CN115548660B - 一种用于电磁环境监测的宽带有源天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，它包括宽带天线和有源放大器，宽带天线和有源放大器相连接组成宽带有源天线；所述宽带天线包括介质基板，设置在介质基板正面的U型辐射贴片和设置在介质基板背面的接地板；所述U型辐射贴片的底部连接有锥形馈电结构进行馈电；在接地板的中间切割有椭圆形缝隙，在椭圆形缝隙中间区域增加有寄生结构，通过寄生结构形成多个谐振频点。本发明通过锥形馈电、增加寄生结构，馈线偏置、切角等措施以及与有源放大器相连接的方式提高了天线的阻抗带宽、提高了天线的增益，实现了天线的小型化。

Description

一种用于电磁环境监测的宽带有源天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于电磁环境监测的宽带有源天线。
背景技术
现代科技的发展使得各类电气、电子设备被大量地应用于国防科技建设、生产生活之中，在给人们带来了极大方便的同时，这些设备在运行或者实用过程中会产生有用或者损害有用信号接收的电磁能量，从而导致人们处于日趋复杂的电磁环境之中，而电磁环境的优劣会使得周围其它设备和系统受到影响，尤其是在像航空航天、通信和铁路等方面会受到很大的影响。
针对电磁环境监测领域，需要使用具有宽频带特性的天线。早期的宽带天线一般具有较大的体积切它们的带宽只是相对于窄带天线较宽。随着民用领域的开放以及天线需求量的增加，现如今，越来越多的学者开始进行天线宽带化的研究。然而目前对于宽带天线的很多研究都是致力于设计覆盖3.1GHz-10.6GHz的超宽带天线，工作在1MHz-1GHz之间任意频段的宽带天线相对较少，但广播、军用通信，电视等应用都工作在这个频段内。且通常工作在该频段的天线覆盖的带宽较窄、增益较差且尺寸很大。这是因为在这个频段工作的天线，小型化、宽频带以及拥有合适的增益是较大的设计难点，因此，如何解决该问题是目前需要考虑的。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，解决了目前工作在1MHz～1GHz频段的天线覆盖带宽窄、增益差以及尺寸很大的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，它包括宽带天线和有源放大器，宽带天线和有源放大器相连接组成宽带有源天线；所述宽带天线包括介质基板，设置在介质基板正面的U型辐射贴片和设置在介质基板背面的接地板；所述U型辐射贴片的底部连接有锥形馈电结构进行馈电；
在接地板的中间切割有椭圆形缝隙，在椭圆形缝隙中间区域增加有寄生结构，通过寄生结构形成多个谐振频点。
所述锥形馈电结构包括第一馈线段、第二馈线段、第三馈线段和馈线偏移段；第一馈线段的一端连接所述U型辐射贴片底部，另一端连接第二馈线段；第二馈线段以向一侧拐角的方式与馈线偏移段连接，馈线偏移段以向下拐角的方式与第三馈线段连接。
所述第一馈线段的宽度小于第三馈线段的宽度；所述第二馈电线为宽度依次变大的锥形结构，与第一馈线段连接处的宽度与第一馈线段的宽度相同，第二馈线段与第三馈线段连接处的宽度与第三馈线段的宽度相同，在整体上也形成锥形结构，通过锥形结构改变电流路径来扩宽天线的阻抗带宽。
对所述第二馈线段与馈线偏移段，以及馈线偏移段与第三馈线段的内侧拐角处切割有切角，通过切角改变电流路径来扩宽天线的阻抗带宽。
所述寄生结构包括由两个尺寸不同的上半椭圆和下半椭圆构成，上半椭圆的短轴与下半椭圆的长轴重合。
所述第一馈线段的长度l3＝15mm，第二馈线段的长度l4＝14.1mm，第三馈线段的长度l5＝2mm，馈线偏移段的长度offset＝18mm；所述切角的长度r_cut＝3mm，第一馈线段的宽度w3＝1.5mm，第三馈线段的宽度w2＝3.1mm。
所述椭圆形缝隙的长轴a11＝237.3mm，短轴a1＝172.3mm；所述上半椭圆和下半椭圆构重合的轴b1＝104.4mm。
本发明具有以下优点：一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，通过锥形馈电、增加寄生结构，馈线偏置、切角等措施以及与有源放大器相连接的方式提高了天线的阻抗带宽、提高了天线的增益，实现了天线的小型化。
附图说明
图1为本发明带宽天线的结构示意图；
图2为带宽天线背面的结构示意图；
图3为带宽天线正面及锥形馈电结构局部放大的示意图；
图4为有源放大器的原理示意图；
图5为天线的S参数示意图；
图6为天线在0.1GHz和0.3GHz处的辐射方向图；
图7为天线在0.5GHz和0.7GHz处的辐射方向图；
图中：1-U型辐射贴片，2-介质基板，3-接地板，4-锥形馈电结构，5-第一馈线段，6-第二馈线段，7-第三馈线段，8-馈线偏移段，9-切角，10-椭圆形缝隙，11-寄生结构。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明涉及一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，以U型单极子的辐射贴片为基础，采取了锥形馈电、增加寄生结构、馈线偏置，切角等技术，并通过将该天线与有源放大器相连接的方式，进一步拓宽了天线的带宽并提高了天线的增益。本文最终设计的宽带有源天线在1MHz-1GHz的频率范围内满足S11＜-10dB，最大增益为11.55dB。本设计有效的克服了该频段的天线频带窄、增益低和体积大的缺点。
如图1和图2所示，它包括宽带天线和有源放大器，宽带天线和有源放大器相连接组成宽带有源天线；所述宽带天线包括介质基板2，设置在介质基板2正面的U型辐射贴片1和设置在介质基板2背面的接地板3；所述U型辐射贴片1的底部连接有锥形馈电结构4进行馈电；
进一步地，在接地板3的中间切割有椭圆形缝隙10，在椭圆形缝隙10中间区域增加有寄生结构11，通过寄生结构11形成多个谐振频点。
进一步地，寄生结构11包括由两个尺寸不同的上半椭圆和下半椭圆构成，上半椭圆的短轴与下半椭圆的长轴重合。
其中，椭圆形缝隙10的长轴a11＝237.3mm，短轴a1＝172.3mm；所述上半椭圆和下半椭圆构重合的轴b1＝104.4mm，寄生结构的其它参数为c1＝65mm、c2＝39mm。
如图3所示，锥形馈电结构4包括第一馈线段5、第二馈线段6、第三馈线段7和馈线偏移段8；第一馈线段5的一端连接所述U型辐射贴片1底部，另一端连接第二馈线段6；第二馈线段6以向一侧拐角的方式与馈线偏移段8连接，馈线偏移段8以向下拐角的方式与第三馈线段7连接。其中，拐角的角度为90°。
进一步地，第一馈线段5的宽度小于第三馈线段7的宽度；所述第二馈电线6为宽度依次变大的锥形结构，与第一馈线段5连接处的宽度与第一馈线段5的宽度相同，第二馈线段6与第三馈线段7连接处的宽度与第三馈线段7的宽度相同，在整体上也形成锥形结构，通过锥形结构改变电流路径来扩宽天线的阻抗带宽；对第二馈线段6与馈线偏移段8，以及馈线偏移段8与第三馈线段7的内侧拐角处切割有切角9，通过切角9改变电流路径来扩宽天线的阻抗带宽。
其中，第一馈线段5的长度l3＝15mm，第二馈线段6的长度l4＝14.1mm，第三馈线段的长度l5＝2mm，馈线偏移段8的长度offset＝18mm；所述切角9的长度r_cut＝3mm，第一馈线段5的宽度w3＝1.5mm，第三馈线段7的宽度w2＝3.1mm。
其中，U型辐射贴片1的上端为两个长为l1＝67.4mm的矩形，贴片的中间部分为一个大的半椭圆减去一个小的半椭圆，其中参数rr1＝41.9mm、rr2＝82.8mm、rr11＝42.1mm、rr22＝82.7mm。
本发明选择的介质基板2的材料为Fr4，厚度h_sub＝1.6mm，其相对介电常数εr＝4.4，损耗角正切tanδ＝0.02。最终天线的设计尺寸为l_sub×w_sub×h_sub＝532.8mm×400mm×1.6mm，其中l_sub，w_sub和h_sub分别为介质基板的长、宽和厚度。
如图4所示，通过有源放大器与宽带天线连接，进一步展宽天线的带宽并提高天线的增益，有源放大器采用三级放大器，其部分的参数如下表所示：
模式 两级放大 三级放大
工作频率(MHz) 1-1000 1-1000
增益(dB) 30 45
噪声系数(dB) 4 4
输出P-1(dBm) ≥13 ≥13
工作电压(V) 6-15 6-15
电流(mA) 130 200
如图5所示，宽带有源天线在1MHz-1GHz的频率范围内满足S11＜-10dB，故其阻抗带宽覆盖1MHz-1GHz。如图6和图7为天线在0.1GHz、0.3GHz、0.5GHz、0.7GHz处的辐射方向图，最终与放大器相连后，宽带有源天线的最大增益为11.55dB，满足设计要求。
本发明的工作原理是：本发明的天线通过侧馈的方式在馈线的底端施加激励使U型辐射贴片1与接地板3之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板3之间的缝隙向外辐射。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，其特征在于：其工作在1MHz-1GHz的频率范围，它包括宽带天线和有源放大器，宽带天线和有源放大器相连接组成宽带有源天线；所述宽带天线包括介质基板（2），设置在介质基板（2）正面的U型辐射贴片（1）和设置在介质基板（2）背面的接地板（3）；所述U型辐射贴片（1）的底部连接有锥形馈电结构（4）进行馈电；
在接地板（3）的中间切割有椭圆形缝隙（10），在椭圆形缝隙（10）中间区域增加有寄生结构（11），通过寄生结构（11）形成多个谐振频点；
所述锥形馈电结构（4）包括第一馈线段（5）、第二馈线段（6）、第三馈线段（7）和馈线偏移段（8）；第一馈线段（5）的一端连接所述U型辐射贴片（1）底部，另一端连接第二馈线段（6）；第二馈线段（6）以向一侧拐角的方式与馈线偏移段（8）连接，馈线偏移段（8）以向下拐角的方式与第三馈线段（7）连接；
对所述第二馈线段（6）与馈线偏移段（8），以及馈线偏移段（8）与第三馈线段（7）的外侧拐角处切割有切角（9），通过切角（9）改变电流路径来扩宽天线的阻抗带宽；
所述第一馈线段（5）的宽度小于第三馈线段（7）的宽度；所述第二馈电线（6）为宽度依次变大的锥形结构，与第一馈线段（5）连接处的宽度与第一馈线段（5）的宽度相同，第二馈线段（6）与第三馈线段（7）连接处的宽度与第三馈线段（7）的宽度相同，在整体上也形成锥形结构，通过锥形结构改变电流路径来扩宽天线的阻抗带宽。
2.根据权利要求1所述的一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，其特征在于：所述寄生结构（11）包括由两个尺寸不同的上半椭圆和下半椭圆构成，上半椭圆的短轴与下半椭圆的长轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，其特征在于：所述第一馈线段（5）的长度l3=15mm，第二馈线段（6）的长度l4=14.1mm，第三馈线段的长度l5=2mm，馈线偏移段（8）的长度offset=18mm；所述切角（9）的长度r_cut=3mm，第一馈线段（5）的宽度w3=1.5mm，第三馈线段（7）的宽度w2=3.1mm。
4.根据权利要求2所述的一种用于电磁环境监测的宽带有源天线，其特征在于：所述椭圆形缝隙（10）的长轴a11=237.3mm，短轴a1=172.3mm；所述上半椭圆和下半椭圆构成重合的轴b1=104.4mm。
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