CN113851832A - 一种“明”型低剖面三频定向微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种“明”型低剖面三频定向微带天线，属于无线通信中的天线技术领域。该天线包括介质基板、设置于介质基板下表面的接地板、设置于介质基板上表面的月牙形金属贴片、圆形金属贴片，圆形金属贴片与月牙形金属贴片的内侧曲线相交，且圆形金属贴片相交部分的圆弧对应的圆心角取值范围为50°～90°。与传统的定向辐射天线相比，本发明天线的辐射面积相对于缝隙天线来说，其起辐射作用的周长相对而言更长，由于“月”型结构和“日”形结构边沿的走向大致一样，故其方向图的定向性更高且三个频段的方向图和增益差距更小。与此同时由于其结构只有一块辐射贴片，剖面较低占用空间小，因此无论是安装还是加工以及制造成本均具有很好的优势。

Description

一种“明”型低剖面三频定向微带天线
技术领域
本发明属于无线通信中的天线技术领域，涉及一种适应于多频系统短距离通信的低剖面三频定向天线。
技术背景
随着通信技术的发展，通信系统对天线的要求越来越高，多频段、高定向、低剖面、馈电结构简单等需求变得异常突出。因此能够适应不同运营商工作频段的多频、且易于安装的低剖面天线变得越来越受欢迎。然而由于传统的多频定向天线使用的是偶极子模型，其普遍存在方向图畸变、定向效果不好和剖面较高的情况，这严重影响了天线的通信质量和天线的覆盖能力。
华南理工大学曾广洁同学在2019年申请的“一种差分馈电双频平面天线”(专利号：CN 108448245 A)，采用差分馈电实现双频定向辐射性能，具有很好的定向性，且增益稳定度较好；但是其剖面过高，占用空间过大，且馈电结构较为复杂。
2012年全旭林设计的一款三频定向天线(Analysis and Design of a CompactDual-Band Directional Antenna)，其具有很好的传输特性，且定向性良好，不过三个频点的半功率波束宽度存在明显差异，且整个天线的剖面较高。
2013年Akanksha Garg等人设计了一款三频定向天线(A Novel Tri-Band C-Shaped Slot Loaded Microstrip Antenna)，该天线有很好的三频传输特性，不过其方向图在不同频点往不同方向具有定向效果，这大大制约了其安装环境，对于不同频点应用时其传输性能最佳方向不同。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术中存在的不足，提供一种“明”型低剖面三频定向微带天线，该天线具有低成本、结构简单、方向图在多频点上基本无畸变的优势，特别适用于多频系统的短距离通信。
本发明采用如下技术方案：
一种“明”型低剖面三频定向微带天线，包括介质基板、设置于介质基板下表面的接地板、设置于介质基板上表面的金属贴片；其特征在于，所述金属贴片为轴对称结构，包括月牙形金属贴片、圆形金属贴片，所述圆形金属贴片与月牙形金属贴片的内侧曲线相交，且圆形金属贴片相交部分的圆弧对应的圆心角取值范围为50°～90°。
进一步地，所述月牙形金属贴片的外侧曲线为圆弧，其半径为R。
进一步地，所述圆形金属贴片的半径的取值范围为0.5*R～0.7*R。
进一步地，所述天线的馈电方式为同轴偏馈。
进一步地，若需要大带宽的话，所述天线的馈电方式可以改为耦合馈电或缝隙馈电，用于更好地拓展带宽。
调取本征模求解器，分析天线表面的电流分布，寻找三个定向辐射天线模式电流辐射重合区域进行馈电，采用粒子群算法局部寻优，优化其馈电位置，实现在三个点频都有较好的频率特性。
与传统的定向辐射天线相比，本发明天线的辐射面积相对于缝隙天线来说，其起辐射作用的周长相对而言更长，由于“月”型结构和“日”形结构边沿的走向大致一样，故其方向图的定向性更高且三个频段的方向图和增益差距更小。与此同时由于其结构只有一块辐射贴片，剖面较低占用空间小，因此无论是安装还是加工以及制造成本均具有很好的优势。
附图说明
图1是该贴片天线在1.5402GHz时的贴片本征模式表面电流分布。
图2是该贴片天线在2.109GHz时的贴片本征模式表面电流分布。
图3是该贴片天线在2.6387GHz时的贴片本征模式表面电流分布。
图4是该贴片天线在三个谐振频点的phi＝0°面的辐射方向图截面。
图5是该贴片天线在三个谐振频点的Phi＝90°面的辐射方向图截面。
图6是该贴片天线在1.5402GHz时贴片辐射方向图的3D立体图。
图7是该贴片天线在2.109GHz时-贴片辐射方向图的3D立体图。
图8是该贴片天线在2.6387GHz时贴片辐射方向图的3D立体图。
图9是该贴片天线全波段仿真得到的S参数仿真结果。
图10为月型结构切割示意图。
图11为本实施例的整体结构示意图。
附图标号说明：1.介质基板，2.月牙形金属贴片，3.圆形金属贴片，4.馈电点。
具体实施方式
为了使本发明专利实施例的目的、技术方案和优点更加清楚。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案更加清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分，对本例子的天线结构尺寸做适当的调整，可以得到想要频率的辐射特性。该拓扑结构的辐射方向图模式基本上保持不变。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明天线的设计方法，包括以下步骤：
1.根据选择的介质基板的材料确定其厚度：
选定介质基板的材料；介质基板的厚度增加会提高带宽，增加辐射功率，但是也会引入表面波以及加大介质损耗。通过式(1)计算介质基板的初始厚度，然后选择与初始厚度最接近的现有介质基板。
Figure BDA0003303479080000031
其中，c为真空中的光速，fm为谐振频率，εr为介质基板的介电常数。本实施例中采用的介质基板为厚度h＝2.5mm、介电常数为4.4的FR4介质基板。
2.确定月牙形金属贴片的初始尺寸：
2-1.根据公式(2)计算月牙形金属贴片的外侧圆弧的初始半径R：
Figure BDA0003303479080000032
其中K为介质中的传输波矢量，h为介质厚度，依据工作频率，其波矢量大小不同，代入计算得到R的初始尺寸为24mm。
2-2.月牙形金属贴片的内侧弧线要求为平滑曲线。因此，不与圆形金属贴片相交的两段内侧曲线可以为任意光滑曲线，如椭圆弧或者圆弧。
若内侧曲线为椭圆形，则其轴比大于1.7，小于2.5。若其内侧曲线为圆弧形，如图10所示，通过两个直径为0.4R～0.7R、圆心距为0.84R的小圆切割半径为R的大圆，切割后再对于尖角作平滑处理，得到月牙形金属贴片。本实施例中，采用的内侧曲线为圆弧形，切割的小圆半径为0.7*R。
3.根据公式(3)计算圆形金属贴片的初始半径R′：
Figure BDA0003303479080000041
本实施例中R′＝16.8mm。
4.调节月牙形金属贴片与圆形金属贴片的相对位置，优化方向图与频点，使天线的定向辐射特性满足要求。本实施例中，圆形金属贴片相交部分的圆弧对应的圆心角为55°，其整体结构如图11。
5.确定同轴馈电位置：使用本征模求解器，分析贴片表面的电流分布，找到三个频点电流分布密集的共同区域，设置为馈电位置的初始位置，使用粒子群算法优化S参数确保天线的辐射传输特性满足要求，完成三频定向微带天线的设计。
该辐射贴片形成的三频定向特性，通过月型天线的横向和纵向的不对称性，其上的电流分布具有非对称性，从而形成两个谐振频点，实现双频定向，再与“日”形贴片拼装形成第三个谐振频点，最终形成三频定向“明”形天线，实现低剖面三频定向辐射要求。其在谐振处的贴片表面电流分布如图1与图3所示。相对于贴片开缝形成的多频天线，由于其天线口径较大，故其辐射增益较高，其增益均高于6.4dBi，且三个频点的最大增益值差别非常小，不到1dB。
该天线的三个频点由“月”型和“日”形贴片组合辐射而成，由于两者形状相似均为圆弧状，依据微带贴片天线分析可得，其3个频点的辐射方向图基本保持一致，具有很好的定向性指标，偏离Z方向小于5度，其辐射的phi＝0°和phi＝90°的辐射界面图如图4与图5所示。
本实施例的“明”型天线具有三频特性，通过CST全波段仿真得到其S参数传输特性如图9所示，该结构还可以通过采用耦合馈电方式拓展其带宽。
本实施例的高增益结果可以通过图6与图8看到，每个谐振频点的增益均大于6.4dBi，具有三频定向辐射特性，可以大大提高天线的覆盖范围和提高天线的辐射效率。
本发明专利只提供了一种设计实例，但是本发明不局限于此应用实例，本设计主要是通过本征模理论分析，利用电流分布的不对称性可以形辐射定向方向图特性，设计一种三个频点均具有定向高增益特性的辐射贴片，该天线的拓扑结构具有一定创新型，设计人员可以通过在适当的地方开槽或者加入EBG结构实现宽带或者引入超材料实现更高增益的拓展延伸。

Claims (5)

1.一种“明”型低剖面三频定向微带天线，包括介质基板、设置于介质基板下表面的接地板、设置于介质基板上表面的金属贴片；其特征在于，所述金属贴片为轴对称结构，包括月牙形金属贴片、圆形金属贴片，所述圆形金属贴片与月牙形金属贴片的内侧曲线相交，且圆形金属贴片相交部分的圆弧对应的圆心角取值范围为50°～90°。
2.如权利要求1所述的一种“明”型低剖面三频定向微带天线，其特征在于，所述月牙形金属贴片的外侧曲线为圆弧，其半径为R；所述圆形金属贴片的半径的取值范围为0.5*R～0.7*R。
3.如权利要求2所述的一种“明”型低剖面三频定向微带天线，其特征在于，所述天线的馈电方式为同轴偏馈。
4.如权利要求2所述的一种“明”型低剖面三频定向微带天线，其特征在于，所述天线的馈电方式为耦合馈电或缝隙馈电。
5.一种“明”型低剖面三频定向微带天线的设计方法，包括以下步骤：
S1.根据选择的介质基板的材料确定其厚度：
选定介质基板的材料；通过式(1)计算介质基板的初始厚度，选择与初始厚度最接近的现有介质基板；
Figure FDA0003303479070000011
其中，c为真空中的光速，fm为谐振频率，εr为介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度；
S2.确定月牙形金属贴片的初始尺寸：
S2-1.根据公式(2)计算月牙形金属贴片的外侧圆弧的初始半径R：
Figure FDA0003303479070000012
其中K为介质中的传输波矢量，依据工作频率，其波矢量大小不同；
S2-2.月牙形金属贴片的内侧弧线要求为平滑曲线；
S3.根据公式(3)计算圆形金属贴片的初始半径R′:
Figure FDA0003303479070000013
S4.调节月牙形金属贴片与圆形金属贴片的相对位置，优化方向图与频点，使天线的定向辐射特性满足要求；
S5.确定同轴馈电位置：使用本征模求解器，分析贴片表面的电流分布，找到三个频点电流分布密集的共同区域，设置为馈电位置的初始位置，使用粒子群算法优化S参数确保天线的辐射传输特性满足要求，完成三频定向微带天线的设计。
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