CN105932410B - 一种超宽带平面指向性辐射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超宽带平面指向性辐射天线，属于定向天线技术领域，可以解决传统定向天线辐射时需要添加尺寸较大的反射腔体的问题，本发明是在平面椭形天线的基础上，采用渐变微带线来实现超宽带工作频段内的匹配，然后通过添加平面矩形反射单元，平面反射地等操作，令天线在超宽带工作频段内也可产生一个指向性辐射特性，前后比大于18dB。

Description

一种超宽带平面指向性辐射天线
技术领域
本发明涉及定向辐射天线领域，更具体地，涉及一种超宽带平面指向性辐射天线。
背景技术
超宽带指向性辐射天线，由于工作频段宽和指向性效果好，在测向，远距离通信等无线通信系统中起到重要的作用，但现在大多数的超宽带指向性天线的设计都是需要一个尺寸较大的反射腔体来实现指向性辐射，设计一款平面性，指向效果好的天线是目前研究的热点。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种超宽带平面指向性辐射天线，可以简单实现一个指向性辐射。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种超宽带平面指向性辐射天线，包括椭形辐射单元、渐变微带线、介质板、矩形反射单元和平面反射地板；
所述椭形辐射单元和渐变微带线位于介质板上表面，渐变微带线两端分别与馈电端和椭形辐射单元相连；通过调整椭形辐射单元的尺寸，能够对上述天线的工作频段进行改变，通过调节渐变微带线的尺寸，能够对椭形辐射单元和馈电端进行阻抗匹配，实现天线在超宽频段内的阻抗匹配；
所述矩形反射单元和平面反射地板位于介质板的下表面，且矩形反射单元和平面反射地板之间开设有空隙区域。
上述技术方案中，在椭形辐射单元下添加渐变微带线，可以实现椭形辐射单元在50Ω馈电头馈电时在超宽频带内的阻抗匹配，而同时在介质板的下表面添加矩形反射单元可以实现较低频段处的指向性辐射，再调整矩形反射单元与平面反射地板之间的缝隙区域大小，可以实现在较高频段处的指向性辐射。
优选地，所述渐变微带线位于介质板上表面中线位置，且渐变微带线连接馈电端和椭形辐射单元的两端是不等宽，连接馈电端的一端为宽端，连接椭形辐射单元的一端为窄端，宽端到窄端是匀速渐变的。
优选地，所述矩形反射单元和平面反射地板之间的空隙区域包括上下两个空隙子区域，上下空隙子区域均为矩形，且上空隙子区域的宽度d大于下空隙子区域的宽度c。
优选地，所述矩形反射单元和平面反射地板之间的空隙区域包括上下两个空隙子区域，上空隙子区域为上宽下窄的梯形，下空隙子区域为矩形，且上空隙子区域的短边为下空隙子区域的宽。
优选地，所述介质板是长方形形状的固体介质。
优选地，所述矩形反射单元位于椭形辐射单元的下方，且与椭形辐射单元之间留有水平间隔距离。
优选地，所述椭形辐射单元、矩形反射单元、平面反射地板均是平面印刷贴片。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：只需要添加一个矩形反射单元和平面反射地板，即可实现一个超宽频段内的指向性辐射特性。
附图说明
图1是天线的立体图、整体俯视图和介质板背面示意图。
图2渐变微带线参数值变化时天线的S11变化图。
图3挖缝尺寸参数值变化时天线的S11变化图。
图4天线实测仿真S11图。
图5天线在3-9GHz内xoy和yoz面得辐射方向图。
图6天线峰值增益图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1(a)是一种超宽带平面指向性天线的立体图，包括椭形辐射单元1、渐变微带线2、介质板3、矩形反射单元4、平面反射地板5；如图1(b)所示的“整体天线的俯视图”，其中椭形辐射单元1和渐变微带线2位于介质板3上表面，介质板3是指整个矩形框，为长方形固定介质。可以通过调整椭形辐射单元1的尺寸，对工作频段进行改变，然后通过调节渐变微带线2的尺寸L和W（L是表示渐变微带线的高，W是渐变微带线窄的一端的宽度，其中渐变微带线2的窄的一端与椭形辐射单元1连接，宽的一端为馈电端，且宽的一端到窄的一端是是匀速渐变），可以有效的对椭形辐射单元1和馈电端进行阻抗匹配，从而实现天线在超宽频段内的阻抗匹配，然后为了实现天线在超宽频段内的指向性辐射特性，首先在介质板的下表面添加一个矩形反射单元4，如图1（c）所示的“天线的背面俯视图”，可以通过改变矩形反射单元4的尺寸，进行优化辐射方向图，但光依靠矩形反射单元4的反射作用，只能实现天线在较低频段内的指向性辐射特性，随着天线工作的频率越来越高，椭形辐射单元1与矩形反射单元4的有效电长度会发生改变，因此还需要对天线的平面反射地板5进行开缝隙处理，缝隙指的是矩形反射单元4和平面反射地板5之间的空隙区域，通过改变空隙区域的尺寸（这里的尺寸包括两个c和d，图中尺寸d可以用来调整天线整个频段的匹配，尺寸c可以在不影响低频段的情况下，进一步优化高频段的匹配），可以有效改变天线在高频段处的能量分布，使得天线辐射能量可以有效集中在一个方向，从而实现在全频段内的指向性辐射。
图2 给出了影响超宽带平面指向性天线带宽S11的主要参数，当W，L参数值变化时，也就是渐变微带线2的尺寸变化时，超宽带平面指向性天线的S11变化情况，由图2（a）所示的“不同L值时的天线S11变化图”、（b）所示的“不同W值时的天线S11变化图”，可以看出L对天线低频段的中心频点影响很大，同时对天线高频段的匹配影响也较大，当L取值为16.5mm时，天线在低频段的匹配良好，而W值越小时，高频段匹配越好，但考虑到实际制作天线板的工艺问题时，W值选择了0.6mm。
图3是反射地板5上挖缝尺寸大小变化时对天线S11的影响，由图3（a）所示的“不同d值时的天线S11变化图”可以看到，参数d，也就是缝隙的一个的宽度如图1（c）中模型所示，当保持较尺寸c不变时，改变d可以发现，对天线S11的低频段和高频段都有较大的影响，然后d取值为16mm，改变较小缝宽度c尺寸，由图3（b）所示的“不同c值时的天线S11变化图”可以看到，c主要对天线S11的高频段影响较大。
图4是天线的S11实测仿真结果，由图4可见天线的工作阻抗带宽为3-9GHz，实测结果与仿真结果较为吻合。
图5是平面超宽带指向性天线在xoy面和xoz面的辐射方向图，由图（（a1）表示3Gxoy 面的辐射方向图、（b1）表示3G xoz面的辐射方向图、（a2）表示4G xoy 面的辐射方向图、（b2）表示4G xoz面的辐射方向图、（a3）表示5G xoy 面的辐射方向图、（b3）表示5G xoz面的辐射方向图、（a4）表示6G xoy 面的辐射方向图、（b4）表示6G xoz面的辐射方向图、（a5）表示7G xoy 面的辐射方向图、（b5）表示7G xoz面的辐射方向图、（a6）表示8G xoy 面的辐射方向图、（b6）表示8G xoz面的辐射方向图、（a7）表示9G xoy 面的辐射方向图、（b7）表示9G xoz面的辐射方向图，图5中实线为实测结果，虚线为仿真结果）中可以看出天线在整个工作频段范围内都可以实现一个指向性辐射特性，也就是+x方向上的一侧，但由于随着天线工作频率的提高，辐射单元到反射地之间的有效电长度也会发生改变，这导致了最大辐射方向在xoy面上的有一定的偏移，也就是+x方向产生了一定偏移，xoz面的方向图可以很好的在+x方向上产生一个定向辐射特性。图6是天线在3-9GHz的峰值增益，峰值增益变化范围为3.34dBi-9dBi。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超宽带平面指向性辐射天线，其特征在于，包括椭形辐射单元(1)、渐变微带线(2)、介质板(3)、矩形反射单元(4)和平面反射地板(5)；
所述椭形辐射单元(1)和渐变微带线(2)位于介质板(3)上表面，渐变微带线(2)两端分别与馈电端和椭形辐射单元(1)相连；通过调整椭形辐射单元(1)的尺寸，能够对上述天线的工作频段进行改变，通过调节渐变微带线(2)的尺寸，能够对椭形辐射单元(1)和馈电端进行阻抗匹配，实现天线在超宽频段内的阻抗匹配；
所述矩形反射单元(4)和平面反射地板(5)位于介质板(3)的下表面，且矩形反射单元(4)和平面反射地板(5)之间开设有空隙区域；
所述矩形反射单元(4)和平面反射地板(5)之间的空隙区域包括上下两个空隙子区域，上下空隙子区域均为矩形，且上空隙子区域的宽度d大于下空隙子区域的宽度c；
所述矩形反射单元(4)和平面反射地板(5)之间的空隙区域包括上下两个空隙子区域，上空隙子区域为上宽下窄的梯形，下空隙子区域为矩形，且上空隙子区域的短边为下空隙子区域的宽。
2.根据权利要求1所述的超宽带平面指向性辐射天线，其特征在于，所述渐变微带线(2)位于介质板(3)上表面中线位置，且渐变微带线(2)连接馈电端和椭形辐射单元(1)的两端是不等宽，连接馈电端的一端为宽端，连接椭形辐射单元的一端为窄端，宽端到窄端是匀速渐变的。
3.根据权利要求1所述的超宽带平面指向性辐射天线，其特征在于，所述介质板(3)是长方形形状的固体介质。
4.根据权利要求1所述的超宽带平面指向性辐射天线，其特征在于，所述矩形反射单元(4)位于椭形辐射单元(1)的下方，且与椭形辐射单元(1)之间留有水平间隔距离。
5.根据权利要求1所述的超宽带平面指向性辐射天线，其特征在于，所述椭形辐射单元(1)、矩形反射单元(4)、平面反射地板(5)均是平面印刷贴片。
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