CN110350308B - 一种超宽带低剖面垂直极化全向天线及其陷波设计方法 - Google Patents

一种超宽带低剖面垂直极化全向天线及其陷波设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带低剖面垂直极化全向天线及其陷波设计。超宽带低剖面垂直极化全向天线，包括平顶金属板、直角形馈电结构、梯形短路结构、寄生金属柱、金属地；天线为倒“F”型的非对称结构，相对于传统的对称结构的超宽带全向天线，能够实现更小的天线口径；天线的直角形馈电结构能够实现超宽带阻抗特性，能实现小型化；天线的梯形短路结构能够实现天线的阻抗匹配和低剖面特性；天线内置的两个寄生金属柱，能够改善天线高频段的辐射全向特性。天线的陷波设计，通过在平顶金属板与天线的其他结构的连接处引入一个开口缝隙，在宽频带天线中引入了阻带。本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线及其陷波设计，分别适用于UWB和WLAN的小型化应用。

Description

一种超宽带低剖面垂直极化全向天线及其陷波设计方法
技术领域
本发明涉及天线工程领域，具体涉及一种超宽带低剖面垂直极化全向天线，及其具有陷波特性的天线设计。
背景技术
由于超宽带(UWB)天线能够在很宽的频带内有效地辐射，并在整个工作频段内表现出一致的辐射特性，因此在无线通信、传感、雷达系统和微波成像等领域得到了广泛的应用。超宽带天线的物理尺寸通常非常大，因为超宽带天线的尺寸主要由其最低工作频率决定。此外，在HF、VHF和UHF频段的军事通信等一些低频应用中，需要具有垂直极化辐射模式的 UWB天线，即类似单极子的辐射模式。在这些小型化应用中，低剖面和小体积极其重要。
单极子天线可以采用平顶加载和周边短路探针加载，来实现超宽带性能。H.Nakano等人在IEEE Trans.Antennas Propag.,(vol.56,no.4,pp.1187–1192,April.2008)上发表的题为“A wideband low-profile antenna composed of aconducting body of revolution and a shorted parasitic ring”中介绍了一种低剖面超宽带天线，该天线在147％的带宽内驻波比小于2，该天线类似单极子天线，上端加载一个圆形金属片和环形金属片，环形金属片通过4个短路探针连接在地板上。J.Zhao等人在IEEETrans.Antennas Propag.,(vol.60,no.12,pp.5578–5586,Dec.2012.) 上发表了题为“Design optimization of a low-profile UWB body-of-revolution monopoleantenna”的文章，系统的研究了body-of-revolution(BoR)形式的单极子天线设计过程，不过这种BoR 单极子依赖于进化算法，造型特别，不易加工。Adel Elsherbini等人在IEEEAntennas& Wireless Propag.Letters(vol.10,pp.800–803,2011)发表了“Very low-profile top-loaded UWB coupled sectorial loops antenna”一文，该天线馈电结构采用倒三角形结构，顶部同样是圆形金属片与环形金属片加载，通过短路探针连接到地板上。以上这些超宽带天线，虽然带宽达到了要求，但是单天线结构的天线在高频频段的方向图容易出现波束上翘和波束分裂等现象。
Nader Behdad等人在IEEE Antennas&Wireless Propag.Letters(vol.12,pp.280–283,2013) 发表了“A very low-profile,omnidirectional,ultrawidebandantenna”一文，该天线顶部利用矩形金属板加载，馈电结构和短路加载结构采用倾斜倒三角形结构，将剖面高度降至0.033λmin，该天线在4：1的带宽内驻波比小于3，但是波束同样在高频畸变。Nader Behdad等人在IEEE Trans.Antennas Propag.,(vol.63,no.8,pp.3699–3705,Aug.2015.)上发表了题为“A low-profile, vertically polarized ultrawidebandantenna with monopole-like radiation characteristics”的文章，选用两个上文中的天线，结构相同，大小不同，将两个天线上下叠加放置，利用一个双工器将两个天线工作于一个输入端。剖面高度为0.046λmin，该天线在8.5：1的带宽内驻波比小于3，而且方向图不圆度得到改善，但是需要额外电路，天线结构复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种超宽带低剖面垂直极化全向天线及其陷波设计，具体技术方案如下：一种超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：包括平顶金属板 (1)、直角形馈电结构(2)、梯形短路结构(3)、寄生金属柱(4)、金属地(5)；天线的陷波设计，其特征在于：在平顶金属板(1)与天线的其他结构的连接处引入一个开口缝隙 (6)。
所述平顶金属板(1)为正方形结构，位于金属地(5)的中央，并与之平行，与直角形馈电结构(2)和梯形短路结构(3)相交于一条直线；
所述直角形馈电结构(2)为直角三角形，其中一条边长与平顶金属板(1)的中间相交于一条线，底部的一个端点为同轴线馈电点；
所述梯形短路结构(3)为直角梯形，与平顶金属板(1)和金属地(5)垂直，较长的底边与平顶金属板(1)的中间相交于一条线，底部的短边与金属地(5)相交；
所述寄生金属柱(4)置于天线内部，与金属地(5)垂直；
所述的天线陷波设计的开口缝隙(6)为长方形缝隙，平顶金属板(1)与天线的其他结构通过一小段金属连接。
为更好的实现本发明，可进一步为：所述天线为倒“F”型的非对称结构。
进一步地：所述天线只有一个馈电结构和一个短路结构。
进一步地：所述天线内置两个寄生金属柱。
进一步地：所述天线利用开口缝隙引入陷波特性。
本发明的有益效果为：
第一，所述天线为倒“F”型的非对称结构，相对于传统的对称结构的超宽带全向天线，能够实现更小的天线口径；
第二，所述天线直角形馈电结构能够实现超宽带阻抗特性，能实现小型化；
第三，所述天线梯形短路结构能够实现天线的阻抗匹配和低剖面特性；
第四，所述天线内置的两个寄生金属柱，能够改善天线高频段的辐射全向特性；
第五，所述天线利用开口缝隙引入陷波特性，使得在设计的超宽带天线中引入一段阻带。
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为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的透视图；
图2为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的侧视图；
图3为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的驻波VSWR与水平面的最大增益的仿真与测试结果示意图；
图4为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的水平面的仿真的归一化辐射方向图；
图5为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的3GHz、6GHz、9GHz、14.5GHz四个频点的水平面的仿真与测试的归一化辐射方向图；
图6为天线的陷波设计的透视图；
图7为天线的陷波设计的细节侧视图；
图8为天线的陷波设计的驻波VSWR的仿真与测试结果示意图；
图9为天线的陷波设计的水平面最大增益的仿真与测试结果示意图；
图10为天线的陷波设计的2.4GHz、5.2GHz、5.8GHz、10GHz四个频点的水平面的仿真与测试的归一化辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1和图2所示，为超宽带低剖面垂直极化全向天线的实施例的具体结构：
超宽带低剖面垂直极化全向天线，包括平顶金属板1、直角形馈电结构2、梯形短路结构 3、寄生金属柱4、金属地5；
平顶金属板1为正方形结构，位于金属地5的中央，并与之平行，与直角形馈电结构2 和梯形短路结构3相交于一条直线。直角形馈电结构2为直角三角形，其中一条边长与平顶金属板1的中间相交于一条线，底部的一个端点为同轴线馈电点。梯形短路结构3为直角梯形，与平顶金属板1和金属地5垂直，较长的底边与平顶金属板1的中间相交于一条线，底部的短边与金属地5相交。寄生金属柱4置于天线内部，与金属地5垂直。
实施例中，天线采用金属3D打印技术，采用的参数为：天线打印厚度为1mm；正方形平顶金属板1的边长为19mm；天线高度为6mm；梯形短路结构3的上边长为013mm，下边长为3mm；寄生金属柱4的高度为3.8mm；圆形金属地的直径为100mm。
图3为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的驻波VSWR与水平面的最大增益的仿真与测试结果示意图。天线在3-15GHz的频带内驻波VSWR小于3；天线水平面的最大增益在3-10GHz频段约为-3dBi，在高频段大于0dBi。
图4为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的水平面的仿真的归一化辐射方向图。在3-14.5GHz的频率范围内，天线的水平面的辐射方向图不圆度小于±5dB。
图5为本发明中的超宽带低剖面垂直极化全向天线的3GHz、6GHz、9GHz、14.5GHz四个频点的水平面的仿真与测试的归一化辐射方向图。四个频点的垂直极化方向图与水平极化方向图区别明显，辐射方向图稳定，仿真与测试的结果吻合的很好。
如图6和图7所示，为天线的陷波设计的具体结构：
天线的陷波设计，包括平顶金属板1、直角形馈电结构2、梯形短路结构3、金属地5、开口缝隙6；
天线的陷波设计的其他结构没有变化，只是在平顶金属板1与天线的其他结构的连接处引入一个开口缝隙6。开口缝隙6为长方形缝隙，平顶金属板1与天线的其他结构通过一小段金属连接。
天线的陷波设计的实施例中，也是采用金属3D打印技术，其他天线参数没有改变，开口缝隙的长度为18.5mm，高度为0.5mm。
图8为天线的陷波设计的驻波VSWR的仿真与测试结果示意图。天线在2.5-5GHz频带内引入了阻带；在2.4-2.5GHz和5-10GH的频带内驻波VSWR小于2，天线适用于WLAN-2.4/5GHz的应用。
图9为天线的陷波设计的水平面最大增益的仿真与测试结果示意图。在2.4-2.5GHz的频率范围内，天线水平面的最大增益为0dBi；在大于5GHz的频率范围内，天线水平面的最大增益大于-2.5dBi，并随频率逐渐增大。
图10为天线的陷波设计的2.4GHz、5.2GHz、5.8GHz、10GHz四个频点的水平面的仿真与测试的归一化辐射方向图。四个频点的垂直极化方向图与水平极化方向图区别明显，辐射方向图稳定，仿真与测试的结果吻合的很好。

Claims (5)

1.一种超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：包括平顶金属板(1)、直角形馈电结构(2)、梯形短路结构(3)、寄生金属柱(4)、金属地(5)；
所述平顶金属板(1)为正方形结构，位于金属地(5)的中央，并与之平行，与直角形馈电结构(2)和梯形短路结构(3)相交于一条直线；
所述直角形馈电结构(2)为直角三角形，其中一条边长与平顶金属板(1)的中间相交于一条线，底部的一个端点为同轴线馈电点；
所述梯形短路结构(3)为直角梯形，与平顶金属板(1)和金属地(5)垂直，较长的底边与平顶金属板(1)的中间相交于一条线，底部的短边与金属地(5)相交；
所述寄生金属柱(4)与置于天线内部，与金属地(5)垂直。
2.根据权利要求1所述一种超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述天线为倒“F”型的非对称结构。
3.根据权利要求1所述一种超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述天线只有一个馈电结构和一个短路结构。
4.根据权利要求1所述一种超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述天线内置两个寄生金属柱。
5.根据权利要求1所述天线引入陷波设计的方法，其特征在于：在平顶金属板(1)与天线的其他结构的连接处引入一个开口缝隙(6)。
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