CN110518349B - 一种多辐射模谐振天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多辐射模谐振天线，包括介质基板以及覆于介质基板上表面的天线结构，所述介质基板与天线结构的尺寸大小上下对应；所述天线结构包括直线天线，所述直线天线的一侧设置与其垂直的第一枝节、第二枝节和第三枝节，所述第一枝节位于直线天线的中线位置，长度长于第二枝节及第三枝节，第二枝节和第三枝节在第一枝节的两边对称设置，形状、尺寸一致，所述第二枝节与直线天线的连接处，与距离其最近的端部之间设有馈电端口。首先，本天线能够将辐射器中可能的模态激发出来，不仅仅激励出奇阶，抑制偶阶，同时，宽带带宽得到大幅提高；其次，本天线不仅具有相对稳定的全向性辐射性能，同样也能够保持较高的增益效果。

Description

一种多辐射模谐振天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种多辐射模谐振天线。
背景技术
多辐射模天线的历史可以追溯到20世纪40年代，但是由于当时的数值算法和仿真软件有限，所以没有得到实用设计应用。传统的天线设计思想是基于“单辐射器，单模”，目前现有的大多数天线设计基于这个思想。随着天线理论与技术的发展，电磁仿真软件的成熟，人们对复杂天线和天线系统的设计方法越来越重视。近些年来，多辐射模思想即“单辐射器，多模”思想又引起了人们的关注。利用这一思想可以快速的设计出宽带天线，满足现代无线通信系统的要求。
一般设计窄缝天线而言，单个辐射器辐射出单个模式，天线的相对带宽都不够理想。为了保持窄缝特性，显著增强其带宽，通常可以通过寄生的辐射器沿馈线部分引入额外的非辐射谐振，通过使用虚拟短路概念，引入寄生通孔并利用多辐射模概念，提出并设计了多种宽带缝隙天线。在过往的研究中，有学者通过在单个窄缝缝隙中激励出多个模式，提出了一种新颖简单的天线构造。在中心馈电的缝隙中二阶奇数模式的电场分布的零点附近对称地引入两个槽根，在两个短截槽的扰动下，第二个奇数模式逐渐与其第一个奇阶模式合并，产生具有两个共振的宽带辐射。研究表明在保持固有窄缝结构的情况下，所提出的现有技术缝隙天线的相对带宽可以有效提高。
有学者利用“单辐射器多模”概念设计了一种宽带偶极子立体结构天线，通过对称地在第二奇阶模电场分布的零点附近引入一对短截柱，在中心馈电的偶极子腔体中激发出两种模式，利用对称的短截柱进行扰动，能够将第二奇阶模移动到与第一奇阶模对应位置，产生共振效果，从而显著增强其辐射带宽。目前这种设计思想与方法，大多数研究是只激励出奇阶模式，抑制偶阶模式。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种通过偏置馈电同时激励出奇模、偶模形式的多辐射模谐振天线。
技术方案：本发明的多辐射模谐振天线，包括介质基板以及覆于介质基板上表面的天线结构，所述介质基板与天线结构的尺寸大小上下对应；
所述天线结构包括直线天线，所述直线天线的一侧设置与其垂直的第一枝节、第二枝节和第三枝节，所述第一枝节位于直线天线的中线位置，长度长于第二枝节及第三枝节，第二枝节和第三枝节在第一枝节的两边对称设置，形状、尺寸一致，所述第二枝节与直线天线的连接处，与距离其最近的端部之间设有馈电端口。
所述馈电端口为一断截面，通过设置电流源激励，该断截面的两侧分别接电源正负极。
在直线天线靠近端部处进行电流源激励，能够同时激励出天线中可能存在的模态，既包括了奇模，同时也激励出偶模，在直线天线的一侧添加三个枝节，对既有的模态进行扰动合并，能够使得原先较窄的频带得到拓宽，从而形成宽带天线。
其中，所述断截面宽3mm，距离其相近的端部8mm，设置的电流源激励端口阻抗为75Ω。
进一步的，所述第一枝节、第二枝节以及第三枝节宽度与直线天线的宽度一致，为6.5mm，所述直线天线的长度为82mm，所述第二枝节和第三枝节的长度为20mm，各自与距离其最近的端部之间距离15mm，所述第一枝节的长度为30mm。
为了进一步提高天线整体性能，提出了添加双边枝节的结构，在所述直线天线的另一侧设置与其垂直的第四枝节、第五枝节和第六枝节，所述第四枝节与第一枝节关于直线天线对称，所述第五枝节和第六枝节在第四枝节的两边对称设置。如此使得天线匹配度更好，整体性能更优。
进一步的，所述直线天线的长为82mm，宽为6mm，所述第一枝节、第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节以及第六枝节的宽度一致，为7.5mm，所述第一枝节和第四枝节长为28mm，所述第二枝节和第三枝节的长为16mm，各自与距离其最近的端部之间距离15mm，所述第五枝节和第六枝节的长度为20mm，各自与距离其最近的端部之间距离14mm。
进一步的，所述介质基板采用介电常数为3.55，损耗角为0.0027的RogersR04003。高度为0.813mm。
其中，所述天线结构采用铜材质。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：首先，本天线能够将辐射器中可能的模态激发出来，不仅仅激励出奇阶，抑制偶阶，同时，宽带带宽得到大幅提高；其次，本天线不仅具有相对稳定的全向性辐射性能，同样也能够保持较高的增益效果；最后，本天线结构简单，制作方便，能够稳定的使用在WLAN通信中，同时能够覆盖超宽带天线(3.1-10.6GHz)的高频部分。
附图说明
图1是本发明天线结构平面示意图；
图2是本发明原型天线平面结构示意图；
图3是本发明原型天线的回波损耗仿真结果图；
图4为本发明天线的回波损耗仿真结果图；
图5、图6、图7分别是本发明天线4GHz、5.4GHz、8.4GHz的E面和H面辐射方向图；
图8为本发明天线峰值增益图；
图9为本发明天线改进后结构示意图；
图10为本发明天线改进后回波损耗仿真结果图；
图11、图12、图13分别是本发明天线改进后5.4GHz、6GHz、8.4GHz的E面和H面辐射方向图；
图14为本发明天线改进后峰值增益图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示的多辐射模谐振天线，包括介质基板以及覆于介质基板上表面的天线结构，所述介质基板的大小取决于天线平面结构的大小，与天线结构的尺寸大小上下对应。
使用的介质基板为Rogers R04003，介电常数为3.55，损耗角为0.0027，高度为0.813mm，天线结构采用铜质。
所述天线结构包括直线天线1，所述直线天线1的一侧设置与其垂直的第一枝节101、第二枝节102和第三枝节103，所述第一枝节位于直线天线1的中线位置，长度长于第二枝节102及第三枝节103，第二枝节102和第三枝节103在第一枝节101的两边对称设置，形状、尺寸一致，所述第二枝节102与直线天线1的连接处，与距离其最近的端部之间设有馈电端口2。该馈电端口2为一断截面，通过设置电流源激励，该断截面的两侧分别接电源正负极。所述断截面宽3mm，距离其相近的端部8mm，设置的电流源激励端口阻抗为75Ω。
直线天线1为本天线的原型天线，在文献《W.Lu and L.Zhu,“Wideband dipoleantenna using multi-mode resonance concept”In International Journal ofMicrowave and Wireless Technologies,2017,9(2),365–371.》中通过中心馈电，能够激励奇模，抑制偶模，如图2所示，在本发明中，通过端口阻抗为75Ω的电流源直接激励，能够在线性天线立体结构中同时激励出CM1\CM2\CM3\CM4\CM5。原型天线Hfss仿真的回波损耗如图3所示，在图3中，每一个谐振点对应每一种模式。
在直线天线1上增加第一枝节101、第二枝节102以及第三枝节103能够扰动奇偶模式，使得谐振点偏移和谐振回路增加，从而提高带宽。
通过Hfss仿真，确定每个枝节的长度及相应位置，所述第一枝节101、第二枝节102以及第三枝节103宽度与直线天线1的宽度一致，为6.5mm，所述直线天线1的长度为82mm，所述第二枝节102和第三枝节103的长度为20mm，各自与距离其最近的端部之间距离15mm，所述第一枝节101的长度为30mm。
图1所示的天线所产生的效果如图4、5、6、7所示。
其中，图4为回波损耗图，从图中可以看出，天线的带宽范围为3.58Ghz-9.05GHz，与文献《W.Lu and L.Zhu,“Wideband dipole antenna using multi-mode resonanceconcept”In International Journal of Microwave and Wireless Technologies,2017,9(2),365–371.》中天线相比宽带带宽从49.7％提高到86.6％，天线的增益相比而言也得到了进一步提高，图8为图1所示发明天线的增益效果图。如图5、6、7、所示为该天线的4GHz、5.4GHz、8.4GHz中心频率下的辐射方向图，从图中可以看出天线的辐射性能与同技术天线相比并不占优势，辐射效果不够理想。
如图9所示，为了进一步提高天线整体性能，提出了添加双边枝节的结构，即在所述直线天线1的另一侧设置与其垂直的第四枝节104、第五枝节105和第六枝节106，所述第四枝节104与第一枝节101关于直线天线1对称，所述第五枝节105和第六枝节106在第四枝节104的两边对称设置。
通过Hfss进一步优化，提高匹配度，优化后所述直线天线1的长为82mm，宽为6mm，所述第一枝节101、第二枝节102、第三枝节103、第四枝节104、第五枝节105以及第六枝节106的宽度一致，为7.5mm，所述第一枝节101和第四枝节104长为28mm，所述第二枝节102和第三枝节103的长为16mm，各自与距离其最近的端部之间距离15mm，所述第五枝节105和第六枝节106的长度为20mm，各自与距离其最近的端部之间距离14mm。上下两部分枝节错开1mm，这样做的目的是能够使得天线匹配度更好，整体性能更优。如图10所示为改进后天线的回波损耗仿真结果。
如图11、12、13所述，分别是改进型天线中心频率5.4GHz、6GHz、8.4GHz的辐射方向图，从图11中可以看出，改进型天线在整个频带范围内的相对低频带范围内具有相对稳定的全向性辐射性能。图12、13可以看出在高频段，该改进型天线仍然具有一定程度上稳定的辐射性能。图14为改进型天线的辐射增益图，在改进后的辐射性能中，增益均大于4db，也就是该改进型结构不仅能够使辐射方向图更加理想，同样也能够保持较高的增益效果。

Claims (6)

1.一种多辐射模谐振天线，其特征在于：包括介质基板以及覆于介质基板上表面的天线结构，所述介质基板与天线结构的尺寸大小上下对应；
所述天线结构包括直线天线（1），所述直线天线（1）的一侧设置与其垂直的第一枝节（101）、第二枝节（102）和第三枝节（103），所述第一枝节位于直线天线（1）的中线位置，长度长于第二枝节（102）及第三枝节（103），第二枝节（102）和第三枝节（103）在第一枝节（101）的两边对称设置，形状、尺寸一致，所述第二枝节（102）与直线天线（1）的连接处，与距离其最近的端部之间设有馈电端口（2）；
所述馈电端口（2）为一断截面，通过设置电流源激励，该断截面的两侧分别接电源正负极；
所述第一枝节（101）、第二枝节（102）以及第三枝节（103）宽度与直线天线（1）的宽度一致，为6.5mm，所述直线天线（1）的长度为82mm，所述第二枝节（102）和第三枝节（103）的长度为20mm，各自与距离其最近的端部之间距离15mm，所述第一枝节（101）的长度为30mm。
2.根据权利要求1所述的多辐射模谐振天线，其特征在于：所述断截面宽3mm，距离其相近的端部8mm，设置的电流源激励端口阻抗为75Ω。
3.根据权利要求1所述的多辐射模谐振天线，其特征在于：所述直线天线（1）的另一侧设置与其垂直的第四枝节（104）、第五枝节（105）和第六枝节（106），所述第四枝节（104）与第一枝节（101）关于直线天线（1）对称，所述第五枝节（105）和第六枝节（106）在第四枝节（104）的两边对称设置。
4.根据权利要求3所述的多辐射模谐振天线，其特征在于：所述直线天线（1）的长为82mm，宽为6mm，所述第一枝节（101）、第二枝节（102）、第三枝节（103）、第四枝节（104）、第五枝节（105）以及第六枝节（106）的宽度一致，为7.5mm，所述第一枝节（101）和第四枝节（104）长为28mm，所述第二枝节（102）和第三枝节（103）的长为16mm，各自与距离其最近的端部之间距离15mm，所述第五枝节（105）和第六枝节（106）的长度为20mm，各自与距离其最近的端部之间距离14mm。
5.根据权利要求1所述的多辐射模谐振天线，其特征在于：所述介质基板采用介电常数为3.55，损耗角为0.0027的Rogers R04003。
6.根据权利要求1所述的多辐射模谐振天线，其特征在于：所述天线结构采用铜材质。
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