CN114597642A - 一种基于开口谐振环的双频微带准八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开口谐振环的双频微带准八木天线，对起到引向器聚集能量作用的两列低频谐振环进行改进：靠近引向器侧一列的四个侧方开口的开口谐振环将进行磁场耦合，通过内侧凸起可以增加开口谐振环等效电路中的电感，电感增大则耦合的磁场能量增多。在经过第一次耦合之后，能量大多汇聚于两两开口谐振环间隔处，远离引向器侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环放置于间隔处右侧，通过阶梯形状排列进行电场和磁场的耦合，将能量再次汇聚于天线的纵向，使得主瓣张角更小，这样提高增益至7。此外，在微带馈线上下两侧的高频开口谐振环通过电磁耦合的方式使得输入端口传输的能量被高频开口谐振环耦合，电磁能量能产生不同的高频发射至自由空间中，从而实现天线的双频工作。

Description

一种基于开口谐振环的双频微带准八木天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于开口谐振环的双频微带准八木天线。
背景技术
八木宇田天线具有优异的增益和方向性，并且结构简单，易于实现和安装。在频率进一步提高后，普通八木天线的通过金属杆构成立体结构，对于微波波段体型结构较大。微带准八木天线通过微带线等效替代八木天线的各个部分，通过较低损耗的介质基板进行天线辐射，使得微带准八木天线的结构更加紧密，频率更高，并且具有小型化、低剖面、质量轻、体积小、易于共形的独特优势，也具有传统八木天线的高增益、方向性好的优点。
开口谐振环是一种新型一种人工电磁材料，由于其谐振特性，常用于滤波器的设计中。通过对开口谐振环的分析，研究人员发现可以通过耦合将微波传输至开口谐振环内，同样可以辐射至空间中，起到天线传输信号的作用。
目前国内外关于开口谐振环的研究已经取得了一些有意义的成果。开口谐振环在天线中已有应用，如文献：“Patel S K,Argyropoulos C,Kosta Y P.Broadband compactmicrostrip patch antenna design loaded by multiple split ring resonatorsuperstrate and substrate[J].Waves in Random and Complex Media,2017,27(1):92-102.”中所讨论的由多个开口谐振环和基板加载的微带贴片天线具有宽带和紧凑的结构，比较了二、三、四环分体的设计开口谐振环负载，并且针对不同环之间的间隙间距进行讨论分析。
在太赫兹波段，开口谐振环也有应用，如文献：“Qian-Nan W,Feng L,Xiao-Pin T,et al.Polarization Insensitivity in Double-Split Ring and Triple-Split RingTerahertz Resonators[J].Chinese Physics Letters,2015,32(10):107801.”中讨论的，改进的双开口谐振环和改进的三开口谐振环对不同的极化波不敏感，在433和444GHz附近的谐振频率下降明显。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于开口谐振环的双频微带准八木天线，以在保留微带天线所具有的低成本、低剖面的特点下，通过加载低频开口谐振环使得微带准八木天线的增益得到提高，并且在馈线附近加载高频开口谐振环使得天线能够接收双频信号。
为实现上述发明目的，本发明基于开口谐振环的双频微带准八木天线，包括：
介质基板，由一块矩形低损耗介质材料板构成；
馈电网络，由输入端口、50欧姆微带馈线、阻抗匹配线级联构成，输入端口由微带馈线决定其宽度，位于介质基板左侧，其下端与介质基板下侧的接地板相接，其上端与覆盖在介质基板上侧的微带馈线相接，并通过阻抗匹配线与准八木天线进行阻抗匹配，馈线与阻抗匹配线进行梯形过渡连接，用以减小反射；
由两个有源振子和一个引向器构成的准八木天线，位于介质基板上馈电网络的右侧，引向器位于两个有源振子右侧；
接地板，在馈线与过渡部分完全覆盖于介质基板的下层，而在阻抗匹配线以及有源振子部分则关于纵向进行对称结构设计，在接地板上再次形成对称的有源振子用以代替巴伦结构平衡电流；
两列低频谐振环，位于引向器右侧；
其特征在于：
所述两个有源振子由阻抗匹配线右侧末端分别横向延伸形成，延伸过程中逐渐扩大然后缩小形成的两个共底的等腰三角形构成，并紧贴于介质基板上表面；
所述两列低频谐振环，靠近引向器侧的一列为两个上侧方开口的开口谐振环与两个下侧方开口的开口谐振环组成，远离引向器侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环，所述开口谐振环内部，与开口相对的一侧有两个内侧突起。
还包括两个高频开口谐振环，分别位于微带馈线上下两侧，其中上侧的开口向上，下侧的开口向下。
本发明目的是这样实现的：
本发明基于开口谐振环的双频微带准八木天线，在现有基于开口谐振环的微带准八木天线的基础上，对起到引向器聚集能量作用的两列低频谐振环进行改进：靠近引向器侧的一列为两个上侧方开口的开口谐振环与两个下侧方开口的开口谐振环组成，远离引向器侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环，这样靠近引向器侧一列的四个侧方开口的开口谐振环将进行磁场耦合，通过内侧凸起可以增加开口谐振环等效电路中的电感，电感增大则耦合的磁场能量增多。在经过第一次耦合之后，能量大多汇聚于两两开口谐振环间隔处，远离引向器侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环放置于间隔处右侧，并且通过阶梯形状排列，进行电场和磁场的耦合，将能量再次汇聚于天线的纵向，使得主瓣张角更小，这样仅用少量的谐振环就提高增益至7.11。此外，在微带馈线上下两侧的高频开口谐振环通过电磁耦合的方式使得输入端口传输的能量被高频开口谐振环耦合，由于开口谐振环的谐振频率由自身的形状和尺寸决定，电磁能量能产生不同的高频发射至自由空间中，从而实现天线的双频工作。
附图说明
图1是本发明基于开口谐振环的双频微带准八木天线一种具体实施方式结构示意图；
图2是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线的平面结构示意图。
图3是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在2.45GHz频段的S11参数曲线图；
图4是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在5.8GHz频段的S11参数曲线图；
图5是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在2.45GHz频段的功率方向图；
图6是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在2.45GHz频段的方向性图；
图7是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在天线在5.8GHz的方向性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于开口谐振环的双频微带准八木天线一种具体实施方式结构示意图，图2是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线的平面结构示意图。
在本实施例中，如图1、2所示，本发明基于开口谐振环的双频微带准八木天线包括介质基板1、馈电网络2、由两个有源振子30和一个引向器31构成的准八木天线3、由两列低频开口谐振环40和两个高频开口谐振环41的谐振环4以及接地板5。
介质基板1由一块矩形低损耗介质材料板构成。在本实施例中，所述介质基板1采用FR4板材，其长度为100mm，宽度为50mm，厚度为1mm。
所述馈电网络2由输入端口20、50欧姆的微带馈线21、阻抗匹配线22级联构成。输入端口20由50欧姆的微带馈线21决定其宽度，位于介质基板1左侧，其下端与介质基板1下侧的接地板5相接，其上端与覆盖在介质基板1上侧的微带馈线21相接，并通过阻抗匹配线22与准八木天线3进行阻抗匹配。微带馈线21宽度与输入端口20同宽，将能量无损耗的输入至微带馈线21中；阻抗匹配线22将馈电网络2和准八木天线3进行阻抗匹配，长度23mm，宽度2mm，在与馈线连接处进行了过渡性结构设计，使用1mm高的梯形进行微带馈线21和阻抗匹配线22的连接。
由两个有源振子30和一个引向器31构成的准八木天线3，位于介质基板1上馈电网络2的右侧，两个有源振子30由阻抗匹配线22右侧末端分别横向延伸形成，延伸过程中逐渐扩大然后缩小形成的两个共底的等腰三角形构成，并紧贴于介质基板1上表面；引向器31位于两个有源振子30右侧。在本发明中，准八木天线3的有源振子30采用优化的蝶形振子，在本实施例中，采用高分别为19.5mm和4mm且底边为15mm的两个共底等腰三角形构成有源振子。引向器31长度为39mm，宽度为3mm，距离有源振子30和阻抗匹配线22的连接处19mm。
开口谐振环4包括两列低频谐振环40和两个高频开口谐振环41。两列低频谐振环41位于引向器31右侧。所述两列低频谐振环40靠近引向器31侧的一列为两个上侧方开口的开口谐振环与两个下侧方开口的开口谐振环组成，远离引向器侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环。在本实施例中，两列低频谐振环40距离引向器10mm。
每个开口谐振环都是边长为10mm的正方形，并且向内蔓延0.7mm的厚度，每个开口谐振环的开口为1mm，开口谐振环内部与开口相对的一侧有两个内侧突起，长为1.1mm，宽度与开口谐振环同宽即与厚度相同为0.7mm，两个突起均位于三等分点处，每列开口谐振环之间相距4mm，每列开口谐振环之间相距3mm。
这样靠近引向器31侧一列的四个侧方开口的开口谐振环将进行磁场耦合，通过内侧凸起可以增加开口谐振环等效电路中的电感，电感增大则耦合的磁场能量增多。在经过第一次耦合之后，能量大多汇聚于两两开口谐振环间隔处，远离引向器31侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环，放置于间隔处右侧，并且通过阶梯形状排列，进行电场和磁场的耦合，将能量再次汇聚于天线的纵向，使得主瓣张角更小，这样仅用少量的谐振环就提高增益至7。
两个高频开口谐振环41分别位于微带馈线21上下两侧，其中上侧的开口向上，下侧的开口向下。高频开口谐振环内部，与开口相对的一侧有两个内侧突起。高频开口谐振环41应位于微带馈线22的电场最小值或磁场最大值处，用以进行磁耦合。在本实施例中，在距离微带馈线3.1mm处，由长4.5mm宽4.1mm的矩形向内延伸0.125mm形成，开口为1mm。
这样，在微带馈线22上下两侧的高频开口谐振环，通过电磁耦合的方式使得输入端口传输的能量被高频开口谐振环耦合，由于开口谐振环的谐振频率由自身的形状和尺寸决定，电磁能量能产生不同的高频发射至自由空间中，从而实现天线的双频工作。
所述接地板5在微带馈线22段完整覆盖介质基板1下方，在阻抗匹配线22和有源振子30后为其对称形状且对称的阻抗匹配线22为24mm，超出阻抗匹配线22 1mm。
图3、4分别是本发明基于开口谐振环的双频微带准八木天线在2.45、5.8GHz频段的S11参数曲线图。天线的S11参数可以反映天线的回波损耗，即是由于阻抗不匹配所产生的反射。如图3所示，本发明回波损耗在2.45GHz处为dB，说明回波损耗小，天线增益高。如图4所示，本发明回波损耗在5.8GHz处为-19.95dB，可以实现双频辐射特性。
图5是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在2.45GHz频段的功率方向图；.
半功率角，也称3dB波束宽度、半功率波束宽度。功率方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向功率通量密度下降到一半处(或小于最大值3dB)的两点之间的夹角称为半功率波束宽度。如图5所示，本发明在2.45GHz最大辐射方向为纵向，其半功率角为75.93°，具有良好的方向性。
图6是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在2.45GHz频段的方向性图。
方向性图是表示天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射或接收电磁波能力的图形。从图6可以看出天线在phi为180°且theta为90°时，增益最大，天线辐射方向为纵向。
图7是图1所示基于开口谐振环的双频微带准八木天线在天线在5.8GHz的方向性图。
在本实施例中，从图7可以看出天线在5.8GHz也具有良好的辐射特性，方向为横向。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，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。

Claims (2)

1.一种基于开口谐振环的双频微带准八木天线，包括：
介质基板，由一块矩形低损耗介质材料板构成；
馈电网络，由输入端口、50欧姆微带馈线、阻抗匹配线级联构成，输入端口由微带馈线决定其宽度，位于介质基板左侧，其下端与介质基板下侧的接地板相接，其上端与覆盖在介质基板上侧的微带馈线相接，并通过阻抗匹配线与准八木天线进行阻抗匹配，馈线与阻抗匹配线进行梯形过渡连接，用以减小反射；
由两个有源振子和一个引向器构成的准八木天线，位于介质基板上馈电网络的右侧，引向器位于两个有源振子右侧；
接地板，在馈线与过渡部分完全覆盖于介质基板的下层，而在阻抗匹配线以及有源振子部分则关于纵向进行对称结构设计，在接地板上再次形成对称的有源振子用以代替巴伦结构平衡电流；
两列低频谐振环，位于引向器右侧；
其特征在于：
所述两个有源振子由阻抗匹配线右侧末端分别横向延伸形成，延伸过程中逐渐扩大然后缩小形成的两个共底的等腰三角形构成，并紧贴于介质基板上表面；
所述两列低频谐振环，靠近引向器侧的一列为两个上侧方开口的开口谐振环与两个下侧方开口的开口谐振环组成，远离引向器侧的一列为三个右侧方开口的开口谐振环，所述开口谐振环内部，与开口相对的一侧有两个内侧突起。
还包括两个高频开口谐振环，分别位于微带馈线上下两侧，其中上侧的开口向上，下侧的开口向下。
2.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的双频微带准八木天线，其特征在于：
所述开口谐振环的两个内侧突起，宽度与开口谐振环同宽即与厚度相同，两个突起均位于三等分点处。
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