CN114447596B - 具有h形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有H形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，包括介电基板，所述介电基板的正面和背面形成有金属化图形，所述正面的金属化图形包括H形谐振器阵列、磁电偶极子以及微带到共面带状线过渡巴伦，所述H形谐振器阵列用于增益增强；所述磁电偶极子位于所述介电基板上表面的中部，且不与所述H形谐振器阵列接触，所述磁电偶极子与所述微带到共面带状线过渡巴伦连接，所述磁电偶极子用于使得所述天线能够获得端射方向高增益，所述微带到共面带状线过渡巴伦用于与连接器连接。所述增强天线能够在整个频段上获得更高的增益以及更好的辐射模式。

Description

具有H形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种具有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线。
背景技术
近年来，由于现代无线通信的飞速发展，宽带天线设计成为研究热点。天线具有阻抗带宽宽、交叉极化低、背向辐射低、增益稳定等特点。在某些应用中工作频段是首选，因此，已经提出了许多设计，其中L形探针馈电的贴片天线可以实现36%的阻抗带宽以及大约7dBi的增益，而准八木天线可以在 38.3%–75%的阻抗带宽下工作。但是这些天线要么不稳定，要么天线增益很小。最近，有人提出了一种称为磁电偶极子的新型互补天线，该天线的磁电偶极子天线几乎都是水平实现的，平面电偶极子的总尺寸在周围如果组成天线阵列，需要较大的空间用于E或H平面波束控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够在整个频段上获得更高的增益以及更好的辐射模式的宽带垂直平面印刷增益增强天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：包括介电基板，所述介电基板的正面和背面形成有金属化图形，所述正面的金属化图形包括 H形谐振器阵列、磁电偶极子以及微带到共面带状线过渡巴伦，所述H形谐振器阵列用于增益增强；所述磁电偶极子位于所述介电基板上表面的中部，且不与所述H形谐振器阵列接触，所述磁电偶极子与所述微带到共面带状线过渡巴伦连接，所述磁电偶极子用于使得所述天线能够获得端射方向高增益，所述微带到共面带状线过渡巴伦用于与连接器连接。
进一步的技术方案在于：所述磁电偶极子包括磁偶极子和电偶极子，所述电偶极子包括相互对称设置的扇形的左半电偶极子和右半电偶极子，所述左半电偶极子和右半电偶极子的圆心相对设置，所述磁偶极子包括相互对称设置的四分之一圆环状的左半磁偶极子和右半磁偶极子，所述左半电偶极子的内侧与所述左半磁偶极子的上端通过金属化图形连接到一起，所述右半电偶极子的内侧与所述右半磁偶极子的上端通过金属化图形连接到一起。
进一步的技术方案在于：所述共面带状线过渡巴伦的整体为梯形结构，所述共面带状线过渡巴伦位于所述磁偶极子围合成的半圆内，所述梯形结构的上侧形成有缺口，所述缺口的两侧形各成有一个凸起，每个所述凸起与同侧的所述四分之一圆环状的磁偶极子的内圈连接。
进一步的技术方案在于：所述背面的金属化图形为底层过渡巴伦，所述底层过渡巴伦包括第一竖直部、第一水平部以及第二竖直部，所述第一竖直部的长度小于所述第二竖直部的长度，所述第一竖直部的一端与所述第一水平部的一端连接，所述第一水平部的另一端与所述第二竖直部的一端连接，所述第一竖直部、第一水平部以及第二竖直部围合成的结构开口向下，沿所述介电基板的上下面投影方向，所述共面带状线过渡巴伦上的开口与所述背面的金属化图形上的开口相互重叠，且通过第一水平部将所述共面带状线过渡巴伦上的开口封闭。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述增强天线通过使用微带至共面带状线转换巴伦，可以实现宽带宽。HSR 结构用于在整个频段上获得更高的增益和更好的辐射模式。加载 HSR 的天线在整个工作频段 (2.3-3.9GHz) 上的增益约为 7.4-9.9dBi，与空载相比，实现了大约 0.5-6.0dB 的增益增量。在工作频段上测得的交叉极化电平小于 -23dB，电磁性能和垂直平面结构的优点使这种天线在无线通信系统和相控阵中很有价值。通过激励一个磁偶极子和一个电偶极子相结合，使得所得到天线阻抗带宽宽、增益稳定、后瓣低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1a是本发明实施例所述增强天线的俯视结构示意图；
图1b是本发明实施例所述增强天线中底层过渡巴伦的结构示意图；
图2a是本发明实施例中没有HSR天线的表面电流分布（3.0GHz）；
图2b是本发明实施例中没有HSR天线的表面电流分布（3.8GHz）；
图3是本发明实施例中无HSR结构的天线方向图；
图4是本发明实施例中电磁波传输示意图；
图5a是本发明实施例中HSR结构图；
图5b是本发明实施例中HSR仿真模型图；
图6a是本发明实施例中HSR 单元的S参数图；
图6b是本发明实施例中从 HSR 单元的S 参数中提取的参数；
其中：1、介电基板；2、H形谐振器；3、磁偶极子；4、电偶极子；5、共面带状线过渡巴伦；6、底层过渡巴伦；6-1、第一竖直部；6-2、第一水平部；6-3、第二竖直部。
具体实施方式
下面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进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a所示，本发明实施例公开了一种具有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，包括介电基板1，所述介电基板的正面和背面形成有金属化图形，正面的金属化图形包括 H形谐振器阵列、磁电偶极子以及微带到共面带状线过渡巴伦，所述H形谐振器阵列用于增益增强，所述H形谐振器阵列包括若干个呈阵列状排列的H形谐振器2，优选的，所述H形谐振器2可以设置成两行五列共十个，当然还可以为其它数量。所述磁电偶极子位于所述介电基板1上表面的中部，且不与所述H形谐振器阵列接触，所述磁电偶极子与所述微带到共面带状线过渡巴伦连接，所述磁电偶极子用于使得所述天线能够获得端射方向高增益，所述微带到共面带状线过渡巴伦以及背面的金属化图形用于与连接器连接。
进一步的，如图1a所示，所述磁电偶极子包括磁偶极子3和电偶极子4，所述电偶极子4包括相互对称设置的扇形的左半电偶极子和右半电偶极子，所述左半电偶极子和右半电偶极子的圆心相对设置，所述磁偶极子3包括相互对称设置的四分之一圆环状的左半磁偶极子和右半磁偶极子，所述左半电偶极子的内侧与所述左半磁偶极子的上端通过金属化图形连接到一起，所述右半电偶极子的内侧与所述右半磁偶极子的上端通过金属化图形连接到一起。优选的，所述电偶极子4的整体宽度大于所述磁偶极子3的整体宽度，使得所述电偶极子4将所述磁偶极子3半包围。
进一步的，如图1a所示，所述共面带状线过渡巴伦5的整体为梯形结构，所述共面带状线过渡巴伦5位于所述磁偶极子围合成的半圆内，所述梯形结构的上侧形成有缺口，所述缺口的两侧形各成有一个凸起，每个所述凸起与同侧的所述四分之一圆环状的磁偶极子的内圈连接。优选的，所述梯形结构的共面带状线过渡巴伦5的外侧的底边长于与其相对的内侧的底边。
进一步的，如图1b所示，所述背面的金属化图形为底层过渡巴伦6，所述底层过渡巴伦6包括第一竖直部6-1、第一水平部6-2以及第二竖直部6-3；所述第一竖直部6-1的长度小于所述第二竖直部6-2的长度，所述第一竖直部6-1的一端与所述第一水平部6-2的一端连接，所述第一水平部6-2的另一端与所述第二竖直部6-3的一端连接，所述第一竖直部6-1、第一水平部6-2以及第二竖直部6-3围合成的结构开口向下，沿所述介电基板1的上下面投影方向，所述共面带状线过渡巴伦5上的开口与所述背面金属化图形6上的开口相互重叠，且通过第一水平部6-2将所述共面带状线过渡巴伦5上的开口封闭。
进一步的，本申请所述增强出天线的几何形状如图1a所示。所提出的天线印刷在垂直单层Duroid 5880介电基板上的结构，介电基板的介电常数为2.2，厚度为0.78mm，垂直到方形地平面。天线表面的金属化图形主要包括三大部分组成：磁电偶极子，微带到共面带状线过渡巴伦和HSR结构。磁电偶极子的设计基于的思想：这种结构由蝴蝶结形电偶极子4和作为磁偶极子3工作的环形天线组成，两者都印在介电基板的顶面（上表面）上，而不是在基板的两侧。所提出的天线，采用微带到共面带状线过渡巴伦，如图 1a所示。通过将其连接到 SMA 连接器，它可以激发所提出的天线并获得宽带阻抗匹配。如图2a-图2b所示，该点的归一化增益分别为3.0GHz的-1dB和3.8GHz的-4.4dB。天线的表面电流分布可以解释这种现象。图2a-图2b示意性地描绘了HFSS模拟的表面电流分布。图2a中，蝴蝶结形偶极子及其镜像组成电偶极子，半圆形环形天线及其镜像作为磁偶极子3.0GHz的表面电流分布显示了获得的端射方向高增益磁电偶极子的电气特性。然而，当天线在3.8GHz工作时，高阶模式被激发。除了上面提到的磁电偶极子，在领结形偶极子边缘产生的垂直于地面的电流及其镜像作为垂直于地面的电偶极子，如图2b中的圆圈所示。因为正交情况和两个电偶极子的辐射方向图平行和垂直于地面，在端射方向（轴）产生低增益。
仿真结果表明，空载天线存在散射波束，导致辐射方向图不良，高频段增益低，因此需要一种聚焦波束的方法来提高天线的性能。图3给给出了无HSR结构的天线方向图；在图4中，当衬底的折射率变大时，在相同入射角下，折射角变大，因此波束可以在端射方向聚集，在端射方向可以获得高增益。为了获得更大折射率的衬底，本申请采用了由上面给出的介电基板1和HSR结构（图1a）组成的超材料。本申请使用了最常见和最有效的超材料参数提取方法指导设计。图5a-图5b给出了提取HSR单元折射率的HFSS模型。加载 HSR 的基板的折射率的实部可以从S 参数中计算出来。
图 6 a-图6b给出了 HSR 单元的 S 参数和 HSR 单元 S 参数的折射率。四种负载结构用于控制折射率。图6a清楚地表明HSR结构对整个加载单元的传输特性有很大的影响。当它工作在谐振频率点时，能量小到几乎无法通过负载单元传输。 HSR负载基板，因此具有这种负载结构的天线在谐振频率点具有低增益。基于以上分析，为了提高天线在高频段的性能，而无需降低工作带宽，需要在工作频带上具有更大折射率的超材料，即D型，如图6b所示。以D型为例，从图6b在工作频带内，D 型的折射率大于 C 型的折射率。根据斯涅尔定律，预计有负载天线（Type D）具有更聚焦的波束，并且可以获得更高的端射方向增益。

Claims (8)

1.一种具有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：包括介电基板（1），所述介电基板的正面和背面形成有金属化图形，正面的金属化图形包括 H形谐振器阵列、磁电偶极子以及微带到共面带状线过渡巴伦，所述H形谐振器阵列用于增益增强；所述磁电偶极子位于所述介电基板（1）上表面的中部，且不与所述H形谐振器阵列接触，所述磁电偶极子与所述微带到共面带状线过渡巴伦连接，所述磁电偶极子用于使得所述天线能够获得端射方向高增益，所述微带到共面带状线过渡巴伦以及背面的金属化图形用于与连接器连接；所述H形谐振器阵列包括若干个呈阵列状排列的H形谐振器（2）；所述磁电偶极子包括磁偶极子（3）和电偶极子（4），所述电偶极子（4）包括相互对称设置的扇形的左半电偶极子和右半电偶极子，所述左半电偶极子和右半电偶极子的圆心相对设置，所述磁偶极子（3）包括相互对称设置的四分之一圆环状的左半磁偶极子和右半磁偶极子，所述左半电偶极子的内侧与所述左半磁偶极子的上端通过金属化图形连接到一起，所述右半电偶极子的内侧与所述右半磁偶极子的上端通过金属化图形连接到一起。
2.如权利要求1所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述H形谐振器（2）设置有两行五列共十个。
3.如权利要求1所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述共面带状线过渡巴伦（5）的整体为梯形结构，所述共面带状线过渡巴伦（5）位于所述磁偶极子围合成的半圆内，所述梯形结构的上侧形成有缺口，所述缺口的两侧各 形成有一个凸起，每个所述凸起与同侧的所述四分之一圆环状的磁偶极子的内圈连接。
4.如权利要求1所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述电偶极子（4）的整体宽度大于所述磁偶极子（3）的整体宽度，使得所述电偶极子（4）将所述磁偶极子（3）半包围。
5.如权利要求3所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述梯形结构的共面带状线过渡巴伦（5）的外侧的底边长于与其相对的内侧的底边。
6.如权利要求3所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述背面的金属化图形为底层过渡巴伦（6），所述底层过渡巴伦（6）包括第一竖直部（6-1）、第一水平部（6-2）以及第二竖直部（6-3），所述第一竖直部（6-1）的长度小于所述第二竖直部（6-2）的长度，所述第一竖直部（6-1）的一端与所述第一水平部（6-2）的一端连接，所述第一水平部（6-2）的另一端与所述第二竖直部（6-3）的一端连接，所述第一竖直部（6-1）、第一水平部（6-2）以及第二竖直部（6-3）围合成的结构开口向下，沿所述介电基板（1）的上下面投影方向，所述共面带状线过渡巴伦（5）上的开口与所述背面金属化图形（6）上的开口相互重叠，且通过第一水平部（6-2）将所述共面带状线过渡巴伦（5）上的开口封闭。
7.如权利要求1所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述介电基板（1）的介电常数为2.2，厚度为0.78mm。
8.如权利要求1所述的有 H 形谐振器结构的宽带垂直平面印刷增益增强天线，其特征在于：所述连接器使用SMA连接。
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