CN113300114B - 一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，包括有介质基板，所述介质基板的上端中部设置有圆形贴片，所述介质基板的上端在圆形贴片的外部设置有开槽的扇形环，所述介质基板的下端设置有接地板，所述圆形贴片向下通过12个短路过孔与所述接地板连接，12个所述短路过孔沿着所述圆形贴片的轴线均布，所述介质基板的上端、下端的外围各周向均布有14个雪花状的超材料晶胞，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电。本发明提供的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，在不增加天线高度(即低剖面)的基础上，提高了天线的水平面增益，满足很多工程使用需求。

Description

一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线
技术领域
本发明涉及通信系统中的天线领域，尤其涉及一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线。
背景技术
全向天线由于其全向辐射的方向图而被广泛应用于点对多通信、移动通信、卫星通信以及空间飞行器等无线通信领域。天线采用垂直极化方式可以提高传输距离，避免由于采用水平极化波受地表极化电流引起的信号衰减。所以，垂直极化的全向天线的研究和设计一直都备受关注。但是一些公开报道的具有垂直极化的全向天线中，水平增益均低于0dBi，这是由于仰角较大所致，在实际应用中水平面的低增益限制了其在各种环境中的应用。因此，如何增大全向天线的水平面增益成为设计和研究重点。
近年来，国内外学者已经研究并提出了多种提高全向天线水平面增益的方法。主要可以分为两部分：一、在微带贴片周围加载寄生条带、环形磁偶极子、耦合环等通过对天线辐射特性的调控以提高水平面增益。李超超等2014年发表的论文“基于零阶谐振的高增益共形全向微带天线”中提出了一种零阶谐振的共面磁流环阵列天线，通过在圆形贴片上加载短路过孔，在贴片和接地板平面分别增加环形寄生单元，这种水平面增益增大的原因主要是由于两个磁流环是反相的，故而，在0-60°范围内的场相抵消减弱，使得90°附近的辐射能量得到增强，从而使得水平面附近的增益得到提高；二、在全向天线的上方加载超材料覆盖层，利用超材料的近零折射率、负介电常数、负磁导率等特性，通过改变电磁波的传输路径来提高水平面增益。Guo.Y等人2020年发表的论文“Omnidirectional BroadbandPatch Antenna with Horizontal Gain Enhanced by Epsilon-negative MetamaterialSuperstrate”提出了两种近零折射率超材料(NZIM)，将其放置在宽带全向天线上方以提高水平增益，结果表明，两个覆盖层都可以在各个方向上的各个频率上将水平增益值增加50％以上(1dB)。为了不增加天线的垂直高度且便于加工，有必要设计在水平面上加载超材料阵列和耦合环来提高天线的水平面增益。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，在不增加天线高度(即低剖面)的基础上，提高天线的水平面增益，满足很多工程使用需求。
为实现本发明提供的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，包括有介质基板，所述介质基板的上端中部设置有圆形贴片，所述介质基板的上端在圆形贴片的外部设置有开槽的扇形环，所述介质基板的下端设置有接地板，所述圆形贴片向下通过12个短路过孔与所述接地板连接，实现阻抗匹配和展宽阻抗带宽。12个所述短路过孔沿着所述圆形贴片的轴线均布，所述介质基板的上端、下端的外围各周向均布有14个雪花状的超材料晶胞，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电。中心馈电的圆形贴片用于实现全向垂直极化特性，开槽的扇形环和外围的雪花状的超材料晶胞用于增大水平面增益。
进一步地，为了保证天线的阻抗带宽，需要调节短路过孔的数目、半径、距天线圆心的位置；采用12个半径为0.45mm的金属短路过孔均匀地分布在距离圆形贴片的圆心13.6mm处的圆上，使天线的TM01和TM02模式可以产生两个相邻的谐振频率来展宽带宽。
雪花状的超材料晶胞对称地分布在介质基板上层和下层的最外围，每一层的雪花状超材料结构由14个雪花状超材料晶胞组成，来抑制表面波的透射，提高了天线在最大辐射方向和θ＝90°方向处的增益；雪花状的超材料晶胞排列在距离贴片中心34mm的圆上；每一个雪花状晶胞由从中心向外延伸的6条支线构成，在每条支线上对称的分布着三组折线，每一组折线之间的夹角为90°；雪花状超材料结构的引入可以抑制天线背向辐射，提高天线的最大辐射增益和水平面增益。
6个开槽的扇形环加载在圆形贴片和超材料晶胞之间，距离圆形贴片的中心19.5mm处环绕排列，通过引导电磁波沿水平面传播，进一步增大了天线的水平面增益。每个扇形环的弧度为57°，每两个扇形环之间间隔3°；在每一个扇形环的逆时针45°处蚀刻有一个3.5mm×1mm的矩形槽；引入6个开槽的扇形环以引导电磁波沿水平方向传播，在每一个扇形环上分别蚀刻一个矩形槽，目的是为了保证θ＝90°水平面的方向图的不圆度小于3dB。
作为上述方案的进一步改进，所述超材料晶胞排列在距离所述圆形贴片中心为34mm的圆周上，每一个超材料晶胞的中心向外延伸设置有6条支线，在每条支线上对称分布有三组折线，每组两个折线之间的夹角为90°。
作为上述方案的进一步改进，所述介质基板采用的材料为2mm厚的聚四氟乙烯，介电常数为2.2，损耗角正切为0.002。本技术方案的天线工作在专用短程通信技术DSRC频段(5.85-5.925GHz)，通过变更尺寸，可以工作在其他频段。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，参考天线由半径为18.5mm的中心馈电的圆形贴片构成，以实现低剖面垂直极化，并通过12个半径为0.45mm的短路过孔与半径为26.5mm的接地板相连，实现阻抗匹配和展宽阻抗带宽，介质基板上层和下层外围分别分布着14个雪花状的超材料晶胞，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电。本发明实现了宽频带、低剖面、高水平面增益、全向辐射、垂直极化特性。天线的阻抗带宽达到18.1％(5.32-6.38GHz)；天线高度仅为0.04λ0(λ0是5.9GHz对应的真空中波长)；水平面增益可以达到1.2dBi，较参考天线提高了3.4dB；E面和H面的方向图分别为锥形辐射和全向辐射，因此具有垂直极化特性。本发明在不增加垂直高度保证低剖面的基础上，通过在水平面方向上加载雪花状超材料结构和带槽的扇形环来提高天线的水平面增益，根据所实现的频段可以用于实现自动驾驶的DSRC通信系统(5.85-5.925GHz)。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明天线的结构示意图，其中图1(a)为本发明天线的俯视示意图；其中图1(b)为本发明天线的仰视示意图；其中图1(c)为本发明天线的正面示意图；
图2为本发明中加载的雪花状的超材料晶胞结构示意图；
图3为本发明中开槽的扇形环的结构示意图；
图4为本发明天线与对比天线的反射系数；
图5为本发明在设计过程中的不同结构下天线的水平面辐射方向图；
图6为本发明天线与对比天线的辐射方向图，其中图6(a)为E面的辐射方向图；图6(b)为水平面的辐射方向图。
其中，1-圆形贴片，2-短路过孔，3-扇形环，4-超材料晶胞，5-介质基板，6-接地板，7-同轴馈线。
具体实施方式
如图1(a)～图1(c)、图2、图3所示，本发明提供的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，包括有介质基板5，介质基板5的上端中部设置有圆形贴片1，介质基板5的上端在圆形贴片1的外部设置有开槽的扇形环3，介质基板5的下端设置有接地板6，圆形贴片1向下通过12个短路过孔2与接地板6连接，12个短路过孔2沿着圆形贴片1的轴线均布，介质基板5的上端、下端的外围各周向均布有14个雪花状的超材料晶胞4，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片1中心馈电，同轴馈线7的内芯与圆形贴片1的中心连接，同轴馈线7的外导体与接地板6连接。
实施例中曲线1、曲线2、曲线3、分别表示的是本发明的参考天线、在参考天线的基础上只添加了雪花状的超材料圆形阵列和本发明的天线的仿真结果。
图4曲线表示的是天线反射系数的对比仿真结果。通过图4可以发现：本发明天线的反射系数小于-10dB的阻抗带宽达到18.1％(5.32-6.38GHz)，与只加载了雪花超材料阵列和参考天线相比带宽变化不大，但是本发明天线的中心频率与另外两个天线的谐振频率相比向左偏移，并且可以看到有三个明显的谐振点，这意味着6个开槽的扇形环3的引入会产生一个新的谐振点，同时也增大了电流流向路径导致频点左移。
为了说明本发明天线各部分结构在提高水平增益方面的作用，图5给出了在工作频带内的5.9GHz处不同结构下天线在θ＝90°的水平面辐射方向图。从图中可以看出：当圆形贴片1天线外加载了雪花状超材料结构时，天线的水平面实现了全向辐射，此时水平增益较参考天线有所提升，可以达到-1.6dBi；通过在圆形贴片1和超材料雪花阵列之间添加一个耦合圆环，天线的水平面增益可以增大到-0.5dBi，而且具有很好的全向性；为了将水平增益提高到0dBi以上，在耦合圆环上加载六个矩形槽，将圆环分割成6个均匀的扇形环3，这时可以观察到水平面增益呈现增加趋势，除了在20-60°、180-250°处增益较前者有所减小，这时天线的水平面辐射的不圆度大于3dB，没有实现全向辐射；为了提高20-60°、180-250°处的增益且保证天线的水平面辐射为全向辐射，在每一个扇形环3的逆时针45°角处分别加载另一组矩形槽，可以看到在20-60°、180-250°处增益显著增加，水平面增益不圆度改善到小于3dB，并且最大增益可以达到1.2dBi。
图6表示的是在5.9GHz处三种天线的E面和θ＝90°水平面的辐射方向图的对比仿真结果。从图6(a)中可以看出：本发明天线引入了6个开槽的扇形环3后，θ＝90°处增益明显增强，天线整体向水平面拉伸；从图6(b)中可以看出：三款天线在5.9GHz处水平面辐射均呈全向性，并且最大水平增益分别达到1.2dBi、-1.6dBi、-2.2dBi，所以雪花状超材料圆形阵列和6个开槽的扇形环3的引入对水平面增益的影响较大。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，其特征在于：包括有介质基板，所述介质基板的上端中部设置有圆形贴片，所述介质基板的上端在圆形贴片的外部设置有开槽的扇形环，所述扇形环的弧度为57°，每两个扇形环之间间隔3°，在每一个扇形环逆时针45°处蚀刻有一个3.5mm×1mm的矩形槽，所述介质基板的下端设置有接地板，所述圆形贴片向下通过12个短路过孔与所述接地板连接，12个所述短路过孔沿着所述圆形贴片的轴线均布，所述介质基板的上端、下端的外围各周向均布有14个雪花状的超材料晶胞，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电，所述超材料晶胞排列在距离所述圆形贴片中心为34mm的圆周上，每一个超材料晶胞的中心向外延伸设置有6条支线，在每条支线上对称分布有三组折线，每组两个折线之间的夹角为90°采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电。
2.根据权利要求1所述的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，其特征在于：所述介质基板采用的材料为2mm厚的聚四氟乙烯，介电常数为2.2，损耗角正切为0.002。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110233331A (zh) * 2019-05-10 2019-09-13 深圳大学 一种应用于5g通信的全向室分天线

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101888013A (zh) * 2009-05-13 2010-11-17 西北工业大学 C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线
CN204243202U (zh) * 2014-11-13 2015-04-01 张家港保税区灿勤科技有限公司 应用于人体通信系统的多功能双频双极化天线
US9941595B2 (en) * 2015-08-12 2018-04-10 Novatel Inc. Patch antenna with peripheral parasitic monopole circular arrays
CN107403994A (zh) * 2017-06-10 2017-11-28 西安电子科技大学 一种截断超表面加载的低剖面宽带高增益全向表面波天线
KR101826316B1 (ko) * 2017-08-23 2018-02-06 한화시스템(주) 컨포멀 안테나
JP7090329B2 (ja) * 2018-08-24 2022-06-24 国立大学法人京都工芸繊維大学 アンテナ装置
CN110034387A (zh) * 2019-03-29 2019-07-19 上海交通大学 水平全向辐射特性的垂直极化天线
CN111541019A (zh) * 2020-04-25 2020-08-14 华南理工大学 一种低剖面垂直极化高增益全向天线
CN111740213B (zh) * 2020-05-28 2022-08-26 电子科技大学 基于超表面的宽带全向天线
CN112768885B (zh) * 2020-12-17 2023-10-03 深圳市南斗星科技有限公司 室内分布天线

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110233331A (zh) * 2019-05-10 2019-09-13 深圳大学 一种应用于5g通信的全向室分天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于超材料馈电网络的全向双极化天线阵设计;郝静宇;《电子元件与材料》;20191105;全文 *

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