CN212626044U

CN212626044U - 一种单极型共面波导平面天线

Info

Publication number: CN212626044U
Application number: CN202021701669.0U
Authority: CN
Inventors: 於馨雨; 张丹; 陈睿昕; 沈水楠; 徐梅; 丁振东; 周月
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2020-08-16
Filing date: 2020-08-16
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2030-08-16

Abstract

本实用新型公开了一种单极型共面波导平面天线，包括介质板、辐射贴片单元、传输线和接地贴片，辐射贴片单元和传输线设置于介质板上表面，接地贴片设置于介质板下表面；辐射贴片单元包括上矩形辐射贴片单元、左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元，传输线从介质板下端中部向上延伸至介质板中上部，左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元分别对称的位于传输线左右两侧，左矩形辐射贴片单元、传输线和右矩形辐射贴片单元依次间隔设置，接地贴片为等腰梯形，等腰梯形的接地贴片的腰长度和上底长度相同，下底长度为腰长度的两倍。本实用新型结构较为简单且造型新颖、制作方便、尺寸较小、带宽较宽。

Description

一种单极型共面波导平面天线

技术领域

本实用新型涉及天线领域，具体涉及一种单极型共面波导平面天线。

背景技术

随着天线技术的发展，现在的天线大多避免了天线方向性约束。它们广泛应用于各种无线应用中，如卫星通道、雷达、射频识别和无线局域网（WLAN）。印刷阴极保护天线由于其低剖面和易于制造等优点而成为首选。但是由于技术尚未完全成熟，仍旧需要对天线进行足够的设计尝试，从而设计出满足要求的最优结构。

平面印刷单极子天线以其结构简单、加工方便、成本低廉等优点受到广泛关注。传统单极子天线的带宽通常小于5%，属于窄带天线。为了达到10%以上的带宽，需要对天线结构进行优化。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种单极型共面波导平面天线，本种单极型共面波导平面天线其工作频率可用于ISM（5.725-5.850GHz）、RFID（5.8GHz）、WLAN（5.15-5.25GHz和5.725-5.825GHz）和WiMAX（5.25-5.85GHz）频段，达到了扩宽频带的性能效果。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种单极型共面波导平面天线，包括介质板、辐射贴片单元、传输线和接地贴片，所述辐射贴片单元和传输线设置于介质板上表面，所述接地贴片设置于介质板下表面；

所述辐射贴片单元包括上矩形辐射贴片单元、左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元，所述传输线从介质板下端中部向上延伸至介质板中上部，所述左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元分别对称的位于传输线左右两侧，左矩形辐射贴片单元、传输线和右矩形辐射贴片单元依次间隔设置，所述上矩形辐射贴片单元位于左矩形辐射贴片单元、传输线和右矩形辐射贴片单元的上方，所述接地贴片位于介质板下表面的下端部，所述接地贴片为等腰梯形，等腰梯形的接地贴片的腰长度和上底长度相同，下底长度为腰长度的两倍。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述介质板采用环氧树脂玻璃纤维板材料，相对介电常数εr为4.4，损耗角正切值为0.02。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述介质板的长度L1为36mm，宽度W1为36mm，厚度H为1mm。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述传输线的长度L为22mm，宽度S为2mm。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元的长度m均为16.8 mm，左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元的宽度x为15.2 mm。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述上矩形辐射贴片单元与左矩形辐射贴片单元或右矩形辐射贴片单元之间的间距n为3.5 mm，所述上矩形辐射贴片单元与传输线之间的间距a为0.2 mm。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述传输线与左矩形辐射贴片单元或右矩形辐射贴片单元之间的间距a为0.2 mm。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述接地贴片的腰长度t为14mm。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述辐射贴片单元、传输线和接地贴片均采用金属贴片材质。

本实用新型的有益效果为：本实用新型是一款可以应用于全球微波互联接入WiMAX（5.25GHz-5.85GHz）频段的单极型共面波导平面天线。这款天线的基本结构是由介质板、辐射贴片单元、传输线、背面接地贴片组成，采用环氧树脂玻璃纤维板（FR4）材料作为介质板，选用金属作为辐射贴片、传输线和接地面材料。其核心馈电方式是共面波导馈电方式，同时在结构上选择使用矩形贴片来实现共面波导天线，设介质基板下方中点为坐标系原点，采用HFSS软件进行仿真优化。这款天线的工作频率可用于ISM（5.725-5.850GHz）、RFID（5.8GHz）、WLAN（5.15-5.25GHz和5.725-5.825GHz）和WiMAX（5.25-5.85GHz）频段。并且其显著优势在于结构较为简单且造型新颖、制作方便、尺寸较小、带宽较宽。

附图说明

图1是本实施例的天线平面正面图。

图2是本实施例的天线平面背面图。

图3是本实施例的优化后的回波损耗S11示意图。

图4是本实施例的参数L优化后的回波损耗S11示意图。

图5是本实施例的参数t优化后的回波损耗S11示意图。

图6是本实施例的参数n优化后的回波损耗S11示意图。

图7是本实施例的参数a优化后的回波损耗S11示意图。

图8是本实施例的5.2GHz的E平面和H平面方向图。

图9是本实施例的5.2GHz的3D辐射图。

图10是本实施例的 5.5GHz的E平面和H平面方向图。

图11是本实施例的5.5GHz的3D辐射图。

图12是本实施例的5.8GHz的E平面和H平面方向图。

图13是本实施例的 5.8GHz的3D辐射图。

图14是本实施例的设计的天线的驻波比VSWR示意图。

图15是本实施例的仿真增益示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型的具体实施方式作出进一步说明：

如图1和图2所示，一种单极型共面波导平面天线，包括介质板1、辐射贴片单元、传输线3和接地贴片5，所述辐射贴片单元和传输线3设置于介质板1上表面，所述接地贴片5设置于介质板1下表面。

如图1所示，所述辐射贴片单元包括上矩形辐射贴片单元21、左矩形辐射贴片单元22和右矩形辐射贴片单元23，所述传输线3从介质板1下端中部向上延伸至介质板1的中上部，所述左矩形辐射贴片单元22和右矩形辐射贴片单元23分别对称的位于传输线3左右两侧，左矩形辐射贴片单元22、传输线3和右矩形辐射贴片单元23依次间隔设置，所述上矩形辐射贴片单元21位于左矩形辐射贴片单元22、传输线3和右矩形辐射贴片单元23的上方，所述接地贴片5位于介质板1下表面的下端部，所述接地贴片5为等腰梯形，等腰梯形的接地贴片5的腰长度和上底长度相同，下底长度为腰长度的两倍。

本实施例中，所述介质板1采用环氧树脂玻璃纤维板（FR4）材料，相对介电常数εr为4.4，并且设置其透明度为0.6，损耗角正切值为0.02。

本实施例中，所述辐射贴片单元、传输线3和接地贴片5均采用金属贴片材质。

本实施例中，所述介质板1的长度L1为36mm，宽度W1为36mm，厚度H为1mm。所述传输线3的长度L为22mm，宽度S为2mm。所述左矩形辐射贴片单元22和右矩形辐射贴片单元23的长度m均为16.8 mm，宽度x为15.2 mm。所述上矩形辐射贴片单元21与左矩形辐射贴片单元22或右矩形辐射贴片单元23之间的间距n为3.5 mm，所述上矩形辐射贴片单元21与传输线3之间的间距a为0.2 mm。所述传输线3与左矩形辐射贴片单元22或右矩形辐射贴片单元23之间的间距a为0.2 mm。所述接地贴片5为梯形，腰长度t为14mm，上底长度t为14mm，下底长度2t为28mm。梯形在HFSS软件中采用边长为14mm的正六边形折叠而成。该天线核心馈电方式是共面波导馈电方式。结构上，采用左矩形辐射贴片单元22和右矩形辐射贴片单元23来实现共面波导天线，设介质基板下方中点4为坐标系原点，采用HFSS软件进行仿真优化。优化后的具体尺寸如表1所示。

参数	值（mm）	参数	值（mm）	参数	值（mm）
						H	1	t	14	m	16.8
S	2	W1	36	n	3.5
						L	22	L1	36	a	0.2

图3是的最终优化后的回波损耗S11，图中横坐标为频率，纵坐标为回波损耗。从图中来看，天线的谐振频率在f=5.7GHz处取到，在最佳谐振点5.7GHz处回波损耗S11=-30.9862dB。S11=-10dB时，下限频率fL=4.8191GHz，上限频率fH=6.9548GHz。在上下限频率之间取得绝对带宽间，绝对带宽BW =2.3157GHz，能够达到较大带宽。所以本实施例的天线设计实现了展宽频带，其带宽大于现有技术中的窄带宽，其设计的频率能够覆盖全球微波互联接入系统WiMAX（5.25GHz-5.85GHz），而且工作性能良好且有一定的实用性。首先，对传输线3的长度L进行优化，调节寄生贴片的长短，来查看对回波损耗S11造成的影响。在图4中，正面的传输线3（矩形贴片）的长度用参数L表示，L依次取到L=20mm、L=21mm、L=22mm、L=23mm总共四种尺寸，由此看出， L=22mm时的效果优于其他四种，带宽达到最宽。当L=21mm时，效果仅次于L=22mm的性能效果，即带宽略窄于L=22mm时。另外两种尺寸都呈现出多频的效果。在图5中，背面的梯形接地贴片5的腰长用参数t表示，这是通过一个正六边形折叠使其转变为一个等腰梯形的接地板。t分别取到t=12mm 、t=13mm、t=14mm、t=15mm四种长度，可以看出尺寸t=14mm时的效果较其他三种好，带宽最宽；t=13mm时出现了多个频段，但每个频段带宽都不够理想。其次，调节两个正面贴片间的缝隙n（具体位置如图1）的大小，来实现观察对回波损耗S11的影响。在图6中，正面缝隙的宽用参数n表示，让n分别取n=3.2mm、n=3.3mm、n=3.4mm和n=3.5mm四种长度，可以看出尺寸为n=3.5mm时的效果较其他三种都好。n=3.2mm和n=3.3mm都出现了多频效果，但是并没有实现展宽频带的效果。在图7中，正面贴片间缝隙用参数a（具体位置如图1）表示，让a分别取a=0.2mm、a=0.3mm、a=0.4mm、a=0.5mm四种长度，可以看出尺寸a=0.2mm时的效果较其他四种好，带宽最宽而且回波损耗依旧低于-10dB。

本实施例中，辐射方向图能直观地看到天线的性能参数，可以用二维或者三维图来显示不同方向的辐射强度，来得到天线方向的分布。在分析天线中，通过查看天线的各种性能参数，主要观察其E平面方向图和H平面方向图。5.8GHz的分析也加入了其中的分析，全球微波互联接入WiMAX系统（5.25GHz-5.85GHz）正好覆盖了5.2GHz、5.5GHz和5.8GHz这三个频率点。

本实施例天线5.2GHz时仿真的二维辐射方向图如图8所示，采用实心曲线表示E平面方向图，可以看出，E平面辐射方向达到180°，呈双波半辐射；采用虚线曲线表示H平面方向图，H平面达到全向辐射。E平面和H平面辐射效果都较为良好。本实施例天线5.2GHz的3D辐射方向图如图9所示，增益为2.61dB，辐射效果较好且有一定的实用性。

本实施例天线5.5GHz时仿真得二维辐射方向图如图10所示，采用实心曲线表示E平面方向图，可以看出，E平面辐射方向达到180°，同样呈双波半辐射；采用虚线曲线表示H平面方向图，H平面几乎达到全向辐射。E平面和H平面辐射效果都较为良好。天线5.5GHz的3D辐射方向图如图11所示，增益为3.63dB，辐射效果较好且有一定的实用性。

本实施例天线5.8GHz时仿真得二维辐射方向图如图12所示，采用实心曲线表示E平面方向图，可以看出，E平面辐射方向也能达到180°；采用虚线曲线表示H平面方向图，H平面可达到全向辐射。E平面和H平面辐射效果都较为良好。天线5.8GHz的3D辐射方向图如图13所示，增益为4.71dB，辐射效果较好且有一定的实用性。

本实施例中，回波损耗和驻波比其实是一个指标，两者可以相互转换，本实施例用HFSS查看其驻波比，如图14所示（其中横坐标为频率，纵坐标为驻波比），工程上一般要求驻波比小于2或2.5，可见图中驻波比在1.2和1.45之间，驻波性能较好。图15为增益和频率关系图（其中横坐标为频率，纵坐标为增益）。

本实施例工作原理如下：单极型共面波导平面天线，它是由介质板1、辐射贴片单元、传输线3、背面接地贴片5构成其基本结构的。采用环氧树脂玻璃纤维板（FR4）材料作为介质板1，相对介电常数εr为4.4，并且设置其损耗角正切值0.02。介质板1尺寸为：长L1=36mm×宽W1=36mm×厚H=1mm；选用金属作为辐射贴片、传输线3和接地面材料，传输线3尺寸为，长L=22mm×宽S=2mm；接地贴片5尺寸为梯形，腰长t=14mm，上底t=14mm，下底2t=28mm。梯形在HFSS软件中采用正六边形折叠而成，即正六边形边长为14mm。该天线核心馈电方式是共面波导馈电方式。结构上，采用矩形贴片来实现共面波导天线，设介质基板下方中点4为坐标系原点，采用HFSS软件进行仿真优化。同时给出了优化参数和优化结果，并对优化结果进行了详细的说明，比如详细的阐述了不同的参数对回波损耗的影响，以及不同参数下的带宽大小。总的来说，天线的仿真结果与预期结果吻合，达到了扩宽频带的性能效果，而且性能良好，有一定实用性。本实施例的设计其工作频率可用于ISM（5.725-5.850GHz）、RFID（5.8GHz）、WLAN（5.15-5.25GHz和5.725-5.825GHz）和WiMAX（5.25-5.85GHz）频段。其结构较为简单且造型新颖、制作方便、尺寸较小、带宽较宽。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本实用新型做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本技术的保护范围。

Claims

1.一种单极型共面波导平面天线，其特征在于：包括介质板、辐射贴片单元、传输线和接地贴片，所述辐射贴片单元和传输线设置于介质板上表面，所述接地贴片设置于介质板下表面；

2.根据权利要求1所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述介质板采用环氧树脂玻璃纤维板材料，相对介电常数εr为4.4，损耗角正切值为0.02。

3.根据权利要求2所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述介质板的长度L1为36mm，宽度W1为36mm，厚度H为1mm。

4.根据权利要求3所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述传输线的长度L为22mm，宽度S为2mm。

5.根据权利要求4所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元的长度m均为16.8 mm，左矩形辐射贴片单元和右矩形辐射贴片单元的宽度x为15.2 mm。

6.根据权利要求5所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述上矩形辐射贴片单元与左矩形辐射贴片单元或右矩形辐射贴片单元之间的间距n为3.5 mm，所述上矩形辐射贴片单元与传输线之间的间距a为0.2 mm。

7.根据权利要求6所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述传输线与左矩形辐射贴片单元或右矩形辐射贴片单元之间的间距a为0.2 mm。

8.根据权利要求7所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述接地贴片的腰长度t为14mm。

9.根据权利要求1所述的单极型共面波导平面天线，其特征在于：所述辐射贴片单元、传输线和接地贴片均采用金属贴片材质。