CN114512815B - 非自互补宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非自互补宽带天线，包括单极子天线、缝隙天线、金属地以及馈电装置；所述单极子天线与所述馈电装置连接设置；所述馈电装置用于给所述单极子天线提供射频信号，所述单极子天线用于向外界辐射电测波；所述单极子天线和所述缝隙天线均设置在所述金属地上；所述缝隙天线用于向外界辐射电测波。本发明通过利用单极子天线和半缝隙天线的输入阻抗之间的关系，实现了较宽的阻抗带宽和增益带宽。

Description

非自互补宽带天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种非自互补宽带天线，尤其是一种新型非自互补宽带天线。
背景技术
下一代通信系统中的最新发展已经提高了对具有高通信速率、大通信容量的射频系统的需求，因此，宽带天线的研究受到了广泛关注。实现宽带天线的方法主要包括非频变天线、渐变结构天线、宽带谐振结构天线、以及加载电抗元件或匹配网络天线。
自互补天线是一种非频变天线，是任意形状的天线，由无限延伸平面片状导体的一半构成。由于其互补结构的形状完全相同，该天线与其互补结构满足布克关系且自身阻抗与互补阻抗相同，所以自互补天线具有恒定的输入阻抗，与源频率和结构形状无关。然而，由于自互补天线的结构理论上需要无限延伸，所以实际中自互补天线一般尺寸较大。
平面单极子天线是一种常见的宽带天线形式，它是将一个平板结构的金属振子垂直放置在一块足够大的金属地板上方，通过射频连接器将金属振子与金属地板相连接并且对其进行馈电，从而向空间产生辐射。平面单极子天线具有较为紧凑的结构以及较低的加工成本的优点。
平面单极子天线可以根据其中金属振子的形状分为三角形单极子、矩形单极子、梯形单极子、圆形/椭圆形单极子以及分形单极子。其中，三角形单极子天线是一种宽带谐振结构天线。三角形单极子天线可以看成平面化的单锥天线，因此具有与单锥天线相似的优点：(1)三角形单极子天线具有较宽的阻抗带宽；(2)三角形单极子天线的输入阻抗实部与其张角相关，可以通过调节张角的大小使其适应各种馈线的阻抗。然而，三角形单极子天线具有明显的终端效应，使其阻抗带宽受限。
公开号为CN109560384A的专利文献公开了一种应用于LTE/WWAN的改进型准自互补宽带多模天线，天线设置有：矩形介质基板；微带馈线与辐射贴片位于矩形介质基板的上表面；金属地板位于矩形介质基板的下表面，其中，辐射贴片由三角形辐射贴片和窄矩形辐射贴片构成；金属地板上蚀刻有缝隙槽，缝隙槽是由三角形缝隙、窄矩形缝隙、宽矩形缝隙共同构成，矩形金属地板的上部设置有金属延伸臂。公开号为CN101034765B的专利文献公开了一种互补宽带天线，包括两个偶极子部分形成的平面偶极子和位于偶极子部分之间的短接式贴片天线，偶极子在地平面之上被隔开，多种不同的反馈探针设计可以用于激励天线。但是上述专利文献仍然存在无法解决天线阵阻抗带宽与增益带宽的宽带化的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非自互补宽带天线。
根据本发明提供的一种非自互补宽带天线，包括单极子天线、缝隙天线、金属地以及馈电装置；
所述单极子天线与所述馈电装置连接设置；所述馈电装置用于给所述单极子天线提供射频信号，所述单极子天线用于向外界辐射电测波；
所述单极子天线和所述缝隙天线均设置在所述金属地上；所述缝隙天线用于向外界辐射电测波。
优选的，所述金属地包括第一金属地和第二金属地；
所述第二金属地垂直设置在所述第一金属地上；
所述单极子天线和所述缝隙天线均设置在所述第二金属地上，所述缝隙天线的一端抵接设置在所述第一金属地上。
优选的，所述单极子天线采用的馈电方式是背馈式探针馈电。
优选的，所述单极子天线为一个三角形的金属板。
优选的，所述单极子天线的形状为等腰三角形。
优选的，所述缝隙天线的形状为双三角形。
优选的，所述双三角形为两个相同的直角三角形，两个所述直角三角形的同一直角边首尾连接设置，且两直角边位于同一条线上。
优选的，所述等腰三角形的两腰的张角为α，所述等腰三角形的底边上的高为h；
所述两个直角三角形的斜边之间的夹角为180°–α,相连两直角边的长度和为h。
优选的，所述缝隙天线与所述金属地形成双三角形半缝隙天线。
优选的，所述馈电装置的馈电方式包括如下方式：
方式一：所述馈电装置只馈电给所述单极子天线；
方式二：所述馈电装置只馈电给所述缝隙天线；
方式三：所述馈电装置给所述单极子天线和所述缝隙天线同时馈电。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过利用单极子天线和半缝隙天线的输入阻抗之间的关系，实现了较宽的阻抗带宽和增益带宽；
2、本发明可用于宽带天线的设计，且把这种非自互补天线视作一个单元，将多个非自互补天线合理排列，可以形成非自互补宽带天线阵列；
3、本发明具有较宽的阻抗带宽与增益带宽，设计简单的特点，适用于宽带基站天线的设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例一的非自互补宽带天线的物理示意图；
图2为实施例二的非自互补宽带天线的物理示意图；
图3为突出显示三角形单极子天线的物理示意图；
图4为突出显示双三角形半缝隙天线的物理示意图；
图5为三角形单极子天线的阻抗参数；
图6为双三角形半缝隙天线的阻抗参数；
图7为三角形单极子天线与双三角形半缝隙天线阻抗参数的乘积；
图8为实施例二的非自互补宽带天线的反射系数；
图9为实施例二的非自互补宽带天线在1.6GHz处的E面、H面归一化方向图；
图10为实施例二的非自互补宽带天线的增益随频率变化曲线；
图11为实施例一的非自互补宽带天线的反射系数；
图12为实施例一的非自互补宽带天线在1.6GHz处的E面、H面归一化方向图；
图13为实施例一的非自互补宽带天线的增益随频率变化曲线。
图中示出：
单极子天线1 第一金属地301
缝隙天线2 第二金属地302
金属地3 馈电装置4
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种非自互补宽带天线，包括单极子天线1、缝隙天线2、金属地3以及馈电装置4，单极子天线1与馈电装置4连接设置；馈电装置4用于给单极子天线1提供射频信号，单极子天线1用于向外界辐射电测波，单极子天线1和缝隙天线2均设置在金属地3上；缝隙天线2用于向外界辐射电测波。缝隙天线2与金属地3形成双三角形半缝隙天线2。单极子天线1和馈电装置4均设置在金属地3上，金属地3位于单极子天线1和馈电装置4之间，单极子天线1所在平面与金属地3所在平面垂直。缝隙天线2位于单极子天线1的一侧。
单极子天线1采用的馈电方式是背馈式探针馈电，单极子天线1为一个三角形的金属板，单极子天线1的形状为等腰三角形，单极子天线1的一顶点连接设置在金属地3上。缝隙天线2的形状为双三角形，双三角形为两个相同的直角三角形，两个直角三角形的同一直角边首尾连接设置，且两直角边位于同一条线上。等腰三角形的两腰的张角为α，等腰三角形的底边上的高为h，两个直角三角形的斜边之间的夹角为180°–α,相连两直角边的长度和为2h。
馈电装置4的馈电方式包括如下方式：
方式一：馈电装置4只馈电给单极子天线1；
方式二：馈电装置4只馈电给缝隙天线2；
方式三：馈电装置4给单极子天线1和缝隙天线2同时馈电。
实施例2：
如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，金属地3包括第一金属地301和第二金属地302，缝隙天线2为缝隙天线。
第二金属地302垂直设置在第一金属地301上，单极子天线1和缝隙天线2均设置在第二金属地302上，缝隙天线2的一端抵接设置在第一金属地301上。单极子天线1远离馈电装置4的一端连接设置在金属地3上，单极子天线1的底边连接设置在金属地3上。单极子天线1所在平面与第二金属地302所在平面垂直。
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本实施例提供了一种新型非自互补宽带天线，包括单极子天线、缝隙天线、金属地和馈电装置。金属地包括第一金属地和第二金属地。
单极子天线部分由两部分组成，振子部分是形状为三角形的金属结构的单极子天线，地部分是缝隙天线所在平面的第二金属地，整体位于第一金属地的上方。半缝隙天线部分由两部分组成，缝隙天线部分是一种槽形状为双三角形的金属结构的缝隙天线，地部分为一整块足够大的第一金属地。
射频信号可以只馈电给单极子天线，也可以只馈电给缝隙天线，或者给单极子天线与缝隙天线同时馈电。本实施例以只给单极子天线馈电为例，馈电方式选取的是探针馈电。
单极子天线用于向外界辐射电测波。缝隙天线的第一金属地用于承载单极子天线主体并向外界辐射电测波。第二金属地用于承载缝隙天线主体并提供接地信号。馈电装置用于提供射频信号。
单极子天线的形状是等腰三角形，等腰三角形的张角为α，高为h。单极子天线采用的馈电方式是背馈式探针馈电。缝隙天线的形状是双三角形，由两个直角三角形组成，两个直角三角形之间的夹角为180°–α,槽的长度为2h。缝隙天线与金属地，形成了一种双三角形半缝隙天线。
单极子天线部分和半缝隙天线部分构成了一种新型非自互补宽带天线，单极子天线部分和半缝隙天线部分这两种结构是非自互补的，但是两者的输入阻抗存在着一种类似于互补天线的布克关系。本实施例通过利用单极子天线部分和半缝隙天线部分的输入阻抗之间的关系，实现了较宽的阻抗带宽和增益带宽，本实施例的非自互补宽带天线可用于宽带天线的设计，与此同时，把这种新型天线视作一个单元，将多个非自互补天线合理排列，能够形成一种新型非自互补宽带天线阵列。
实施例4：
一种非自互补低耦合天线阵，包括：单极子天线、缝隙天线、金属地和馈电装置。金属地包括第一金属地和第二金属地。
单极子天线是一种三角形单极子天线，放置于缝隙天线的上方，单极子天线部分的金属振子部分是一个三角形金属板，金属地部分是缝隙天线所在第二金属板。采用馈电装置将金属振子部分与金属地部分相连接并且对其进行馈电，从而使单极子天线部分向空间产生辐射。
缝隙天线是一种双三角形缝隙天线，其缝隙部分由两个直角三角形组成。
金属地是一块足够大的金属地板。缝隙天线和金属地形成了一种半缝隙天线，构成半缝隙天线部分。
通过改变单极子天线部分的金属振子部分与半缝隙天线部分之间的距离，调节单极子天线与半缝隙天线部分之间耦合强度，使新型非自互补宽带天线的输入阻抗在宽频带内接近50欧姆，实现天线阵阻抗带宽与增益带宽的宽带化。
本实施例设计了一种新型非自互补宽带天线，可以实现较宽的阻抗带宽与增益带宽。由布克关系可知，偶极子天线与缝隙天线的输入阻抗乘积为一个常数。单极子天线的输入阻抗为偶极子天线的一半，半缝隙天线的输入阻抗为缝隙天线的一半。因此，单极子天线与半缝隙天线的输入阻抗也是常数。利用二者输入阻抗之间的关系，将单极子天线与半缝隙天线合理放置，形成了新型非自互补宽带天线。本实施例的非自互补低耦合天线阵具有较宽的阻抗带宽与增益带宽，设计简单的特点，适用于宽带基站天线的设计。
实施例5：
本发明设计了一种新型非自互补宽带天线，这种天线阵的中心频率是1.6GHz，可用于宽带基站天线。
如图2所示，新型非自互补宽带天线A由单极子天线、缝隙天线、金属地和馈电装置所组成。
如图1所示，新型非自互补宽带天线B由单极子天线、缝隙天线、金属地和馈电装置所组成。
如图3所示，单极子天线的金属振子部分是一个张角为60°，高度为30mm，厚度为2mm的三角形金属铜板，金属地部分是缝隙天线所在平面的500mm*500mm*2mm的金属铜板。通过馈电装置将振子部分与地部分连接起来，并且对单极子天线馈电。
如图4所示，缝隙天线、金属地和馈电装置组成了半缝隙天线。缝隙天线的缝隙部分由2个长边为30mm，厚度为2mm的直角三角形组成，两个直角三角形的夹角为120°。金属地为一块500mm*500mm*2mm的金属铜板。通过馈电装置将缝隙部分与地部分连接起来，并且对缝隙天线馈电。
由布克关系可知，偶极子天线的输入阻抗Z1与缝隙天线的输入阻抗Z2的乘积为一个常数，即：
其中，Z0＝120πΩ，为自由空间阻抗。单极子天线的输入阻抗Zmn是偶极子天线的一半，半缝隙天线的输入阻抗Zhs是缝隙天线的一半。那么，单极子天线的输入阻抗Zmn与半缝隙天线的输入阻抗Zhs的乘积也为一个常数，即：
为了验证上述关系式，三角形单极子天线的输入阻抗Zmn如图5所示，半缝隙天线的输入阻抗Zhs如图6所示。单极子天线的输入阻抗Zmn与半缝隙天线的输入阻抗Zhs的乘积与(Z0 2/16)归一化后，如图7所示。可以看出，在1.2GHz～2GHz，二者乘积的实部在1附近波动，虚部在0附近波动，满足公式(2)中的关系。
将三角形单极子天线与半缝隙天线放置在一起，并采用SMA连接器对三角形单极子进行馈电，形成新型非自互补宽带天线。通过优化单极子天线金属振子部分与半缝隙天线之间的距离，调节单极子天线与半缝隙天线之间耦合强度，使新型非自互补宽带天线的输入阻抗在宽频带内接近50欧姆，实现天线阵阻抗带宽与增益带宽的宽带化。
新型非自互补宽带天线A的阻抗带宽如图8所示，约为36％。在1.6GHz处，新型非自互补宽带天线A的E面、H面归一化方向图如图9所示。新型非自互补宽带天线A的增益随频率的变化曲线如图10所示，可以看出在阻抗带宽内，增益波动始终小于3dB。
新型非自互补宽带天线B的阻抗带宽如图11所示，约为36％。在1.6GHz处，新型非自互补宽带天线B的E面、H面归一化方向图如图12所示。新型非自互补宽带天线B的增益随频率的变化曲线如图13所示，可以看出在阻抗带宽内，增益波动始终小于3dB。
本发明通过利用单极子天线和半缝隙天线的输入阻抗之间的关系，实现了较宽的阻抗带宽和增益带宽。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种非自互补宽带天线，其特征在于，包括单极子天线（1）、缝隙天线（2）、金属地（3）以及馈电装置（4）；
所述单极子天线（1）与所述馈电装置（4）连接设置；所述馈电装置（4）用于给所述单极子天线（1）提供射频信号，所述单极子天线（1）用于向外界辐射电测波；
所述单极子天线（1）和所述缝隙天线（2）均设置在所述金属地（3）上；所述缝隙天线（2）用于向外界辐射电测波；
所述金属地（3）包括第一金属地（301）和第二金属地（302）；
所述第二金属地（302）垂直设置在所述第一金属地（301）上；
所述单极子天线（1）和所述缝隙天线（2）均设置在所述第二金属地（302）上，所述缝隙天线（2）的一端抵接设置在所述第一金属地（301）上；
单极子天线（1）远离馈电装置（4）的一端连接设置在金属地（3）上，单极子天线（1）的底边连接设置在金属地（3）上，单极子天线（1）所在平面与第二金属地（302）所在平面垂直。
2.根据权利要求1所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述单极子天线（1）为一个三角形的金属板。
3.根据权利要求2所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述单极子天线（1）的形状为等腰三角形。
4.根据权利要求3所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述缝隙天线（2）的形状为双三角形。
5.根据权利要求4所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述双三角形为两个相同的直角三角形，两个所述直角三角形的同一直角边首尾连接设置，且两直角边位于同一条线上。
6.根据权利要求5所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述等腰三角形的两腰的张角为α，所述等腰三角形的底边上的高为h；
所述两个直角三角形的斜边之间的夹角为180°–α, 相连两直角边的长度和为2h。
7.根据权利要求1所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述缝隙天线（2）与所述金属地（3）形成双三角形半缝隙天线。
8.根据权利要求1所述的非自互补宽带天线，其特征在于，所述馈电装置（4）的馈电方式包括如下方式：
方式一：所述馈电装置（4）只馈电给所述单极子天线（1）；
方式二：所述馈电装置（4）只馈电给所述缝隙天线（2）；
方式三：所述馈电装置（4）给所述单极子天线（1）和所述缝隙天线（2）同时馈电。
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