CN113904110B - 一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，包括天线辐射单元，设置于天线辐射单元下方以反射天线辐射单元辐射电磁波的反射板，及设置于天线辐射单元和反射板之间以抑制反射电磁波干扰的磁介质。本发明通过在天线辐射单元和反射板之间设置磁介质来抑制反射板反射的电磁波对天线的干扰，从而实现降低天线剖面的效果；并且通过加载磁介质可以提升低剖面天线阻抗匹配带宽、增益及效率，结合天线的结构设计，实现了在部分特定区域加载磁介质提升天线性能的目的。

Description

一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线

技术领域

本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线。

背景技术

实际应用中的天线常常安装于金属导体或者地面等导电载体上，这些导电载体会影响天线的工作带宽及辐射增益等性能，传统的解决办法是将天线与导电载体分隔一段距离，通常要求这段距离大于天线工作中心频率在自由空间中所对应波长的四分之一倍。因为天线的频率与天线的波长成反比的关系，在一些频率较低的频段，天线往往会在导电载体上架设的很高。例如当天线工作于30MHz时，自由空间的波长为10米，天线架设高度（剖面）约为2.5米，如此高的剖面会带来易受环境影响、隐蔽性低、机动性差、易损坏、安装复杂、制作安装成本高等问题。随着无线通信技术的发展，天线器件的小型化、低剖面、隐蔽化是一个重要的发展方向，其在机载、车载、舰载及弹载共形通信系统、无线通信基站及隐蔽化雷达系统等领域中具有重要应用潜力。此外，在各种应用场景中，除了对天线低剖面小型化的要求外，还要求天线具有频带宽、增益高、效率高、辐射方向图稳定等性能，以提升无线系统的通信能力。因此，低剖面宽带高性能天线的实现具有一定的挑战性，同时具有非常重要的实用价值。在低剖面天线的设计中，微带天线因其剖面低、成本低、易加工等特点而受到广泛关注，但是其带宽较窄（相对带宽小于10%）。超材料是一种周期性排布金属单元结构，其在一定频率范围具有同相反射相位，可用于低剖面天线设计中，在降低天线剖面的同时保障天线的增益，但是存在尺寸大、频带窄、加工复杂等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，包括：

天线辐射单元，

设置于所述天线辐射单元下方以反射所述天线辐射单元辐射电磁波的反射板，及

设置于所述天线辐射单元和所述反射板之间以抑制所述反射板反射的电磁波干扰的磁介质。

本方案的有益效果是：本发明通过在天线辐射单元和反射板之间设置磁介质来抑制反射板反射的电磁波对天线的干扰，从而实现降低天线剖面的效果；并且通过加载磁介质可以提升低剖面天线阻抗匹配带宽、增益及效率，结合天线的结构设计，实现了在部分特定区域加载磁介质提升天线性能的目的。

进一步地，所述天线辐射单元包括介质基板、以及对称设置在所述介质基板上且结构相同的第一辐射臂和第二辐射臂。

该进一步方案的有益效果是：本发明通过在介质基板上印制第一辐射臂和第二辐射臂组成偶极子天线，使得辐射方向图对称且在较宽范围内辐射方向图稳定。

更进一步地，所述介质基板上还设置有连接所述第一辐射臂和所述第二辐射臂的馈电结构。

该进一步方案的有益效果是：本发明通过在第一辐射臂和第二辐射臂之间设置馈电结构，能够避免调节阻抗匹配的外加巴伦或者阻抗匹配电路引入的欧姆损耗，并且结构更简单，成本更低，更方便实际应用。

更进一步地，所述第一辐射臂和第二辐射臂上分别开设有结构相同且对称的第一缝隙槽和第二层缝隙槽。

该进一步方案的有益效果是：本发明通过在第一辐射臂和第二辐射臂上分别开设第一缝隙槽和第二层缝隙槽，能够提升天线的阻抗匹配性能，并且扩展天线的应用带宽。

更进一步地，所述第一辐射臂和第二辐射臂的两侧分别设置有互不接触的第一耦合臂和第二耦合臂。

该进一步方案的有益效果是：本发明在第一辐射臂和第二辐射臂的两侧分别设置有互不接触的第一耦合臂和第二耦合臂，能够保证减小磁介质面积，提高了磁介质使用效率，降低了天线整体的重量及成本的同时，提升天线的阻抗匹配性能，扩展天线的应用带宽。

进一步地，所述磁介质的面积等于或小于反射板面积。

该进一步方案的有益效果是：本发明将磁介质的面积设置为等于反射板面积，使得磁介质完全覆盖反射板，从而有效抑制反射板反射的电磁波对天线的干扰；本发明将磁介质的面积设置为小于反射板面积，能够结合天线辐射单元的结构设计，在特定位置加载磁介质材料降低天线剖面并且提升天线性能，提高了磁介质使用效率，降低了天线整体的重量及成本。

进一步地，所述磁介质的材料类型包括无机类磁性材料、有机类磁性材料、复合磁性材料中的一种或多种。

该进一步方案的有益效果是：由于磁介质具有高的磁性能和介电性能，与反射板反射的电磁波可以发生相互作用，从而抑制了反射板反射的电磁波对天线辐射单元的干扰，从而提升天线的带宽、增益及效率性能。

进一步地，所述天线辐射单元与所述反射板之间的距离小于0.1λ，其中λ为天线工作中心频率在自由空间中的波长。

该进一步方案的有益效果是：本发明能够保证天线剖面高度大幅降低的同时具有高宽带、高增益的优秀性能。

进一步地，所述天线辐射单元与所述反射板之间设置有固定天线整体结构的固定结构。

该进一步方案的有益效果是：本发明利用固定结构固定天线整体结构，构建低剖面高性能天线。

进一步地，所述反射板具体为导电载体。

该进一步方案的有益效果是：本发明利用导电载体作为反射板，使得天线可以实际应用于各种导电载体平台上，扩展了天线的应用范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图2为本发明第二实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图3为本发明第三实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图4为本发明第四实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图5为本发明第五实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图6为本发明第六实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图7为本发明第七实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图8为本发明第八实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图9为本发明第九实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图10为本发明第十实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图11为本发明第十一实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图12为本发明第十一实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线结构示意图；

图13为本发明第十实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线俯视图；

图14为本发明第十实施例的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线侧视图；

图15为本发明第十实施例的天线端口反射系数图；

图16为本发明第十实施例的天线增益图；

图17为本发明第十实施例的天线效率图；

图18为本发明第十实施例在500MHz的辐射方向图；

图19为本发明第十实施例在600MHz的辐射方向图。

其中附图说明为：1、天线辐射单元，101、介质基板，102、第一辐射臂，103、第二辐射臂，104、馈电结构，105、第一缝隙槽，106、第二缝隙槽，107、第一耦合臂，108、第二耦合臂，2、反射板，3、磁介质，4、固定结构。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“正面”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至13所示，本发明提供了一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，包括：

天线辐射单元1，

设置于天线辐射单元1下方以反射天线辐射单元1辐射电磁波的反射板2，及

设置于天线辐射单元1和反射板2之间以抑制反射板2反射的电磁波干扰的磁介质3。

在本发明的可选实施例中，天线辐射单元1包括介质基板101、以及对称设置在介质基板101上且结构相同的第一辐射臂102和第二辐射臂103，即第一辐射臂102和第二辐射臂103的形状、结构参数均相同，并且第一辐射臂102和第二辐射臂103关于介质基板101垂直中轴线左右对称，和/或关于介质基板101水平中轴线上下对称，也可以理解为第一辐射臂102和第二辐射臂103为中心对称。

第一辐射臂102和第二辐射臂103在介质基板101上可以为第一辐射臂102和第二辐射臂103印制在介质基板101的上表面或下表面，或者也可以将第一辐射臂102和第二辐射臂103分别印制在介质基板101的上表面和下表面，或者也可以将第一辐射臂102和第二辐射臂103嵌入介质基板101内部。

第一辐射臂102和第二辐射臂103的形状可以采用多种类型的几何图形，例如扇形、三角形、矩形等。

如图1所示，第一辐射臂102和第二辐射臂103均采用三角形结构组成偶极子天线，两个三角形辐射臂以顶点相对方式设置。

如图2所示，第一辐射臂102和第二辐射臂103均采用梯形结构组成偶极子天线，两个梯形结构辐射臂以上边相对方式设置。

如图3所示，第一辐射臂102和第二辐射臂103均采用扇形结构组成偶极子天线，两个扇形辐射臂以顶点相对方式设置。

在本发明的可选实施例中，介质基板101上还设置有连接第一辐射臂102和第二辐射臂103的馈电结构104。具体而言，馈电结构104可以设置在介质基板101中心位置连接第一辐射臂102和第二辐射臂103，也可以设置在介质基板101其他位置，只需要将第一辐射臂102和第二辐射臂103连接即可，来实现第一辐射臂102和第二辐射臂103组成偶极子天线的信号传输。以同轴馈电接头为例，同轴馈电接头的内芯和外导体穿过介质基板101，分别连接第一辐射臂102和第二辐射臂103的相对顶点/边处，通过焊接实现电连接与固定，在实际使用和测试时用50欧姆的同轴馈线连接同轴馈电接头实现馈电。

第一辐射臂102和第二辐射臂103上分别开设有结构相同且对称的第一缝隙槽105和第二层缝隙槽106。具体而言，第一缝隙槽105和第二缝隙槽106的尺寸相同，并且均设置在第一辐射臂102和第二辐射臂103的相对顶点/边相同距离的中线对称位置，从而实现与馈电结构104更好的阻抗匹配以及更宽的带宽。

在本发明的可选实施例中，磁介质3可以设置为不同的面积，分别对应的工作模式；并且磁介质3的形状也可以采用多种类型的几何图形，例如四边形、多边形、圆形、异性等，如图4、5、6所示；磁介质3的位置可以设置在反射板2上，也可以设置在天线辐射单元1和反射板2之间悬空设置，以实现减小天线辐射单元1和反射板2之间耦合的效果。

磁介质3的材料类型包括无机类磁性材料、有机类磁性材料、复合磁性材料中的一种或多种，如铁氧体、金属磁性材料、有机高分子磁性材料、有机/无机复合磁性材料。由于磁介质具有高的磁性能和介电性能，与反射板反射的电磁波可以发生相互作用，从而抑制了反射板反射的电磁波对天线辐射单元的干扰，从而提升天线的带宽、增益及效率性能。

具体而言，如图7所示，磁介质3的面积可以设置为等于反射板2面积，当天线辐射单元1工作时会向反射板2方向辐射电磁波，而由于反射板2的导电特性，会反射天线辐射单元1向反射板2方向辐射的电磁波，反射的电磁波会对天线辐射单元1辐射的电磁波造成干扰，因此通过在天线辐射单元1和反射板2之间设置面积等于反射板面积的磁介质3，能够有效抑制反射电磁波干扰；如图8、9、10所示，磁介质3的面积也可以设置为小于反射板2面积，但由于磁介质3的面积的减小，其对反射电磁波干扰的抑制性能会降低。

为了提升当磁介质3的面积小于反射板面积时，磁介质3对反射电磁波干扰的抑制性能，本发明在第一辐射臂102和第二辐射臂103的两侧分别设置有互不接触的第一耦合臂107和第二耦合臂108，即第一辐射臂102和第二辐射臂103与第一耦合臂107和第二耦合臂108之间均留有缝隙，互相不接触。

第一耦合臂107和第二耦合臂108的形状也可以采用多种类型的几何图形，例如扇形、三角形、矩形等。

如图10所示，第一耦合臂107和第二耦合臂108均采用三角形结构，两个三角形辐射臂以顶点相对方式设置。需要说明的是，本发明对扇形结构的第一辐射臂102和第二辐射臂103均进行切角处理，即切除掉第一辐射臂102和第二辐射臂103扇形结构两侧的顶角，从而实现减小天线尺寸同时提高天线带宽性能。

如图11所示，第一耦合臂107和第二耦合臂108均采用多边形结构，两个多边形结构辐射臂以上边相对方式设置。

如图12所示，第一耦合臂107和第二耦合臂108均采用扇形结构，两个扇形辐射臂以顶点相对方式设置。

在本发明的可选实施例中，天线辐射单元1与反射板2之间的距离小于0.1λ，其中λ为天线工作中心频率在自由空间中的波长；天线辐射单元1与反射板2之间设置有固定天线整体结构的固定结构4，从而实现天线辐射单元1与反射板2间隔一定距离的低剖面结构。固定结构4可以采用至少一个固定支柱结构，设置在天线辐射单元1与反射板2的中心或四周；也可以采用对侧设置的固定支撑板。

在本发明的可选实施例中，反射板2具体为导电载体。具体而言，反射板2可以为铜、铁、钢、合金、铝、锡等金属板或者水泥、土壤、水面等。反射板2具有导电特性，能够反射天线向反射板2方向辐射的电磁波。

本发明提供的一种低剖面高性能宽带天线，天线在保持很低剖面（小于0.1λ）的情况下，天线的相对带宽超过40%，覆盖460-700MHz频段，工作频段内天线的增益在8dBi左右，天线辐射效率在85%-95%之间，在天线的辐射方向为垂直于地面向上的定向辐射，工作频段内天线的辐射方向图稳定。

图15给出了图10所示天线的端口反射系数图，天线的阻抗匹配性能良好，阻抗带宽为460-700MHz，相对带宽为41.4%，属于宽带天线，按照天线的中心频率580MHz计算，天线的剖面仅为0.096λ，远远小于传统天线0.25λ的剖面。

图16给出了图10所示天线的增益图，天线的工作频带内增益为8至9dBi，天线增益较高且平稳。

图17给出了图10所示天线的效率图，天线的辐射效率较高，天线的工作频带内效率超过90%，说明天线高效辐射。

图18给出了图10所示天线在500MHz的辐射方向图，天线的辐射方向为垂直于地面向上，天线为定向辐射，正向辐射增益为7.9dBi后向辐射较小，天线的前后比为27.6dB。

图19给出了图10所示天线在600MHz的辐射方向图，天线的辐射方向为垂直于地面向上，天线为定向辐射，正向辐射增益为8.2dBi，后向辐射较小，天线的前后比为32.5dB。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，其特征在于，包括：

天线辐射单元（1），所述天线辐射单元（1）包括介质基板（101）、以及对称设置在所述介质基板（101）上且结构相同的第一辐射臂（102）和第二辐射臂（103）；所述介质基板（101）上还设置有连接所述第一辐射臂（102）和所述第二辐射臂（103）的馈电结构（104）；所述第一辐射臂（102）和第二辐射臂（103）上分别开设有结构相同且对称的第一缝隙槽（105）和第二缝隙槽（106）；第一缝隙槽（105）和第二缝隙槽（106）均对称设置在第一辐射臂（102）和第二辐射臂（103）的相对顶点/边侧且两端贯通，第一缝隙槽（105）和第二缝隙槽（106）分别与第一辐射臂（102）和第二辐射臂（103）的相对顶点/边的距离相等；所述第一辐射臂（102）和第二辐射臂（103）的两侧分别设置有互不接触的第一耦合臂（107）和第二耦合臂（108）；

设置于所述天线辐射单元（1）下方以反射所述天线辐射单元（1）辐射电磁波的反射板（2），及

设置于所述天线辐射单元（1）和所述反射板（2）之间以抑制所述反射板（2）反射的电磁波干扰的磁介质（3）。

2.根据权利要求1所述的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，其特征在于，所述磁介质（3）的面积等于或小于反射板（2）面积。

3.根据权利要求1所述的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，其特征在于，所述磁介质（3）的材料类型包括无机类磁性材料、有机类磁性材料、复合磁性材料中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，其特征在于，所述天线辐射单元（1）与所述反射板（2）之间的距离小于0.1λ，其中λ为天线工作中心频率在自由空间中的波长。

5.根据权利要求1所述的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，其特征在于，所述天线辐射单元（1）与所述反射板（2）之间设置有固定天线整体结构的固定结构（4）。

6.根据权利要求1所述的磁介质加载的低剖面高性能宽带天线，其特征在于，所述反射板（2）具体为导电载体。

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