CN106972251B - 一种三陷波共形全向微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三陷波共形全向微带阵列天线，其特征是：空心金属反射圆柱、空心载体圆柱和N个印刷单极子天线单元；印刷单极子天线单元包括：椭圆形贴片、阶梯型馈线、金属反射贴片，其中阶梯型馈线与同轴馈电传输线相连接；以椭圆形贴片为辐射区，阶梯型馈线为传输区，金属反射贴片为反射区，同轴馈电传输线为馈电区，从而实现能量的接收和发送。本发明根据现代通信技术对陷波特性、隔离度、扫描范围等指标要求，设计出的单元具有良好的陷波效果、小型化、全向覆盖、安装简单、造价低廉等优点，实现了三个陷波频段。

Description

一种三陷波共形全向微带阵列天线

技术领域

本发明属于超宽带天线技术领域，具体涉及一种三陷波共形全向微带阵列天线。

背景技术

随着高速无线数据接入技术的发展，要求无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.1～10.6GHz频段给超宽带使用后，超宽带通信系统越来越受到重视。超宽带天线不仅要求天线具有体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性，但同时应避免和其他通信系统相互干扰。现阶段超宽带天线有以下几种形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。

1.超宽带单极子天线，由于具有带宽性能好、全向性好、增益较大、结构也较为简单的优点格外受到重视。但超宽带单极子天线工作在不同的频段时具有不同的物理口径，在不同的频率下天线的电尺寸存在明显差异，因此天线的辐射方向图往往随着工作频率的升高而显著变化。此外，现有研究表明印刷传统单极子天线的时域特性仍不理想，具有诸如收发脉冲信号容易失真、振铃现象明显以及脉冲宽度扩展严重等缺陷，极大限制了超宽带通信系统的整体性能。所以在进行天线优化的时候，兼顾其中若干项重要的技术指标是重点和难点。

2.对数周期天线，由一系列具有自相似的离散结构组合而成，可以在很宽的频带工作，并具有较高的增益，机械强度好。这一类天线是非频变天线，利用辐射有效区的转移来实现超宽带。当工作频率的提高，天线的相位会发生改变，而导致发射脉冲的波形失真，因此难以达到超宽带系统性能对天线辐射的稳定性的要求。

3.片上天线，一般采用成熟的集成电路工艺在半导体芯片上直接加工，可以与芯片上的其他功能电路集成或者一体化设计，一经提出就受到了业界的广泛关注。同时，在射频集成电路中加入片上天线后便形成了一套完整的无线系统，不再需要额外的外围天线设计，节省了设计成本和时间，非常适合于大规模的工业生产和商业应用。但是，集成电路芯片单位面积成本很高，片上天线的面积必须充分小，而宽频带片上天线尺寸仍太大，远远超出了无线互连系统对天线尺寸的要求。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的缺陷与不足之处，提供一种具有良好的陷波效果、小型化、全向覆盖、安装简单、造价低廉的三陷波共形全向微带阵列天线，以期能产生三阻带，并实现全向360°扫描，从而使得天线扫描范围更广，避免与其他通信系统发生干扰。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明一种三陷波共形全向微带阵列天线的特点包括：空心金属反射圆柱、空心载体圆柱和N个印刷单极子天线单元；

在所述空心载体圆柱内部嵌套有所述空心金属反射圆柱；在所述空心载体圆柱上周期排列有所述N个印刷单极子天线单元；

任意一个印刷单极子天线单元包括：椭圆形贴片、阶梯型馈线、金属反射类凹形贴片和金属反射椭圆形开口环贴片；

所述椭圆形贴片设置在所述空心载体圆柱的外表面上，在所述椭圆形贴片的中上方开设有大椭圆形开口环槽；在所述大椭圆形开口环槽的两侧下方对称开设有中椭圆形开口环槽；在所述中椭圆形开口环槽的下方外侧对称开设有小椭圆形开口环槽，从而形成凸圆弧排列结构；在所述大椭圆形开口环槽的正下方开设有卵形环槽；所述卵形环槽的底部与所述椭圆形贴片相连接；

在所述椭圆形贴片的正下方连通有所述阶梯型馈线，并位于所述空心载体圆柱的外表面上；所述阶梯型馈线分别与外部的同轴馈电传输线相连通；

在所述空心载体圆柱的内表面上，与所述大椭圆形开口环槽相对应的位置上设置有所述椭圆形开口环贴片；

在所述空心载体圆柱的内表面上，并位于所述椭圆形贴片的下方设置有所述金属反射类凹形贴片；所述金属反射类凹形贴片的凹槽正对于所述椭圆形贴片的底部；在所述金属反射类凹形贴片上，并位于所述阶梯型馈线的两侧分别开设有矩形槽；所有开口环槽和开口环贴片的开口均向上；

所述三陷波共形全向微带阵列天线单元是以所述椭圆形贴片为辐射区，以所述阶梯型馈线为传输区，以所述同轴馈电传输线为馈电区，并以所述空心金属反射圆柱为反射区，从而实现能量的接收和发送。

本发明所述的三陷波共形全向微带阵列天线单元的特点也在于：

所述大椭圆形开口环槽、中椭圆形开口环槽和小椭圆形开口环槽之间的半径尺寸比例为：3:2.72:1.80。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明的印刷单极子天线单元采用微带结构，实现了阵列的整体小型化，质量轻的指标。同时，微带天线采用PCB技术，易于加工，造价低廉。

2、本发明为解决单极子天线单元间的电磁耦合过高的问题，根据属反射类凹形贴片和金属反射椭圆形开口环贴片表面电流分布的不同，对反射贴片进行了开槽裁剪，降低了天线单元间的隔离度。

3、本发明通过对天线辐射面刻蚀五个不同大小的带缺口椭圆形开口环槽和一个卵形环槽，实现了三陷波特性，并且在辐射面上激励新的电流起到谐振作用。

4、本发明除了共形载体采用了空心载体圆柱，其余的结构均采用金属材料，易加工，低损耗、更易实现小型化，易实现宽角度扫描。

5、由于微带天线具有良好的延展性，非常适合同载体形成共形。本发明以空心金属反射圆柱为载体，实现了360°扫描。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的正视图；

图中标号：1大椭圆形开口环槽；2中椭圆形开口环槽；3小椭圆形开口环槽；4卵形环槽；5椭圆形贴片；6凹槽；7矩形槽；8阶梯型馈线；9金属反射类凹形贴片；10金属反射椭圆形开口环贴片；11空心载体圆柱；12空心金属反射圆柱。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种三陷波共形全向微带阵列天线，是由空心金属反射圆柱12、空心载体圆柱11和N个印刷单极子天线单元组成。

空心载体圆柱11内部嵌套有空心金属反射圆柱12，通过反射圆柱将天线背向的能量进行反射，从而提高了天线的增益，提高接收灵敏度，并阻挡及屏蔽来自反方向的电波，增强天线的接收能力。在空心载体圆柱11上周期排列有N个印刷单极子天线单元，本例中采用五个印刷单极子天线单元，由于天线单元沿空心载体圆柱11对称分布，因结构的对称性，在相同馈电的前提下，每个天线单元上的电流分布相同，但相位相差72°；五个天线单元之间的距离较小，空心载体圆柱11的厚度也较小，所以形成环形电流分布，从而辐射出一个水平极化波，使阵列天线得以覆盖360°方向。

如图1、图2所示，任意一个印刷单极子天线单元由椭圆形贴片5、阶梯型馈线8、金属反射类凹形贴片9和金属反射椭圆形开口环贴片10组成。所用印刷单极子天线的材料均为金属，可以直接印刷在空心载体圆柱11上，在保证了结构所必要的支撑强度下大大降低了天线加工的难度和成本，对于大规模生产来说具有很大的便利，同时，也极大的减轻了天线的重量，对于便携式通信系统十分友好。

椭圆形贴片5设置在空心载体圆柱11的外表面上，在椭圆形贴片5的中上方开设有大椭圆形开口环槽1，在大椭圆形开口环槽1的两侧下方对称开设有中椭圆形开口环槽2，在中椭圆形开口环槽2的下方外侧对称开设有小椭圆形开口环槽3，从而形成凸圆弧排列结构；在大椭圆形开口环槽1的正下方开设有卵形环槽4，卵形环槽4的底部与椭圆形贴片5相连接。在辐射面上开槽，等效于在天线上加载缝隙谐振器，当开槽总长为特定频率的处1/2介质波长时，在开槽处会发生谐振，对天线辐射面上的电流产生阻断作用，从而实现了阻带作用。基于这个思想，该天线在辐射面上一共开了六个槽。常见的印刷单极子天线通常开U型槽，为了得到更好的天线增益效果和陷波频段，我们采用了新型的开槽结构，可以在兼顾效率等指标下得到更大的带宽。其中不同的槽对应不同的阻带频率，但由于开槽数量较多，槽与槽之间会相互影响，从而导致对阻带频率的不可控，只有通过合理的位置安排，才能达到最好的效果。同时通过调节槽的尺寸大小，也可以实现对抑制频带的调控，满足不同系统的需要。

如图1、图2所示，椭圆形贴片5的正下方连通有阶梯型馈线8，并位于空心载体圆柱11的外表面上。对于微带天线来说，馈线是一个重要环节，其性能很大程度上决定了天线性能。采用多节阻抗匹配方式，将普通微带馈线的较大阻抗突变分散成若干个较小的突变，便于设计，并且使在一定频段范围内产生的反射互抵以致变得很小，改善阻抗匹配，进一步扩展带宽。通过仿真，得到最佳长度数据，实现电磁波更好传输，提高稳定性，同时也没有增加天线的表面积，对天线的其他电性能不会产生明显影响。

梯型馈线8分别与外部的同轴馈电传输线相连通，采用同轴馈电的方式，即为在同轴外导体内套装有同轴内导体，同轴内导体与阶梯型馈线8下方相切，避免天线辐射对其产生较大影响。采用同轴馈电，减少了微带线或者带状线馈电结构中特性阻抗容易随频率的变化而发生改变的现象，易于匹配，也减少了产生的色散现象，而且加工也更加方便，同时寄生辐射也比较低。

如图1、图2所示，空心载体圆柱11的内表面上，与大椭圆形开口环槽1相对应的位置上设置有椭圆形开口环贴片10。该贴片将天线辐射的能量进行反射，加强了同形椭圆形开口环槽1对阻带产生的影响。空心载体圆柱11的内表面上，并位于椭圆形贴片5的下方设置有金属反射类凹形贴片9。金属反射类凹形贴片9的凹槽6正对于椭圆形贴片5的底部。在金属反射类凹形贴片9上，并位于阶梯型馈线8的两侧分别开设有矩形槽7，通过在金属反射贴片上开槽，改变原来的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过从而使电流路径变长，这样也就相当于增大了贴片面积，增大了辐射范围，更加有利于小型化，同时也使阻抗更加匹配。

三陷波共形全向微带阵列天线单元中所有开口环槽和开口环贴片的开口均向上，且是以椭圆形贴片5为辐射区，以阶梯型馈线8为传输区，以同轴传输线进行馈电，金属反射类凹形贴片9和金属反射椭圆形开口环贴片10为反射区，从而利用辐射区、传输区、馈电区和反射区实现能量的接收和发送。

具体实施中，从三陷波共形全向微带阵列天线单元中的正面看，通过引入三个大小不同的椭圆形开口环槽具有了三陷波特性。从原理上说，椭圆形开口环槽相当于是在天线单元中引入一个半波长谐振结构，其总长度可用式(1)近似计算。

式(1)中，f_notch为陷波处的中心频率，c为光速，ε_r为介质板的相对介电常数。由式(1)可以看出参数L，陷波的中心频率明显发生变化，而且随着椭圆开口环槽半径的增加，陷波将向低频位置移动，这与式(1)吻合。本实施例中，经过仿真测得，大椭圆形开口环槽1、中椭圆形开口环槽2和小椭圆形开口环槽3之间的最佳半径尺寸比例为：3:2.72:1.80。

Claims (2)

1.一种三陷波共形全向微带阵列天线，其特征包括：空心金属反射圆柱(12)、空心载体圆柱(11)和N个印刷单极子天线单元；

在所述空心载体圆柱(11)内部嵌套有所述空心金属反射圆柱(12)；在所述空心载体圆柱(11)上周期排列有所述N个印刷单极子天线单元；

任意一个印刷单极子天线单元包括：椭圆形贴片(5)、阶梯型馈线(8)、金属反射类凹形贴片(9)和金属反射椭圆形开口环贴片(10)；

所述椭圆形贴片(5)设置在所述空心载体圆柱(11)的外表面上，在所述椭圆形贴片(5)的中上方开设有大椭圆形开口环槽(1)；在所述大椭圆形开口环槽(1)的两侧下方对称开设有中椭圆形开口环槽(2)；在所述中椭圆形开口环槽(2)的下方外侧对称开设有小椭圆形开口环槽(3)，从而形成凸圆弧排列结构；在所述大椭圆形开口环槽(1)的正下方开设有卵形环槽(4)；所述卵形环槽(4)的底部与所述椭圆形贴片(5)相连接；

在所述椭圆形贴片(5)的正下方连通有所述阶梯型馈线(8)，并位于所述空心载体圆柱(11)的外表面上；所述阶梯型馈线(8)分别与外部的同轴馈电传输线相连通；

在所述空心载体圆柱(11)的内表面上，与所述大椭圆形开口环槽(1)相对应的位置上设置有所述椭圆形开口环贴片(10)；

在所述空心载体圆柱(11)的内表面上，并位于所述椭圆形贴片(5)的下方设置有所述金属反射类凹形贴片(9)；所述金属反射类凹形贴片(9)的凹槽(6)正对于所述椭圆形贴片(5)的底部；在所述金属反射类凹形贴片(9)上，并位于所述阶梯型馈线(8)的两侧分别开设有矩形槽(7)；所有开口环槽和开口环贴片的开口均向上；

所述三陷波共形全向微带阵列天线单元是以所述椭圆形贴片(5)为辐射区，以所述阶梯型馈线(8)为传输区，以所述同轴馈电传输线为馈电区，并以所述空心金属反射圆柱(12)为反射区，从而实现能量的接收和发送。

2.根据权利要求1所述的三陷波共形全向微带阵列天线单元，其特征是：

所述大椭圆形开口环槽(1)、中椭圆形开口环槽(2)和小椭圆形开口环槽(3)之间的半径尺寸比例为：3:2.72:1.80。