CN110034387A - 水平全向辐射特性的垂直极化天线 - Google Patents

水平全向辐射特性的垂直极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水平全向辐射特性的垂直极化天线，包括辐射圆形贴片结构(1)和地板引向结构(2)；所述辐射圆形贴片结构(1)包括圆形贴片天线(3)；所述地板引向结构(2)包括一个或多个圆环(5)；所述一个或多个圆环(5)和圆形贴片天线(3)同心设置，并且圆环(5)的内径不小于圆形贴片天线(3)的外径。本发明具有水平全向垂直极化辐射特性，天线剖面较低，具有一定工作带宽，‑10dB带宽800M(11.2GHz‑12.0GHz)，带内增益大于1.5dB，最高可达1.83dB。

Description

水平全向辐射特性的垂直极化天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种水平全向辐射特性的垂直极化天线，尤其涉及一种水平全向辐射特性的低剖面垂直极化天线。
背景技术
由于在实际运用中，根据不同角度入射信号(发射信号)的方向，接收天线(发射天线)需要调整到所需的角度来接收信号(发射信号)，且定向天线具有比全向天线更 高的增益。但一般的定向天线扫描范围较小，目前使用较多的微带平面相控阵天线只能 限制在有限的区域内(最佳为单元正方向±45度范围)，在军，民等运用上这一缺点是 还需改进的，且由于水平极化对天线的方位，摆放位置要求较高，极容易造成极化损失， 尤其对于移动电台设备，随着设备移动，电台对于调频广播的方位在不断变化，无法时 刻保持天线水平对准电台方向，相比之下，垂直极化就非常简单了，只要将电台天线垂 直摆放便可以同电台天线保持平行。
经文献检索，Juhua Liu，Quan Xue等人2013年在IEEE Trans.Antennas AndPropagation.(天线与传播)期刊上发表的文章“Design and Analysis of a Low-Profileand Broadband Microstrip Monopolar Patch Antenna”(“低剖面宽带微带单极子天线的设计与分析”)提出了一种全向低剖面垂直极化天线，虽然剖面高度约为0.024λ0，相 对带宽约为18％，天线的横向尺寸为0.36λ0，但该天线依旧未解决θ＝90°全向辐射问题， 天线的辐射方向约为θ＝35°.在全向水平辐射环境中难以运用给使用者造成不便。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水平全向辐射特性的垂直极化天线。
根据本发明提供的一种水平全向辐射特性的垂直极化天线，包括辐射圆形贴片结构和地板引向结构；
所述辐射圆形贴片结构包括圆形贴片天线；
所述地板引向结构包括一个或多个圆环；
所述一个或多个圆环和圆形贴片天线同心设置，并且圆环的内径不小于圆形贴片天 线的外径。
优选地，所述圆形贴片天线包括导电圆柱、圆形贴片第一表面以及圆形贴片第二表面；所述导电圆柱一端与圆形贴片第一表面相连，另一端与圆形贴片第二表面相 连。
优选地，所述圆形贴片第一表面的半径与圆形贴片第二表面的半径不同。
优选地，所述圆形贴片第一表面和圆形贴片第二表面同心平行设置，圆形贴片第一表面所在的平面和圆形贴片第二表面所在的平面间的距离不小于导电圆柱的高；
多个所述导电圆柱与所述圆形贴片第一表面相连的一端到所述圆形贴片第一表面圆心处的距离相等，即多个所述导电圆柱与所述圆形贴片第一表面相连的一端设 置在同一个圆环上，这一圆环的半径不大于圆形贴片第一表面的半径和/或圆形贴 片第二表面的半径，并且多个所述导电圆柱在这一圆环上均匀分布。
优选地，一个或多个圆环与圆形贴片第一表面或者圆形贴片第二表面共面设置。
优选地，多个所述圆环间隔设定的相同或不同的距离设置。
优选地，所述水平全向辐射特性的垂直极化天线还包括射频接头；所述设置在圆形贴片天线上作为射频馈电端口。
优选地，所述圆形贴片第一表面和圆形贴片第二表面通过导电圆柱短路相接。
优选地，所述圆形贴片第一表面或者圆形贴片第二表面接地。
优选地，所述圆形贴片第一表面或和圆形贴片第二表面间还设置有填充介质。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线，具有结构简单、效率较高、增益效果好的优点；
2、本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线，相较于传统垂直极化天线，剖面较低且具有良好的垂直极化特性；
3、本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线，可实现水平面的全向辐射特性，且全向辐射特性良好；
4、本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线，类同轴阻抗匹配端口可以直接连SMA头，方便连接使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线的示意图；
图2为本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线的分解示意图；
图3为本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线沿直角坐标系x-z平面 的剖视示意图；
图4为本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线沿直角坐标系x-y平面 的剖视示意图；
图5为本发明提供的水平全向辐射特性的垂直极化天线的优选例仿真得到的谐振频率下的方向示意图；
图中示出：
辐射圆形贴片结构1
地板引向结构2
圆形贴片天线3
导电圆柱4
圆环5
圆形贴片第一表面6
圆形贴片第二表面7
射频接头8
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种水平全向辐射特性的垂直极化天线，包括辐射圆形贴片结构1和地板引向结构2；所述辐射圆形贴片结构1包括圆形贴片天线3；所述地板引向 结构2包括一个或多个圆环5；所述一个或多个圆环5和圆形贴片天线3同心设置，并 且圆环5的内径不小于圆形贴片天线3的外径。所述圆形贴片天线3包括导电圆柱4、 圆形贴片第一表面6以及圆形贴片第二表面7；所述导电圆柱4一端与圆形贴片第 一表面6相连，另一端与圆形贴片第二表面7相连。所述圆形贴片第一表面6的半 径与圆形贴片第二表面7的半径不同。所述圆形贴片第一表面6和圆形贴片第二表 面7同心平行设置，圆形贴片第一表面6所在的平面和圆形贴片第二表面7所在的 平面间的距离不小于导电圆柱4的高；多个所述导电圆柱4与所述圆形贴片第一表 面6相连的一端到所述圆形贴片第一表面6圆心处的距离相等，即多个所述导电圆 柱4与所述圆形贴片第一表面6相连的一端设置在同一个圆环上，这一圆环的半径 不大于圆形贴片第一表面6的半径和/或圆形贴片第二表面7的半径，并且多个所述 导电圆柱4在这一圆环上均匀分布。一个或多个圆环5与圆形贴片第一表面6或者 圆形贴片第二表面7共面设置。多个所述圆环5间隔设定的相同或不同的距离设置。 所述水平全向辐射特性的垂直极化天线还包括射频接头8；所述设置在圆形贴片天线 3上作为射频馈电端口。所述圆形贴片第一表面6和圆形贴片第二表面7通过导电圆 柱4短路相接。所述圆形贴片第一表面6或者圆形贴片第二表面7接地。所述圆形 贴片第一表面6或和圆形贴片第二表面7间还设置有填充介质。
具体地，本发明的优选例提供了一种底部馈电的水平全向辐射的低剖面垂直极化全 向天线，包括：辐射圆形贴片结构1和地板引向结构2。所述辐射圆形贴片结构1为一 圆形贴片天线3，圆形贴片，即圆形贴片第一表面6通过数根金属短路柱，即导电圆 柱4沿周向短路放置，圆形贴片地板，即圆形贴片第二表面7的圆周中心连接SMA馈 电结构，即射频接头8直接进行馈电，地板引向结构2为以圆形贴片金属地，即圆形 贴片第二表面7的圆心为圆周中心沿径向同心放置的圆环5。本发明的优选例具有水平 全向垂直极化辐射特性，天线剖面较低，具有一定工作带宽，-10dB带宽800M (11.2GHz-12.0GHz)，带内增益大于1.5dB，最高可达1.83dB。
更具体地，本发明优选例的导电圆柱4沿周向分布，导电圆柱4的多少与谐振带宽有关。当使用地板引向结构2时天线辐射水平全向垂直极化天线，当使用完整地板时天 线辐射锥形全向垂直极化。
进一步地，针对现有技术中的缺陷，本发明优选例的目的是提供一种具有一定工作 带宽，且具有水平全向辐射特性的低剖面垂直极化天线。该天线-10dB带宽达到6.9％，带内水平增益大于1.5dB，最高增益达1.82dB。
为达到上述目的，本发明优选例所采用的技术方案如下：
一种底部馈电的水平全向辐射的低剖面垂直极化全向天线，包括：辐射圆形贴片结 构1、地板引向结构2，其中所述地板引向结构2为非连续性径向发散(收缩)电流分 布缺陷地板结构。所述辐射圆形贴片结构1为一圆形贴片天线3，圆形贴片通过数根金 属短路柱沿周向短路放置，圆形贴片地板圆周中心连接SMA馈电结构直接进馈电，地板 引向结构2为以圆形贴片金属地的圆心为圆周中心沿径向同心放置的圆环5。所述辐射 圆形贴片结构1包括辐射圆形贴片天线的上部圆形贴片，即圆形贴片第一表面6、下部 完整金属地，即圆形贴片第二表面7、金属短路柱，即导电圆柱4以及填充介质。金 属短路柱沿圆形贴片第一表面6周向放置且将圆形贴片第一表面6与完整金属地连接。 所述地板引向结构2为一系列同心圆环5，各圆环5之间相隔一段距离。所述底部馈电 的水平全向辐射的低剖面垂直极化全向天线为圆轴对称结构。
更进一步地，请同时参阅图1～图4，天线辐射圆形贴片结构1，传统圆形贴片天线上表面圆片，即圆形贴片第一表面6为金属，厚度为0.035mm，直径12mm，传统圆形 贴片天线金属地，即圆形贴片第二表面7为金属，厚度为0.035mm，直径42mm，在传 统圆形贴片天线上表面圆片圆周出放置九根导电圆柱4，金属材质的导电圆柱4连接圆 形贴片第一表面6和圆形贴片第二表面7，导电圆柱4直径为0.43mm，高为3.1mm， 导电圆柱4的高度即为天线的高度。传圆形贴片第一表面6和圆形贴片第二表面7 间填充介质，该介质为Rogers RO4350B(loss free)，介电常数为3.48，圆形贴片天 线直接与SMA接头作为射频接头8连接进行射频激励。在圆形贴片第二表面7外放置 以下表面圆心为中心，向外呈一定规律发散的同心金属圆环5，各金属圆环宽度为0.92mm， 金属圆环与传统天线下表面相距0.93mm，各金属圆环之间相距0.93mm。
本发明波束扫描的工作原理如下：
图1～图4所示，本发明所提供的底部馈电的水平全向辐射的低剖面垂直极化全向天线，射频激励从底端的SMA头馈入，由于SMA头位于圆形贴片天线对称中心，射频激 励在圆形贴片第一表面6和圆形贴片第二表面7形成沿圆心向半径方向扩散的径向电 流，且圆形贴片第一表面6和圆形贴片第二表面7径向电流方向相反，此时引入导电 圆柱4将圆形贴片第一表面6和圆形贴片第二表面7相连接，则可以引入一个垂直电 流分量，该垂直电流分量与单极子天线工作模式相同，但导电圆柱4的高度相较于传统 单极子天线降低许多。但由于圆形贴片第二表面7的影响，只加入导电圆柱4，虽然 可以形成全向的垂直极化，但天线的辐射方向图为以锥形波束，在水平全向波束运用环 境中有很大的限制。观察当单极子天线放置于地板上，地板上的感应电流是四散发射的， 根据镜像法，地板上的感应电流可以类比为一同向的单极子天线，在地板上半空间具有 类似的辐射方向图。故四散发射的电流分布是可以类比为垂直的单极子天线，但由于地 板的有限性，四散发射的电流依旧形成锥形波束，并不能达到想要的水平辐射特性，故 将连续性的发散电流离散化以形成水平辐射方向图。在圆形贴片第二表面7外放置同 心圆环5，圆形贴片第二表面7经过耦合在同心金属圆环上耦合出四散的非连续性电流， 且同心金属圆环是离散化的，金属圆环上的电流是离散递减分布的。
如图5所示本实施例的仿真得到的谐振频率下的方向图，从图中可以看出，辐射主方向位于水平面，即θ＝90°，且由于天线是圆周对称模型，天线的全向辐射特性良好。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的 限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，包括辐射圆形贴片结构(1)和地板引向结构(2)；
所述辐射圆形贴片结构(1)包括圆形贴片天线(3)；
所述地板引向结构(2)包括一个或多个圆环(5)；
所述一个或多个圆环(5)和圆形贴片天线(3)同心设置，并且圆环(5)的内径不小于圆形贴片天线(3)的外径。
2.根据权利要求1所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述圆形贴片天线(3)包括导电圆柱(4)、圆形贴片第一表面(6)以及圆形贴片第二表面(7)；所述导电圆柱(4)一端与圆形贴片第一表面(6)相连，另一端与圆形贴片第二表面(7)相连。
3.根据权利要求2所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述圆形贴片第一表面(6)的半径与圆形贴片第二表面(7)的半径不同。
4.根据权利要求2所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述圆形贴片第一表面(6)和圆形贴片第二表面(7)同心平行设置，圆形贴片第一表面(6)所在的平面和圆形贴片第二表面(7)所在的平面间的距离不小于导电圆柱(4)的高；
多个所述导电圆柱(4)与所述圆形贴片第一表面(6)相连的一端到所述圆形贴片第一表面(6)圆心处的距离相等，即多个所述导电圆柱(4)与所述圆形贴片第一表面(6)相连的一端设置在同一个圆环上，这一圆环的半径不大于圆形贴片第一表面(6)的半径和/或圆形贴片第二表面(7)的半径，并且多个所述导电圆柱(4)在这一圆环上均匀分布。
5.根据权利要求2所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，一个或多个圆环(5)与圆形贴片第一表面(6)或者圆形贴片第二表面(7)共面设置。
6.根据权利要求5所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，多个所述圆环(5)间隔设定的相同或不同的距离设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述水平全向辐射特性的垂直极化天线还包括射频接头(8)；所述设置在圆形贴片天线(3)上作为射频馈电端口。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述圆形贴片第一表面(6)和圆形贴片第二表面(7)通过导电圆柱(4)短路相接。
9.根据权利要求8所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述圆形贴片第一表面(6)或者圆形贴片第二表面(7)接地。
10.根据权利要求8所述的水平全向辐射特性的垂直极化天线，其特征在于，所述圆形贴片第一表面(6)或和圆形贴片第二表面(7)间还设置有填充介质。
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