CN113922054A - 一种宽带背射贴片天线的设计方法 - Google Patents

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CN113922054A CN202111149843.4A CN202111149843A CN113922054A CN 113922054 A CN113922054 A CN 113922054A CN 202111149843 A CN202111149843 A CN 202111149843A CN 113922054 A CN113922054 A CN 113922054A
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赵梦丽
潘明格
张大帅
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Abstract

本发明公开了一种宽带背射贴片天线的设计方法，在地板的上方设置圆环或扇形环贴片，并在地板和圆环或扇形环贴片之间填充介质；圆环或扇形环贴片通过短路壁与地板连接，构成内圆弧短路、外圆弧开路的非封闭结构，作为所述宽带背射贴片天线的主振子；在非封闭结构上设置馈电结构；通过改变圆环的内外径比例或扇形环贴片的内外径比例和的圆心角大小，实现背射天线的设计；通过改变圆环的内外径比例或扇形环贴片的内外径比例和的圆心角大小，调控天线的工作模式个数和阶数，以及添加扰动装置来调谐谐振频率，实现宽带天线的设计。本发明具有背射增益高、体积小、结构简单、成本低、数理原理严格等一系列优点，在无线通信、移动通信和车辆通信中有广泛应用前景。

Description

一种宽带背射贴片天线的设计方法
技术领域
本发明涉及一种宽带背射贴片天线的设计方法，属于无线通信与微波技术、车辆通信等领域。
背景技术
随着现代无线技术、特别是近年来车联网技术的发展，对车辆通信天线的需求日渐增加。车辆通信天线通常要求天线具有低剖面特性(高度小于0.1波长，便于降低风阻和隐蔽美观)，能同时在垂直和平行于车体(金属外壁)的方向上产生足够强的辐射电平，以满足维持不同高度上的车-物通信、相同高度上的车-车和车-人通信的需求。
然而常规单元贴片天线只能在垂直于金属地板的方向上产生足够辐射，无法在水平面上实现较强的辐射电平，导致在平行于金属地板的背射或端射方向上增益很低。常规技术只有依靠组阵或采用介质加载的微带漏波结构、充分增加天线体积，单元/阵列天线的背射或端射增益才能提升到0dBi以上，这将会显著增加低剖面天线的复杂度、尺寸和成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种宽带背射贴片天线，该天线具有简单的圆形和扇形环结构，可实现3.3dBi以上的的背射增益，单元天线具有增益高、体积小、结构简单而成本低、数理原理严格等一系列优点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种宽带背射贴片天线，其工作原理可用极限形式为J0.5(kρ)N′0.5(kρ)-J0′.5(kρ)N0.5(kρ)＝0、具有连续特征谱的本征方程来描述，其对应的物理原型为带有短路壁的无限长直微带漏波天线，其中k为特征波数，J0.5(·)、N0.5(·)分别为0.5阶的第一类和第二类贝塞尔函数，(·)′表示求导，ρ为外圆弧的半径。对带有短路壁的无限长直微带漏波天线进行截断和弯曲，即可演化成内圆弧短路、外圆弧开路的谐振贴片天线，利用外径开路端口边缘电场形成的等效磁流作为辐射源；该谐振贴片天线的工作模式个数、阶数和背射增益受控于内外径比例和圆心角，外圆弧开路端的长度为工作频率对应波长的一倍或一倍以上，可以单模谐振，也可以同时谐振在两个及以上的工作模式。
所述宽带背射贴片天线的设计方法具体为：
在地板的上方设置圆环或扇形环贴片，并在地板和圆环或扇形环贴片之间填充介质；
圆环贴片的内圆弧边通过短路壁与地板连接，或扇形环贴片的直边以及内圆弧边通过短路壁与地板连接，构成内圆弧短路、外圆弧开路的非封闭结构，作为所述宽带背射贴片天线的主振子；
在所述非封闭结构上设置馈电结构；
通过改变圆环的内外径比例或扇形环贴片的内外径比例和的圆心角大小，实现背射天线的设计，背射增益不低于0dBi，最大值可达3-4.5dBi；
通过改变圆环的内外径比例或扇形环贴片的内外径比例和的圆心角大小，调控天线的工作模式个数和阶数，以及添加模式扰动装置来调谐谐振频率，实现宽带天线的设计。
进一步，所述圆环或扇形环贴片的内外径比例大于1:1.1，扇形环贴片的圆心角范围为45-360度，单元天线的剖面高度(地板与圆环或扇形环贴片之间的距离)不大于0.1倍波长。
进一步，所述介质的相对介电常数为1-100。
进一步，在所述非封闭结构上设置模式扰动装置(短路钉、枝节、开槽或短路钉、枝节与开槽的组合)，以调谐谐振频率。模式扰动装置的个数，取决于主振子工作的谐振模式。
进一步，设置反射器和引向器组成天线阵列，所述反射器和引向器均采用耦合馈电的方式进行馈电。
进一步，外圆弧开路端的长度为工作频率对应波长的一倍或一倍以上，可以单模谐振，也可以同时谐振在两个及以上的工作模式。
一种宽带背射贴片天线，由上述的方法制得。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明具有严格清晰的数理概念和精确的解析设计闭式，在无需组阵的条件下，单元天线即可实现与常规四单元矩形微带磁偶极子阵列相当的背射或端射增益，不仅能有效缩小天线体积，而且辐射性能不依赖于材料、可直接用空气介质实现，有利于充分简化天线结构、简化制作工艺而降低成本，满足未来车辆通信的应用需求。
附图说明
图1是宽带背射贴片天线正面结构示意图；
图2是宽带背射贴片天线三维立体结构示意图；
图3是圆心角为90度且内外径比例为1:1.7的宽带背射贴片天线采用HFSS软件计算得到的XY面辐射方向图；
图4是圆心角为180度且内外径比例为1:4的宽带背射贴片天线采用HFSS软件计算得到的XY面辐射方向图；
图5是圆心角为150度且内外径比例为1:3的宽带背射贴片天线采用HFSS软件计算和实验测量得到的XY面辐射方向图；
图6是圆心角为150度且内外径比例为1:3的宽带背射贴片天线采用HFSS软件计算和实验测量得到的XZ面辐射方向图；
图中的标号，1是带有矩形开槽的扇形环贴片，2是馈电结构，3、3’是矩形开槽，4是地板，5是地板的中轴线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提出一种宽带背射贴片天线的新型设计方法，对无限长直微带漏波天线进行截断和弯曲，演化成多模谐振天线，形成内圆弧短路、外圆弧开路的非封闭结构，作为所述宽带背射贴片天线的主振子，利用外径开路端口边缘电场形成的等效磁流作为辐射源；外圆弧开路端的长度为工作频率对应波长的一倍或一倍波长以上，可以单模谐振，也可以同时谐振在两个及以上的工作模式。该天线可以制作在介电常数为1-100的介质上以单元天线即可实现3.3dBi及以上的背射增益，单元天线具有增益高、体积小、结构简单而成本低、数理原理严格等一系列优点。充分简化天线结构，满足新一代无线通信的应用需求。
该宽带背射贴片天线可设置反射器和引向器组成天线阵列，反射器和引向器均采用耦合馈电的方式进行馈电。引向器的个数可以增加，对增益以及带宽都有明显提升；且引向器与主振子、引向器之间的距离均可调。
本发明中天线的的正面结构示意图和三维立体结构示意图如图1和2所示。
本发明中一实例为圆心角90度且内外径比例为1:1.7的宽带背射贴片天线，本实施例中采用空气介质，该宽带背射贴片天线由一个带有两个关于扇形环中轴线对称的开槽的扇形环贴片和地板构成，构成该主振子的扇形环贴片的圆心角为90度，外径圆弧的半径为73.5mm，内径圆弧的半径为44.5m，内外径比例为1:1.7；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为62.5mm；扇形环贴片与地板之间的距离为5mm；两个开槽关于扇形环的中轴线对称且位于距离中轴线±15°的位置，矩形槽的长度为17.5mm，宽度为3mm；地板为半径为100mm的圆形贴片。用HFSS软件仿真计算得到的宽带背射贴片天线的XY面辐射方向图，如图3所示，其中实线为主极化，虚线为交叉极化，
Figure BDA0003286563910000041
(-x轴)为背射方向，背射增益为4.4dBi。
本发明另一实例为圆心角180度且内外径比例为1:4的宽带背射贴片天线，本实施例中采用空气介质，该宽带背射贴片天线由一个带有两个关于扇形环中轴线对称的开槽的扇形环贴片和地板构成，构成该主振子的扇形环贴片的圆心角为180度，外径圆弧的半径为38mm，内径圆弧的半径为9.5mm，内外径比例为1:4；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为28mm；主振子上的短路钉到主振子圆心的距离为15mm；扇形环贴片与地板之间的距离为5mm；两个开槽关于扇形环的中轴线对称且位于距离中轴线±32°的位置，矩形槽的长度为17mm，宽度为3mm；地板为半径为70mm的圆形贴片。用HFSS软件仿真计算得到的宽带背射贴片天线的XY面辐射方向图，如图4所示，其中实线为主极化，虚线为交叉极化，
Figure BDA0003286563910000042
(-x轴)为背射方向，背射增益为4.5dBi。
本发明中又一实例为圆心角150度且内外径比例为1:3的宽带背射贴片天线，本实施例中采用空气介质，该宽带背射贴片天线由一个带有两个关于扇形环中轴线对称的开槽的扇形环贴片和地板构成，构成该主振子的扇形环贴片的圆心角为150度，外径圆弧的半径为46.6mm，内径圆弧的半径为15.5m，内外径比例为1:3；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为32mm；扇形环贴片与地板之间的距离为5mm；两个开槽关于扇形环的中轴线对称且位于距离中轴线±23°的位置，矩形槽的长度为20.6mm，宽度为3.5mm；地板为半径为80mm的圆形贴片。用HFSS软件仿真计算和实验测量得到的宽带背射贴片天线的XY面辐射方向图，如图5所示,其中实线为实验测量得到的主极化，虚线为仿真计算得到的主极化，
Figure BDA0003286563910000043
(-x轴)为背射方向，仿真计算和实验测量得到的背射增益均为3.3dBi；用HFSS软件仿真计算和实验测量得到的宽带背射贴片天线的XZ面辐射方向图，如图6所示，其中实线为实验测量得到的主极化，虚线为仿真计算得到的主极化，θ＝-90°(-x轴)为背射方向，背射增益为3.3dBi。
对照实施方案，根据不同的圆心角和内外径比例仿真了3种情况，分别是圆心角为90度且内外径比例为1:1.7、圆心角为180度且内外径比例为1:4和圆心角为150度且内外径比例为1:3的情况，并对圆心角为150度且内外径比例为1:3的情况进行了实验测量。发现所有方案都能实现3.3dBi及以上的背射增益，实测与仿真结果吻合良好，证明了方案的正确性和可行性。
本发明通过揭示极限形式下的圆环或扇形环贴片天线谐振腔模特征方程具有漏波特征，在双模谐振条件下实现单元贴片天线的背射增强特性，最终可在平行于金属地板的背射方向上，获得3.3dBi及以上增益。与常规方法比较，本发明无需组阵，单元天线即可实现与常规四单元矩形微带磁偶极子阵列相当的背射或端射增益，不仅大幅缩小天线体积，而且辐射性能不依赖于材料、可直接用空气介质实现，有利于降低复杂度和成本。本发明所设计的一种宽带背射贴片天线具有单元的增益高、体积小、结构简单而成本低、数理原理严格等一系列优点。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法具体为：
地板(4)的上方设置圆环或扇形环贴片(1)，并在地板(4)和圆环或扇形环贴片(1)之间填充介质；
圆环贴片(1)的内圆弧边通过短路壁与地板(4)连接，或扇形环贴片(1)的直边以及内圆弧边通过短路壁与地板(4)连接，构成内圆弧短路、外圆弧开路的非封闭结构，作为所述宽带背射贴片天线的主振子，利用外圆弧开路端边缘电场形成的等效磁流作为辐射源；
在所述非封闭结构上设置馈电结构(2)；
通过改变圆环的内外径比例或扇形环贴片(1)的内外径比例和的圆心角大小，实现背射天线的设计；
通过改变圆环的内外径比例或扇形环贴片(1)的内外径比例和的圆心角大小，调控天线的工作模式个数和阶数，以及添加扰动装置来调谐谐振频率，实现宽带天线的设计。
2.根据权利要求1所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，所述圆环或扇形环贴片(1)的内外径比例大于1：1.1，扇形环贴片(1)的圆心角为45-360度。
3.根据权利要求1所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，所述地板(4)与圆环或扇形环贴片(1)平行，且两者之间的距离不大于0.1倍波长。
4.根据权利要求1所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，所述介质的相对介电常数为1-100。
5.根据权利要求1所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，在所述非封闭结构上设置模式扰动装置来调谐谐振频率。
6.根据权利要求5所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，所述模式扰动装置为短路钉、枝节、开槽或加短路钉、枝节与开槽的组合。
7.根据权利要求1所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，设置反射器和引向器组成天线阵列，所述反射器和引向器均采用耦合馈电的方式进行馈电。
8.根据权利要求1所述的一种宽带背射贴片天线的设计方法，其特征在于，外圆弧开路端的长度为工作频率对应波长的一倍或一倍以上。
9.一种宽带背射贴片天线，其特征在于，由权利要求1至8中任一所述的方法制得。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114976653A (zh) * 2022-06-13 2022-08-30 南京邮电大学 一种高增益平面端射天线的设计方法
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