CN107359407B - 一种基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽波束双极化微带天线，包括主辐射贴片、基板、地平面和同轴馈电导体针，主辐射贴片设置在基板的上方，地平面设置在基板的底面，同轴馈电导体针的一端与主辐射贴片连接，同轴馈电导体针的另一端穿过基板后与地平面连接；还包括有第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片，第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片设置在基板的上方，第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片之间以主辐射贴片为圆心形成90度的圆心角；主辐射贴片、第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片上均设置有短路墙，短路墙包括至少8根短路针，短路墙的短路针的一端与主辐射贴片、第一寄生辐射贴片或第二寄生辐射贴片连接，短路墙的短路针的另一端穿过基板后与地平面连接。

Description

一种基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，更具体地讲，是涉及一种基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线。
背景技术
无线能量传输技术(MPT)是指能量通过无线传输从能量源传输到电负载的一个过程，它将电能转化为微波，让微波在自由空间中传送到目标位置，再经整流，转化成直流电能，提供直流供电。MPT可以实现远距离的能量传输，一直以来都是备受关注的研究点。
MPT收发天线处在***的前端，负责将能量从自由空间中接收或发射出去，是MPT***最重要的组成部件之一。为满足MPT***性能的需要，收发天线应具有波束宽度大、效率高、整体尺寸小、增益高等特点。微带天线因为其尺寸小、易于集成等特点，一直以来都是MPT技术研究领域的一大热点。
但由于传统的微带天线具有波束宽度窄、带宽窄、增益小、辐射效率低等缺陷，使得其在诸多的应用场合中受到限制。尤其在无线能量传输的接收端，天线被要求在更宽的方向内具更高的有效接收能量，传统天线在这个场合受到更大的限制。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，该天线实现了更宽的半功率波束宽度。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，包括主辐射贴片、基板、地平面和同轴馈电导体针，其中主辐射贴片设置在基板的上方，地平面设置在基板的底面，同轴馈电导体针的一端与主辐射贴片连接，同轴馈电导体针的另一端穿过基板后与地平面连接，所述双极化微带天线还包括有第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片，第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片设置在基板的上方，第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片之间以主辐射贴片为圆心形成90度的圆心角；所述主辐射贴片、第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片上均设置有短路墙，所述短路墙包括至少8根短路针，所述短路墙的短路针的一端与主辐射贴片、第一寄生辐射贴片或第二寄生辐射贴片连接，所述短路墙的短路针的另一端穿过基板后与地平面连接。
上述方案中，主辐射贴片作为主辐射单元，微波能量由同轴馈电导体针激励主辐射单元，然后耦合到第二寄生辐射贴片、第一寄生辐射贴片中，将微波能量有效地辐射到自由空间中。其中微带天线利用短路墙与地平面进行连接，增强寄生辐射贴片上的电流分布，同时将地平面也作为辐射体，可以拓宽天线的波束宽度，同时实现天线的小型化。另外本发明提供天线的第二寄生辐射贴片、第一寄生辐射贴片的对称结构使天线在两个方向上能实现对称的电流分布，从而使铅直方向的两个垂直平面上都有相似的宽波束辐射，实现宽波束的双极化微带天线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供的宽波束双极化微带天线，半功率波束宽度大、方向性好，在铅直方向的两个垂直平面上能实现对称的辐射；能在一个较宽的范围内接收更多的能量，适用于WPT***作为接收天线。
2)本发明提供的宽波束双极化的微带天线，能够有效地将能量辐射出去，工作效率高。
3)本发明提供的宽波束双极化的微带天线，通过短路墙使寄生辐射贴片与地平面连接起来，增大的辐射体的尺寸，增大了波束宽度；与不加短路墙的天线相比，半功率波束宽度提高了77％左右。
4)本发明提供的宽波束双极化的微带天线，利用短路墙的结构，将寄生辐射贴片和地面连接在一起，有利于形成更紧凑的设计，实现天线的小型化。
附图说明
图1为微带天线的横向剖面示意图。
图2为微带天线的纵向剖面示意图。
图3为微带天线在不同频段的最优反射系数曲线图。
图4为微带天线在E面、H面的方向增益曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1、2所示，一种基于短路墙4结构的宽波束双极化微带天线，包括主辐射贴片1、基板3、地平面7、同轴馈电导体针5、第一寄生辐射贴片2和第二寄生辐射贴片8，其中主辐射贴片1设置在基板3的上方，地平面7设置在基板3的底面，同轴馈电导体针5的一端与主辐射贴片1连接，同轴馈电导体针5的另一端穿过基板3后与地平面7连接；第一寄生辐射贴片2、第二寄生辐射贴片8设置在基板3的上方，第一寄生辐射贴片2、第二寄生辐射贴片8之间以主辐射贴片1为圆心形成90度的圆心角；所述主辐射贴片1、第一寄生辐射贴片2、第二寄生辐射贴片8上均设置有短路墙4，所述短路墙4包括至少8根短路针，所述短路墙4的短路针的一端与主辐射贴片1、第一寄生辐射贴片2或第二寄生辐射贴片8连接，所述短路墙4的短路针的另一端穿过基板3后与地平面7连接。
上述方案中，主辐射贴片1作为主辐射单元，微波能量由同轴馈电导体针5激励主辐射单元，然后耦合到第二寄生辐射贴片8，第一寄生辐射贴片2中，将微波能量有效地辐射到自由空间中。其中微带天线利用短路墙4与地平面7进行连接，增强辐射贴片上的电流分布，同时将地平面7也作为辐射体，可以拓宽天线的波束宽度，同时实现天线的小型化。另外本发明提供天线的第二寄生辐射贴片8、第一寄生辐射贴片2的对称结构使天线在两个方向上能实现对称的电流分布，从而使铅直方向的两个垂直平面上都有相似的宽波束辐射，实现宽波束的双极化微带天线。
其中在第一寄生辐射贴片2和第二寄生辐射贴片8上分别设置有一组短路墙4，而在主辐射贴片1上设置有两组短路墙4。每组短路墙4均包括有8-20根短路针，所述设置在主辐射贴片1、第一寄生辐射贴片2或第二寄生辐射贴片8上的至少8根短路针设置在同一直线上，所述设置在同一直线上的相邻两根短路针之间留有间距。
在具体的实施过程中，如图1所示，所述主辐射贴片1的横向剖面呈正方形状，所述第一寄生辐射贴片2、第二寄生辐射贴片8的横向剖面呈矩形状，所述第一寄生辐射贴片2、第二寄生辐射贴片8分别设置在主辐射贴片1相邻的两条边的一侧，第一寄生辐射贴片2与主辐射贴片1之间、第二寄生辐射贴片8与主辐射贴片1之间留有间距。其中主辐射贴片1的尺寸范围为10mm*10mm至14mm*14mm，所述第一寄生辐射贴片2、第二寄生辐射贴片8的尺寸范围为10mm*8mm至14mm*10mm，所述基板3的尺寸为30mm*30mm，厚度为0.762mm。其中基板3的介电常数εr＝2.55，介质损耗角正切tanδ＝0.0014。
在具体的实施过程中，短路针由聚四氟乙烯材料制成。
在具体的实施过程中，所述基板3包括介质层和覆铜层，介质层的底面与覆铜层的顶面贴合，所述覆铜层作为地平面7。
在具体的实施过程中，所述微带天线还包括有同轴馈电的SMA头6，同轴馈电的SMA头6的探针与地平面7连接。微波能量由同轴馈电的SMA头6输入，经由导体针激励主辐射单元，然后耦合到寄生辐射贴片中，将微波能量有效地辐射到自由空间中。
实施例2
本实施例对实施例1提供的微带天线进行了具体的实验，其实验结果如图3、4所示。
如图3所示，实施例1提供的微带天线在谐振频率5.8GHz有最优反射系数s11＝-24.83dB。
如图4所示，实施例1提供的微带天线在谐振频率5.8GHz处，铅直的方向上相互垂直的平面xoz和yoz平面上的半功率波束宽度分别为HPBW＝128°和HPBW＝134°。
实验证明，本发明提供的微带天线在使用时的波束宽度大、方向性好、尺寸小、辐射效率高，适用于各类无线通信应用领域。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，包括主辐射贴片、基板、地平面和同轴馈电导体针，其中主辐射贴片设置在基板的上方，地平面设置在基板的底面，同轴馈电导体针的一端与主辐射贴片连接，同轴馈电导体针的另一端穿过基板后与地平面连接，其特征在于：所述双极化微带天线还包括有第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片，第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片设置在基板的上方，第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片之间以主辐射贴片为圆心形成90度的圆心角；所述主辐射贴片、第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片上均设置有短路墙，所述短路墙包括至少8根短路针，所述短路墙的短路针的一端与主辐射贴片、第一寄生辐射贴片或第二寄生辐射贴片连接，所述短路墙的短路针的另一端穿过基板后与地平面连接。
2.根据权利要求1所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：设置在主辐射贴片、第一寄生辐射贴片或第二寄生辐射贴片上的所述至少8根短路针设置在同一直线上，设置在同一直线上的相邻两根所述短路针之间留有间距。
3.根据权利要求2所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：所述短路墙包括的短路针的数量为8～20。
4.根据权利要求1所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：所述主辐射贴片、第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片平行设置在基板的上方，主辐射贴片、第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片在基板上的设置高度一致。
5.根据权利要求4所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：所述主辐射贴片的横向剖面呈正方形状，所述第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片的横向剖面呈矩形状，所述第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片分别设置在主辐射贴片相邻的两条边的一侧，第一寄生辐射贴片与主辐射贴片之间、第二寄生辐射贴片与主辐射贴片之间留有间距。
6.根据权利要求5所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：所述微带天线还包括有同轴馈电的SMA头，同轴馈电的SMA头的探针与地平面连接。
7.根据权利要求1～6任一项所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：所述基板包括介质层和覆铜层，介质层的底面与覆铜层的顶面贴合，所述覆铜层作为地平面。
8.根据权利要求7所述的基于短路墙结构的宽波束双极化微带天线，其特征在于：所述主辐射贴片的尺寸范围为10mm*10mm至14mm*14mm，所述第一寄生辐射贴片、第二寄生辐射贴片的尺寸范围为10mm*8mm至14mm*10mm，所述基板的尺寸为30mm*30mm。
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