CN109687132A - 一种低剖面垂直极化超宽带全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，包括若干三角形金属片、短路金属柱、圆形金属片、矩形接地板及同轴馈电部分，三角形金属片为直角三角形金属片，若干个直角三角形金属片较短直角边竖直设置在同一轴线上，且呈中心对称分布；圆形金属片设置在三角形金属片较长直角边上部；三角形金属片较长直角边的端点处设置有短路金属柱，短路金属柱的上端与三角形金属片连接，下端设置在矩形接地板上；同轴馈电部分设置在三角形金属片较短直角边的下端点；本发明采用三角形金属片，有效减小了天线的重量并降低了天线的高度；设置金属圆盘实现了容性加载，设置短路金属柱实现了感性加载，有效降低了天线的工作频率，提高了天线的辐射效率。

Description

一种低剖面垂直极化超宽带全向天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种低剖面垂直极化超宽带全向天线。

背景技术

超宽带通信系统(Ultra-Wide Band，UWB)因其传输速率高、抗干扰能力强、功耗低、成本低廉等优点而广泛应用于短距离通信、雷达等领域，超宽带天线作为通信系统中必不可少的组成部分，对于超宽带通信系统的性能存在至关重要的影响。自超宽带天线的提出以来，先后在传统单极子天线的基础上衍生出平面、多层以及三维立体单极子天线等结构，但是这些结构都普遍存在尺寸过大的问题，限制了天线的应用范围；近年来，随着超宽带技术的不断发展和商业应用的不断推进，对于超宽带天线进一步提出了低剖面、高增益、全向性以及极化方式等要求，如何在保证天线带宽和增益的前提下，降低超宽带天线的剖面以及保持方向图的稳定性成为当下研究的热点问题；另外，拓展天线的工作频段，使其可以同时满足WLAN和UWB频段的使用也是一个研究趋势。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，以实现在提高天线阻抗带宽以及保证增益的前提下，降低剖面，实现小型化，本发明所述的超宽带全向天线结构简单、易于加工，有效地解决了现有超宽带通信系统天线结构尺寸过大的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，包括若干三角形金属片、短路金属柱、圆形金属片、矩形接地板及同轴馈电部分；三角形金属片为直角三角形金属片，若干直角三角形金属片的较短直角边竖直设置在同一轴线上；若干直角三角形金属片呈中心对称分布，相邻直角三角形金属片之间的夹角相同；直角三角形金属片较长直角边设置在上部，且在同一水平面；圆形金属片设置在直角三角形金属片较长直角边上部；每个直角三角形金属片较长直角边的端点处设置有短路金属柱，短路金属柱的上端与三角形金属片连接，下端设置在矩形接地板上；矩形接地板非接触设置在三角形金属片的底部；同轴馈电部分设置在三角形金属片较短直角边的下端点处。

进一步的，若干三角形金属片采用三个完全相同直角三角形金属片，三个直角三角形金属片较短直角边竖直设置在同一轴线上，三个直角三角形金属片呈中心对称分布，相邻直角三角形金属片之间的夹角为120°。

进一步的，圆形金属片上设置有环形槽，三角形金属板上对应环形槽设置有通槽，通槽与环形槽连通。

进一步的，圆形金属片上的环形槽距离圆形金属片圆心的距离L2＝4-10mm，环形槽的宽度为W1＝0.2-1.5mm，三角形金属片上的通槽宽度W1＝0.2-1.5mm。

进一步的，三角形金属片、短路金属柱、圆形金属片、矩形接地板及同轴馈电部分均采用铜片制作。

进一步的，同轴馈电部分包括内芯和外壳，内芯穿过矩形接地板与三角形金属片连接，外壳设置在矩形接地板的底部；内芯的直径为D3＝1-1.5mm；外壳的内径D4为2.3倍的内芯直径，厚度t＝0.5-2mm。

进一步的，每个三角形金属片较长直角边的长度L1＝7-20mm，较短直角边的长度为H1＝6-15mm。

进一步的，短路金属柱采用圆柱形结构；短路金属柱的直径D1＝1-1.5mm，高度为H2＝7-16mm。

进一步的，圆形金属片的直径为D2＝14-40mm。

进一步的，同轴馈电部分的顶端与矩形接地板的之间的距离为fg＝0.5-1.5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，通过采用中心对称的设置的三角形金属片有效降低了天线的高度，在三角形金属板的上部设置圆形金属片实现了容性加载，在三角形金属片末端设置短路金属柱实现了感性加载，有效降低了天线的工作频率；采用全金属化结构，降低天线材料损耗，提高了天线的辐射效率；

进一步的，通过采用三个呈120°设置的三角形金属片有效减小了天线的重量并降低了天线的高度；

进一步的，通过在顶部金属圆盘上开环形槽，在天线结构内引入串联电容，进一步改善了天线的匹配性能；

进一步的，本发明提出了低剖面垂直极化超宽带全向天线的高度仅为最小工作波长的0.061倍，明显小于同频率的其他类型天线；天线的工作频率为2.4-13GHz，覆盖WLAN以及UWB全频段，在此频率范围内，天线的电压驻波比小于2；天线在工作频段内增益超过4dB，最大增益为8dB；天线采用全金属结构，损耗小，天线效率超过90％；天线结构简单，易于加工。

附图说明

图1是本发明所述的超宽带全向天线的整体结构示意图；

图2是本发明所述的超宽带全向天线的正视图；

图3是本发明所述的超宽带全向天线的俯视图；

图4是本发明所述的超宽带全向天线中的同轴馈电部分结构示意图；

图5是本发明的实施例1中S参数仿真结果图；

图6是本发明的实施例1中远场实际增益仿真结果图；

图7是本发明的实施例1中2.4GHz、6GHz、10GHz及13GHz时E面方向图；

图8是本发明的实施例1中2.4GHz、6GHz、10GHz及13GHz时H面方向图；

其中，1三角形金属片，2短路金属柱，3圆形金属片，4矩形接地板，5同轴馈电部分；11通槽，31环形槽，51内芯，52外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，包括若干三角形金属片1、短路金属柱2、圆形金属片3、矩形接地板4及同轴馈电部分5；三角形金属片1为直角三角形金属片，若干个直角三角形金属片的较短直角边竖直设置在同一轴线上，若干直角三角形金属片呈中心对称分布，相邻直角三角形金属片之间的夹角相同；直角三角形金属片较长直角边设置在上部，且在同一水平面；圆形金属片3设置在直角三角形金属片较长直角边上部，圆形金属片3上设置有环形槽31，环形槽31将圆形金属片3分隔为内部圆形金属片和外部圆环金属片；三角形金属板1上对应环形槽31设置有通槽11，通槽11将三角形金属片1分隔为远离直角三角形金属片直角边的三角形金属片和靠近直角三角形金属片直角边的梯形金属片；通槽11与环形槽31连通，通过在顶部金属圆盘上开环形槽，在天线结构内引入串联电容，改善天线的匹配性能；每个直角三角形金属片的较长直角边的端点处设置有短路金属柱2，短路金属柱2的上端与三角形金属片1连接，下端设置在矩形接地板4上；矩形接地板4非接触设置在三角形金属片1的底部；同轴馈电部分5设置在三角形金属片1较短直角边的下端点处；同轴馈电部分5包括内芯51和外壳52，内芯51为圆柱形结构，外壳52采用金属外壳；内芯51穿过矩形接地板4与三角形金属片1连接，外壳52设置在矩形接地板4的底部。

实施例1

参照附图1-4所示，本发明一种低剖面垂直极化全向天线，包括三个三角形金属片1、短路金属柱2、圆形金属片3、矩形接地板4及同轴馈电部分5，三个三角形金属片1包括三个完全相同直角三角形金属片，三个直角三角形金属片较短直角边竖直设置在同一轴线上；三个直角三角形金属片呈星状分布，相邻直角三角形金属片之间的夹角为120°；三个直角三角形金属片较长直角边设置在上部，且设置在同一平面；圆形金属片3设置在直角三角形金属片的较长直角边上部，圆形金属片3上设置有环形槽31；环形槽31将圆形金属片3分隔为内部圆形金属片和外部圆环金属片；三角形金属板1上对应环形槽31设置有通槽11，通槽11将三角形金属片1分隔为远离直角三角形金属片直角边的三角形金属片和靠近直角三角形金属片直角边的梯形金属片；通槽11与环形槽31连通；每个直角三角形金属片1较长直角边的端点处设置有短路金属柱2；短路金属柱2采用圆柱形结构，短路金属柱2的上端与三角形金属片1连接，下端设置在矩形接地板4上；矩形接地板4非接触设置在三角形金属片1的底部；同轴馈电部分5设置在三个直角三角形金属片较短直角边的下端点处；同轴馈电部分5包括内芯51和外壳52，内芯51为圆柱形结构，外壳52采用金属外壳；

三角形金属片1、短路金属柱2、圆形金属片3、矩形接地板4及同轴馈电部分5均采用金属铜片制作。

上述实施例中直角三角形金属片较长直角边的长度L1＝7.9mm，较短直角边的长度H1＝7.5mm；短路金属柱2的直径D1＝1.2mm，高度为H2＝8.5mm；圆形金属片3的直径D2＝15.8mm，圆形金属片3上的环形槽31距离圆形金属片1圆心的距离L2＝7mm，环形槽31的宽度为W1＝1mm，三角形金属片1上的通槽宽度W2＝1mm；矩形接地板4采用正方形金属接地板，正方形金属接地板的边长为L3＝120mm；同轴馈电部分5的顶端与矩形接地板4的距离为fg＝1mm，同轴馈电部分5的内芯直径D3＝1.2mm，外壳51内径为D4为2.3倍的内芯直径，厚度为t＝1mm。

本发明天线的工作频率为2.4-13GHz，并在该频率范围内实现垂直极化，水平全向辐射模式。

参考附图5所示，给出了本发明实施例1所述的超宽带全向天线S参数仿真结果。可以看出，本发明的超宽带全向天线在2.4GHz-13GHz的范围内，S11小于-10dB，即电压驻波比小于2:1，相对带宽达到138％；工作频段覆盖WLAN和UWB全频段，天线高度仅为最低工作波长的0.061倍。

参考附图6所示，给出了本发明实施例1所述的超宽带全向天线远场增益的仿真结果。可以看出，在工作频段内，本发明的超宽带全向天线的最大增益为4-8dB；在13GHz时，本发明的超宽带全向天线的最大增益可以达到8dB，天线效率均在90％以上；

参考附图7所示，给出了本发明实施例1所述的超宽带全向天线在2.4GHz、6GHz、10GHz及13GHz不同频率处的E面方向图。可以看出，本发明的超宽带全向天线辐射方式类似于放置在有限大地平面上的垂直极化单极子天线，具有“8”字形状的E面方向图。

参考附图8所示，给出了本发明实施例1所述的超宽带全向天线在2.4GHz、6GHz、10GHz及13GHz不同频率处的H面方向图。可以看出，本发明的超宽带全向天线在水平方向上是全向辐射的，随着频率的升高，天线的电尺寸增加，水平方向辐射的不圆度也随之增加；但在2.4-10.4GHz的范围内，水平方向不圆度始终小于3dB。

实施例2

直角三角形金属片较长直角边的长度L1＝7mm，较短直角边的长度H1＝6mm；短路金属柱2的直径D1＝1mm，高度为H2＝7mm；圆形金属片3的直径D2＝14mm，圆形金属片3上的环形槽31距离圆形金属片1圆心的距离L2＝7mm，环形槽31的宽度为W1＝0.2mm，三角形金属片1上的通槽宽度W1＝0.2mm；矩形接地板4采用正方形金属接地板，正方形金属接地板的边长为L3＝100mm；同轴馈电部分5的顶端与矩形接地板4的距离为fg＝0.5mm，同轴馈电部分5的内芯直径D3＝1mm，外壳51的内径D4为2.3倍的内芯直径，厚度为t＝0.5mm。

实施例3

直角三角形金属片较长直角边的长度L1＝20mm，较短直角边的长度H1＝15mm；短路金属柱2的直径D1＝1.5mm，高度为H2＝16mm；圆形金属片3的直径D2＝40mm，圆形金属片3上的环形槽31距离圆形金属片1圆心的距离L2＝10mm，环形槽31的宽度为W1＝1.5mm，三角形金属片1上的通槽宽度W1＝1.5mm；矩形接地板4采用正方形金属接地板，正方形金属接地板的边长为L3＝200mm；同轴馈电部分5的顶端矩形接地板4的距离为fg＝1.5mm，同轴馈电部分5的内芯直径D3＝1.5mm，外壳51的内径D4为2.3倍的内芯直径，厚度为t＝2mm。

本发明采用全金属化结构，降低天线材料损耗，提高了天线的辐射效率；实施例1-3中将传统的单锥天线设置为三个呈120°放置的三角形金属片，有效地减小了天线的重量并降低了天线的高度；通过在顶部加载金属圆盘(容性加载)以及在三角形金属片末端加载金属过孔(感性加载)，可以有效地降低天线的工作频率。

天线的尺寸与工作频率密切相关，在频率较低时，波长较长，对应的天线尺寸也会增加；在实际情况中受到空间等因素的限制，天线的尺寸往往不能太大，因此其辐射电阻将大大地降低；通过容性加载和感性加载，可以延长电流回路，改善电流分布，从而提高辐射电阻，改善天线在低频时的匹配；通过在顶部金属圆盘上开环形槽，在天线结构内引入串联电容，可以进一步改善天线的匹配性能。

Claims (10)

1.一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，包括若干三角形金属片(1)、短路金属柱(2)、圆形金属片(3)、矩形接地板(4)及同轴馈电部分(5)；三角形金属片(1)为直角三角形金属片，若干直角三角形金属片的较短直角边竖直设置在同一轴线上；若干直角三角形金属片呈中心对称分布，相邻直角三角形金属片之间的夹角相同；直角三角形金属片较长直角边设置在上部，且在同一水平面；圆形金属片(3)设置在直角三角形金属片较长直角边上部；每个直角三角形金属片较长直角边的端点处设置有短路金属柱(2)，短路金属柱(2)的上端与三角形金属片(1)连接，下端设置在矩形接地板(4)上；矩形接地板(4)非接触设置在三角形金属片(1)的底部；同轴馈电部分(5)设置在三角形金属片(1)较短直角边的下端点处。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，若干三角形金属片(1)采用三个完全相同直角三角形金属片，三个直角三角形金属片较短直角边竖直设置在同一轴线上，三个直角三角形金属片呈中心对称分布，相邻直角三角形金属片之间的夹角为120°。

3.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，圆形金属片(3)上设置有环形槽(31)，三角形金属板(1)上对应环形槽(31)设置有通槽(11)，通槽(11)与环形槽(31)连通。

4.根据权利要求3所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，圆形金属片(3)上的环形槽(31)距离圆形金属片(1)圆心的距离L2＝4-10mm，环形槽(31)的宽度为W1＝0.2-1.5mm，三角形金属片(1)上的通槽(11)宽度W1＝0.2-1.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，三角形金属片(1)、短路金属柱(2)、圆形金属片(3)、矩形接地板(4)及同轴馈电部分(5)均采用铜片制作。

6.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，同轴馈电部分(5)包括内芯(51)和外壳(52)，内芯(51)穿过矩形接地板(4)与三角形金属片(1)连接，外壳(52)设置在矩形接地板(4)的底部；内芯(51)的直径为D3＝1-1.5mm；外壳(52)的内径D4为2.3倍的内芯直径，厚度t＝0.5-2mm。

7.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，每个三角形金属片(1)较长直角边的长度L1＝7-20mm，较短直角边的长度为H1＝6-15mm。

8.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，短路金属柱(2)采用圆柱形结构；短路金属柱(2)的直径D1＝1-1.5mm，高度为H2＝7-16mm。

9.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，圆形金属片(3)的直径为D2＝14-40mm。

10.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其特征在于，同轴馈电部分(5)的顶端与矩形接地板(4)的之间的距离为fg＝0.5-1.5mm。