CN117317606A - 基于超材料透镜的双频定向纽扣天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及定向纽扣天线技术领域，提供一种基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，包括柔性介质基板、微带线、超材料透镜、单极子金属柱、介质柱、底部加载的圆形介质和顶部加载的圆形介质，底部加载的圆形介质、单极子金属柱、介质柱和顶部加载的圆形介质依次连接，超材料透镜位于顶部加载的圆形介质与底部加载的圆形介质之间，微带线设置在柔性介质基板上，且位于远离超材料透镜的一侧；本发明通过添加设置有双谐振结构单元的超材料透镜，利用近场耦合谐振原理，使单极子金属柱激励超材料透镜使其产生两个不同的谐振回路，从而实现天线的双频特性，可用于新型电力系统的监测和通信两种模式。
Description
技术领域
本发明涉及定向纽扣天线技术领域，尤其涉及一种基于超材料透镜的双频定向纽扣天线。
背景技术
随着电力系统和5G技术的发展，新型电网正向融合网络演进，大量的差异化业务接入到4G/5G融合网络中，以及在极端环境中部署应用，例如空间狭小的电力管廊；为了对电力设备进行大范围的监测，要求天线具备全向辐射的特点；同时，对于重要的电力设备或终端之间的通信，具有高定向性方向图的天线有利于点对点高速率数据传输。
因此，提供一种可以同时进行大范围监测和点对点高速率数据传输的双频多功能纽扣天线，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种可用于新型电力系统差异化业务的、基于超材料透镜技术的双频紧凑型定向纽扣天线，旨在解决背景技术中提及的现有技术中利用近场耦合谐振技术，使单极子激励超材料使其产生两个不同的谐振回路，从而实现双频特性，可以同时进行监测和高速率数据传输。
本发明提供一种基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，包括柔性介质基板、微带线、超材料透镜、单极子金属柱、介质柱、底部加载的圆形介质和顶部加载的圆形介质，所述底部加载的圆形介质、所述单极子金属柱、所述介质柱和所述顶部加载的圆形介质依次连接，所述超材料透镜位于所述顶部加载的圆形介质与所述底部加载的圆形介质之间，所述微带线设置在所述柔性介质基板上，且位于远离所述超材料透镜的一侧。
根据本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，所述柔性介质基板的介电常数为1.6，损耗角正切为0.02。
根据本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，所述单极子金属柱嵌在底部加载的圆形介质中，所述介质柱叠放在所述单极子金属柱上，所述顶部加载的圆形介质加载在所述介质柱上。
根据本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，所述超材料透镜与所述单极子金属柱相对设置，所述超材料透镜的内侧面距离所述单极子金属柱的边缘2.9mm。
根据本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，所述超材料透镜设置双谐振结构单元，所述超材料透镜由于单极子辐射特性将所述双谐振结构单元沿纵向对称放置。
根据本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，所述单极子金属柱的中轴线与所述介质柱的中轴线、所述底部加载的圆形介质的中轴线及所述顶部加载的圆形介质的中轴线重合。
根据本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，所述介质柱的半径与所述单极子金属柱的半径相同。
本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，纽扣天线为底部加载的圆形介质和顶部加载的圆形介质加载的单极子金属柱和介质柱组成的结构，超材料透镜位于纽扣天线的一侧，微带线位于柔性介质基板上，并远离超材料透镜的一侧，相对于现有技术，通过添加设置有双谐振结构的超材料透镜，利用近场耦合谐振原理，使单极子金属柱激励超材料透镜使其产生两个不同的谐振回路，从而产生两个谐振频点，天线在低频带具有近全向辐射特性可用于监测周围的电力设备，在高频带具有高定向性方向图可用于点对点高速率数据传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线的侧视图；
图3是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线的俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线的主视图；
图5是本发明实施例提供的超材料透镜示意图；
图6是本发明实施例提供的单个辐射单元的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线的反射系数随频率变化的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线在低频点5.4GHz的E面和H面方向图；
图9是本发明实施例提供的一种双频定向纽扣天线在高频点8.5GHz的E面和H面方向图。
附图标记：
1、柔性介质基板；2、底部加载的圆形介质；3、单极子金属柱；4、介质柱；5、顶部加载的圆形介质；6、超材料透镜；61、辐射单元；7、微带线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。
下面结合图1至图9描述本发明的实施例中提供的一种基于超材料透镜的双频定向纽扣天线。
本实施例提供的一种基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，如图1至图4所示，包括：柔性介质基板1、底部加载的圆形介质2、单极子金属柱3、介质柱4、顶部加载的圆形介质5、超材料透镜6和微带线7。
其中，底部加载的圆形介质2设置在柔性介质基板1上，底部加载的圆形介质2、单极子金属柱3、介质柱4和顶部加载的圆形介质5依次连接，超材料透镜6位于顶部加载的圆形介质5与底部加载的圆形介质2之间，微带线7设置在柔性介质基板1上，且位于远离超材料透镜6的一侧。
通过上述方案可知，与现有技术相比，本发明提供的双频定向纽扣天线，纽扣天线为底部加载的圆形介质2和顶部加载的圆形介质5加载的单极子金属柱3和介质柱4组成的结构，超材料透镜6位于纽扣天线的一侧，微带线位于柔性介质基板上，并远离超材料透镜6的一侧，实现了紧凑型设计，在保持天线定向辐射能力的情况下使其更易于集成于相应系统中，相对于现有技术，通过添加设置有双谐振结构单元的超材料透镜6，利用近场耦合谐振原理，使单极子金属柱3激励超材料透镜6使其产生两个不同的谐振回路，从而产生两个谐振频点，天线在低频带具有近全向辐射特性可用于监测周围的电力设备，在高频带具有高定向性方向图可用于点对点高速率数据传输。
如图1所示，可选地，底部加载的圆形介质2与柔性介质基板1上表面固定连接，底部加载的圆形介质2、单极子金属柱3、介质柱4和顶部加载的圆形介质5沿从下到上的顺序依次连接。
在一些实施例中，介质柱4叠加于单极子金属柱3之上，且半径与单极子金属柱3相同，顶部加载的圆形介质5位于介质柱4之上，形成一个纽扣的形状，同时对介质柱4具有一定的固定作用；单极子金属柱3的底部嵌设在底部加载的圆形介质2的中心位置，使底部加载的圆形介质2对单极子金属柱3具有一定的固定作用，并且具有介电常数的圆形介质具有一定的匹配作用。
参照图3，进一步地实施例中，底部加载的圆形介质2的半径与顶部加载的圆形介质5的半径相同，单极子金属柱3的中轴线与介质柱4的中轴线、底部加载的圆形介质2的中轴线及顶部加载的圆形介质5的中轴线重合，底部加载的圆形介质2、单极子金属柱3、介质柱4和顶部加载的圆形介质5呈工字纽扣形状设置。
本实施例中，微带线7位于靠近超材料透镜6的一侧，大约为四分之一波长，从而起到匹配、馈电和巴伦的作用。
本实施例中，由于柔性介质基板1采用柔性介质，例如采用全织物介质、橡胶等，介质性能好，可有效共形到各种电力设备中；在一个具体的实施例中，柔性介质基板1的介电常数为1.6，损耗角正切为0.02；柔性介质基板1的厚度为1.5mm，长度为30mm，宽度为25mm，采用这样的尺寸具有非常小型化的特点。柔性介质基板1的尺寸可以调整天线的匹配和增益。
在本发明一种具体的实施例中，超材料透镜6与单极子金属柱3相对设置，超材料透镜6的内侧面距离单极子金属柱3的边缘2.9mm，超材料透镜6设置双谐振结构单元，超材料透镜6由于单极子辐射特性将双谐振结构单元沿纵向对称放置。
参照图5，本实施例中，双谐振结构单元为谐振环微结构阵列，谐振环微结构阵列由2×2个成矩形排列的辐射单元组成；这是考虑了单极子馈源的辐射特点的结果，形成一个完全反射面，实现了近距离紧凑型的同相反射结构，这是形成纽扣天线定向辐射的关键。如图6所示，每个辐射单元61包括由条形凹槽围成的日字形结构，该结构的相互平行且相邻的两条边中部设置有开口，整个谐振环微结构单元关于两个开口之间的连线对称。将谐振环微结构阵列设置为对称结构，这种对称结构保证了辐射的优良特性。
本发明提供的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，整体体积小、结构紧凑，可用于新型电力系统差异化业务，通过加载双谐振结构单元的超材料透镜6可以使得天线具备双频特性。其中，天线在低频带具有近全向辐射特性可监测大多数电力设备；在高频带由于其高定向性可用于电力设备之间的点对点高速率数据传输，可用于新型电力系统的监测和通信两种模式。
参照图7，为该纽扣天线的反射系数随频率变化的示意图，可以看出，加载超材料透镜6后，天线产生了两个谐振频点。
参照图8，为该纽扣天线在5.4GHz时的极坐标远场辐射图，可以看出，加载有双谐振结构的超材料透镜后，天线的阻抗匹配仍保持良好，本发明实施例所提供的纽扣天线在低频时具有全向辐射方向图。
参照图9，为该纽扣天线在8.5GHz时的极坐标远场辐射图，可以看出，本发明实施例所提供的纽扣天线在高频时可以产生明显的定向辐射。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，包括柔性介质基板(1)、微带线(7)、超材料透镜(6)、单极子金属柱(3)、介质柱(4)、底部加载的圆形介质(2)和顶部加载的圆形介质(5)，所述底部加载的圆形介质(2)、所述单极子金属柱(3)、所述介质柱(4)和所述顶部加载的圆形介质(5)依次连接，所述超材料透镜(6)位于所述顶部加载的圆形介质(5)与所述底部加载的圆形介质(2)之间，所述微带线(7)设置在所述柔性介质基板(1)上，且位于远离所述超材料透镜(6)的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，所述柔性介质基板(1)的介电常数为1.6，损耗角正切为0.02。
3.根据权利要求1所述的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，所述单极子金属柱(3)嵌在所述底部加载的圆形介质(2)中，所述介质柱(4)叠放在所述单极子金属柱(3)上，所述顶部加载的圆形介质(5)加载在所述介质柱(4)上。
4.根据权利要求1所述的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，所述超材料透镜(6)与所述单极子金属柱(3)相对设置，所述超材料透镜(6)的内侧面距离所述单极子金属柱(3)的边缘2.9mm。
5.根据权利要求1所述的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，所述超材料透镜(6)设置双谐振结构单元，所述超材料透镜(6)由于单极子辐射特性将所述双谐振结构单元沿纵向对称放置。
6.根据权利要求1所述的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，所述单极子金属柱(3)的中轴线与所述介质柱(4)的中轴线、所述底部加载的圆形介质(2)的中轴线及所述顶部加载的圆形介质(5)的中轴线重合。
7.根据权利要求1所述的基于超材料透镜的双频定向纽扣天线，其特征在于，所述介质柱(4)的半径与所述单极子金属柱(3)的半径相同。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117855866A (zh) * | 2024-03-06 | 2024-04-09 | 西安海天天线科技股份有限公司 | 基于超材料透镜技术的高增益全向天线 |
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2023
- 2023-09-28 CN CN202311275466.8A patent/CN117317606A/zh active Pending
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