CN106229657A - 惠更斯源天线 - Google Patents

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石婷
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Abstract

本公开公开了一种惠更斯源天线。所述惠更斯源天线包括：介质基板，包括相对的第一表面和第二表面；磁偶极子，贴设于所述介质基板的第一表面；激励源，贴设于所述介质基板的第二表面；电偶极子，位于所述介质基板的第二表面的一侧，与所述介质基板平行设置且与该介质基板隔开；以及同轴电缆，穿设于所述电偶极子上开设的槽孔并连接于所述激励源。本公开所公开的惠更斯源天线具有低剖面特性以及良好的端射辐射特性，结构简单紧凑，易于加工制造，解决了现有的天线剖面较高、辐射效率较低等问题。

Description

惠更斯源天线
技术领域
本公开涉及天线领域，具体地，涉及一种应用于无线功率传输***的端射低剖面惠更斯源天线。
背景技术
随着网络化、智能化信息时代的到来，各种电子电气设备融入社会方方面面，也因此增加了对能源的依赖。目前主要使用电缆和电池对设备补充能量，这两种方式严重制约了设备朝着便携化，小型化的发展。尤其是在复杂供电环境和需要电池超长时间续航能力的情况下，这种矛盾更加突出。而无线功率传输***摆脱了传统电缆、电池供电的局限，能对设备进行及时、方便快捷的能量补充，使设备正常工作。
在无线功率传输***中，天线扮演了发射和接收能量的重要角色，但是现有的天线剖面较高，辐射效率较低，而且结构复杂，还不能广泛应用。
发明内容
本公开的目的是提供一种惠更斯源天线，该惠更斯源天线用于解决现有的天线剖面较高、辐射效率较低等问题。
为了实现上述目的，本公开提供一种惠更斯源天线，包括：
介质基板，包括相对的第一表面和第二表面；
磁偶极子，贴设于所述介质基板的第一表面；
激励源，贴设于所述介质基板的第二表面；
电偶极子，位于所述介质基板的第二表面的一侧，与所述介质基板平行设置且与该介质基板隔开；以及
同轴电缆，穿设于所述电偶极子上开设的槽孔并连接于所述激励源。
可选地，所述磁偶极子包括组成圆环结构的两个半圆环金属片，两个所述半圆环金属片的端部之间有一间隙；每个半圆环金属片的端部形成有朝向该半圆环圆心延伸的金属枝节，所述介质基板为与所述磁偶极子同心设置的圆形板。
可选地，所述介质基板的半径为21mm至23mm，所述介质基板的厚度为0.5mm至0.9mm。
可选地，所述半圆环金属片的外径为20mm至22mm，所述半圆环金属片的内径为17mm至19mm；所述金属枝节为矩形金属条，所述矩形金属条的长度为10mm至12mm，所述矩形金属条的宽度为0.1mm至0.5mm，两个所述矩形金属条之间的距离W2为0.3mm至0.8mm。
可选地，所述激励源包括并行贴设于所述介质基板的第二表面的两个矩形金属条带；
所述矩形金属条带包括位于所述介质基板中央的内侧端和相对于所述内侧端的外侧端；所述同轴电缆的内、外芯分别连接于两个矩形金属条带的内侧端。
可选地，所述金属条带的长度为15mm至17mm，所述金属条带的宽度为0.4mm至0.8mm。
可选地，所述电偶极子为具有两个切角的矩形板，所述槽孔开设于所述矩形板上，两个所述切角位于所述矩形板的一条长边的两端。
可选地，所述矩形板中无切角的长边长度为84mm至86mm，所述矩形板中有切角的长边长度为60mm至62mm。
可选地，所述槽孔包括相互联通的第一矩形槽和第二矩形槽。
可选地，所述第一矩形槽的长度为18mm至21mm，所述第一矩形槽的宽度为15mm至17mm；所述第二矩形槽的长度为20mm至22mm，所述第二矩形槽的宽度为6mm至8mm。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1)具有低剖面特性，剖面高度能够达到1.8％λ0，可以紧贴于飞行器表面，使得飞行器在高速飞行时不影响其空气动力学性能。
2)具有良好的端射辐射特性，峰值增益能够达到3.46dBi，前后比可以为13.01dB，辐射效率可以为86.76％，具有非常好的定向性，且辐射效率高，使得天线可以良好地应用于无线功率传输***。
3)采用单个同轴馈线馈电，不需要其它辅助馈电结构，因此结构简单紧凑，易于加工制造。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的磁偶极子的俯视图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的激励源的仰视图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的电偶极子的俯视图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的S参数曲线图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的E平面、H平面的辐射场方向图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的结构示意图，如图1所示，所述惠更斯源天线包括：
介质基板2，包括相对的第一表面和第二表面；
磁偶极子1，贴设于所述介质基板2的第一表面；
激励源3，贴设于所述介质基板2的第二表面；
电偶极子4，位于所述介质基板2的第二表面的一侧，与所述介质基板2平行设置且与该介质基板2隔开；以及
同轴电缆5，穿设于所述电偶极子4上开设的槽孔并连接于所述激励源3。
请参考图1和图2，图2是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的磁偶极子的俯视图。如图1和图2所示，所述磁偶极子1包括组成圆环结构的两个半圆环金属片11，两个所述半圆环金属片11的端部之间有一间隙；每个所述半圆环金属片11的端部形成有朝向该半圆环圆心延伸的金属枝节12，所述介质基板2为与所述磁偶极子1同心设置的圆形板。
其中，如图2所示，所述介质基板2的半径R1为21mm至23mm，所述介质基板2的厚度为0.5mm至0.9mm。可选地，所述介质基板2的半径R1为22mm，厚度为0.787mm。所述介质基板2的材料可以选用The Rogers Duroid 5880(罗杰斯5880)，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009。
如图2所示，所述半圆环金属片11的外径R2为20mm至22mm，所述半圆环金属片11的内径R3为17mm至19mm；所述金属枝节12为矩形金属条，所述矩形金属条的长度为10mm至12mm，所述矩形金属条的宽度W1为0.1mm至0.5mm，两个所述矩形金属条之间的距离W2为0.3mm至0.8mm。
可选地，所述半圆环金属片11的外径R2为21mm，所述半圆环金属片11的内径R3为18.5mm。两个所述矩形金属条之间的距离W2为0.3mm。所述矩形金属条的长度为11.5mm，所述矩形金属条的宽度W1为0.3mm。
图3是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的激励源的仰视图，如图1和图3所示，所述激励源3与所述磁偶极子1均为厚度相同的覆铜薄膜。所述激励源3包括并行贴设于所述介质基板2的第二表面的两个矩形金属条带。所述矩形金属条带与所述金属枝节12在所述介质基板2的厚度方向上可以对齐，也可以在所述介质基板2的厚度方向上处于不对齐的状态。
如图3所示，所述矩形金属条带包括位于所述介质基板2中央的内侧端和相对于所述内侧端的外侧端；所述同轴电缆5的内、外芯分别连接于两个矩形金属条带的内侧端。
如图3所示，所述矩形金属条带的长度L1为15mm至17mm，所述矩形金属条带的宽度W4为0.4mm至0.8mm，两个矩形金属条带之间的距离W7为1.1mm至1.5mm。可选地，所述矩形金属条带的长度L1为16mm，所述矩形金属条带的宽度W4为0.6mm，两个矩形金属条带之间的距离W3为1.3mm。
图4是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的电偶极子的俯视图，如图4所示，所述电偶极子4为具有两个切角的矩形板，所述槽孔开设于所述矩形板上，两个所述切角位于所述矩形板的一条长边的两端。
如图4所示，所述矩形板中无切角的长边L3长度为84mm至86mm，所述矩形板中有切角的长边L2长度为60mm至62mm。可选地，所述矩形板中无切角的长边L3长度为86mm，所述矩形板中有切角的长边L2长度为60mm。如图4所示，所述矩形板中短边W5长度为48mm，所述矩形板中切角边长W8长度为18.38mm。
请继续参照图4，所述槽孔开设与所述矩形板上，所述槽孔包括相互联通的第一矩形槽41和第二矩形槽42。如图4所示，所述第一矩形槽41与所述第二矩形槽42在长边方向上相互连通。
如图4所示，所述第一矩形槽41的长度L4为18mm至21mm，所述第一矩形槽41的宽度W6为15mm至17mm；所述第二矩形槽42的长度L5为20mm至22mm，所述第二矩形槽42的宽度W7为6mm至8mm。可选地，所述第一矩形槽41的长度L4为20mm，所述第一矩形槽41的宽度W6为16mm，所述第二矩形槽42的长度L5为21mm，所述第二矩形槽42的宽度W7为7mm。
如图1所示，所述电偶极子4与所述介质基板2之间的距离为1.5mm至2.5mm。可选地，所述电偶极子4与所述介质基板2之间的距离为2mm。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：
表1本公开各参数最佳尺寸表
参照图2、图3和图4，L1代表所述矩形金属条带的长度，L2代表所述矩形板中有切角的长边长度，L3代表所述矩形板中无切角的长边长度，L4代表所述第一矩形槽41的长度，L5代表所述第二矩形槽42的长度，W1代表所述矩形金属条的宽度，W2代表两个所述矩形金属条之间距离加上两个W1的和，W3代表两个矩形金属条带之间的距离，W4代表所述矩形金属条带的宽度，W5代表所述矩形板中短边长度，W6代表所述第一矩形槽41的宽度，W7代表所述第二矩形槽42的宽度，W8代表所述矩形板中切角边长的长度，R1代表所述介质基板2的半径，R2代表所述半圆环金属片11的外径，R3代表所述半圆环金属片11的内径。
依照上述参数，使用HFSS对所设计的应用于无线功率传输***的端射低剖面惠更斯源天线的反射系数|S11|特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图5是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的S参数曲线图，如图5所示，本公开的惠更斯源天线的谐振频点为1.407GHz，反射损耗值为-11dB。图6是根据一示例性实施例示出的一种惠更斯源天线的E平面、H平面的辐射场方向图，从图6中可以看出，本公开的惠更斯源天线在E面、H面均具有端射辐射方向；在谐振频点处，天线的最大增益值为3.46dBi，前后比为13.01dB，辐射效率为86.76％。可见本公开的惠更斯源天线有着良好的端射辐射性能，同时结构简单，剖面低，辐射效率高。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1)具有低剖面特性，剖面高度能够达到1.8％λ0，可以紧贴于飞行器表面，使得飞行器在高速飞行时不影响其空气动力学性能。
2)具有良好的端射辐射特性，峰值增益能够达到3.46dBi，前后比可以为13.01dB，辐射效率可以为86.76％，具有非常好的定向性，且辐射效率高，使得天线可以良好地应用于无线功率传输***。
3)采用单个同轴馈线馈电，不需要其它辅助馈电结构，因此结构简单紧凑，易于加工制造。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种惠更斯源天线，其特征在于，包括：
介质基板，包括相对的第一表面和第二表面；
磁偶极子，贴设于所述介质基板的第一表面；
激励源，贴设于所述介质基板的第二表面；
电偶极子，位于所述介质基板的第二表面的一侧，与所述介质基板平行设置且与该介质基板隔开；以及
同轴电缆，穿设于所述电偶极子上开设的槽孔并连接于所述激励源。
2.根据权利要求1所述的惠更斯源天线，其特征在于，
所述磁偶极子包括组成圆环结构的两个半圆环金属片，两个所述半圆环金属片的端部之间有一间隙；每个所述半圆环金属片的端部形成有朝向该半圆环圆心延伸的金属枝节，所述介质基板为与所述磁偶极子同心设置的圆形板。
3.根据权利要求2所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述介质基板的半径为21mm至23mm，所述介质基板的厚度为0.5mm至0.9mm。
4.根据权利要求2所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述半圆环金属片的外径为20mm至22mm，所述半圆环金属片的内径为17mm至19mm；所述金属枝节为矩形金属条，所述矩形金属条的长度为10mm至12mm，所述矩形金属条的宽度为0.1mm至0.5mm，两个所述矩形金属条之间的距离W2为0.3mm至0.8mm。
5.根据权利要求2所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述激励源包括并行贴设于所述介质基板的第二表面的两个矩形金属条带；
所述矩形金属条带包括位于所述介质基板中央的内侧端和相对于所述内侧端的外侧端；所述同轴电缆的内、外芯分别连接于两个矩形金属条带的内侧端。
6.根据权利要求5所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述金属条带的长度为15mm至17mm，所述金属条带的宽度为0.4mm至0.8mm。
7.根据权利要求1所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述电偶极子为具有两个切角的矩形板，所述槽孔开设于所述矩形板上，两个所述切角位于所述矩形板的一条长边的两端。
8.根据权利要求7所述的惠更斯源天线，所述矩形板中无切角的长边长度为84mm至86mm，所述矩形板中有切角的长边长度为60mm至62mm。
9.根据权利要求1所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述槽孔包括相互联通的第一矩形槽和第二矩形槽。
10.根据权利要求9所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述第一矩形槽的长度为18mm至21mm，所述第一矩形槽的宽度为15mm至17mm；所述第二矩形槽的长度为20mm至22mm，所述第二矩形槽的宽度为6mm至8mm。
11.根据权利要求1所述的惠更斯源天线，其特征在于，所述电偶极子与所述介质基板之间的距离为1.5mm至2.5mm。
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