CN110943290A - 地下通信共面波导馈电的宽带微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，包括：介质基板；金属地板，设置于介质基板上，金属地板中心位置切去一矩形区域，矩形区域四角位置分别切去一L形区域，露出底部的介质基板；共面波导馈电结构，包括设置于矩形区域内的介质基板上的馈电线、1/4阻抗变换线和圆形激励贴片，馈电线的下端延伸至介质基板上表面的下边缘处形成馈电端，馈电端所在位置的金属地板的馈电边设有位于馈电线和1/4阻抗变换线两侧的调谐缝隙，非馈电端所在位置的金属地板的非馈电边均设有辐射缝隙；寄生辐射贴片，沿金属地板的非馈电边设置在矩形区域内的介质基板上。本发明微带天线结构简单，易于加工，价格低廉，性能优异适应地下通信的天线。

Description

地下通信共面波导馈电的宽带微带天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线。

背景技术

现代通信技术飞速发展，越来越多的终端与互联网实现通信互联。移动通信技术在现代医疗、救援、安防等方面发挥着至关重要的作用，在地下空间通信具有良好的应用前景。地下通信受大地、钢筋混泥土等良导体的屏蔽作用，电磁波很难通过终端直接与大地上的基站实现互通，手机终端在地下车库几乎没信号，对于地下隧道、矿井等更深的地下空间，更无法使用无线电通信设备，移动通信的需求显得更为迫切。

鉴于上述情况，可以在地下通道出口和纵横交错的通道口建立通信中转。在无线电通信设备中，天线是必不可少的。为满足地下通道里无线网络良好覆盖，天线要实现双向辐射，而且地下通道交叉口众多，每个交叉口都需要天线对电磁波的中继通信，天线的需求量很大。因此需要设计一种结构简单，易于加工，价格低廉，性能优异适应地下通信的天线。

发明内容

本发明主要是针对现有技术的不足，提供一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其易于加工、价格低廉、性能优异，适应地下空间通信。

本发明所采用的技术方案为：一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其包括：

介质基板；

金属地板，设置于所述介质基板上，所述金属地板中心位置切去一矩形区域，所述矩形区域四角位置分别切去一L形区域，露出底部的所述介质基板；

共面波导馈电结构，包括设置于所述矩形区域内的所述介质基板上的馈电线、1/4阻抗变换线和圆形激励贴片，所述馈电线的下端延伸至所述介质基板上表面的下边缘处形成馈电端，所述馈电端所在位置的所述金属地板的馈电边设有位于所述馈电线和所述1/4阻抗变换线两侧的调谐缝隙，非所述馈电端所在位置的所述金属地板的非馈电边均设有辐射缝隙；

寄生辐射贴片，沿所述金属地板的非馈电边设置在所述矩形区域内的所述介质基板上。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述介质基板采用微带单层介质板。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述介质基板的厚度为0.8mm，介电常数为3.2，损耗角正切为0.001。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述金属地板为矩形地板，所述矩形区域与所述矩形地板同中心设置且长短边方向对应一致。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述辐射缝隙为矩形缝隙，且长边沿所述矩形地板的矩形边长设置。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述寄生辐射贴片为矩形贴片，且长边沿所述矩形地板的矩形边长设置，所述寄生辐射贴片与对应边的所述辐射缝隙中心对齐设置。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述辐射缝隙长于所述寄生辐射贴片。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述馈电线和所述1/4阻抗变换线均呈矩形且均沿所述金属地板的中线对称设置，所述馈电线宽于所述1/4阻抗变换线。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述馈电线和所述1/4阻抗变换线的长度之和等于所述金属地板的馈电边的宽度。

本发明宽带微带天线的一些实施例中，所述馈电端两侧的所述金属地板的馈电边固定连接于一金属支架，射频同轴连接器中心对准于所述馈电端中心且通过紧固螺钉与所述金属支架固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的天线具有阻抗带宽较宽的特点，VSWR≤2的相对带宽为50％(1.3GHz-2.6GHz)；

2、本发明的天线采用共面波导馈电结构，可以与射频电路集成在一起；

3、本发明的天线垂直辐射面具有双向辐射特点，天线中心频率增益3.9dB，天线安装时，辐射面垂直通道方向安装；

4、本发明的天线采用微带单层介质板，天线辐射面采用PCB板加工工艺，结构简单，容易加工，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明较佳实施例的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线的正视图。

图2所示为本发明较佳实施例的宽带微带天线的尺寸图。

图3所示为本发明较佳实施例的宽带微带天线的支架安装结构的示意图。

图4所示为本发明较佳实施例的宽带微带天线的支架安装结构的零件图的正视图。

图5所示为本发明较佳实施例的宽带微带天线的支架安装结构的零件图的侧视图。

图6所示为本发明较佳实施例的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线的驻波系数关系图。

图7所示为本发明较佳实施例的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线的方向图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

以下结合附件图对本发明一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线做进一步的详细描述。根据下面说明和权利要求，本发明天线的优点和特征会更清楚。需要说明的是，附图采用非精准缩放比例的简化形式，仅用于方便清楚的辅助说明实施例的目的。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其主要包括介质基板101、金属地板103、共面波导馈电结构102和寄生辐射贴片104。

其中，介质基板101采用厚度为0.8mm的Rogers4232微带单层板，介电常数为3.2，损耗角正切tanδ＝0.001。

金属地板103为设置于介质基板101正面的一矩形地板，天线辐射面的背面没有金属地板，天线辐射面采用PCB板加工工艺，结构简单，容易加工，成本较低。

金属地板103中心位置切去一矩形区域105，该矩形区域与矩形金属地板103同中心设置且长短边方向对应一致。该矩形区域四角位置分别切去一L形区域106，露出底部的介质基板101的正面。矩形区域105四角的L形区域106也被切去，使电流沿曲折路径流过，从而减小天线电尺寸并保证足够长的传输路径，减小了天线体积。

共面波导馈电结构102，包括设置于矩形区域内的介质基板101上的馈电线1021、1/4阻抗变换线1022和圆形激励贴片1023，馈电线1021的下端延伸至介质基板101上表面的下边缘处形成馈电端，馈电端所在位置的金属地板的边构成金属地板的馈电边，该馈电边中部设有位于馈电线1021和1/4阻抗变换线1022两侧的调谐缝隙1024，非馈电端所在位置的金属地板的其余三条边构成金属地板的三条非馈电边，该三条非馈电边上均设置有辐射缝隙107。三条辐射缝隙107为矩形缝隙，且长边沿矩形金属地板103的矩形边长设置。

其中，共面波导馈电结构102的馈电线1021和1/4阻抗变换线1022均呈矩形且均沿金属地板103的中线对称设置，馈电线1021略宽于1/4阻抗变换线1022。馈电线1021和1/4阻抗变换线1022的长度之和等于金属地板103的馈电边的宽度。1/4阻抗变换线可用于调节天线阻抗匹配，圆形激励贴片可用于调整天线的阻抗匹配，微调天线的谐振频率。在金属地板103的非馈电边开三条辐射缝隙107，可以扩展天线带宽。因而，本发明的天线具有阻抗带宽宽的特点，VSWR≤2的相对带宽为50％(1.3GHz-2.6GHz)，如图6和图7所示，图7中“E”面就是指天线的最大辐射方向与电场方向所组成的平面叫E面，同理，“H”面就是天线最大辐射方向与磁场方向所组成的平面叫H面，这些定义在天线书籍里有记载。

三片寄生辐射贴片104，一一对应地沿金属地板103的三条非馈电边设置在矩形区域105内的介质基板101上。寄生辐射贴片104为矩形贴片，且长边沿矩形金属地板103的矩形边长设置，寄生辐射贴片104与对应边的辐射缝隙107中心对齐设置。其中，辐射缝隙107长于寄生辐射贴片104。

本发明实施例的微带天线采用厚度为0.8mm的Rogers 4232微带板作为介质基板，介电常数3.2，损耗角正切tanδ＝0.001，天线辐射面的背面没有金属地板，天线的物理尺寸设计来源于微带天线，通过公式λ＝c/f计算出在自由空间中的波长，天线谐振在λ/2的波长，在HFSS中建立模型，经过电磁仿真优化得到共面波导馈电的微带天线具体尺寸如下表表1所示：

表1天线尺寸参数和参考值

天线尺寸参数	参考值(mm)	天线尺寸参数	参考值(mm)
				a	60.0	i	1.5
b	34.3	j	7.2
				c	1.5	k	2.8
d	27.3	m	4.1
				e	1.8	n	1.5
f	2.1	o	0.5
				g	3.2	r	11.98
h	1.1

配合图2，表1中参数的对应关系如下：

a-介质基板的边长(此时介质基板采用正方形板)；

b-辐射缝隙的长度，c-辐射缝隙的宽度；

d-寄生辐射贴片的长度，e-寄生辐射贴片的宽度；

f、g、h、i-L形区域的物理几何尺寸；

j-1/4阻抗变换线的长度，k-馈电线的长度，m-馈电线的宽度，n-调谐缝隙的较宽处宽度，o-调谐缝隙的较窄处宽度，r-圆形激励贴片的半径。

如图3所示为微带天线驻波系数，微带天线VSWR≤2的相对带宽为50％(1.3GHz-2.6GHz)。

如图4所示为微带天线中心频率f0＝2GHz的方向图，天线中心频率增益3.9dB，具有双向辐射特点。

如图3-5所示为微带天线于一金属支架200上的安装状态，微带天线底部的馈电端两侧的金属地板103的馈电边通过介质基板紧固螺钉500固定连接于一金属支架200，一JSSMA射频同轴连接器300中心对准于馈电端中心并且通过射频同轴连接器紧固螺钉400与金属支架200固定。

较佳地，共面波导馈电结构的圆形激励贴片可以改成矩形或三角形，共面波导馈电位置可以改在地板边的任意位置，微带天线的射频连接器也可选择SMA。

本发明微带天线适应地下空间通信要求，在不同位置通过调整天线的安装方向，实现全向通信，同时本发明共面波导馈电的地下通信宽带微带天线易于加工、成本低、性能优异，相对带宽达50％，该天线在地下通信环境下，具有较为广阔的应用前景。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于，包括：

介质基板；

金属地板，设置于所述介质基板上，所述金属地板中心位置切去一矩形区域，所述矩形区域四角位置分别切去一L形区域，露出底部的所述介质基板；

共面波导馈电结构，包括设置于所述矩形区域内的所述介质基板上的馈电线、1/4阻抗变换线和圆形激励贴片，所述馈电线的下端延伸至所述介质基板上表面的下边缘处形成馈电端，所述馈电端所在位置的所述金属地板的馈电边设有位于所述馈电线和所述1/4阻抗变换线两侧的调谐缝隙，非所述馈电端所在位置的所述金属地板的非馈电边均设有辐射缝隙；

寄生辐射贴片，沿所述金属地板的非馈电边设置在所述矩形区域内的所述介质基板上。

2.如权利要求1所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述介质基板采用微带单层介质板。

3.如权利要求2所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述介质基板的厚度为0.8mm，介电常数为3.2，损耗角正切为0.001。

4.如权利要求1所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述金属地板为矩形地板，所述矩形区域与所述矩形地板同中心设置且长短边方向对应一致。

5.如权利要求4所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述辐射缝隙为矩形缝隙，且长边沿所述矩形地板的矩形边长设置。

6.如权利要求5所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述寄生辐射贴片为矩形贴片，且长边沿所述矩形地板的矩形边长设置，所述寄生辐射贴片与对应边的所述辐射缝隙中心对齐设置。

7.如权利要求6所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述辐射缝隙长于所述寄生辐射贴片。

8.如权利要求1所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述馈电线和所述1/4阻抗变换线均呈矩形且均沿所述金属地板的中线对称设置，所述馈电线宽于所述1/4阻抗变换线。

9.如权利要求8所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述馈电线和所述1/4阻抗变换线的长度之和等于所述金属地板的馈电边的宽度。

10.如权利要求1～9中任意一项所述的地下通信共面波导馈电的宽带微带天线，其特征在于：所述馈电端两侧的所述金属地板的馈电边固定连接于一金属支架，射频同轴连接器中心对准于所述馈电端中心且通过紧固螺钉与所述金属支架固定。

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