈半椭圆环外围椭圆长轴A1为26mm，短轴B1为28.5mm，宽度W5为4mm；内圈半椭圆环边缘较小椭圆的长轴A2为7.6mm，短轴B2为7.6mm，宽度W4为6mm，矩形连接体的宽度W6为4mm，这种结构有效地扩大了耦合路径，减小天线尺寸。
接地板1为弯曲结构，分为左右两部分，紧贴于介质基板4的下边缘，所述左侧接地板是由长度L1为29.85mm，宽度W1为14.5mm的矩形，减去三个长度L5为4.2mm，宽度W3为13mm的小矩形得到，所述右侧接地板是由长度L2为19.85mm，宽度W1为14.5mm的矩形，减去两个长度L5为4.2mm，宽度W3为13mm的小矩形得到，这种弯曲结构极大地增加了接地板的有效路径，减小天线尺寸，提高一定程度的匹配性能。
激励元5为一倒伞柄结构，伞柄半圆环的末端与左侧的接地板1连接，另一端与同轴线6的内芯连接，且激励元5与两侧的接地板1都有间距L4为0.15mm，激励元5与寄生元3之间距离W7为1.3mm，两者通过寄生耦合，达到高增益高效率的定向辐射。
同轴电缆6包括内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与激励元5连接；所述介质层、外导体的横截面与介质基板4、接地板1的下边缘接触。
介质基板4俯视平面由半椭圆和矩形组成，所述半椭圆的长轴A1为26mm，短轴B1为28.5mm，所述矩形的长度L为52mm，宽度W为14.5mm，高度H为0.127mm，材料选用了TheRogers Duroid 5880，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009。
泡沫支撑物2为一圆柱体切割而成，其圆柱面上紧贴有介质基板4，所述圆柱体的半径R1不同，曲率不同，则天线的弯曲程度不同。
激励元5、寄生元3、接地板1均为厚度相同的覆铜薄膜。
为了验证本天线的有益效果，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：
参照表1，L代表组成介质基板的矩形的长度；W代表组成介质基板矩形的宽度；A1代表寄生元外圈半椭圆环外围椭圆长轴，B1代表寄生元外圈半椭圆环外围椭圆短轴，W5代表寄生元外圈半椭圆环宽度，A2代表寄生元内圈半椭圆环边缘较小椭圆的长轴，B2代表寄生元内圈半椭圆环边缘较小椭圆的短轴，W4寄生元内圈半椭圆环宽度，W6为寄生元矩形连接体的宽度，L6为寄生元的开口大小；L1代表左侧接地板的长度，W1代表左侧接地板的宽度，L2代表右侧接地板的长度，L5代表接地板减去的每个小矩形的长度，W3代表接地板减去的每个小矩形的宽度；R代表激励元伞柄处半圆环的半径长度，L3代表激励元宽度；W7代表寄生元与激励元之间的距离；W2代表寄生元与接地面之间的距离；L4代表激励元与接地面之间的距离；H代表介质基板厚度；h代表激励元、寄生元、接地板的厚度。
表1 本发明各参数最佳尺寸表
| 参数 | 尺寸(mm) |
| L | 52 |
| W | 14.5 |
| A1 | 26 |
| B1 | 28.5 |
| A2 | 7.6 |
| B2 | 7.6 |
| L1 | 29.85 |
| L2 | 19.85 |
| L3 | 2 |
| L4 | 0.15 |
| L5 | 4.2 |
| L6 | 12.3 |
| W1 | 14.5 |
| W2 | 3.4 |
| W3 | 13 |
| W4 | 6 |
| W5 | 4 |
| W6 | 4 |
| W7 | 1.3 |
| H | 0.127 |
| h | 0.017 |
依照上述参数，使用HFSS对所设计的应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线的S11参数，正y方向增益进行仿真分析，其分析结果如下：
图3为本发明在不同弯曲程度下S11参数随频率变化的曲线图，如图所示，泡沫支撑物的半径为20mm，40mm，60mm，80mm，100mm，120mm时，虽然天线的弯曲程度不同，但反射系数都在-10dB以下，在泡沫支撑物半径为60mm，80mm，100mm时，反射系数小于-20dB，当泡沫支撑物半径为80mm时，反射系数达到-42dB，因此该天线匹配良好。
图4为本发明的方向增益图，从图中可以看出，泡沫支撑物的半径为20mm，40mm，60mm，80mm，100mm，120mm时，随着半径的增大，圆柱曲率减小，天线正方向增益增加，前后比增加，在半径为120mm时，达到最大增益为5.2dB，前后比为13.3dB，辐射效率为95％，可以看出该天线具有高增益，高方向性和高辐射效率。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，其特征在于：包括泡沫支撑物、介质基板、激励元、寄生元、接地板和同轴电缆；所述泡沫支撑物为一切割后的圆柱面，其表面贴有介质基板；所述介质基板由一个半椭圆面和矩形组成，介质基板上表面的上半椭圆面上设置有寄生元，所述介质基板上表面的靠下部分设置有弯曲的接地板，接地板分为左右两部分，所述接地板之间设置有一倒伞柄形状的激励元，所述激励元的一端与左侧接地板连接，另一端与同轴线的内芯连接；
所述激励元为一倒伞柄结构，伞柄半圆环的末端与左侧的接地板连接，另一端与同轴线的内芯连接，且激励元与两侧的接地板都有间距L4为0.15mm。
2.根据权利要求1所述的一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，其特征在于：所述寄生元由外圈内圈两个半椭圆环及其之间的矩形连接体组成；所述外圈的半椭圆环中间有一个开口L6为12.3mm，外圈半椭圆环外围椭圆长轴A1为26mm，短轴B1为28.5mm，宽度W5为4mm；所述内圈半椭圆环边缘较小椭圆的长轴A2为7.6mm，短轴B2为7.6mm，宽度W4为6mm，所述矩形连接体的宽度W6为4mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，其特征在于：所述接地板为弯曲结构，分为左右两部分，紧贴于介质基板的下边缘，左侧接地板是由长度L1为29.85mm，宽度W1为14.5mm的矩形，减去三个长度L5为4.2mm，宽度W3为13mm的小矩形得到；右侧接地板是由长度L2为19.85mm，宽度W1为14.5mm的矩形，减去两个长度L5为4.2mm，宽度W3为13mm的小矩形得到。
4.根据权利要求1所述的一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，其特征在于：所述同轴电缆包括内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与激励元连接；所述介质层、外导体的横截面与介质基板、接地板的下边缘接触。
5.根据权利要求1所述的一种应用于复杂通讯系统的高增益高效率的小型化柔性天线，其特征在于：所述介质基板俯视平面由半椭圆和矩形组成，所述半椭圆的长轴A1为26mm，短轴B1为28.5mm，所述矩形的长度L为52mm，宽度W为14.5mm，高度H为0.127mm。
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