CN112467345B - 一种基于高阻抗表面的宽带低剖面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，包括高阻抗表面反射板和设置在第一介质基板上表面的的偶极子天线，第一介质基板位于高阻抗表面反射板上方的中间位置；所述高阻抗表面反射板由多个HIS反射单元排列而成，HIS反射单元采用蘑菇状结构；所述偶极子天线包括一对正交的花瓣形金属贴片，其中一个金属贴片靠中心处开设一个通孔，通孔用于同轴内芯馈电。本发明能够有效降低天线的整体剖面高度，拓展工作带宽，同时增加天线增益。

Description

一种基于高阻抗表面的宽带低剖面天线
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种基于高阻抗表面的宽带低剖面天线。
背景技术
现代通信设备要求天线向小型化、宽带和多频段、智能方向发展。而无线通信基站的天线一般采用偶极子天线加金属背板的形式，但根据镜像原理，偶极子天线的辐射性能会受到金属地板强烈的影响，因为理想电导体表面的入射电磁波与反射电磁波有180°的相位差。所以，偶极子天线距离金属背板的高度不能少于四分之一波长，这样显然不能满足未来无线通信系统对于小体积的苛刻要求，尤其在适合广覆盖的低频段通信难以接受。
1999年，Eli Yablonovitch等人在IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques上发表了《High-impedance electromagnetic surfaces with a forbiddenfrequency band》，设计了一种电磁结构，使其在谐振频率附近具有与理想磁导体(PerfectMagnetic Conductor,PMC)非常接近的特性，即表面的入射电磁波与反射电磁波几乎没有相位差，且具有很高的阻抗，因此称为高阻抗电磁表面(HIS)。
专利号为CN210379417U的实用新型专利公开了一种低剖面的5G阵列天线，其主要通过主天线和副天线的排列组合使得天线在保持良好工作性能的前提下，天线整体高度小于10mm，但由于其依旧没有解决偶极子天线必须距离金属地板四分之一波长距离的问题，使得其天线搬移至低频段工作时，高度会大大增加；申请号为201310566093.X的发明专利公开了一种天线反射板和低剖面天线，其反射板包括一个超材料层，超材料层由纵横交叉布置的两个工字型导电结构的阵列排布而成，使得反射板与天线本体的间距小于四分之一工作波长的情况下依旧能保持良好的性能，但是其主天线依旧使用传统的偶极子天线，较为笨重。申请号为201810366533.X的发明专利公开了一种超宽频带的低剖面天线阵列结构，其天线阵列有上中下三成介质板和一层吸波材料组成，加工工艺较为复杂。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种降低天线的整体剖面高度，拓展工作带宽，同时，增加天线增益的基于高阻抗表面的宽带低剖面天线。
技术方案：本发明包括高阻抗表面反射板和设置在第一介质基板上表面的偶极子天线，第一介质基板位于高阻抗表面反射板上方的中间位置；所述高阻抗表面反射板由多个HIS反射单元排列而成，HIS反射单元采用蘑菇状结构；所述偶极子天线包括一对正交的花瓣形金属贴片，其中一个金属贴片靠中心处开设一个通孔，通孔用于同轴内芯馈电。
所述HIS反射单元包括第二介质基板，第二介质基板上设有金属贴片，金属贴片中央开设金属接地通孔，金属接地通孔穿过第二介质基板，用于接地。
所述金属贴片的尺寸小于第二介质基板尺寸。
所述高阻抗表面反射板上的四个倒角均被切除，且高阻抗表面反射板中央不设HIS反射单元，切除倒角实现在保证天线整体性能的前提下缩小物理尺寸。
所述第一介质基板下表面设置与偶极子天线相互垂直的寄生贴片，寄生贴片结构与偶极子天线相同，用于增加带宽。
所述寄生贴片中的两个花瓣形金属贴片之间设有T形贴片，T形贴片与同轴馈电线金属外导体连接，以耦合馈电的方式给第一介质基板上表面的另一个金属贴片馈电。
在所述第一介质基板的四个角处分别开设通孔，用于与下层高阻抗表面反射板安装固定。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：能够在低频段800-960MHz(涵盖2G移动通信标准)实现超低剖面高度(包括天线罩总厚度20mm)的通信天线，仿真和测试结果表明，工作频段内驻波均小于2，增益均大于7dBi；并且，本发明结构简单，加工工艺成熟，易于批量生产。
附图说明
图1为本发明所述基于高阻抗表面的宽带低剖面天线的俯视图；
图2为本发明所述基于高阻抗表面的宽带低剖面天线的侧视图；
图3为本发明中偶极子天线的结构示意图；
图4本发明中寄生贴片的结构示意图；
图5为本发明中高阻抗表面反射板的俯视图。
图6为图5中HIS反射单元的俯视图；
图7为图5中HIS反射单元的侧视图；
图8为使用PEC和HIS反射板时天线和反射板之间的空间距离对比图；
图9本发明中HIS反射单元的反射相位图；
图10本发明中HIS反射单元的表面阻抗图；
图11为本发明所述基于高阻抗表面的宽带低剖面天线输入端口的电压驻波比(VSWR)曲线图；
图12为本发明在800MHz下的辐射方向图；
图13为本发明在中心频点(880MHz)时的辐射方向图；
图14为本发明在960MHz下的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明包括高阻抗表面反射板和偶极子天线12两部分。偶极子天线12采用PCB工艺印刷在第一介质基板11上表面，第一介质基板11设置在高阻抗表面反射板上方的中间位置。偶极子天线12包括一对正交的花瓣形金属贴片，实现双极化电磁波的收发。如图3所示，其中一个金属贴片靠中心处开设一个通孔13，通孔13用于同轴内芯馈电。第一介质基板11的四个角处分别开设通孔14、15、16、17，用于与下层高阻抗表面反射板安装固定。本发明的整体高度小于20mm。
如图4所示，第一介质基板11下表面设置与偶极子天线12相互垂直的寄生贴片21，寄生贴片21也由一对正交的花瓣形金属贴片构成，用于增加带宽。寄生贴片21中的两个花瓣形金属贴片之间设有T形贴片22，T形贴片22与同轴馈电线金属外导体连接，以耦合馈电的方式给第一介质基板11上表面的另一个金属贴片馈电。
如图5和图6所示，高阻抗表面反射板采用PCB工艺，由多个HIS反射单元3整齐排列而成，HIS反射单元3采用蘑菇状结构。为了在不影响天线整体性能的前提下缩小物理尺寸，高阻抗表面反射板上的四个倒角均被切除，且高阻抗表面反射板中央不设HIS反射单元，便于安装第一介质基板11。HIS反射单元3包括第二介质基板31，本实施例中，第一介质基板11、第二介质基板31均采用FR-4板材。第二介质基板31呈正方形，且边长为60mm。第二介质基板31上设有金属贴片32，金属贴片32的尺寸小于第二介质基板31尺寸，为边长为54mm的正方形。金属贴片32中央开设金属接地通孔33，金属接地通孔33穿过第二介质基板31。第二介质基板31反面为金属地层。如图7所示，HIS反射单元3的厚度为h＝9mm。
以下是对使用高阻抗表面(HIS)反射板作为定向辐射天线反射板时可以有效降低天线整体剖面高度的证明：
如图8所示，天线分别放置在PEC和HIS反射板上方，波1为电流元直接辐射的前向波，波2为电流元辐射的后向波经反射板反射后形成的反射波。为了使天线产生有效的定向辐射，波1和波2要在远场处形成同相位叠加，即波1和波2的相位差为0。若天线工作波长为λ，反射板的反射相位为天线和反射板之间的空间距离为H，则波2到达天线处的往返传播路径为2H，传播路径2H形成的空间相位延迟为/>则有
要使则应有
可得
由上式可知，当天线工作频率一定时，空间高度H与反射板相位正相关，即/>越小，H越小。
当用PEC作为反射板时，此时
而当使用HIS作为反射板时，其同相反射相位使得非常小，因此
H＜＜λ
因此，使用HIS反射板作为定向辐射天线反射板时可以有效降低天线整体剖面高度。
如图9所示，从图中可看出，在800-960MHz频段范围内，反射相位都在[-90°,90°]之内。如图10所示，在800-960MHz频段范围内，HIS反射单元的表面阻抗都有较大阻值，在谐振频点885MHz处表面阻抗约3800欧姆。
如图11所示，在790-1060MHz频段中，电压驻波比(VSWR)都小于1.8，整体保持一个良好的电性能。
如图12所示，辐射增益最大方向为-5°，增益最大为7.1dBi，3dB波束宽度为63.9°，背向辐射为-21dB。
如图13所示，辐射增益最大方向为2°，增益最大为7.67dBi，3dB波束宽度为66.6°，背向辐射为-14.9dB。
如图14所示，从图中可以看出辐射增益最大方向为1°，增益最大为7.79dBi，3dB波束宽度为72.7°，背向辐射为-15dB。
从天线方向图可以清楚地看出本发明所设计的低剖面天线在设计频段内既保持了良好的回波损耗，同时也保证了良好的单向辐射性能。

Claims (5)

1.一种基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，其特征在于：包括高阻抗表面反射板和设置在第一介质基板（11）上表面的的偶极子天线（12），第一介质基板（11）位于高阻抗表面反射板上方的中间位置；所述高阻抗表面反射板由多个HIS反射单元（3）排列而成；所述偶极子天线（12）包括一对正交的花瓣形金属贴片，其中一个金属贴片靠中心处开设一个通孔（13），通孔（13）用于同轴内芯馈电；
所述HIS反射单元（3）包括第二介质基板（31），第二介质基板（31）上设有金属贴片（32），金属贴片（32）中央开设金属接地通孔（33），金属接地通孔（33）穿过第二介质基板（31）；
所述第一介质基板（11）、第二介质基板（31）均采用FR-4板材；
所述第一介质基板（11）下表面设置与偶极子天线（12）相互垂直的寄生贴片（21），寄生贴片（21）结构与偶极子天线（12）相同。
2.根据权利要求1所述的基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，其特征在于：所述金属贴片（32）的尺寸小于第二介质基板（31）尺寸。
3.根据权利要求1所述的基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，其特征在于：所述高阻抗表面反射板上的四个倒角均被切除，且高阻抗表面反射板中央不设HIS反射单元（3）。
4.根据权利要求1所述的基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，其特征在于：所述寄生贴片（21）中的两个花瓣形金属贴片之间设有T形贴片（22），T形贴片（22）与同轴馈电线金属外导体连接，以耦合馈电的方式给第一介质基板（11）上表面的另一个金属贴片馈电。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于高阻抗表面的宽带低剖面天线，其特征在于：在所述第一介质基板（11）的四个角处分别开设通孔，用于与下层高阻抗表面反射板安装固定。
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