CN110224230A - 一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，包括全向振子天线和腔体反射器，所述全向振子天线为全向宽带振子天线或全向超宽带振子天线；腔体反射器位于全向振子天线下方，为一个导体制成的上开口容器。该方案将反射物体从平板更换为腔体结构，那么全向天线向天线下方辐射的电磁能量经腔体结构反射回来与向天线上方辐射的电磁能量在一定频带内总是能产生同相叠加的效果，这就增加了天线的增益带宽，可以实现较大带宽内具有很好的增益平坦度。

Description

一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线

技术领域

本发明涉及振子天线技术领域，尤其涉及加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线。

背景技术

微带天线具有重量轻、体积小、剖面低、成本低、易于加工等优点，目前在通信雷达等领域得到了广泛应用。另一方面，微带天线的阻抗带宽较窄，普通微带天线的阻抗带宽仅为0.6％-3％左右，无法满足很多通信雷达的需求，因此，展宽微带天线的阻抗带宽具有十分重要的意义。

随着科技的发展，超宽带技术作为一种无线通信技术，拥有广泛的应用前景。目前超宽带天线以全向天线居多，且具有增益低，随着频率的变化方向图很不稳定的特点。在雷达技术等领域，为了保证通信的保密性和抗干扰能力，这需要天线具有定向辐射特性。

现有技术一般采用在全向振子天线下方设置反射板的方式来反射电磁波，从而实现定向辐射特性。但是反射板的位置不可变，对于不同频率的电磁波其增益浮动会很大。如果将反射板设计为位置可变，则需要增加机械结构，增大天线体积和结构复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，能够实现定向辐射，而且保证天线在宽频带内工作的同时，具有较好的增益平坦度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，包括全向振子天线和腔体反射器，所述全向振子天线为全向宽带振子天线或全向超宽带振子天线；腔体反射器位于全向振子天线下方，为一个导体制成的上开口容器。

优选地，设腔体反射器的高度为h3，腔体反射器开口平面与宽带振子天线的间距为h2，h2和h3之和为天线覆盖带宽的中心频率对应的自由空间半波长。

优选地，腔体反射器采用长方形腔体。

优选地，腔体反射器的纵向轴线与振子天线上过馈电点的轴线重合。

优选地，所述长方形腔体的底面和4个侧面厚度相同。

优选地，所述全向振子天线采用平板结构，由介质基板、金属地板、辐射贴片和微带馈线构成；金属地板覆于介质基板的底层，位于介质基板一边缘B；辐射贴片和微带馈线连接在一起，覆于介质基板的顶层，位于介质基板的所述边缘B。

优选地，所述辐射贴片的长L1和宽W1、金属地板的长根据天线的驻波比曲线进行调整。

优选地，所述全向振子天线和所述腔体反射器之间由位于边角的介质支撑柱进行连接和固定。

有益效果：

(1)全向天线能够均匀地向自由空间辐射电磁能量，全向天线向天线下方辐射的电磁能量经金属反射器反射回来与向天线上方辐射的电磁能量叠加，如果能达到同相叠加的效果，则天线会具有较高的增益。如果采用固定深度的反射面结构，由于不同频率的电磁波其波长是不同的，因此不同频率的电磁波经反射面反射回来能够达到的相位偏移是不同的，所以对于超宽带天线，在某些频点上同相叠加而在某些频点上会反相相消，增益平缓度很差，因此平板反射器只适用于窄带天线。

本发明在原有全向宽带振子天线的基础上，对天线结构进行改造，引入了腔体反射器，即在全向天线的下方增加一个上开口腔体。该方案将反射物体从平板更换为腔体结构，采用腔体反射器，全向天线向天线下方辐射的电磁能量经腔体结构反射回来与向天线上方辐射的电磁能量在一定频带内总是能产生同相叠加的效果，这就增加了天线的增益带宽，可以实现较大带宽内具有很好的增益平坦度。因此，本发明方案可以有效地增强天线的定向辐射特性，提高天线的增益和方向图的稳定性；并且相对于普通微带天线，它具有和普通微带天线近似的定向辐射特性和增益，且具有远远优于普通微带天线的阻抗带宽。

(2)腔体反射器采用长方形腔体，便于制造，结构牢固不易变形，容易安装，便于组阵；在一优选实施例中，长方形腔体的底面和4个侧面厚度相同，有益于方向图的稳定性。

(3)本发明腔体反射器的纵向轴线与振子天线上过馈电点的轴线重合，使得天线的主波束指向为天顶方向。

(4)全向振子天线采用平板结构，金属地板覆于介质基板的底层，辐射贴片和微带馈线覆于介质基板的顶层，有益于缩小天线尺寸，主辐射体采用贴片型式，有益于降低制造成本，振子天线的输入阻抗比较接近微波网络的特性阻抗，有益于布阵时馈电网络的设计。

(5)本发明实施例通过调节辐射贴片与腔体反射器的距离，腔体反射器的尺寸，腔体反射器的高度h3、介质板与腔体反射器的距离h2之和为天线覆盖带宽的中心频率对应的自由空间半波长左右时，远场方向图的增益较高，且方向图较为稳定。本发明给出具体尺寸的优选实施例能够实现天线在52.8％的带宽内，驻波比小于等于2，并且能够产生定向辐射，增益大于6dB，最大增益达到7.47dB。

附图说明

图1(a)是本发明的天线结构示意图，图1(b)是俯视图，图1(c)是左视图；

图2是本发明的驻波比仿真结果；

图3是本发明在Phi＝0°、Theta＝0°的空间角度下带宽内的增益仿真结果；

图4(a)是本发明在频率为3GHz，Phi＝0°和90°的增益方向图仿真结果；

图4(b)是本发明在频率为4GHz，Phi＝0°和90°的增益方向图仿真结果；

图4(c)是本发明在频率为5GHz，Phi＝0°和90°的增益方向图仿真结果；

其中，1-腔体反射器，2-介质基板，3-微带馈线，4-辐射贴片，5-金属地板，6-介质支撑柱，L-介质基板长度、腔体反射器长度，W-介质基板宽度、腔体反射器宽度、金属地板宽度，L1-辐射贴片长度，W1-辐射贴片宽度，L2-微带馈线长度，W2-微带馈线宽度，L3-金属地板长度，d-介质支撑柱直径、腔体反射器厚度，h1-介质基板厚度，h2-介质板与腔体反射器的距离、介质支撑柱高度，h3-腔体反射器高度。

具体实施方式

本发明提供了一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其基本思想是：在全向宽带振子天线下方，增加一个腔体反射器；该腔体反射器是一个由导体制成的上开口的容器。该方案将反射物体从平板更换为腔体结构，全向天线向天线下方辐射的电磁能量经腔体结构反射回来与向天线上方辐射的电磁能量在一定频带内总是能产生同相叠加的效果，这就增加了天线的增益带宽，可以实现较大带宽内具有很好的增益平坦度。

该方案可以采用空气作为介质。在实际中，还可以在腔体内填入其他物质作为介质，如介电常数为4.4的FR4介质，从而能够减小天线的尺寸，便于布阵。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1为本发明加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，如图1所示，本发明天线分为两部分，上层为带宽1％-25％的全向宽带振子天线或者带宽大于25％的全向超宽带振子天线，用于向空间产生电磁辐射。下面以全向超宽带振子天线为例进行描述。下层为腔体反射器1，用于反射电磁能量，使天线整体产生定向辐射。腔体反射器位于全向超宽带振子天线下方，不与全向超宽带振子天线接触。

腔体反射器1为一个上开口的容器。腔体反射器的纵向轴线与振子天线上过馈电点的轴线重合，从而保证天线的主波束指向为天顶方向；腔体反射器采用长方形腔体，其结构对称，便于制造，结构牢固不易变形，容易安装，便于做成阵列；腔体反射器材料可以选用金属铜或者其他导体材料。本实施中，长方形腔体的底面和四壁的厚度相同，均为d(参见图2)。

全向超宽带振子天线采用平板结构，由介质基板2、金属地板5、辐射贴片4和微带馈线3构成。采用平板结构能够缩小天线整体的体积，主辐射体采用贴片型式，有益于降低制造成本，振子天线的输入阻抗比较接近微波网络的特性阻抗，有益于布阵时馈电网络的设计。其中，介质基板2的材料是介电常数为2.2的Rogers5880；金属地板5是长条形，材料可以选用金属铜，覆于介质基板的底层，位于介质基板一个长边L的下边缘，由图1(b)可清晰见得；辐射贴片4和微带馈线3的材料是金属铜，覆于介质基板的顶层，微带馈线和辐射贴片相连接，并且微带馈线和辐射贴片的中点相连接，微带馈线和辐射贴片位于介质基板宽边W的中心和长边L的下边缘。从俯视图(图1b)上看，辐射贴片与金属地板之间具有间隙ΔL；ΔL＝L2-L3，L2为在介质基板平面上所述长边L的下边缘到辐射贴片的距离，L3为金属地板的长度。

上层介质基板和下层腔体反射器之间由四个介质支撑柱6相互连接，介质支撑柱起连接和固定作用，介质支撑柱的材料是介电常数为4.4的FR4，位于介质基板和腔体反射器的四角。这里介质支撑柱的直径与腔体反射器厚度相同，为d。

根据振子天线理论和实践经验，本发明首先设计了上层全向超宽带振子天线，采用50欧姆的微带馈线进行馈电。仿真优化过程中发现，辐射贴片的长L1和宽W1对天线的上下限截止频率有着较明显的影响，金属地板和辐射贴片之间的耦合缝隙对天线的驻波比有着较明显的影响。此类全向超宽带天线带宽较宽，但是增益较低，对于雷达系统等设备，无法满足保密、抗干扰等需求，因此基于此类全向超宽带天线设计了加腔体反射器的高增益超宽带定向振子天线。通过加腔体反射器，可以增强天线的方向性，达到高增益的定向辐射效果。

本文进一步通过软件仿真的方法优化，优化的参数有腔体反射器的高度、介质板与腔体反射器的距离、辐射贴片的长宽、金属地板的长。首先，调节腔体反射器的高度、介质基板与腔体反射器的距离h2，通过观察天线的远场方向图从而确定一个较为合理的腔体反射器的高度、介质板与腔体反射器的距离，仿真结果表明腔体反射器的高度h3、介质板与腔体反射器的距离h2之和为天线覆盖带宽的中心频率对应的自由空间半波长左右时，远场方向图的增益较高，且方向图较为稳定；其次，加入腔体反射器后天线的驻波比曲线会发生一定的变化，通过调节辐射贴片的长L1和宽W1、金属地板的长可以对天线的驻波比进行调整，获得性能良好的优化结果。

下表1为经上述优化得到的本发明加腔体反射器的高增益超宽带定向振子天线结构尺寸。

表1

单位(mm)

参见表1，介质基板结构为长方体，长L宽W高h1分别为40mm、40mm、1mm；金属地板材料是金属铜，结构为长方体，长L3宽W高分别为8mm、40mm、0.035mm；辐射贴片材料是金属铜，结构为长方体，长L1宽W1高分别为17.5mm、20.5mm、0.035mm；微带馈线材料是金属铜，结构为长方体，长L2宽W2高分别为9mm、3.3mm、0.035mm。支撑柱的结构为圆柱体，直径d和高h2分别为2mm、8mm。腔体反射器材料是金属铜，结构为长方体金属空腔，具体为在长宽高分别为40mm、40mm、30mm的实心长方体中心挖去一个长宽高分别为36mm、36mm、28mm的长方体，四壁以及底面的厚度均为2mm。

图2是天线的驻波比曲线，结果表明，在2.98-5.12GHz，相对带宽52.8％的带宽内满足驻波比小于等于2，满足超宽带特性；图3是在Theta＝0°，Phi＝0°的空间角度下带宽内的增益曲线，结果表明，在2.98-5.12GHz的带宽内，增益总体大于6dB，最高增益达到7.47dB，满足高增益特性；图4(a)、图4(b)、图4(c)分别对应在3GHz、4GHz、5GHz三个频点下的E面增益方向图和H面增益方向图，结果表明，天线具有良好的定向辐射特性，方向图稳定性较好，增益较高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，包括全向振子天线和腔体反射器，所述全向振子天线为全向宽带振子天线或全向超宽带振子天线；腔体反射器位于全向振子天线下方，为一个导体制成的上开口容器。

2.如权利要求1所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，设腔体反射器的高度为h3，腔体反射器开口平面与宽带振子天线的间距为h2，h2和h3之和为天线覆盖带宽的中心频率对应的自由空间半波长。

3.如权利要求1所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，腔体反射器采用长方形腔体。

4.如权利要求3所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，腔体反射器的纵向轴线与振子天线上过馈电点的轴线重合。

5.如权利要求3所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，所述长方形腔体的底面和4个侧面厚度相同。

6.如权利要求1所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，所述全向振子天线采用平板结构，由介质基板、金属地板、辐射贴片和微带馈线构成；金属地板覆于介质基板的底层，位于介质基板一边缘B；辐射贴片和微带馈线连接在一起，覆于介质基板的顶层，位于介质基板的所述边缘B。

7.如权利要求6所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，所述辐射贴片的长L1和宽W1、金属地板的长根据天线的驻波比曲线进行调整。

8.如权利要求1所述的加腔体反射器的高增益宽带定向振子天线，其特征在于，所述全向振子天线和所述腔体反射器之间由位于边角的介质支撑柱进行连接和固定。