CN111864395A - 一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线 - Google Patents

一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，旨在保证全向和低剖面特性的同时，拓宽天线的工作带宽和高频带外抑制带宽，包括上下层叠的第一介质板和第二介质板，第一介质板的上表面印制有第一圆形金属贴片；第二介质板的上表面印制有第三圆形金属贴片、N个第一圆弧底梯形贴片组成的第一金属圆环和M个第二圆弧底梯形贴片组成的第二金属圆环，其中第三圆形金属贴片与金属地板之间通过N1个圆形排布的金属化过孔连接；第二介质板的下表面印制有金属地板，该金属地板上蚀刻有位于第一圆弧底梯形贴片投影位置的第一开口谐振环和位于第二圆弧底梯形贴片投影位置的第二开口谐振环。

Description

一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种低剖面宽带全向滤波天线，具体涉及一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线。
背景技术
在无人机通信中，由于无人机上空间有限且存在着众多工作在不同频段的天线系统和其他射频模块，它们之间的耦合会影响通信系统性能，因而需要滤波天线来实现异频去耦合。滤波天线同时具备滤波功能及辐射功能，主要包括以下三类：(1)将滤波器与天线馈电部分协同设计，或者是将滤波器和传统天线通过阻抗变换器简单级联；(2)改变天线的馈电结构，从而在原本的天线馈电结构上实现馈电与滤波零点，以完成滤波要求；(3)添加辐射或者非辐射寄生结构使天线的辐射产生滤波效果，这一类滤波天线不需要额外滤波电路，并且能够大大减小传输损耗，但是现阶段该方法主要应用于定向滤波天线的设计；而无人机工作时，需要与地面控制站或卫星实时进行无线联系，因此需要水平方向图全向的通讯天线，保证无人机在一定距离内，不论飞向任何方向或者做一定角度的俯仰角机动都能收到和发出信号；此外，如今无人机在业余和专业领域都取得了巨大的发展，如科学研究，遥感，航空航天，农业监测，货物运输，紧急救援和救灾以及军事应用，由于无人机的多功能性，需要无人机能工作在众多频段，例如ISM，WLAN和C波段卫星通信，因此，为了减少天线的数量并达到空气动力学的需求，在无人机通信中需要宽带且剖面低的天线；微带天线由于具有体积小、重量轻、易集成和制造成本低等优点，很适合无人机通信系统的天线设计要求，而传统微带天线，其剖面高度越低，品质因数就会越大，导致天线的工作带宽越窄，因此常通过添加寄生单元、加载短路针等方式来增加谐振频点的个数实现宽带性能，但引入的新结构又常常会对天线原本的辐射性能产生影响。
为了解决上述问题，研究人员提出不少解决方法。如申请公布号为CN106450737A，名称为“一种全向低剖面滤波贴片天线”的专利申请，包括介质基板以及位于介质基板上表面的辐射贴片、位于介质基板下表面的地板和馈电部分；所述地板与介质基板为同等大小；所述贴片中央有一个圆环形缝隙与金属过孔形成LC谐振，使在低频通带边沿产生辐射零点。该天线全向性好，剖面高度为0.03λ0(λ0为天线工作的中心频点对应的波长)，高频处超过15dB的带外抑制带宽为1.8GHz，但其工作带宽仅为4.3GHz—4.7GHz，相对带宽为8.9％，使其在实际应用中受到了一定的限制。
又如吴天丽2017年12月在IEEE ACESS的第五卷上公开了标题为“WidebandOmnidirectional Slotted Patch Antenna With Filtering Response”的文章中，公开了一种宽带全向滤波天线，包括介质基板以及位于介质基板上的开有圆形缝隙的圆形贴片、位于介质基板下的开有圆形缝隙的金属地板和馈电部分。该天线全向性好，剖面高度为0.027λ0(λ0为天线工作的中心频点对应的波长)，工作频段内存在三个谐振频点，工作带宽为3.55GHz—4.4GHz，相对带宽为19.5％，但仍然较窄，且其高频处的带外抑制带宽较窄，超过15dB的带外抑制带宽仅为0.8GHz。
发明内容
本发明的目的在于克服上诉现有技术存在的缺陷，提出了一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，旨在保证全向和低剖面特性的同时，拓宽天线的工作带宽和高频带外抑制带宽。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，包括上下层叠的第一介质板1和第二介质板2；
所述第一介质板1的上表面印制有半径为R1的第一圆形金属贴片3，且R1小于天线工作频段最高频点fmn所对应的第一圆形金属贴片3的谐振半径a；
所述第二介质板2的上表面印制有第二圆形金属贴片4，该第二圆形金属贴片4被两个圆环形缝隙分割为从中心向外排布的第三圆形金属贴片41、第一金属圆环42和第二金属圆环43；所述第一金属圆环42被以其圆心为中心的N个放射状缝隙分割为N个第一圆弧底梯形贴片421，N≥12；所述第二金属圆环43被以其圆心为中心的M个放射状缝隙分割为M个第二圆弧底梯形贴片431，M≥18；所述第二介质板2的下表面印制有金属地板5，该金属地板5位于N个第一圆弧底梯形贴片421的投影位置分别蚀刻有开口背离金属地板5中心且周长为L1的第一开口谐振环511，位于M个第二圆弧底梯形贴片431的投影位置分别蚀刻有开口背离金属地板5中心且周长为L2的第二开口谐振环512，
Figure BDA0002643949250000031
Figure BDA0002643949250000032
λL是天线工作频段最低频点所对应的介质波长；
所述第三圆形金属贴片41与金属地板5之间通过N1个圆形排布的金属化过孔连接，6≤N1≤12，该第三圆形金属贴片41的中心位置与贯穿第二介质板2的同轴馈线6的内导体连接，金属地板5与同轴馈线6的外导体连接。
上诉一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，所述第一介质板1，其中心法线与第二介质板2的中心法线重合。
上诉一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，所述第一圆形金属贴片3，其圆心位于第一介质板1的中心法线上，该第一圆形金属贴片3的谐振半径a的计算公式为：
Figure BDA0002643949250000033
Figure BDA0002643949250000034
其中，ae是谐振半径a在边缘效应下的等效半径，εr是第一介质板1的相对介电常数，c是真空中的光速，χ'mn是第一类m阶贝塞尔函数导数的第n个根。
上诉一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，所述第二圆形金属贴片4，其圆心位于第二介质板2的中心法线上。
上诉一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，其特征在于，所述第一开口谐振环511和第二开口谐振环512，采用开口所在底的弧长大于封闭底弧长的准梯形结构，且第一开口谐振环511的中心位于第一圆弧底梯形贴片421中心的投影位置，第二开口谐振环512的中心位于第二圆弧底梯形贴片431中心的投影位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明第二圆形金属贴片被两个圆环形缝隙分割为从中心向外排布的第三圆形金属贴片、N个第一圆弧底梯形贴片组成的第一金属圆环和M个第二圆弧底梯形贴片组成的第二金属圆环，其中第三圆形金属贴片与金属地板之间通过N1个圆形排布的金属化过孔连接，从而产生了四个谐振频点，拓宽了天线的工作带宽，且工作频段内的天线全向性好；同时，在第一介质的上表面印制有半径为R1的第一圆形金属贴片，在高频处产生辐射零点，并且具有宽带的高频带外抑制效果。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例第二介质板的俯视图；
图3是本发明实施例的第一圆弧底梯形贴片和第二圆弧底梯形贴片的结构图；
图4是本发明实施例的金属地板的结构图；
图5是本发明实施例的第一开口谐振环和第二开口谐振环的结构图；
图6是本发明实施例的反射系数的仿真曲线图；
图7是本发明实施例的增益仿真曲线图；
图8是本发明实施例5.5GHz处的
Figure BDA0002643949250000041
垂直面和θ＝24°水平面的归一化辐射方向图；
图9是本发明实施例6.5GHz处的
Figure BDA0002643949250000042
垂直面和θ＝24°水平面归一化辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明实施例包括上下层叠的圆形第一介质板1和第二介质板2，其中心法线重合，具有相同的介电常数εr＝2.65，厚度分别为1mm和1.5mm。半径为R2＝17.8mm的第一介质板1的上表面印制有半径为R1＝14.7mm的第一圆形金属贴片3，其圆心位于第一介质板1的中心法线上，用于产生高频边沿处的一个辐射零点，以及高频处良好的滚降度和宽带的带外抑制，第二圆形金属贴片4的中心位置与贯穿第二介质板2的同轴馈线6的内导体连接，金属地板5与同轴馈线6的外导体连接,用于给辐射贴片馈电。
参照图2，所述半径R13＝46mm的第二介质板2上表面印制有半径R8＝42.8mm的第二圆形金属贴片4，其圆心位于第二介质板2的中心法线上，用于产生三个谐振频点，该第二圆形金属贴片4被两个圆环形缝隙分割为从中心向外排布的半径R4＝17mm的第三圆形金属贴片41、第一金属圆环42和第二金属圆环43，其中，第一金属圆环42的内环半径R5＝18mm、外环半径R6＝30.5mm；第二金属圆环43的内环半径R7＝31.8mm、外环半径R8＝42.8mm，从而使得第二圆形金属贴片4的三个谐振频点相互靠近，实现宽带性能，所述第一金属圆环42被以其圆心为中心的N个放射状缝隙分割为N个第一圆弧底梯形贴片421，N＝24，相邻第一圆弧底梯形贴片421之间间隔的角度相同；所述第二金属圆环43被以其圆心为中心的M个放射状缝隙分割为M个第二圆弧底梯形贴片431，M＝36，相邻第二圆弧底梯形贴片431之间间隔的角度相同，进而实现天线工作频段内的良好的匹配，且第三圆形金属贴片41与金属地板5之间通过9个圆形排布的金属化过孔连接，圆形排布的半径R3＝12mm，用于产生一个新的谐振频点，进一步拓宽天线的工作带宽。
参照图3(a)，第一圆弧底梯形贴片421的内侧边长W1＝14deg×R5、外侧边长W2＝14deg×R6；参照图3(b)第二圆弧底梯形贴片431的内侧边长W3＝9deg×R7、外侧边长W4＝9deg×R8。
参照图4，所述第二介质板2的下表面印制有金属地板5，该金属地板5位于N个第一圆弧底梯形贴片421的投影位置分别蚀刻有开口背离金属地板5中心且周长为L1的第一开口谐振环511，第一开口谐振环511的内环半径R9＝18.5mm、外环半径R10＝30mm；位于M个第二圆弧底梯形贴片431的投影位置分别蚀刻有开口背离金属地板5中心且周长为L2的第二开口谐振环512，第二开口谐振环512的内环半径R11＝32.8mm、外环半径R12＝41.8mm，所述第一开口谐振环511和第二开口谐振环512，采用开口所在底的弧长大于封闭底弧长的准梯形结构，且第一开口谐振环511的中心位于第一圆弧底梯形贴片421中心的投影位置，第二开口谐振环512的中心位于第二圆弧底梯形贴片431中心的投影位置，用于产生低频边沿处的两个辐射零点，进而在低频处产生良好的滚降度和宽带的带外抑制，且两个辐射零点的频点所对应的半波长约等于开口谐振环的周长。
参照图5(a)，第一开口谐振环511的内侧边长W5＝11deg×R9、外侧边长W6＝11deg×R10、沿半径方向缝隙宽度Wr1＝1deg×R，R9≤R≤R10、开口宽度Wk1＝1mm、沿圆周方向的缝隙宽度Wf1＝1mm；参照图5(b)，第二开口谐振环512内侧边长W7＝7deg×R11、外侧边长W8＝7deg×R12、沿半径方向缝隙宽度Wr2＝1deg×R，R11≤R≤R12、开口宽度Wk2＝1mm、沿圆周方向的缝隙宽度Wf2＝1mm。
本发明的工作原理是：本实施例通过同轴馈线的内导体将能量传输给第三圆形金属贴片41，第三圆形金属贴片41再将能量向外依此耦合给被放射状缝隙分割为N个的第一圆弧底梯形贴片421和M个的第二圆弧底梯形贴片431，进而实现了宽带的辐射性能，其中频率由低到高的第一个谐振频点由第三圆形金属贴片41和金属通孔的共同作用产生；第二个谐振频点由第三圆形金属贴片41产生；第三个谐振频点由N个第一圆弧底梯形贴片421和第三圆形金属贴片41的共同作用产生；第四个谐振频点由M个第二圆弧底梯形贴片431、N个第一圆弧底梯形贴片421和第二圆形贴片31的共同作用产生；第一圆形金属贴片3在高频带外会感应出与第二圆形金属贴片4相反的电流，进而产生高频的辐射零点和宽带的带外抑制；在第一圆弧底梯形贴片投影位置蚀刻有第一开口谐振环和第二圆弧底梯形贴片投影位置蚀刻有第二开口谐振环的金属地板5在低频带外会感应出与第二圆形金属贴片4相反的电流，进而产生低频的辐射零点和宽带的带外抑制。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的反射系数在2GHz-10GHz范围内进行仿真计算，结果如图6所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的增益在2GHz-10GHz范围内进行仿真计算，结果如图7所示。
1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的两个频点处的远场归一化辐射方向图进行仿真计算，其中：5.5GHz的
Figure BDA0002643949250000061
垂直面归一化辐射方向图如图8(a)所示，5.5GHz的θ＝24°水平面归一化辐射方向图如图8(b)；6.5GHz的
Figure BDA0002643949250000062
垂直面归一化辐射方向图如图9(a)所示，6.5GHz的θ＝24°水平面归一化辐射方向图如图9(b)；
2、仿真结果：
参照图6，横坐标为频率，纵坐标为反射系数，以反射系数≤-10dB为标准，实施例中，天线的工作带宽为4.9GHz～6.96GHz，相对带宽超过34％。
参照图7，实施例在高频处存在一个辐射零点，且以工作带宽内的最低增益为标准，高频处超过15dB的带外抑制带宽大于2.8GHz；低频处存在两个辐射零点，且以工作带宽内的最低增益为标准，超过15dB的带外抑制带宽大于2GHz。
参照图8(a)，5.5GHz下在
Figure BDA0002643949250000071
方向的垂直面方向图呈锥形波束，最大辐射增益达5.4dBi；参照图8(b)，在θ＝24°方向的水平面方向图呈现全向性，不圆度为0.36dBi，主极化比交叉极化高28dBi以上。
参照图9(a)，6.5GHz下在方向的垂直面方向图中呈锥形波束，最大辐射增益达6.4dBi；参照图9(b)，在方向的水平面方向图呈现全向性，不圆度为0.63dBi，主极化比交叉极化高18dBi以上。
以上结果说明，天线的相对带宽超过34％，高频处大于15dB的带外抑制带宽超过2.8GHz，天线的剖面高度为0.049λ0，同时在工作频段内天线的水平面全向性很好，与现有技术相比，该天线在保持低剖面和全向性的基础上，大大拓宽了天线的工作带宽和高频带外抑制带宽。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，其特征在于，包括上下层叠的第一介质板(1)和第二介质板(2)；
所述第一介质板(1)的上表面印制有半径为R1的第一圆形金属贴片(3)，且R1小于天线工作频段最高频点fmn所对应的第一圆形金属贴片(3)的谐振半径a；
所述第二介质板(2)的上表面印制有第二圆形金属贴片(4)，该第二圆形金属贴片(4)被两个圆环形缝隙分割为从中心向外排布的第三圆形金属贴片(41)、第一金属圆环(42)和第二金属圆环(43)；所述第一金属圆环(42)被以其圆心为中心的N个放射状缝隙分割为N个第一圆弧底梯形贴片(421)，N≥12；所述第二金属圆环(43)被以其圆心为中心的M个放射状缝隙分割为M个第二圆弧底梯形贴片(431)，M≥18；所述第二介质板(2)的下表面印制有金属地板(5)，该金属地板(5)位于N个第一圆弧底梯形贴片(421)的投影位置分别蚀刻有开口背离金属地板(5)中心且周长为L1的第一开口谐振环(511)，位于M个第二圆弧底梯形贴片(431)的投影位置分别蚀刻有开口背离金属地板(5)中心且周长为L2的第二开口谐振环(512)，
Figure FDA0002643949240000011
λL是天线工作频段最低频点所对应的介质波长；
所述第三圆形金属贴片(41)与金属地板(5)之间通过N1个圆形排布的金属化过孔连接，6≤N1≤12，该第三圆形金属贴片(41)的中心位置与贯穿第二介质板(2)的同轴馈线(6)的内导体连接，金属地板(5)与同轴馈线(6)的外导体连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，其特征在于，所述第一介质板(1)，其中心法线与第二介质板(2)的中心法线重合。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，其特征在于，所述第一圆形金属贴片(3)，其圆心位于第一介质板(1)的中心法线上，该第一圆形金属贴片(3)的谐振半径a的计算公式为：
Figure FDA0002643949240000021
Figure FDA0002643949240000022
其中，ae是谐振半径a在边缘效应下的等效半径，εr是第一介质板(1)的相对介电常数，c是真空中的光速，χ'mn是第一类m阶贝塞尔函数导数的第n个根。
4.根据权利要求1所述的一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，其特征在于，所述第二圆形金属贴片(4)，其圆心位于第二介质板(2)的中心法线上。
5.根据权利要求1所述的一种应用于无人机通信的低剖面宽带全向滤波天线，其特征在于，所述第一开口谐振环(511)和第二开口谐振环(512)，采用开口所在底的弧长大于封闭底弧长的准梯形结构，且第一开口谐振环(511)的中心位于第一圆弧底梯形贴片(421)中心的投影位置，第二开口谐振环(512)的中心位于第二圆弧底梯形贴片(431)中心的投影位置。
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