CN114069242A - 一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：包括位于一侧的金属地板和位于另一侧的金属板、同轴波导馈电线、从内至外同轴的依次包括单极子天线、寄生单极子、阻抗表面；所述同轴波导馈电线的内导体与所述单极子天线相连，所述同轴波导馈电线的外导体与所述金属地板相连；单极子天线垂直于所述金属地板。所述阻抗表面为圆环形。该天线具有可控的阻抗带宽、较低的剖面、稳定的全向辐射特性，并有低损耗、可替换性、低成本的优势。

Description

一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线。
背景技术
人工阻抗表面是二维金属或介质纹理表面，其特性由阻抗表面的电磁极化率表征。通过设计纹理表面的结构，可以设计人工阻抗表面的电磁响应，以控制电磁波的传播、辐射、散射和衍射。特别地，各向异性阻抗表面作为一类人工阻抗表面，在横向和纵向方向上具有不同的电磁响应，从而为操纵界面两侧的场提供足够的自由度。人工阻抗面具有重量轻、易于集成、损耗低和可共形等优点，已被广泛用于波束控制、减小雷达截面，实现极化转换,扩展天线带宽等。
垂直极化全向天线已广泛应用于各种通信系统，可为地面通信提供广覆盖和低路径损耗。传统的窄带四分之一波长单极子天线以及宽带类单极子结构(如介质谐振器加载的单极子和锥形单极子)可以辐射全向垂直极化波，但都有较高的剖面。垂直极化宽带贴片天线，如单极子贴片天线和悬浮贴片天线，可以实现较低的剖面。现有的大部分天线的带宽无法做到灵活可控，通过在天线上加载各向异性阻抗表面，可以灵活设计天线的阻抗特性，但现有的各向异性阻抗表面加载的四分之一波长单极子天线的剖面相对较高，无法适应广泛的应用需求。
发明内容
技术目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了提供一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，具有剖面低、带宽可控等优点，可以实现超宽带、双频带、阻带等阻抗特性，具有稳定的全向辐射方向图。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：包括位于一侧的金属地板和位于另一侧的金属板、同轴波导馈电线、从内至外同轴的依次包括单极子天线、寄生单极子、阻抗表面；
所述同轴波导馈电线的内导体与所述单极子天线相连，所述同轴波导馈电线的外导体与所述金属地板相连；
单极子天线垂直于所述金属地板。金属底板用于模拟地面。
所述阻抗表面为圆环形。
单极子天线包括两段圆柱形金属柱；所述两段圆柱形金属柱相连，一段金属柱直径大于另一段金属柱，金属板是圆环形空心金属板。所述两段圆柱形金属包括柱粗圆柱形金属柱和细圆柱形金属柱。
阻抗表面高度与所述单极子天线的高度相同。阻抗表面包括柔性介质基片，以及印刷在所述柔性介质基片上的金属贴片单元。
金属板置于单极子天线端部。
阻抗表面在轴向含有至少两个金属贴片单元，在切向包括若干个金属贴片单元b。所述金属贴片单元b大小相等且等间距排列。
有益效果：与现有技术相比，本发明提出的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其优势在于：
(1)具有可控的阻抗带宽。这是因为圆环形阻抗表面可以控制空间波的传播和反射，从而影响单极子天线、圆环形寄生单极子和圆环形金属盘上的电流分布，进而改变天线的输入阻抗，通过设计阻抗表面的色散特性，可以定制天线的阻抗特性，实现超宽带、双频带、阻带等阻抗特性。
(2)具有较低的剖面。这是由于通过在单极子天线顶部加载圆环形金属板，使天线可以工作在圆环形贴片的TM02、TM03、TM04和TM05模式，TM02模式对应的天线高度低于传统四分之一波长单极子天线的高度。
(3)具有稳定的全向辐射特性。这是由于单极子天线、圆环形金属盘和圆环形寄生单极子都是旋转对称结构，单极子天线、圆环形金属板、圆环形寄生单极子以及圆环形阻抗表面均同心放置，且圆环形阻抗表面在切向方向具有若干个小金属贴片单元，使得天线结构具有很高的旋转对称性。
(4)具有低损耗、可替换性、低成本。这是由于圆环形阻抗表面采用了超薄的介质基片，可用传统印刷电路板工艺制作，且工作在金属贴片单元的谐振频率以外。
附图说明
图1给出了本发明天线的立体示意图。
图2给出了本发明天线的俯视示意图。
图中有：金属地板1；单极子天线2，粗圆柱形金属柱2a，细圆柱形金属柱2b；同轴波导馈电线3；金属板4；寄生单极子5；阻抗表面6，柔性介质基片6a；金属贴片单元6b。
图3给出了三种具有不同带宽特性的天线实例的阻抗表面的单元结构；其中a是超宽带天线(实例一)的阻抗表面的单元结构，b是双频带天线(实例二)的阻抗表面的单元结构，c是阻带超宽带天线(实例三)的阻抗表面的单元结构。
图4给出了三种具有不同带宽特性的天线实例的阻抗表面的表面阻抗曲线图；其中a是超宽带天线(实例一)的阻抗表面的阻抗曲线图，b是双频带天线(实例二)的阻抗表面的阻抗曲线图，c是阻带超宽带天线(实例三)的阻抗表面的阻抗曲线图。
图5给出了三种具有不同带宽特性的天线实例的仿真和测试的反射系数和增益；其中a是超宽带天线(实例一)的反射系数和增益，b是双频带天线(实例二)的反射系数和增益，c是阻带超宽带天线(实例三)的反射系数和增益。
图6给出本发明(实例一)的仿真和实测归一化远场辐射方向图；其中a是2GHz方向图，b是2.5GHz方向图,c是3GHz方向图，d是4GHz方向图，e是5GHz方向图，f是6GHz方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明
本发明披露了一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，包括三个不同阻抗带宽特性的设计实例，采用传统同轴波导馈电方式，本案实施例采用的特征阻抗为50欧姆(也可以匹配至其它阻抗值,此处仅为举例说明)，从金属地板底部给单极子天线馈电。金属地板中间开有半径为2mm的圆孔，以供半径为0.6mm的同轴馈电线内导体穿过。在传统圆柱形单极子天线的基础上，采用不等半径单极子天线，在一段较粗的圆柱形金属柱下方有一段较细的圆柱形金属柱，以适当增加电感。
在电磁响应上可以被建模为由分布电感和分布电容构成的串并联谐振电路并联于真空中。通过设计金属贴片单元的尺寸，可以控制圆环形阻抗表面的表面阻抗，进而改变单极子天线、圆环形金属盘和圆环形寄生单极子上的电流分布，达到对天线输入阻抗的调控。并通过控制圆环形阻抗表面的表面阻抗的色散特性，可以对天线不同频段的输入阻抗独立进行设计，从而实现不同的阻抗带宽。
图1、图2给出了本发明的示意图。单极子天线、圆环形金属盘、圆环形寄生单极子以及圆环形阻抗表面均同心放置。
一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：包括位于一侧的金属地板1和位于另一侧的金属板4、同轴波导馈电线3、从内至外同轴的依次包括单极子天线2、寄生单极子5、阻抗表面6；
所述同轴波导馈电线3的内导体与所述单极子天线2相连，所述同轴波导馈电线3的外导体与所述金属地板1相连；
单极子天线2垂直于所述金属地板1。金属底板用于模拟地面。
所述阻抗表面6为圆环形。
更具体的，中间带有圆孔的圆形金属地板1、圆柱形单极子天线2、同轴波导馈电线3、圆环形金属板4、圆环形寄生单极子5、以及圆环形阻抗表面6；圆柱形单极子天线2垂直设置在圆形金属地板1上的中间圆孔处，同轴波导馈电线3位于圆形金属地板1底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线3内导体与圆柱形单极子天线2相连，同轴波导馈电线3外导体与圆形金属地板1相连，圆环形金属板4水平同心放置于圆柱形单极子天线2顶部，圆环形寄生单极子5同心环绕于圆柱形单极子天线2外围，圆环形阻抗表面6同心环绕于圆环形寄生单极子5外围。
单极子天线2包括两段圆柱形金属柱；所述两段圆柱形金属柱包括粗圆柱形金属柱2a和细圆柱形金属柱2b。
金属板4是圆环形空心金属板。阻抗表面6高度与所述单极子天线2的高度相同。阻抗表面6包括柔性介质基片6a，以及印刷在所述柔性介质基片6a上的金属贴片单元6b。
金属板4置于单极子天线2端部。
阻抗表面6在轴向含有至少2个金属贴片单元6b，在切向包括若干个金属贴片单元6b。所述金属贴片单元6b大小相等且等间距排列。
实例一(超宽带天线)
较粗的圆柱形金属柱半径为4.66mm，长度为20.73mm；较细的圆柱形金属柱半径为0.6mm，长度为4.27mm；天线的剖面高度约为0.13λL。在单极子天线顶部，同心放置一圆环形金属盘，其内径为19mm；圆环形金属盘的TM02模式决定了天线工作频率的低端。在单极子天线周围，圆环形金属盘下方，同心围绕一个圆环形寄生单极子用于改善天线的谐振，其半径为47mm，高度为5mm，厚度为0.5mm。在圆环形寄生单极子周围，圆环形金属盘下方，同心围绕一层圆环形阻抗表面，由印刷在柔性介质基片上的大小相等、等间距排列的金属贴片单元组成。柔性介质基片为Taconic TLY-5,相对介电常数为2.2，损耗角正切等于0.0009。阻抗表面的高度为25mm，与单极子天线的高度以及圆环形金属盘所在高度一致，圆环形阻抗表面的半径为61.33mm；在垂直方向上，采用3个金属贴片单元，而在切向方向上，为了保证较好的旋转对称性，采用96个金属贴片单元。如图3(a)所示，金属贴片单元的几何形状是矩形。
如图4(a)所示，实例一的阻抗表面的表面阻抗在1.65–6.31GHz目标频段内呈容性；
如图5(a)所示，仿真和实验的结果非常吻合。实例一在超宽的频带范围内(1.65–6.31GHz)反射系数小于-10dB，增益为3.55–6.91dBi；
如图6所示，本发明所披露的天线在超宽的工作频带范围内保持稳定的全向辐射，在水平面内辐射增益沿水平角度变化而产生的浮动小于4.7dBi。下述实例二和实例三的辐射方向图与实例一类似，这里为了简化不再单独展示。
实例二(双频带天线)
较粗的圆柱形金属柱半径为4mm，长度为20.3mm；较细的圆柱形金属柱半径为0.6mm，长度为4.7mm；天线的剖面高度约为0.13λL。在单极子天线顶部，同心放置一圆环形金属盘，其内径为17mm；圆环形金属盘的TM02模式决定了天线工作频率的低端。同心围绕一个圆环形寄生单极子用于改善天线的谐振，其半径为58mm；高度为5.67mm，厚度为0.5mm。在圆环形寄生单极子周围，圆环形金属盘下方，同心围绕一层圆环形阻抗表面，由印刷在柔性介质基片上的大小相等、等间距排列的金属贴片单元组成。柔性介质基片为Taconic TLY-5,相对介电常数为2.2，损耗角正切等于0.0009。阻抗表面的高度为25mm，与单极子天线的高度以及圆环形金属盘所在高度一致，圆环形阻抗表面的半径为66mm；在垂直方向上，采用3个金属贴片单元，而在切向方向上，为了保证较好的旋转对称性，采用96个金属贴片单元。如图3(b)所示，金属贴片单元的几何形状是矩形。
如图4(b)所示，实例二的阻抗表面的表面阻抗在1.62–2.73GHz和4.52–6.52GHz目标频段内呈容性，它们的谐振频率都远高于目标工作频段，因此在目标频段损耗非常低。
如图5(b)所示，实例二在双频带范围内(1.62–2.73GHz和4.52–6.52GHz)反射系数小于-10dB，增益为5–7.85dBi；
实例三(阻带超宽带天线)
较粗的圆柱形金属柱半径为4.66mm，长度为20.73mm；较细的圆柱形金属柱半径为0.6mm，长度为4.27；天线的剖面高度约为0.13λL。在单极子天线顶部，同心放置一圆环形金属盘，其内径为19mm；圆环形金属盘的TM02模式决定了天线工作频率的低端。同心围绕一个圆环形寄生单极子用于改善天线的谐振，其半径为47mm；高度为5mm，厚度为0.5mm。在圆环形寄生单极子周围，圆环形金属盘下方，同心围绕一层圆环形阻抗表面，由印刷在柔性介质基片上的大小相等、等间距排列的金属贴片单元组成。柔性介质基片为Taconic TLY-5,相对介电常数为2.2，损耗角正切等于0.0009。阻抗表面的高度为25mm，与单极子天线的高度以及圆环形金属盘所在高度一致，圆环形阻抗表面的半径为61.33mm；在垂直方向上，采用2个金属贴片单元，而在切向方向上，为了保证较好的旋转对称性，采用40个金属贴片单元。如图3(c)所示，金属贴片单元的几何形状是其它形状，本实施例具体采用了矩形和蜿蜒线的组合形状，需要指出，金属贴片的形状对全向辐射特性没有影响，仅对天线的阻抗特性有影响(超宽带、双频带、阻带超宽带)，所以贴片可以是任意形状。
如图4(c)所示，实例三的阻抗表面的表面阻抗在2.4GHz附近存在一个谐振点，因此可以在此引入一个阻带。实例三在1.66–6.61GHz的频带内2.3–2.89GHz的阻带外的工作频带上没有其它的谐振点，损耗也非常低。
如图5(c)所示，实例三在除了阻带(2.3–2.89GHz)外的超宽频带内(1.66–6.61GHz)反射系数小于-10dB，增益为3.13–6.86dBi。
图5所示的三种具有不同带宽特性的天线实例的仿真和测试的反射系数和增益。可以看出，证明了三个实例在目标频率范围内很好的实现了阻抗匹配。
综上所述，本发明提供了一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，包括超宽带天线、双频带天线和阻带超宽带天线三个设计实例。具有可控的阻抗特性、稳定的全向辐射性能和较低的剖面。并具有设计简单，易于加工，轻便，可替换等优点，在室内通信、车联网无线通信等领域有着重要的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：
包括位于一侧的金属地板(1)和位于另一侧的金属板(4)、同轴波导馈电线(3)、从内至外同轴的依次包括单极子天线(2)、寄生单极子(5)、阻抗表面(6)；
所述同轴波导馈电线(3)的内导体与所述单极子天线(2)相连，所述同轴波导馈电线(3)的外导体与所述金属地板(1)相连；
所述单极子天线(2)垂直于所述金属地板(1)；
所述阻抗表面(6)为圆环形。
2.如权利要求1所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述单极子天线(2)包括两段圆柱形金属柱；所述两段圆柱形金属柱相连，一段金属柱直径大于另一段金属柱。
3.如权利要求2所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述两段圆柱形金属包括柱粗圆柱形金属柱(2a)和细圆柱形金属柱(2b)。
4.如权利要求1所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述阻抗表面(6)高度与所述单极子天线(2)的高度相同。
5.如权利要求1所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述金属板(4)置于单极子天线(2)端部。
6.如权利要求1所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述的阻抗表面(6)包括柔性介质基片(6a)，以及印刷在所述柔性介质基片(6a)上的金属贴片单元(6b)。
7.如权利要求6所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述阻抗表面(6)在轴向含有至少2个金属贴片单元(6b)，在切向包括若干个金属贴片单元(6b)。
8.如权利要求7所述的一种含有圆环形阻抗表面的悬置贴片天线，其特征在于：所述若干个金属贴片单元(6b)每一个大小相等且等间距排列。
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