CN110401028A - 一种基于超材料的八木天线 - Google Patents

一种基于超材料的八木天线 Download PDF

Info

Publication number
CN110401028A
CN110401028A CN201910597226.7A CN201910597226A CN110401028A CN 110401028 A CN110401028 A CN 110401028A CN 201910597226 A CN201910597226 A CN 201910597226A CN 110401028 A CN110401028 A CN 110401028A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
source antenna
meta materials
metamaterial unit
director
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910597226.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张立明
余鹏程
黄振
王磊
吴瑞荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 38 Research Institute
Original Assignee
CETC 38 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 38 Research Institute filed Critical CETC 38 Research Institute
Priority to CN201910597226.7A priority Critical patent/CN110401028A/zh
Publication of CN110401028A publication Critical patent/CN110401028A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于超材料的八木天线，包括反射器、源天线、若干引向器，所述反射器、所述源天线、所述引向器均设置于介质基板上；所述反射器、所述源天线、所述引向器平行放置；所述引向器均包括一排第一超材料单元；所述反射器包括一排第二超材料单元；所述第一超材料放置在所述源天线的端射方向，所述第二超材料单元放置在所述源天线端射方向的另一侧；本发明具有很高的端射方向增益；同时实现垂直极化，最大辐射方向恰好指向端射方向，没有任何偏离；结构上实现在印制板上的整体集成，成本较低、加工简单可靠、方便与其他有源电路集成；并只有源天线需要馈电，馈电方便。

Description

一种基于超材料的八木天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于超材料的八木天线。
背景技术
天线是无线通讯系统接收和发射电磁波的重要部件之一，它的性能优劣不仅是确定无线通讯系统工作方式的重要依据，而且关系到整个系统的性能。
目前很多通信设备上的天线设计主要采用微带天线的形式，因为微带天线具有剖面低、易共形、其工作性能不易受通信设备其余结构的影响、易于与有源电路集成、便于实现圆极化等诸多优点。天线的极化是指最大辐射方向上所辐射电磁波的极化方式，其中线极化可以分为水平极化和垂直极化。水平极化波相对于垂直极化波，在长距离传通信系统中传输损耗更大。因为大地是良导体，水平极化波的电场矢量平行于大地，会在大地表面产生极化电流产生热能而使电场信号迅速衰减。因此设计一种能实现垂直极化的高增益微带天线成为了一个急需解决的问题。
在现有的研究报道中，能够实现垂直极化的高增益微带天线主要有三种方式实现。研究者J.Liu等人使用十二个微带磁偶极子天线和一段微带线，设计了一种微带磁偶极子八木天线，实现了垂直极化和较高的增益。研究者Z.Liang等人利用阵列的形式设计了一种微带磁单极子阵列天线，实现了垂直极化和较高的增益。研究者J.Liu等人使用四个四分之一波长贴片天线设计了一种四单元八木天线，实现了垂直极化和较高的增益。
以上三种方法中，第一种方法实现的天线，相对带宽为11.6％，端射方向的增益为7.4-10.4dBi，主辐射方向偏离了端射方向20°；第二种方法实现的天线，相对带宽为3.3％，端射方向的增益为6.0-7.7dBi，主辐射方向为端射方向；第三种方法实现的天线，相对带宽为11.3％，端射方向增益约为4.5dBi，主辐射方向偏离了端射方向40°。
第一种天线实现了垂直极化，但是由于接地面不可能无限大而造成的衍射效应，导致了天线的最大辐射方向偏离了端射方向20°。第二种天线实现了垂直极化，最大辐射方向也正好在端射方向上；但由于阵列中的每个天线都需要馈电，进一步提高增益需要增加阵列中天线的个数，就会导致馈电电路比较复杂，加工困难。第三种天线实现了垂直极化，但是由于接地面不可能无限大而造成的衍射效应，导致了天线的最大辐射方向偏离了端射方向40°。因此，这三种方法都有自身的局限性。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于超材料的八木天线，包括反射器、源天线、若干引向器，所述反射器、所述源天线、所述引向器均设置于介质基板上；所述反射器、所述源天线、所述引向器平行放置；所述引向器均包括一排第一超材料单元；所述反射器包括一排第二超材料单元；所述第一超材料放置在所述源天线的端射方向，所述第二超材料单元放置在所述源天线端射方向的另一侧。
较佳的，所述源天线包括两块相同的分别印制在所述介质基板底层和顶层的矩形天线金属贴片和用以封闭所述天线金属贴片三条边的周期性天线金属化过孔；所述源天线内设置同轴馈电探针用以馈电。
较佳的，所述第一超材料单元和所述第二超材料单元均包括位于所述介质基板底层和顶层的两块矩形单元金属贴片和位于所述单元金属贴片中心的单元金属化过孔。
较佳的，所述第一超材料单元的谐振频率高于所述源天线的工作频率。
较佳的，所述第二超材料单元的谐振频率在所述源天线的工作频带内。
较佳的，通过调节所述源天线的长度和宽度调整所述源天线的工作频率。
较佳的，通过调节所述第一超材料单元的长度和所述第二超材料单元11的长度调整所述第一超材料单元和所述第二超材料单元的谐振频率。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明采用一个反射器和四个引向器时实现的增益为12.9dBi～13.6dBi，而且可以通过增加引向器的个数来进一步提高增益；具有很高的端射方向增益；同时实现垂直极化，最大辐射方向恰好指向端射方向，没有任何偏离；结构上实现在印制板上的整体集成，成本较低、加工简单可靠、方便与其他有源电路集成；只有源天线需要馈电，馈电方便。
附图说明
图1为本发明所述基于超材料的八木天线的仰视图；
图2为本发明所述基于超材料的八木天线的俯视图；
图3为所述超材料单元的立体图；
图4为本发明所述基于超材料的八木天线的实物图；
图5为本发明所述基于超材料的八木天线的反射系数(S11)测试结果图；
图6为本发明所述基于超材料的八木天线的中心频率(6.6GHz)方向图；
图7为本发明所述基于超材料的八木天线的增益曲线图。
图中数字表示：
1-反射器；2-源天线；3-第一引向器；4-第二引向器；5-第三引向器；6-第四引向器；7-介质基板；8-第一超材料单元；9-天线金属化过孔；10-同轴馈电探针；11-第二超材料单元；12-单元金属贴片；13-单元金属化过孔。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1、图2所示，图1为本发明所述基于超材料的八木天线的仰视图；图2为本发明所述基于超材料的八木天线的俯视图；本发明所述基于超材料的八木天线包括反射器1、源天线2、若干引向器，所述反射器1、所述源天线2、所述引向器均设置于介质基板7上。所述反射器1、所述源天线2、所述引向器平行放置。在本实施例中，所述引向器包括第一引向器3、第二引向器4、第三引向器5、第四引向器6。其中，只有所述源天线2需要馈电；所述源天线2作为驱动天线，是用来产生最大辐射方向指向端射方向的垂直极化电磁波。所述引向器使电磁波往所述源天线2的端射方向集中，实现了高增益。所述反射器1将另一侧的电磁波反射回来，使得天线方向图的后瓣减小同时进一步提高了天线的增益。
本发明所述基于超材料的八木天线在本实施例中采用一个反射器和四个引向器时，实现的增益为12.9dBi～13.6dBi，而且可以通过增加所述引向器的个数来进一步提高增益。
具体的，所述介质基片7采用RT/Duroid 5870介质基片，所述介质基片7相对介电常数为2.33，厚度为3.18mm。
具体的，所述源天线2包括两块相同的分别印制在所述介质基板7底层和顶层的矩形天线金属贴片和用以封闭所述天线金属贴片三条边的周期性天线金属化过孔9。由于所述天线金属贴片的三条边都被封闭，所述源天线2只能从开放的一边辐射电磁波。根据相关的电磁等效理论分析，所述源天线2可以等效为一个磁偶极子。因此所述源天线2可以用来产生最大辐射方向指向端射方向的垂直极化电磁波，所述源天线2的工作频率主要由所述天线金属贴片的长度和宽度决定。所述源天线2使用一个50Ω的同轴馈电探针10来馈电，通过调整所述同轴馈电探针10到辐射边的距离可以得到较好的反射系数(S11)。
具体的，所述引向器均包括一排第一超材料单元8。超材料并不局限于这种超材料，也可以选用其他能在天线工作频带内实现较大的折射率的超材料。所述第一超材料单元8的谐振频率高于所述源天线2的工作频率，通过仿真和提取电磁参数可以得到在天线的工作频带内所述第一超材料单元8的折射率比较大(相对于介质基板)。把所述第一超材料8放置在所述源天线2的端射方向，根据斯涅尔定律，所述第一超材料单元8的折射率越大，天线辐射出的电磁波越往天线的端射方向集中，从而有效的提高了所述源天线2的增益。根据传统八木天线理论可知，所述源天线2的增益会随着引向器增加而增加。
具体的，所述反射器1包括一排第二超材料单元11。超材料并不局限于这种超材料，也可以选用其他在天线工作频带内具有很小的传输系数的超材料，可以用来反射电磁波。所述第二超材料单元11的谐振频率在所述源天线2的工作频带内，通过仿真和提取电磁参数可以得到在所述源天线2工作频带内所述第二超材料单元11的传输系数(S21)很小。把所述第二超材料单元11放置在端射方向的另一侧，将入射的大部分电磁波反射回去，从而使天线方向图的后瓣减小同时进一步提高了所述源天线2的增益。
如图3所示，图3为所述超材料单元的立体图；所述第一超材料单元8和所述第二超材料单元11均包括位于所述介质基板7底层和顶层的的两块矩形单元金属贴片12和位于其中心的单元金属化过孔13。所述第一超材料单元8和所述第二超材料单元11均为该结构的超材料单元，所述第一超材料单元8和所述第二超材料单元11之间的主要区别为尺寸不同，导致所述第一超材料单元8和所述第二超材料单元11的谐振频率不同。
本发明中的超材料是一种新型的具有立体结构的超材料。超材料的基本单元是一个垂直工字型谐振器，它是由位于所述介质基板7底层和顶层的两块矩形金属贴片和位于其中心的金属化过孔构成。这种超材料单元是一个电谐振器，当电场垂直于所述介质基板7、磁场平行于矩形金属贴片时可以产生最强的谐振。此时超材料单元可以被等效成一个LC谐振器：金属化通孔等效成一个电感；由于此时电场主要分布在两块矩形金属贴片之间，因此这部分可以等效成一个电容。电感和电容的大小共同决定该谐振器的谐振频率。在本发明中主要通过调整矩形金属贴片的长度来影响电容的大小，从而来调整超材料单元的谐振频率。
通过调节所述源天线2的长度L和宽度W，可以调整所述源天线2的工作频率。同时可以通过调节所述第一超材料单元8的长度Lsn(n＝2，3，4，5)和所述第二超材料单元11的长度Ls1，来调整超材料单元的谐振频率。
本实施例中，通过适当的调整各个超材料单元的长度以及他们之间的距离，就能够获得良好的端射方向图和较高的增益。经过电磁仿真软件CST进行优化仿真后，获得了最佳尺寸，设计尺寸包括：介质基板的长度Lg、介质基板的宽度Wg、源天线的长度L、源天线的宽度W、馈电端口中心与辐射边的距离b、反射器的长度Lsl、第一引向器的长度Ls2、第二引向器的长度Ls3、第三引向器的长度Ls4、第四引向器的长度Ls5、超材料单元的宽度Ws、反射器与源天线的距离gx1、源天线与第一引向器的距离gx2、第二引向器与第三引向器的距离gx3、第二引向器与第三引向器的距离gx4、第三引向器与第四引向器的距离gx5、超材料单元宽度间隔gy。
具体最佳设计尺寸如表一所示：
参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
W(mm) 57.6 gx4(mm) 17.5
L(mm) 7.6 gx5(mm) 19.5
b(mm) 1.5 gy(mm) 2.2
Ws(mm) 0.8 Ls1(mm) 12.9
Wg(mm) 77 Ls2(mm) 11.1
Lg(mm) 142.8 Ls3mm) 10.9
gx1(mm) 4.7 Ls4(mm) 11.1
gx2(mm) 13.1 Ls5(mm) 10.9
gx3(mm) 14
表一
表一为本实施例八木天线的具体尺寸表；天线实物如图4所示，测试结果表明天线的工作频带为6.42GHz～6.73GHz，带内实现的端射方向增益为12.9dBi～13.6dBi，图5为本发明所述基于超材料的八木天线的反射系数(S11)测试结果图；图6为本发明所述基于超材料的八木天线的中心频率(6.6GHz)方向图；图7为本发明所述基于超材料的八木天线的增益曲线图。
现有的三种天线分别为：研究者J.Liu等人使用十二个微带磁偶极子天线和一段微带线，设计了一种微带磁偶极子八木天线，实现了垂直极化和较高的增益。参见文献[1]J.Liu，andQ.Xue，“Microstrip magnetic dipole Yagi array antenna withendfireradiation and vertical polarization，”IEEE Trans.AntennasPropag.，vol.61，no.3，pp.1140-1147，Mar.2013.
研究者Z.Liang等人利用阵列的形式设计了一种微带磁单极子阵列天线，实现了垂直极化和较高的增益。参见文献[2]Z.Liang，Y.Li，J.Liu，S.Y.Zheng，and Y.Long，“Microstrip magneticmonopole endfire array antenna with verticalpolarization，”IEEE Trans.Antennas Propag.，vol.64，no.10，pp.4208-4217，Oct.2016.
研究者J.Liu等人使用四个四分之一波长贴片天线设计了一种四单元八木天线，实现了垂直极化和较高的增益。参见文献[3]J.Liu，D.R.Jackson，and Y.L.Long，“4-element yagi array ofmicrostrip quarter-wave patch antennas”，Proc.IEEEInt.WirelessSymp.，Beijing，pp.1-4，April 2013.
通过相应文献中的实验数据，并与本实施例的实验数据进行对比，如表二所示：
表二
表二是本实施例和现有三种天线的对比表；从表二中可以看出本实施例实现了最高的增益，同时最大辐射方向恰好指向端射方向且馈电简单。
本发明具有很高的端射方向增益；同时实现垂直极化，最大辐射方向恰好指向端射方向，没有任何偏离；结构上实现在印制板上的整体集成，成本较低、加工简单可靠、方便与其他有源电路集成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于超材料的八木天线，其特征在于，包括反射器、源天线、若干引向器，所述反射器、所述源天线、所述引向器均设置于介质基板上；所述反射器、所述源天线、所述引向器平行放置；所述引向器均包括一排第一超材料单元；所述反射器包括一排第二超材料单元，所述第一超材料放置在所述源天线的端射方向，所述第二超材料单元放置在所述源天线端射方向的另一侧。
2.如权利要求1所述的基于超材料的八木天线，其特征在于，所述源天线包括两块相同的分别印制在所述介质基板底层和顶层的矩形天线金属贴片和用以封闭所述天线金属贴片三条边的周期性天线金属化过孔；所述源天线内设置同轴馈电探针用以馈电。
3.如权利要求2所述的基于超材料的八木天线，其特征在于，所述第一超材料单元和所述第二超材料单元均包括位于所述介质基板底层和顶层的两块矩形单元金属贴片和位于所述单元金属贴片中心的单元金属化过孔。
4.如权利要求3所述的基于超材料的八木天线，其特征在于，所述第一超材料单元的谐振频率高于所述源天线的工作频率。
5.如权利要求4所述的基于超材料的八木天线，其特征在于，所述第二超材料单元的谐振频率在所述源天线的工作频带内。
CN201910597226.7A 2019-07-03 2019-07-03 一种基于超材料的八木天线 Pending CN110401028A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910597226.7A CN110401028A (zh) 2019-07-03 2019-07-03 一种基于超材料的八木天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910597226.7A CN110401028A (zh) 2019-07-03 2019-07-03 一种基于超材料的八木天线

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110401028A true CN110401028A (zh) 2019-11-01

Family

ID=68322811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910597226.7A Pending CN110401028A (zh) 2019-07-03 2019-07-03 一种基于超材料的八木天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110401028A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111193107A (zh) * 2020-01-07 2020-05-22 中山大学 一种端射折叠缝隙天线阵
CN112421236A (zh) * 2020-10-14 2021-02-26 西安电子科技大学 一种沿载体表面定向辐射的共面天线
CN112993553A (zh) * 2021-02-09 2021-06-18 维沃移动通信有限公司 天线单元以及天线结构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106558767A (zh) * 2015-12-09 2017-04-05 南方科技大学 八木天线
CN106602245A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 中山大学 一种高增益宽带圆极化微带八木天线

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106558767A (zh) * 2015-12-09 2017-04-05 南方科技大学 八木天线
CN106602245A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 中山大学 一种高增益宽带圆极化微带八木天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张立明: "新型微波贴片天线研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111193107A (zh) * 2020-01-07 2020-05-22 中山大学 一种端射折叠缝隙天线阵
CN112421236A (zh) * 2020-10-14 2021-02-26 西安电子科技大学 一种沿载体表面定向辐射的共面天线
CN112421236B (zh) * 2020-10-14 2022-05-17 西安电子科技大学 一种沿载体表面定向辐射的共面天线
CN112993553A (zh) * 2021-02-09 2021-06-18 维沃移动通信有限公司 天线单元以及天线结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. A dual-polarized dual-band antenna with omni-directional radiation patterns
Wang et al. Design of a wideband horizontally polarized omnidirectional antenna with mutual coupling method
Fereidoony et al. UWB monopole antenna with stable radiation pattern and low transient distortion
Lee et al. The design of a dual-polarized small base station antenna with high isolation having a metallic cube
CN110401028A (zh) 一种基于超材料的八木天线
Tran et al. A compact wideband omnidirectional circularly polarized antenna using TM 01 mode with capacitive feeding
CN105048079B (zh) 一种全向性圆极化平面天线
CN112615147B (zh) 基于正交模式的紧凑型低耦合可扩展mimo天线
Kim et al. Compact ultrawideband antenna on folded ground plane
CN105449357A (zh) 一种刀形双频水平极化全向天线
Uqaili et al. A study on dual-band microstrip rectangular patch antenna for Wi-Fi
Zhou et al. A wideband dual-polarized inductor-end slot antenna with stable beamwidth
Zuo et al. Wideband dual-polarized crossed-dipole antenna with parasitical crossed-strip for base station applications
Zhang et al. Printed dual spiral-loop wire antenna for broadband circular polarization
KR101988172B1 (ko) 이중 원형 편파 안테나 장치
Cui et al. A compact dual-polarized antenna for base station application
KR102126581B1 (ko) 초광대역 평면 안테나
Surendar et al. Wideband Fractal Antenna For Ku Band Applications
CN104916913A (zh) 一种刀形三频水平极化的全向天线
Kenari Ultra wideband patch antenna for Ka band applications
Cheng et al. A novel compact dual-band MIMO antenna
Zhao et al. Design of" chip-scale" patch antennas for 5-6 GHz wireless microsystems
Song et al. Dual-polarized antenna based on metal ring and microstrip patch
Sadiq et al. A Compact, DC Grounded Omnidirectional Antenna
Zang et al. A dual-polarized printed dipole antenna with low-profile for wideband base station applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191101

RJ01 Rejection of invention patent application after publication