CN108777358B - 一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，属于天线设计技术领域。该天线由外部金属辐射条带，内部金属辐射条带，半球形介质基板，接地板以及同轴电缆组成；介质基板外表面按照一定间隔紧贴有长度不一的环状的外部金属辐射条带，内表面贴有内部金属辐射条带，半球形介质基板覆盖在接地板上。天线采用底馈的方式，馈线外导体连接接地板，内导体连接介质基板内表面的金属条带。本发明的天线具有尺寸小，带宽宽的优势，且天线结构新颖，制作简单，易于安装。本发明的天线具有低剖面特性，具有在宽频带范围内工作的优势，可应用于卫星导航、无线局域网等应用通信。

Description

一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线。
背景技术
电小天线因其尺寸仅为工作频带波长的十分之一甚至更低，非常适合用于集成化的通信系统中。然而，传统电小天线受限于Chu极限，因此电小天线的带宽，辐射效率均较低，不能适用于无线通信系统。
近年来，针对电小天线固有缺陷提出了加载有源电路、加载超材料近场耦合结构提升电小天线辐射效率的方法，但是电小天线的带宽却鲜有拓展。因此，在不增加天线设计复杂度的情况下，获得拓展电小天线带宽具有显著意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，从而实现可以在天线尺寸ka<1的情况下产生较宽的频带，且辐射效率高，方向图稳定。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，该天线包含介质基板，接地板，外部金属辐射条带，内部金属辐射条带和同轴电缆；
所述介质基板呈半球壳形，并设置在所述接地板上，所述外部金属辐射条带和内部金属辐射条带均呈长条形，在所述介质基板的内表面紧贴设置有所述内部金属辐射条带，所述内部金属辐射条带长轴线所在的平面垂直于所述接地板的上表面，所述外部金属辐射条带紧贴所述介质基板外部并按照纬度分布设置；
所述同轴电缆的内导体与介质基板内表面的内部金属辐射条带相连接，同轴电缆的外导体与接地板相连。
进一步，所述内部金属辐射条带的数量为1，外部金属辐射条带的数量有多根，所述外部金属辐射条带与内部金属辐射条带的宽度均相等，多根外部金属辐射条带与内部金属辐射条带相互正交设置。
进一步，多根所述外部金属辐射条带的长度均不相同，且多根外部金属辐射条带的裂口朝向、裂口大小也均不相同。
进一步，相邻所述外部金属辐射条带之间相差6°设置。
进一步，所述接地板呈圆形，半径为150mm，并敷设2mm厚的铜。
进一步，所述同轴电缆内导体呈实圆柱形，外导体呈薄壁空心圆柱体形，内外导体之间填充铁氟龙绝缘层。
进一步，所述介质基板的外径为60mm，壁厚2mm。
进一步，所述介质基板采用ABS树脂材料制成。
本发明的有益效果在于：本发明的仿真结果为回波损耗<-10dB频率范围为0.66GHz-0.82GHz，中心频点为0.72GHZ，回波损耗<-10dB的频带宽度为130MHz相对带宽为17.7％；本发明易于加工，单点同轴馈电，带宽较宽，增益波动小于3dB，辐射效率大于80％，可用于特高频无线通信。
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为本发明电小天线的整体结构三维视图；
图2为本发明电小天线的侧视图；
图3为本发明电小天线的俯视图；
图4为本发明实施的阻抗匹配图；
图5为本发明实施的增益图。
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。
如图1、2所示，本发明为一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，该天线包括半球壳型介质基板3，外部金属辐射条带1，内部金属辐射条带4，接地板2及同轴电缆；半球壳型介质基板3外表面相距一定间隔的贴有外部金属辐射条带1，半球壳型介质基板3内表面贴有摆放位置与外部金属辐射条带1正交的内部金属辐射条带4。同轴电缆内导体5与内部金属辐射条带4相连接，外导体6与接地板2连接。
半球壳型介质基板3的外径为r1＝60mm，内径为r2＝58mm，壁厚为2mm。半球壳型介质基板3在外表面上蚀刻有多根外部金属辐射条带1，也即寄生条带，内表面蚀刻有一根内部金属辐射条带4，也即金属条带。
多根外部金属辐射条带1按照一定纬度排布在球壳型基板的上表面，相邻外部金属辐射条带1的之间间隔一定度数，每根外部金属辐射条带不闭合，且开口的朝向不一；内部金属辐射条带4的长轴所在平面垂直于壳底。
接地板2与同轴电缆的外导体6相连接，接地板2尺寸和半球壳型介质基板3尺寸相同。
半球壳型介质基板3选用ABS树脂材料，电介质常数为3.2，相对磁导率为1.0，损耗正切角为0.002。
接地板半径为150mm，同轴电缆内导体为圆柱形，半径为0.6-0.7mm，外导体为空心圆柱，内外导体之间填充绝缘层铁氟龙，以满足50欧姆阻抗匹配，同轴电缆内导体与半球型基板内部金属辐射条带4相连接。
具体实施例
本发明的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线的整体三维视图，如图1所示：一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，包括外部金属辐射条带1，接地板2，半球型介质基板3，内部金属辐射条带4，同轴电缆内导体5外导体6。在本实施例中，辐射条带1、4的敷铜厚度为SH＝0.017mm，接地板2铜厚度为2mm。外部金属辐射条带1紧贴半球型介质基板3外表面，内部金属辐射条带4紧贴半球型基板下表面，天线整体的构造如图2所示。半球型介质基板为ABS树脂，其相对介电常数为3.2，损耗正切角为0.002，介质基板壁厚2mm。
半球型基板外表面的外部金属辐射条带1按照一定间隔排布，各个金属条带之间相差6°，各个外部金属辐射条带1相对于内部金属辐射条带4位置如图3所示。
在本实施例中，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真分析后得到该天线部分参数尺寸如下表所示：
表1本发明各参数最佳尺寸表
Figure GDA0001717271940000031
表中SH为内外两层金属辐射条带敷铜的厚度。
依照上述参数，使用HFSS对所设计的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线的S11参数以及增益参数，其分析结果如下：
图4为发明的宽带电小天线的S11参数随频率变化的曲线图，如图所示，-10dB阻抗带宽为130MHz，从690MHz到820Mhz，天线的电尺寸ka＝0.87。频带范围内有多处谐振峰，这些谐振峰的产生与外部金属条带和内部金属条带的相互耦合激励有关。
图5为发明的宽带电小天线的增益参数随频率变化的曲线图，如图所示，天线在频带范围内的增益大于4.5dBi，最高增益7dBi。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明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 (6)

1.一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，其特征在于：该天线包含介质基板，接地板，外部金属辐射条带，内部金属辐射条带和同轴电缆；
所述介质基板呈半球壳形，并设置在所述接地板上，所述外部金属辐射条带和内部金属辐射条带均呈长条形，在所述介质基板的内表面紧贴设置有所述内部金属辐射条带，所述内部金属辐射条带长轴线所在的平面垂直于所述接地板的上表面，所述外部金属辐射条带紧贴所述介质基板外部并按照纬度分布设置；
所述同轴电缆的内导体与介质基板内表面的内部金属辐射条带相连接，同轴电缆的外导体与接地板相连；
所述内部金属辐射条带的数量为1，外部金属辐射条带的数量有多根，所述外部金属辐射条带与内部金属辐射条带的宽度均相等，多根外部金属辐射条带与内部金属辐射条带相互正交设置；
多根所述外部金属辐射条带的长度均不相同，且多根外部金属辐射条带的裂口朝向、裂口大小也均不相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，其特征在于：相邻所述外部金属辐射条带之间相差6°设置。
3.根据权利要求1所述的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，其特征在于：所述接地板呈圆形，半径为150mm，并敷设2mm厚的铜。
4.根据权利要求1所述的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，其特征在于：所述同轴电缆内导体呈实圆柱形，外导体呈薄壁空心圆柱体形，内外导体之间填充铁氟龙绝缘层。
5.根据权利要求1所述的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，其特征在于：所述介质基板的外径为60mm，壁厚2mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线，其特征在于：所述介质基板采用ABS树脂材料制成。
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