CN105914456A - 一种基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，包括设置在人工磁导体反射面上的蝶型天线，蝶型天线包括上、下两层金属层及中间介质层；下层金属层包括下层阵子以及用于匹配阻抗的梯形贴片，上层金属层包括上层阵子以及多个开路枝节，下层金属层与上层金属层通过SMA接头连接；中间介质层通过介质螺丝及介质支柱连接人工磁导体反射面，人工磁导体反射面由下至上依次由金属接地板、介质基板及多个阵列排布的正方形贴片单元构成，正方形贴片单元上开设有Jerusalem十字缝隙；在人工磁导体反射面外周设置有PEC接地轮廓层。本发明尺寸小、结构简单、成本低、易于加工，并具备剖面低、宽频带和高增益特性。

Description

一种基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线
技术领域
本发明属于无线电通信领域，具体涉及一种基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线。
背景技术
随着无线电通信技术的快速发展，天线系统需要满足更高的要求。全球定位系统(GPS)、卫星通信系统以及个人通信系统等领域需要使用宽频带、高增益以及结构紧凑的天线。
在过去，为了增加带宽，产生了一系列的贴片天线结构。在这些天线中，蝶形天线由于具备宽频带、结构简单而紧凑、重量轻、易于小型化以及易于加工等优点而成为宽带天线的首选。为使天线制作简单，通常采用印刷电路工艺，因此印刷形式的蝶形天线由于易于加工并方便与电路集成而被广泛采用。然而宽频带蝶形天线为双向辐射天线，当应用于802.16无线城域网系统中时，一般增益不够高。为获得高增益的单向辐射蝶形天线，传统天线以理想电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)作为反射面。为降低天线的剖面高度，辐射天线必须尽可能的靠近PEC平面，根据PEC表面的边界条件，电场的切向电场为零。反射波会产生180°的相位差，PEC平面产生的镜像电流与原电流相互抵消。这就导致天线阻抗的实部趋向于零，而虚部则远远大于零。因此必须保证二者的最小间距为四分之一波长，以减小反射波与入射波之间的干扰，这一限制使得在低频应用中天线将变得非常厚。将PEC反射面换成磁导体(Perfect Magnetic Conductor，PMC)反射面能够解决以上问题。首先，根据PMC表面的边界条件，入射电场与反射电场的相位差为零。辐射天线与反射面之间的距离可以设计在一个很小的范围内。PMC的高阻抗表面特性能够降低天线的背瓣辐射，从而提高天线的前后比。但自然界中并不存在PMC，因而在实际运用中也不能构造PMC边界条件。直到1999年美国学者D.Sievenpiper提出了一种高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)的EBG结构。这种结构与PMC特性相似，即对于入射波具有同相反射的特性，因此把它也称为人工磁导体(AMC:Artificial Magnetic Conductors)。
近年来，随着新型电磁材料的发展，人工磁导体(AMC:Artificial Magnetic Conductors)结构的研究及应用已经成为当前微波领域的热点之一。AMC结构通常由介质基板上周期性排列的金属贴片构成，具有理想磁壁对平面波的同相位反射特性，能够用于提高天线及射频部件的整体性能。根据AMC表面的工作机理，当AMC表面反射来波的相位在-90°到+90°之间时，它可被视为磁导体。所以，反射相位处于±90°之间的频带被定义为AMC表面的同相反射频带。利用人工磁导体对平面波的同相反射特性，将其应用于印刷蝶形天线的设计中，可以有效改善天线性能、降低背瓣辐射、提高天线带宽、提高天线增益及效率。目前虽然已有很多蝶形天线与人工磁导体结合的研究，但是现有的基于人工磁导体的蝶形天线还存在频带窄、增益低或者剖面不够低，或者频带宽但剖面较高，或者剖面很低但带宽不够宽，又或者频带宽但增益不够高，此类问题制约着蝶形天线的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其尺寸小、结构简单、成本低廉，并且易于加工，在保证低剖面的基础上能够实现宽频带特性，并有效提高宽频带蝶形天线增益。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
包括设置在人工磁导体反射面上的蝶型天线，蝶型天线包括上、下两层金属层以及中间介质层；所述的下层金属层包括下层阵子以及用于匹配阻抗的梯形贴片，上层金属层包括上层阵子以及用于展宽带宽和匹配阻抗的多个开路枝节，所述的下层金属层与上层金属层通过SMA接头连接；所述的中间介质层通过介质螺丝和介质支柱连接人工磁导体反射面，所述的人工磁导体反射面由下至上依次由金属接地板、介质基板以及多个阵列排布的正方形贴片单元构成，正方形贴片单元上开设有用于设定同相反射相位频带以及宽度的Jerusalem十字缝隙，所述的Jerusalem十字缝隙由十字缝隙以及加载在十字缝隙四周的矩形缝隙构成。
所述的人工磁导体反射面外周设置有4mm高的PEC接地轮廓层。
所述的上层阵子上设置的多个开路枝节长度不等。
所述的蝶型天线的剖面高度为0.1λ，λ为中心频点处自由空间的波长。
所述的蝶型天线采用同轴馈电结构。
所述的中间介质层与介质基板均为FR4介质板。
所述的下层阵子与上层阵子均包括渐缩型的阵子贴片以及设置在阵子贴片尾部的馈电枝节，下层阵子的阵子贴片通过其馈电枝节连接梯形贴片，上层阵子的馈电枝节上依次设置有较短的第一开路枝节以及较长的第二开路枝节。
所述SMA接头的内芯与上层阵子的馈电枝节相连，外皮与梯形贴片相连。
所述的正方形贴片单元为6×9的矩阵。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：蝶形天线上、下两层金属层的阵子大小能够调节天线的工作频带，梯形贴片的渐变结构作为巴伦结构来实现阻抗匹配，采用人工磁导体反射面，根据其±90°同相反射原理，使天线放置在反射面上方较小高度时即能够实现正向最大辐射，能够减小剖面高度，并且提高蝶形天线增益。人工磁导体的正方形贴片单元上开有Jerusalem十字缝隙，Jerusalem十字缝隙包括十字缝隙以及加载在十字缝隙四周的矩形缝隙，在相同尺寸相同剖面高度条件下此结构的AMC单元能实现比原始宽频带正方形贴片更宽的带宽。此外，本发明蝶形天线的上层金属层的上层阵子上设有多个开路枝节，能够实现阻抗匹配以及展宽蝶形天线的带宽。将此加载多开路枝节的蝶形天线放置在此种人工磁导体表面之上，在实现剖面高度只有0.1λ(λ为中心频点处自由空间的波长)的基础上，能够实现相对带宽为42％的宽频带特性并同时提高增益。在42％宽带宽的基础上，以此发明人工磁导体反射面为接地面的此蝶形天线在工作频段内能够实现高达7.94dBi的增益。
进一步的，本发明人工磁导体反射面外周设置有PEC接地轮廓层，能够减小后向和侧向辐射，有效提高了整体天线的增益，在本发明的工作频带内，测试能提高平均1dB的增益。
附图说明
图1本发明整体结构的三维示意图；
图2本发明整体结构的俯视示意图；
图3本发明蝶形天线的结构示意图；
图4本发明人工磁导体反射面的结构示意图；
图5本发明Jerusalem十字缝隙正方形贴片单元的结构示意图；
图6人工磁导体反射面的反射相位频率特性响应图；
图7本发明天线S11测试与仿真结果图；
图8本发明天线增益测试与仿真结果图；
图9(a)本发明2.5GHz处测试和仿真E面方向图；
图9(b)本发明2.5GHz处测试和仿真H面方向图；
图10(a)本发明3.5GHz处测试和仿真E面方向图；
图10(b)本发明3.5GHz处测试和仿真H面方向图。
附图中：11.蝶型天线；12.人工磁导体反射面；13.介质支柱；31.下层阵子；32.梯形贴片；33.中间介质层；34.上层阵子；35.第一开路枝节；36.第二开路枝节；37.SMA接头；41.正方形贴片单元；42.介质基板；43.金属接地板；44.PEC接地轮廓层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明在采用人工磁导体反射面(AMC反射面)的基础上实现蝶形天线低剖面，使得蝶形天线高度大幅度降低，在保持天线低剖面的同时，实现了宽频带和高增益，并通过在AMC反射面的周围加上PEC外围轮廓，使得天线整体的增益得到进一步提高，克服了现有技术在WiMAX(802.16无线城域网)通信网络中频带窄、增益低以及高剖面的不足。
参见图1-5，本发明基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线结构上由蝶形天线11和人工磁导体反射面12两部分组成，蝶形天线11和人工磁导体反射面12是由四个介质螺丝及介质支柱13相连的，该蝶形天线11由上、下两层金属层和中间介质层33的三层构成。下层金属层由下层阵子31和梯形贴片32组成，上层金属层由上层阵子34、第一开路枝节35和第二开路枝节36组成。上层金属层与下层金属层之间无通孔，由SMA接头37连接。
本发明蝶形天线11的馈电结构为同轴馈电，SMA接头37的内芯与上层阵子34的馈电枝节相连，SMA接头37的外皮与下层金属层的梯形贴片32相连。本发明的人工磁导体反射面12由6×9正方形贴片单元41、介质基板42、金属接地板43和外围的PEC接地轮廓层44组成。人工磁导体反射面正方形单元为Jerusalem十字缝隙结构，中间十字缝隙宽度为w，四周矩形缝隙长为a1，宽为a2。此结构在蝶形天线的工作频带内的频率响应为阻带，其±90°的反射相位对应的频带包含蝶形天线的工作频带。
如图3所示，蝶形天线11上两个阵子的长度决定了天线的工作频带，随阵子横向和纵向长度的增大，频带往低频移动，并且S11增大，其中阵子的横向长度对频带的位置影响较大，纵向长度影响较小。在蝶形天线上通过加载第一开路枝节35和第二开路枝节36来展宽蝶形天线11的带宽并实现阻抗匹配，这通过调节两个枝节的长度来实现。对于第一开路枝节35，随其长度的增加，频带的左右端点均左移，S11增大。对于第二开路枝节36，随枝节长度的增加，频带的左端点基本不变，右端点左移，S11增大。并且蝶形天线11加载两个枝节时的带宽比加载其中任意一个枝节或者不加载枝节时的带宽都要宽。梯形贴片32的渐变结构作为巴伦结构来实现阻抗匹配，该梯形贴片的上底为下层金属层馈电枝节的宽度，梯形的高度和下底的长度影响天线的阻抗匹配。中间介质层33为FR4介质基板。通常贴片天线采用PEC作为反射面来提高增益以及减小后向辐射，由于其表面反射相位为180°，当PEC放置在天线下方1/4个波长时，能实现正向最大辐射，所以其剖面高度至少约为1/4个波长。而本发明采用AMC作为反射面，由于AMC具有±90°同相反射的原理，使得天线在放置于AMC上方小于1/4个波长的较小高度时，即能实现正向最大辐射，因此本发明的蝶形天线的剖面高度只有0.1个波长，并且提高了蝶形天线的增益。如图4所示，人工磁导体反射面12由四部分构成，周期性结构形成了2.46-3.67GHz(39.5％)的±90°的反射相位带宽，介质基板42为FR4介质基板，而外围4mm高的PEC接地轮廓层44用来包围接金属接地板43，形成小的谐振腔，相当于在纵向增大了接地面，减少侧向和后向辐射，这在AMC提高增益的基础上再进一步提高增益。如图5所示，人工磁导体反射面贴片单元结构是Jerusalem十字缝隙结构，它是通过在十字缝隙的四周加载矩形缝隙构成的。十字缝隙单元构成的阵列在结构上等效于宽频带正方形贴片单元构成的阵列，因此十字缝隙结构具有宽频带特性。而在十字缝隙的四周加载矩形缝隙，构成Jerusalem十字缝隙结构，使得单元金属贴片的等效电感减小，贴片单元之间缝隙的增大使得等效耦合电容减小，从而使得同相反射频带的带宽变宽，因此Jerusalem十字缝隙结构称为本发明的AMC单元结构，其四周矩形缝隙枝节的长度a1和宽度a2以及中间十字的缝隙宽度w决定了同相反射相位的频带及宽度：随四周矩形缝隙枝节长度a1的增大，频带向低频移动且带宽变窄；而随矩形缝隙枝节宽度a2的增大，频带向高频移动且带宽变宽。随十字缝隙宽度w的增加，频带向高频移动且带宽变宽，十字的缝隙宽度w对同相反射相位频带的影响较四周矩形缝隙枝节的长a1、宽a2对频带影响大。
本发明天线结构简单而紧凑，尺寸小，易于加工且成本低廉。参见图6，从图中能够看出，本发明人工磁导体反射面的同相反射频带为2.46-3.67GHz，相对带宽为39.5％。参见图7，从测试结果能够看出，在频率为2.48-3.8GHz的范围内，S11低于-10dB，相对带宽为42.04％，实现了宽频带。参见图8，从测试结果能够看出，本发明天线的增益高于7.1dBi，最高增益达7.94dBi，实现了高增益特性。参见图9(a)，图9(b)，图10(a)，图10(b)，从2.5GHz和3.5GHz处的E面和H面方向图能够看出，两个频点处的E面和H面后瓣均小于-19dB，交叉极化小于-17dB，实现了抑制后瓣辐射、提高增益的特性。
本发明通过采用直接加载开路枝节的方案实现了蝶形天线的宽频带特性，并通过将Jerusalem十字缝隙结构的AMC表面作为蝶形天线的反射面，在42％的宽频带的基础上，实现了高达8dBi的高增益和低至0.1个波长的低剖面特性，此外，在AMC反射面的周围加上4mm高的外部轮廓，减小了后向和侧向辐射，能够进一步提高了增益。本发明天线具有尺寸小、结构简单、成本低廉和易于加工的优点，并且具备低剖面、宽频带和高增益的特性，能普遍应用于802.16无线城域网系统中。

Claims (9)

1.一种基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：包括设置在人工磁导体反射面(12)上的蝶型天线(11)，蝶型天线(11)包括上、下两层金属层以及中间介质层(33)；
所述的下层金属层包括下层阵子(31)以及用于匹配阻抗的梯形贴片(32)，上层金属层包括上层阵子(34)以及用于展宽带宽和匹配阻抗的多个开路枝节，所述的下层金属层与上层金属层通过SMA接头(37)连接；所述的中间介质层(33)通过介质螺丝和介质支柱(13)连接人工磁导体反射面(12)，所述的人工磁导体反射面(12)由下至上依次由金属接地板(43)、介质基板(42)以及多个阵列排布的正方形贴片单元构成，正方形贴片单元上开设有用于设定同相反射相位频带以及宽度的Jerusalem十字缝隙，所述的Jerusalem十字缝隙由十字缝隙以及加载在十字缝隙四周的矩形缝隙构成。
2.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的人工磁导体反射面(12)外周设置有4mm高的PEC接地轮廓层(44)。
3.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的上层阵子(34)上设置的多个开路枝节长度不等。
4.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的蝶型天线(11)的剖面高度为0.1λ，λ为中心频点处自由空间的波长。
5.根据权利要求1或4所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的蝶型天线(11)采用同轴馈电结构。
6.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的中间介质层(33)与介质基板(42)均为FR4介质板。
7.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的下层阵子(31)与上层阵子(34)均包括渐缩型的阵子贴片以及设置在阵子贴片尾部的馈电枝节，下层阵子(31)的阵子贴片通过其馈电枝节连接梯形贴片(32)，上层阵子(34)的馈电枝节上依次设置有较短的第一开路枝节(35)以及较长的第二开路枝节(36)。
8.根据权利要求7所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述SMA接头(37)的内芯与上层阵子(34)的馈电枝节相连，外皮与梯形贴片(32)相连。
9.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带高增益蝶形天线，其特征在于：所述的正方形贴片单元为6×9的矩阵。
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