CN109066078A - 一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，包括平行设置单层基板和金属反射板，单层基板位于金属反射板正上方，且间距为6‑12mm，单层基板和金属反射板通过调节组件连接；单层基板上设置有天线，天线包括设置在单层基板上表面上的第一辐射单元、设置在单层基板下表面上的第二辐射单元和接地端，单层基板上开设有金属化通孔，第一辐射单元和第二辐射单元通过金属化通孔导通；第二辐射单元通过微带线和接地端连接。第一辐射单元为连接有微带线的钥匙形辐射单元、第二辐射单元为翅膀状辐射单元。本发明能同时工作在多个频段，可以放置在金属平台上使用，并可以和平面电路集成、结构简单。

Description

一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线
技术领域
本发明涉及一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线。
背景技术
当双向或全向辐射天线需要安装在某个金属平台上时，金属平台会改变天线辐射特性，向着平台的辐射可能影响系统其它电路的性能，带来严重的电磁兼容问题。背腔式天线是一种采用金属腔或金属平面来抑制某一个方向的辐射、以实现单向辐射的天线。能用于400MHz频段金属平台上常规天线尺寸偏大，不能满足某些应用领域的要求。例如，400MHz频段的常规微带天线根据相关理论公式长度达到0.3米左右。此外,常规单频段背腔式天线，不能满足某些多频段通信应用领域的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，解决现有技术中常规单频段背腔式天线，不能满足某些多频段通信应用领域的要求的技术问题。
本发明为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，包括平行设置单层基板和金属反射板，单层基板位于金属反射板正上方，且间距为6-12mm，单层基板和金属反射板通过调节组件连接；
所述单层基板上设置有天线，天线包括设置在单层基板上表面上的第一辐射单元、设置在单层基板下表面上的第二辐射单元和接地端，单层基板上开设有金属化通孔，第一辐射单元和第二辐射单元通过金属化通孔导通；第二辐射单元通过微带线和接地端连接。
金属反射板起到抗金属环境干扰的作用，调整天线和金属反射板之间的间距D，还可以调节天线工作频率，当间距D变大时，天线工作频率逐渐升高，反之，天线工作频率逐渐降低。本发明能同时工作在多个频段，可以放置在金属平台上使用，并可以和平面电路集成、结构简单。
所述第一辐射单元包括圆环状蚀刻金属层，和与圆环状蚀刻金属层连接的微带线，整体呈钥匙形。
所述第二辐射单元包括左半部和右半部，左半部和右半部均包括圆弧段和直线段。所述圆弧段为开有缺口的环状蚀刻金属层，缺口贯穿环内外开设，左半部和右半部的缺口处相靠近；缺口的两端分别记为第一端和第二端，左半部和右半部不连接。所述直线段为具有一定宽度的带状蚀刻金属层，左半部和右半部的直线段分别位于对应的开有缺口的环状圆弧段内，其中左半部的直线段的一端与对应圆弧段的第一端连接，另一端与圆弧段不连接；右半部的直线段的一端与对应圆弧段的第二端连接，另一端与圆弧段不连接；
所述左半部的圆弧段第二端通过微带线与接地端连接。
左半部整体呈“e”，右半部整体呈倒置“e”形，则第二辐射单元整体呈翅膀状。
通过控制第一辐射单元和第二辐射单元的形状，以及微带线的宽度，改变天线电流和场分布，达到满足不同情况下对天线在频率和辐射特性的需求。改变微带线的宽度可以调整天线的阻抗匹配。
进一步改进，所述接地端为蚀刻金属层，其外部轮廓包括底边和顶边，底边为直线，顶边呈山脊状；底边的两端与顶边对应的两端连接。
进一步改进，所述金属化通孔的一端位于第一辐射单元的微带线上，另一端位于第二辐射单元右半部圆弧段的第一端上。
进一步改进，所述调节组件包括至少螺杆和两个螺母，单层基板的边缘开设有第一通孔，螺杆的一端与金属反射板固定连接，另一端穿过单层基板边缘的第一通孔，单层基板的两侧均设置有套在螺杆上的螺母。通过旋拧下侧的螺母可以调节单层基板和金属反射板之间的间距；调节好间距后，通过旋拧上侧的螺母，夹紧单层基板，起到紧固效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)、采用钥匙形辐射单元和翅膀状辐射单元的组合，有效地减小了天线的尺寸，形成了天线的多频段辐射，能够满足实际应用需求。
2)、金属反射板起到抗金属环境干扰的作用，调整天线和金属反射板之间的间距D还能微调天线工作频率。
附图说明
图1为本发明的用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线的正视图。
图2为单层基板的俯视图(上表面示意图)。
图3为单层基板的仰视图(下表面示意图)。
图4为图3中第二辐射单元左半部和右半部相互靠近处的局部放大视图。
图5为天线的反射系数S11参数的仿真结果。
图6为能用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图；
其中(a)为440MHz多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图；
(b)为635MHz多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图；
(c)为1735MHz多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图。
图7为本发明的能用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线在不同间距D时的S11参数随频率变化仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1和图2所示，一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，包括平行设置单层基板1和金属反射板3，单层基板1位于金属反射板3正上方，且间距为6-9mm，单层基板1和金属反射板3通过调节组件连接；
所述单层基板1上设置有天线，天线包括设置在单层基板上表面上的第一辐射单元4、设置在单层基板下表面上的第二辐射单元5和接地端6，单层基板上开设有金属化通孔2，第一辐射单元和第二辐射单元通过金属化通孔2导通；第二辐射单元5通过微带线和接地端6连接。
所述第一辐射单元4包括圆环状蚀刻金属层，和与圆环状蚀刻金属层连接的微带线，整体呈钥匙形。第一辐射单元4上开设有凹槽，凹槽贯穿圆环状蚀刻金属层并延伸至微带线的中部。
所述第二辐射单元5包括左半部和右半部，左半部和右半部均包括圆弧段和直线段。所述圆弧段为开有缺口的环状蚀刻金属层，缺口贯穿环内外开设，左半部和右半部的缺口处相靠近；缺口的两端分别记为第一端和第二端，左半部和右半部不连接。所述直线段为具有一定宽度的带状蚀刻金属层，左半部和右半部的直线段分别位于对应的开有缺口的环状圆弧段内，其中左半部的直线段的一端与对应圆弧段的第一端连接，另一端与圆弧段不连接；右半部的直线段的一端与对应圆弧段的第二端连接，另一端与圆弧段不连接；
所述左半部的圆弧段第二端通过微带线与接地端连接。
左半部整体呈“e”，右半部整体呈倒置“e”形，则第二辐射单元整体呈翅膀状。
所述接地端6为蚀刻金属层，其外部轮廓包括底边和顶边，底边为直线，顶边呈山脊状；底边的两端与顶边对应的两端连接。顶边有多段直线依次连接形成，顶边的最上端为线段。
单层基板1为厚度为1mm的国产FR4基板(εr＝4.4，tanδ＝0.02)时，应用仿真软件HFSS对该天线结构尺寸进行优化设计后，单层基板1的长度和宽度分别为180mm、180mm。
图2、3、4中所标注的天线尺寸参数经优化设计后为：第一辐射单元4的圆环状蚀刻金属层的外环半径R1＝30mm、内环半径R2＝6mm；金属化通孔2的半径R3＝1mm、凹槽宽度D1＝1mm第一辐射单元4的微带线宽度D2＝11mm、微带线到单层基板边缘的宽度D3＝84.5mm、凹槽下端到微带线下端(即基板边缘)的距离D4＝70mm、凹槽下端到圆环状蚀刻金属层底部的距离D5＝47mm；
第二辐射单元直线段的宽度W＝10mm、圆弧段的宽度最大值D6＝70mm、与圆弧段相连的微带线宽度D7＝5.5mm、微带线的右侧到到接地端顶边的距离D8＝8.7mm、接地端顶边到底边的距离D9＝40mm、接地端顶边中点处到底边的距离D10＝23.7mm、微带线的左侧到接地端顶边左端的距离D11＝4.5mm、圆弧段的内侧宽度的一半a＝28mm、圆弧段的内侧长度b＝33mm。仿真模型中已经人为地加入金属面用来模拟金属平台。
图5为得到的反射系数S11参数仿真和测量结果。
表1列出了天线在各个频段的反射系数、天线效率、增益等参数。由表可见，满足反射系数S11<-10dB(对应VSWR≤2)时，天线能同时工作在440/635/1735MHz，各谐振点增益为1.3dBi(440MHz)、3.7dBi(635MHz)、6.2dBi(1735MHz)，能满足常规应用需求。
表1天线的参数
图6为各频点归一化辐射方向图，其中(a)为440MHz多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图；(b)为635MHz多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图；(c)为1735MHz多频段背腔式蝶形天线的归一化辐射方向图。该图结果显示天线方向图最大辐射在0度附近，在180度附近辐射较弱、后瓣小，天线在各谐振点具定向辐射特性，可以用于金属平台。
图7给出了在其它参数一样条件下，所设计天线对在不同间距D时的S11参数随频率变化图，仿真结果显示调整天线和金属反射板3之间的间距D还能微调天线工作频率。
本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (4)

1.一种用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，其特征在于，包括平行设置单层基板和金属反射板，单层基板位于金属反射板正上方，且间距为6-12mm，单层基板和金属反射板通过调节组件连接；
所述单层基板上设置有天线，天线包括设置在单层基板上表面上的第一辐射单元、设置在单层基板下表面上的第二辐射单元和接地端，单层基板上开设有金属化通孔，第一辐射单元和第二辐射单元通过金属化通孔导通；第二辐射单元通过微带线和接地端连接；
所述第一辐射单元包括圆环状蚀刻金属层，和与圆环状蚀刻金属层连接的微带线，整体呈钥匙状；
所述第二辐射单元包括左半部和右半部，左半部和右半部均包括圆弧段和直线段；所述圆弧段为开有缺口的环状蚀刻金属层，缺口贯穿环内外开设，左半部和右半部的缺口处相靠近；缺口的两端分别记为第一端和第二端，左半部和右半部不连接；所述直线段为具有一定宽度的带状蚀刻金属层，左半部和右半部的直线段分别位于对应的开有缺口的环状圆弧段内，其中左半部的直线段的一端与对应圆弧段的第一端连接，另一端与圆弧段不连接；右半部的直线段的一端与对应圆弧段的第二端连接，另一端与圆弧段不连接；左半部整体呈“e”，右半部整体呈倒置“e”形，则第二辐射单元整体呈翅膀状；所述左半部的圆弧段第二端通过微带线与接地端连接。
2.根据权利要求1所述的用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，其特征在于，所述接地端为蚀刻金属层，其外部轮廓包括底边和顶边，底边为直线，顶边呈山脊状；底边的两端与顶边对应的两端连接。
3.根据权利要求1或2所述的用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，其特征在于，所述金属化通孔的一端位于第一辐射单元的微带线上，另一端位于第二辐射单元右半部圆弧段的第一端上。
4.根据权利要求3所述的用于金属平台上多频段背腔式蝶形天线，其特征在于，所述调节组件包括至少螺杆和两个螺母，单层基板的边缘开设有第一通孔，螺杆的一端与金属反射板固定连接，另一端穿过单层基板边缘的第一通孔，单层基板的两侧均设置有套在螺杆上的螺母。
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