CN110797653A

CN110797653A - 一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线

Info

Publication number: CN110797653A
Application number: CN201911162327.8A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 李中豪; 唐军; 郭浩; 陈艺萱; 马宗敏; 温焕飞
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: CN110797653B

Abstract

本发明公开了一种新型双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线，包括长方形介质基板，其基板底面是接地辐射贴片，及置于介质基板上表面的直角折线对称凹形的金属箔片制馈线。利用SMA接头将内心直接焊接在馈线上，连接接地辐射贴片。该发明借助电磁仿真软件ANSYS HFSS进行仿真设计，通过改变馈电天线的形状和尺寸进行实时仿真，将多参数仿真数据以及仿真图进行联合计算，对天线的结构、材料以及工艺上进行优化，确认仿真结果的可靠性。增加天线的有效辐射电阻，减少高次模的产生，提高天线的辐射效率，达到提高天线系统的整体效果，在同一基板、同一平面上实现双频点及高辐射效率的要求，实现双频点的应用。

Description

一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线

技术领域

本发明涉及射频微波领域，具体是一种高辐射效率的平面双频点微波谐振天线，应用于核磁共振领域研究。

背景技术

随着核磁共振技术的日益进步，其作为一种无损测量技术，因在分析物质上具有的高分辨率、迅速准确以及信息丰富的优点得到重视，为多学科领域的研究提供了重要的分析测量的技术支持。通过外加射频微波，当频率与自旋的拉莫尔进动匹配时，产生共振。在其实验以及应用上，需要使用更高辐射效率的天线来提供一个能进行相关脉冲调控实验的微波环境。如今在该领域天线上的应用最为广泛、效果最好的是微波谐振天线。

微波谐振天线是由PCB表面负载任意形状的金属箔片构成的，将天线单元蚀刻到绝缘的介质基板上，并在基板的反面粘贴一层连续的金属层，形成接地平面，通过转接头在金属箔片制的馈线上同地面输入射频电流，将高频电流转换为电磁波。在三维谐振器的设计上，形状多变。以平面的微波谐振天线形式存在时具有简单的二维物理几何结构，以及损耗低、强集中辐射能力的优点。同时介质基板介电常数的选择范围很大（通常在6~140范围内），可以根据不同的应用需要，灵活选择介质基板的材料，控制尺寸。在相关高频天线的应用上，设计和制造出的体积小，也符合于相关高频微波辐射馈能应用的需要。

在天线的设计上，天线的体积增大，会受到实验环境的限制，同时提高辐射效率也要求减小馈线路径。如今的多频点天线设计，普遍结构复杂，有通过引入不同谐振频率的寄生谐振，也有采用多个耦合馈电，来形成多频点。多层叠加的设计以及三维设计，制造难度大，且在形状和体积上受到应用环境的限制。

现有的多频点天线，在设计上目的性明确，导致应用范围比较单一，多应用于移动通信，甚至存在具有八个操作频点的多频天线，但都无法应用于实现多种脉冲序列的核磁共振实验。操作频点单一地分布于低频段，或单一地分布于高频段，无法满足实现核磁共振相关实验对于共振频率的要求，因此，还需要进一步提高天线性能，使其更灵活应用于不同工作频段的实验。

发明内容

在同领域、同实验条件应用下，皆以多层或三维的复杂形式存在，在实验环境的应用上受到了限制，同时没有符合实验所需频段研究。本发明目的是提供一种双频点、具有高辐射效率的小型平面微波谐振天线，应用于两种不同共振频段的实验。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线，包括介质基板，所述介质基板底面设有接地辐射贴片，所述介质基板上表面设有金属箔片制馈线和馈电端口，两个馈电端口位于金属箔片制馈线两端；所述介质基板上位于馈电端口处开有接头安装孔，所述接头安装孔内安装SMA接头，所述SMA接头将馈电端口和接地辐射贴片连接，所述介质基板四角开有平台安装孔。

金属箔片制馈线通过预留的馈电接口，用SMA接头与接地辐射贴片相连接，辐射贴片与馈线置于介质基板上。

进一步，对馈线采用直角折线对称凹形的布线方式，在不改变基板尺寸的同时，合理布局，从整体上减小该多频天线的长度，减小天线的占用空间，实现在同一基板平面上实现双频点兼容。

进一步，通过在Polar SI9000特性阻抗计算以及ANSYS联合仿真计算，调节馈电点阻抗，实现天线的实际输入阻抗与特性阻抗的匹配。

进一步，在仿真设计过程中，对多参数仿真数据以及仿真图联合计算，对天线的结构、材料以及工艺上进行优化，确认增加天线的有效辐射电阻，减少高次模的产生，提高天线的辐射效率，实现提高天线系统的整体效果。

进一步，使用SMA接头，体积小，频带宽，且具有好的机械性能。

进一步，在馈线的端口处设置五孔，为四个方形通孔以及一个圆形通孔，为SMA连接口，减小焊接时产生的误差，降低SMA转接头连接时产生的不连续性。

进一步，通过金属箔片制馈线与接地辐射贴片相连接的SMA转接头，在馈线上输入射频电流，将高频电流转换为电磁波。

进一步，在介质基板的四角设置四个圆形通孔，方便连接实验器材以及实验平台。

该发明借助电磁仿真软件ANSYS HFSS进行仿真设计，通过改变馈电天线的形状和尺寸进行实时仿真，将多参数仿真数据以及仿真图进行联合计算，对天线的结构、材料以及工艺上进行优化，确认仿真结果的可靠性。增加天线的有效辐射电阻，减少高次模的产生，提高天线的辐射效率，达到提高天线系统的整体效果，在同一基板、同一平面上实现双频点及高辐射效率的要求，实现双频点的应用（本发明以微波1.44GHz和2.87GHz操控实验为例），该发明上对馈线长度进行调整，也能实现多频点兼容。

附图说明

图1表示平面微波谐振天线的爆炸示意图。

图2表示平面微波谐振天线的正视图。

图3表示平面微波谐振天线的侧视图。

图4表示平面微波谐振天线的俯视图。

图5表示平面微波谐振天线的三维整体示意图。

图6表示平面微波谐振天线的S11参数仿真图。

图7表示平面微波谐振天线的驻波比参数仿真图。

图8表示平面微波谐振天线的场分布图。

图9表示平面微波谐振天线的增益图。

图10表示平面微波谐振天线的方向图。

图中：1-介质基板，2-金属箔片制馈线，3-馈电端口，4-平台安装孔，5-接地辐射贴片，6-SMA接头，7-接头安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种具有高辐射效率的小型化平面双频点微波谐振天线，如图1所示，包括介质基板1、接地辐射贴片5、馈电端口3和金属箔片制馈线2。介质基板1底面设有接地辐射贴片5，介质基板1上表面设有金属箔片制馈线2和馈电端口3，两个馈电端口3位于金属箔片制馈线2两端；介质基板1上位于馈电端口3处开有接头安装孔7，接头安装孔7内安装SMA接头6，SMA接头6将馈电端口3和接地辐射贴片5连接，介质基板1四角开有平台安装孔4。

利用SMA接头将内心直接焊接在馈线端口3上，直角折线对称凹形的馈线2通过预留的馈电端口3，通过SMA接头6采用孔耦合馈电与接地辐射贴片5连接，辐射贴片与馈线置于介质基板1上。接地辐射贴片5与所述介质基板1尺寸相同。

高介电常数材料的介质基板会将大部分能量限制在馈线内部，增加结构Q值，减小了向四周辐射的效率。在保证天线的辐射效率及功率容量的前提下，采用介电常数为3.66的介质基板。介质基板平面面积为10.8cm²。

馈线2采用特性阻抗为50Ω的微带馈线形式，天线正视图如图2，侧视图如图3，俯视图如图4，三维结构如图5所示。对馈线采用直角折线对称凹形的布线方式，在不改变基板尺寸的同时，合理布局，从整体上减小该多频天线的长度，减小天线的占用空间。

采用单层基板结构上的小型化双频微波谐振天线，通过改变馈线的形状，设计为直角折线对称凹形，合理布局，在小型介质基板上实现双频点、高辐射效率，覆盖中心频率1.44GHz（约在0.73GHz至2.16GHz之间）和2.87GHz（约在2.2GHz至3.43GHz之间）的频段。为适应不同的实验平台，在天线的设计上，以实用、小型化作为设计基础，尺寸小，结构简单。

通过电磁仿真软件ANSYS HFSS，对天线进行仿真和优化设计，得到满足实验应用需要的天线尺寸。使用低介电常数的介质基板，确定基板的尺寸，确定馈线的尺寸以及形状。在基板的四角，设置四个圆形通孔，用于连接实验平台，方便移动和固定。在馈线的两端设置对应SMA接头的五个通孔，为四个方形通孔以及一个圆形通孔，方便接头与天线的连接，减少此过程中仿真产生的误差。采用SMA接头，体积小，频带宽，且具有好的机械性能。

仿真计算的过程中，采用多参数仿真数据以及仿真图联合计算，对天线的结构、材料以及工艺上进行优化，确认增加天线的有效辐射电阻，减少高次模的产生，提高天线的辐射效率，实现提高天线系统的整体效果。

由于微带天线本身具有高Q值的特性，带宽大，Q值就降低，天线在频点下的工作效果会做出牺牲。本发明在建立模型之初，便对天线的初始尺度参数化，在设计过程中，根据仿真软件反馈结果不断改变初始定义数值实现馈线的整体变化，以及所求S参数、阻抗匹配之间的谐调，实现高带宽，相对牺牲Q值，增加脉冲激发后在能量交换过程中引起的自旋弛豫时间。

通过将微带馈线与接地辐射贴片相连接的SMA转接头，在微带馈线上输入射频电流，再将高频电流转换为电磁波，实现天线对电磁波的调控。

从端口定义角度计算反射系数S11的数值，通过ANSYS HFSS仿真呈现在0GHz到6GHZ的扫频范围内如图6所示，很容易观察得出天线带宽、工作频段等相关信息，以了解天线的频率特性。

由于天线使用过程中，入射波能量无法完全被辐射出去，其中产生的反射波叠加会引起天线辐射效率的降低，表现为驻波比VSWR，经仿真软件ANSYS HFSS的仿真得到在0GHz到6GHz扫频范围内的驻波比图像如图7所示。

天线的电磁场计算是一个庞大的工程，借助基于有限元法的仿真软件ANYS HFSS对天线的电磁场分布、磁通量以及磁场强度进行仿真计算，得到该该平面微波谐振天线的空间电磁场分布如图8所示。

通过仿真软件ANSYS HFSS对该平面微波谐振天线的输入功率集中辐射程度进行定量的描述，设置无穷大的理想匹配边界，在端口输入功率相等的前提下，实际天线与理想辐射单元在空间一点处产生信号的功率密度比，表现为图9的三维增益图。

为清晰表现三维增益图，将天线在各个角度的辐射增益呈现在平面上如图10，着重标出的是2.87GHz时，天线在Phi=90deg与Phi=180deg的辐射增益表现。

本发明所述的高辐射效率的小型化双频段微波谐振天线，在大带宽范围内实现频率可调。天线的馈电特征是给天线施加一定频率的电磁波信号，记录在此频率下的实验情况，所应用的信号频段取决于天线的设计频段。双频段兼容的设计，提高了实验利用率，在此以应用于微波1.44GHz和2.87GHz操控的实验为例，能应用于检测ESR以及ODMR的相关实验，提高了天线的利用率。

本发明提出一种实施于核磁共振实验背景下，关于相关天线的创新设计思路。以上是详细描述关于该新型高辐射效率的小型化双频点微波谐振天线的设计以及使用。但天线关于射频微波领域的制造和使用范围广泛，并不限制于本发明的范围。显然，所实施案例仅仅是本发明中的一部分实施例，而非全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所作出的所有其他实施例，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线，其特征在于：包括介质基板（1），所述介质基板（1）底面设有接地辐射贴片（5），所述介质基板（1）上表面设有金属箔片制馈线（2）和馈电端口（3），两个馈电端口（3）位于金属箔片制馈线（2）两端；所述介质基板（1）上位于馈电端口（3）处开有接头安装孔（7），所述接头安装孔（7）内安装SMA接头（6），所述SMA接头（6）将馈电端口（3）和接地辐射贴片（5）连接，所述介质基板（1）四角开有平台安装孔（4）。

2.根据权利要求1所述的一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线，其特征在于：所述金属箔片制馈线（2）采用直角折线形成对称凹槽形状。

3.根据权利要求1或2所述的一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线，其特征在于：所述介质基板（1）的相对介电常数为3.66。

4.根据权利要求3所述的一种双频点/高辐射效率的平面微波谐振天线，其特征在于：所述金属箔片制馈线（2）采用特性阻抗为50Ω的微带馈线形式。