CN107645057A - 一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线 - Google Patents

一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线。所述天线包括一个中间带有圆孔的圆形金属地板(1)、圆柱形单极子天线(2)、同轴波导馈电线(3)、以及圆环形阻抗表面(4)；圆柱形单极子天线(2)垂直设置在圆形金属地板(1)上的中间圆孔处，同轴波导馈电线(3)位于圆形金属地板(1)底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线(3)内导体与圆柱形单极子天线(2)相连，圆环形阻抗表面(4)同心环绕于圆柱形单极子天线(2)外围。利用本发明的结构，可以实现超宽带垂直极化天线，且在整个工作频带内保持全向辐射特性稳定、交叉极化低和辐射效率高。

Description

一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种含有共形阻抗表面的垂直极化超宽带全向天线，在带宽可控的宽频带内提供稳定的全向辐射特性和高辐射效率，可被应用于第五代移动通信、车联网无线通信等领域。
背景技术
电磁阻抗表面是一种由平面亚波长金属或介质单元按周期排列组合而成的平面电磁结构，通过设计其电、磁响应，可以用于人为地调控电磁场界面特性，进而有效地控制电磁波的传播和辐射。平面电磁阻抗表面在天线领域被广泛应用，人们利用高阻抗表面实现了低剖面天线、提出各向异性阻抗表面实现圆极化天线、以及采用部分反射表面形成腔体获得高增益天线。然而，由于之前提出的含有阻抗表面的天线大多工作于阻抗表面单元的谐振频率附近，所以天线的工作带宽受到了极大限制。阻抗表面在提升天线工作带宽方面仍是一个未被深入探索的领域。
垂直极化单极子天线在无线通信中有着广泛应用，传统的单极子天线存在带宽窄的问题，只能提供10％左右的工作带宽。为了拓展其带宽，寄生单元被放置于单极子天线附近，可将带宽扩展至接近一个倍频程。此外，人们通过设计含有渐变结构的单极子印刷天线，从而获得带宽超过一个倍频程的阻抗带宽。然而，由于此类印刷天线具有非旋转对称性结构，其辐射方向图易随频率变化而产生畸变，进而不能在一个超宽的频带内保持稳定的全向辐射特性。同时，在高频段，由于此类天线结构工作于较复杂的高阶模式，具有非均匀的电流分布，因此，天线辐射方向图的交叉极化会变高。
本发明提出了一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线。该结构利用同轴波导进行馈电一个圆柱形窄带单极子天线，并利用一个具有亚波长半径的共形阻抗表面环绕此单极子天线进而改变天线的输入阻抗，通过改变阻抗表面的金属贴片单元的色散特性和各向异性，实现带宽可控的超宽带天线。相比于已有的超宽带天线结构，本发明具有结构紧凑、体积小、全向辐射特性稳定、交叉极化低、辐射效率高等优点，在未来第五代移动通信、车联网通信等领域有着重要的前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，具有轻便、紧凑的天线结构，实现了超宽的阻抗带宽和稳定的全向辐射方向图。
技术方案：本发明的一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，包括一个中间带有圆孔的圆形金属地板、圆柱形单极子天线、同轴波导馈电线、以及圆环形阻抗表面；圆柱形单极子天线垂直设置在圆形金属地板上的中间圆孔处，同轴波导馈电线位于圆形金属地板底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线内导体与圆柱形单极子天线相连，同轴波导馈电线外导体与圆形金属地板相连，圆环形阻抗表面同心环绕于圆柱形单极子天线外围。
所述圆柱形单极子天线包括一段粗圆柱形金属柱和一段细圆柱形金属柱，粗圆柱形金属柱在细圆柱形金属柱上部。
所述圆环形阻抗表面由印刷在柔性介质基片上的大小相等、等间距排列的金属贴片单元组成。
所述的同轴波导馈电线为50欧姆同轴波导。
所述的圆环形阻抗表面的高度与圆柱形单极子天线的高度相同或不相同。
所述的圆环形阻抗表面的半径小于圆柱形单极子天线高度的1/5。
圆环形阻抗表面在轴向含有3个金属贴片单元，在切向含有4的倍数个金属贴片单元。
有益效果：本发明提出的一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其优势在于：
(1)具有可控的阻抗带宽。这是因为共形阻抗表面位于单极子天线的近场处，可以控制单极子天线上的电流分布，进而改变天线的输入阻抗，通过控制阻抗表面的色散特性和各向异性，可以在保持单极子天线结构和尺寸不变的情况下仅依靠改变阻抗表面单元的结构调节天线的阻抗带宽。
(2)具有稳定的全向辐射特性。这是由于单极子天线由两段圆柱形结构组成，共形阻抗表面在切向方向具有4的倍数个单元，通常为8、12、或16个，且共形阻抗表面和单极子天线同心放置，使得整体天线结构具有很高的旋转对称性。
(3)具有很低的交叉极化辐射。这是由于单极子天线和共形阻抗表面的半径远小于波长，且组成共形阻抗表面的金属贴片单元在切向方向的尺寸为深亚波长，因此，阻抗表面和单极子天线上的切向电流很小，保证了低交叉极化辐射。
(4)具有轻便、低损耗、可替换性、低成本，这是因为共形阻抗表面采用了超薄的介质基片，可用传统印刷电路板工艺制作，且工作在金属贴片单元的谐振频率以外。
附图说明
图1给出了本发明天线的侧视示意图。
图2给出了本发明天线的俯视示意图。
图中有：圆形金属地板1；圆柱形单极子天线2，粗圆柱形金属柱2a，细圆柱形金属柱2b；同轴波导馈电线3；圆环形阻抗表面4，柔性介质基片上4a；金属贴片单元4b。
图3给出了共形阻抗表面的表面阻抗曲线图；
图4给出了所述含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的仿真和测试的驻波电压比；
图5给出了所述含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的仿真和实测归一化远场辐射方向图；其中a是2.5GHz方向图，b是4.5GHz方向图,c是6.5GHz方向图；
图6给出了含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的仿真和实测增益曲线、以及效率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，采用传统同轴波导馈电方式，特征阻抗为50欧姆，从金属地板底部给单极子天线馈电。金属地板中间开有半径为2mm的圆孔，以供半径为0.6mm的同轴馈电线内导体穿过。在传统圆柱形单极子天线的基础上，采用不等半径单极子天线，在一段较粗的圆柱形金属柱下方有一段较细的圆柱形金属柱，以适当增加电感。较粗的圆柱形金属柱半径为2mm，长度为25mm。较细的圆柱形金属柱半径为0.6mm，长度为3mm。单极子天线的高度为四分之一波长，其决定了所提出的超宽带天线工作频段的低端。在单极子天线周围近场处，同心围绕一层共形阻抗表面，由印刷在柔性介质基片上的大小相等、等间距排列的金属贴片单元组成。柔性介质基片为TaconicTLY-5,相对介电常数为2.2，损耗角正切等于0.0009。为了不增加天线结构的尺寸，阻抗表面的高度为30mm，与单极子天线应当基本一致，且半径为4.8mm，元小于工作波长。因此，在垂直方向上，采用3个金属贴片单元，而在切向方向上，为了保证较好的旋转对称性，采用12个金属贴片单元。金属贴片单元的几何形状可以是矩形或其它形状，对于矩形金属贴片单元，其高为9.6mm，宽为1.9mm，在电磁响应上可以被建模为由分布电感和分布电容构成的串联谐振电路并联于真空中。通过设计金属贴片单元的尺寸，可以控制共形阻抗表面的表面阻抗，进而改变单极子天线上的电流分布，达到对天线输入阻抗的调控。并通过控制共形阻抗表面的表面阻抗的色散特性，可以对天线不同频段的输入阻抗独立进行设计，从而实现不同的阻抗带宽。从原理上，由于单极子天线在其基础谐振模式高频处的阻抗呈感性，引入容性阻抗表面，可以使得集成天线在高频产生一个新的谐振模式，进而实现阻抗带宽的拓宽。
图1、图2给出了含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的示意图。共形阻抗表面与单极子天线的圆柱体同心放置。
图3给出了共形阻抗表面的表面阻抗曲线图，可以看出，阻抗表面的表面阻抗在2.1-8.2GHz目标频段内呈容性。其谐振频率远高于目标工作频段，因此在目标频段损耗非常低。
图4给出了所述含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的仿真和测试的驻波电压比。可以看出，仿真和实验的结果非常吻合。在超宽的频带范围内(2.12-8.2GHz)驻波电压比小于2，证明了在该频率范围内很好的实现了阻抗匹配。
图5给出了所述含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的H面仿真和实测归一化远场辐射方向图。由图可以看到，天线在超宽的工作频带范围内保持稳定的全向辐射，在水平面内辐射增益沿水平角度变化而产生的浮动小于1.2dB。同时，天线在超宽的工作频带范围内交叉极化小于-23dB。
图6给出了所述含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线的仿真和实测增益曲线。由图可以看到，仿真和实验的结果非常吻合。所述所述含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线在工作频带范围内的增益从3.7dBi增长到6.6dBi，且辐射效率大于95％，说明增加的共形阻抗表面在对天线阻抗实现有效调控的情况下对天线的辐射性能几乎没有负面影响。
本发明的一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，所述天线包括一个中间带有圆孔的圆形金属地板1、圆柱形单极子天线2、同轴波导馈电线3、以及圆环形阻抗表面4；圆柱形单极子天线2垂直设置在圆形金属地板1上的中间圆孔处，同轴波导馈电线3位于圆形金属地板1底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线3内导体与圆柱形单极子天线2相连，同轴波导馈电线3外导体与圆形金属地板1相连，圆环形阻抗表面4同心环绕于圆柱形单极子天线2外围。
所述圆柱形单极子天线2包括一段粗圆柱形金属柱2a和一段细圆柱形金属柱2b，粗圆柱形金属柱2a在细圆柱形金属柱2b上部；
所述圆环形阻抗表面4由印刷在柔性介质基片上4a的大小相等、等间距排列的金属贴片单元4b组成。
综上所述，本发明提供了一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，可以实现超宽的阻抗带宽和稳定的全向辐射性能，且具有交叉极化低。并具有设计简单，易于加工，体积小，轻便，可替换，辐射效率高等优点，在第五代移动通信、车联网无线通信等领域有着重要的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，所述天线包括一个中间带有圆孔的圆形金属地板(1)、圆柱形单极子天线(2)、同轴波导馈电线(3)、以及圆环形阻抗表面(4)；圆柱形单极子天线(2)垂直设置在圆形金属地板(1)上的中间圆孔处，同轴波导馈电线(3)位于圆形金属地板(1)底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线(3)内导体与圆柱形单极子天线(2)相连，同轴波导馈电线(3)外导体与圆形金属地板(1)相连，圆环形阻抗表面(4)同心环绕于圆柱形单极子天线(2)外围。
2.根据权利要求1所述的含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，所述圆柱形单极子天线(2)包括一段粗圆柱形金属柱(2a)和一段细圆柱形金属柱(2b)，粗圆柱形金属柱(2a)在细圆柱形金属柱(2b)上部。
3.根据权利要求1所述的含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，所述圆环形阻抗表面(4)由印刷在柔性介质基片(4a)上的大小相等、等间距排列的金属贴片单元(4b)组成。
4.根据权利要求1所述的含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，所述的同轴波导馈电线(3)为50欧姆同轴波导。
5.根据权利要求1所述的含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，所述的圆环形阻抗表面(4)的高度与圆柱形单极子天线(2)的高度相同或不相同。
6.根据权利要求1或5所述的含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，所述的圆环形阻抗表面(4)的半径小于圆柱形单极子天线(2)高度的1/5。
7.根据权利要求1或3所述的含有共形阻抗表面的紧凑型垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，圆环形阻抗表面(4)在轴向含有3个金属贴片单元(4b)，在切向含有4的倍数个金属贴片单元(4b)。
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