CN108054507A - 一种具有非闭合地板的n形终端平面缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，由介质基板、印制在介质基板上的N形馈源终端、叉形共面波导馈线、非闭合矩形缝隙地板和外接的同轴接头构成。N形馈源终端的半圆环和矩形的尺寸决定了天线的中心频率，调节N形馈源终端中小半圆环内半径的尺寸可以实现天线的宽频带特性，矩形宽缝隙通过圆弧过渡并对称增加矩形凸起可以调节并展开天线的阻抗带宽，采用叉形共面波导馈线能够调节阻抗匹配，采用非闭合矩形缝隙地板可以进一步减小天线的整体尺寸。该天线具备结构新颖、加工方便、容易集成等特点，在工作频段内辐射特性和增益特性良好，适用于X波段无线通信***。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，适用于X波段无线通信***。
背景技术
随着近年来无线通信技术的不断发展，要求减轻设备重量、减小设备体积、降低设备功耗，满足轻量化的需求。X波段天线被广泛应用于探测制导、空间研究、卫星通信等领域中，已经受到相关研究人员的重点关注，但该领域的研究成果相对较少。缝隙天线具备体积小、加工精度要求低、容易与其它设备集成等优点，与传统天线相比，缝隙天线的设计更为灵活，无需增加阻抗匹配网络，方便批量生产，因此，能够满足现代无线通信***的发展需求。缝隙天线的馈电方式主要有微带馈电和共面波导馈电两种方式，共面波导馈电方式将馈源和地板设计在同一平面，方便天线的共形和集成。缝隙天线的设计一般在地板上开一个较宽的缝隙，缝隙结构一般采用近似椭圆形或近似矩形缝隙，辐射与馈电部分与单极子天线的设计类似，采用特殊的几何组合结构调节阻抗匹配。采用矩形缝隙能够得到较宽的阻抗带宽，调节矩形缝隙的长度、宽度可以优化阻抗匹配，例如非专利文献1公开了一种宽带宽缝隙共形天线，该天线在介质基板上端开一个矩形缝隙，采用共面波导方式馈电，通过矩形共面波导导带作为馈源对缝隙进行激励，改变矩形缝隙的尺寸调整谐振点的位置，调节矩形导带的长度实现阻抗匹配，该天线的优点是剖面低、易于共形，但天线的整体尺寸较大。采用共面波导导带开路馈电可以获得一定的带宽，调节导带的长度和导带与地板的缝隙可以获得良好的阻抗匹配，例如专利文献1公开了一种X波段探针馈电的背腔槽天线，由馈电探针、背腔、地板和同轴接头组成，在地板上开一个菱形槽，相当于缝隙天线的宽缝，矩形背腔内部填充空气，矩形背腔和菱形槽向外辐射电磁波，通过馈电探针对背腔槽进行馈电，工作带宽8～12GHz，该天线具有宽频带、尺寸小和增益稳定等优点，但该天线结构设计较为复杂，增加的背腔不利于天线的集成设计，且辐射方向为定向辐射，限制了其应用范围。缝隙天线的辐射与馈源结构类似于单极子天线，采用特殊的几何组合结构实现宽频带范围内的阻抗匹配，例如专利文献2公开了一种多山字形双频印刷缝隙天线，由矩形馈线、多山字形辐射单元、金属接地板组成，多山字形辐射单元由多个对称的L形贴片组成，均匀分布在矩形馈线的左右两侧，该天线虽然具有双频特性，但设计制作比较复杂，工作频带较窄，工作带宽范围内的增益稳定性也无法确定。共面波导馈电的宽缝隙天线已经成为当前研究的热点，需要合理优化天线整体尺寸、缝隙结构、馈源形状，得到宽频带、小型化的天线，满足各类无线通信***的应用需求。
引用文献列表
非专利文献
非专利文献1：韩振平，宽带宽缝隙共形天线的设计及其特性研究，军事通信技术，2012,33(1):1-6.
专利文献
专利文献1：中国专利申请号201611199269.2
专利文献2：中国专利授权公告号CN103682644B
发明内容
本发明的目的是提供一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，宽频带、全向辐射、增益稳定，便于集成在射频电路中，满足X波段无线通信***需求。
本发明的技术方案是：一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的N形馈源终端(2)、叉形共面波导馈线(3)、非闭合矩形缝隙地板(4)和外接的同轴接头(5)构成，其特征在于：
a.所述的N形馈源终端(2)为N形金属贴片，由两个同心半圆环和两个矩形组成，两个同心半圆环位于N形馈源终端(2)的上端，大半圆环位于小半圆环的外侧，N形馈源终端(2)通过上端的小半圆环与叉形共面波导馈线(3)的下半圆环导带对接；
b.所述的叉形共面波导馈线(3)由一段特性阻抗为50Ω的矩形导带和下半圆环导带组成，下半圆环导带的下端与矩形导带上端相连，下半圆环导带的上端与N形馈源终端(2)上端的小半圆环对接，两个半圆环圆心在同一位置，整体形成一个内外半径相等的圆环结构；
c.所述的非闭合矩形缝隙地板(4)为开有矩形宽缝隙(6)的金属贴片，在地板的上端开有一矩形窄缝形成非闭合结构地板，非闭合矩形缝隙地板(4)对称于叉形共面波导馈线(3)两侧；
d.所述的矩形宽缝隙(6)以矩形为基形，矩形的四个角通过圆弧过渡，在矩形宽缝隙(6)的两侧对称增加两个矩形凸起；
e.所述的同轴接头(5)位于介质基板(1)下端，同轴接头(5)分别与叉形共面波导馈线(3)和非闭合矩形缝隙地板(4)的两个下边缘相连接。
所述的N形馈源终端(2)由两个同心半圆环和两个矩形组成，大半圆环位于小半圆环的外侧，大半圆环的内半径与小半圆环的外半径相等，从而使大半圆环与小半圆环能够无缝连接，两个矩形分别与大半圆环两端相连接，矩形的宽度与大半圆环的环宽R1-R3相等，N形馈源终端(2)通过N形上端的小半圆环与叉形共面波导馈线(3)的下半圆环导带对接，大半圆环外半径R1为8mm～10mm，矩形的长度L3为6mm～8mm。
所述的叉形共面波导馈线(3)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为15mm～17mm，宽度W2为1mm～3mm，下半圆环导带的外半径R3为4mm～6mm，内半径R2为3mm～5mm。
所述的非闭合矩形缝隙地板(4)的矩形上端窄缝宽度W5为3mm～6mm，长度L6为2mm～4mm，非闭合矩形缝隙地板(4)的侧壁宽度W3为2mm～3mm，非闭合矩形缝隙地板(4)下端的矩形长L1为8mm～9mm，宽W1为15mm～16mm。
所述的矩形宽缝隙(6)四个角过渡圆弧半径R4为3mm～4mm，矩形凸起的宽度W4为2mm～3mm，长度L5为5mm～6mm，矩形凸起底端距非闭合矩形缝隙地板(4)下边缘距离L4为16mm～18mm。
本发明的效果在于：本发明采用了结构新颖的N形馈源终端与非闭合矩形缝隙地板的组合结构，N形馈源终端的半圆环和矩形的尺寸决定了天线的中心频率，调节N形馈源终端中小半圆环内半径的尺寸可以实现天线的宽频带特性，矩形宽缝隙通过圆弧过渡并对称增加矩形凸起可以调节并展开天线的阻抗带宽，采用叉形共面波导馈线能够调节阻抗匹配，采用非闭合矩形缝隙地板可以进一步减小天线的整体尺寸，N形馈源终端与非闭合矩形缝隙地板位于介质基板同侧使天线的结构更为紧凑并易于与其它载体共形。本发明具有平面结构，具有低剖面、尺寸小、加工方便、结构简单、易于集成等特点，在工作频段内辐射特性和增益特性良好，适用于X波段无线通信***。
附图说明
图1是本发明实例的结构示意图。
图2是本发明实施例1实测回波损耗S11曲线。
图3是本发明实施例1在频率为8GHz时的XOZ面辐射方向图。
图4是本发明实施例1在频率为8GHz时的XOY面辐射方向图。
图5是本发明实施例2实测回波损耗S11曲线。
图6是本发明实施例2在频率为9GHz时的XOZ面辐射方向图。
图7是本发明实施例2在频率为9GHz时的XOY面辐射方向图。
图8是本发明实施例3实测回波损耗S11曲线。
图9是本发明实施例3在频率为10GHz时的XOZ面辐射方向图。
图10是本发明实施例3在频率为10GHz时的XOY面辐射方向图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是：如图1所示，一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的N形馈源终端(2)、叉形共面波导馈线(3)、非闭合矩形缝隙地板(4)和外接的同轴接头(5)构成，其特征在于：所述的N形馈源终端(2)为N形金属贴片，由两个同心半圆环和两个矩形组成，两个同心半圆环位于N形馈源终端(2)的上端，大半圆环位于小半圆环的外侧，N形馈源终端(2)通过上端的小半圆环与叉形共面波导馈线(3)的下半圆环导带对接；所述的叉形共面波导馈线(3)由一段特性阻抗为50Ω的矩形导带和下半圆环导带组成，下半圆环导带的下端与矩形导带上端相连，下半圆环导带的上端与N形馈源终端(2)上端的小半圆环对接，两个半圆环圆心在同一位置，整体形成一个内外半径相等的圆环结构；所述的非闭合矩形缝隙地板(4)为开有矩形宽缝隙(6)的金属贴片，在地板的上端开有一矩形窄缝形成非闭合结构地板，非闭合矩形缝隙地板(4)对称于叉形共面波导馈线(3)两侧；所述的矩形宽缝隙(6)以矩形为基形，矩形的四个角通过圆弧过渡，在矩形宽缝隙(6)的两侧对称增加两个矩形凸起；所述的同轴接头(5)位于介质基板(1)下端，同轴接头(5)分别与叉形共面波导馈线(3)和非闭合矩形缝隙地板(4)的两个下边缘相连接。
所述的N形馈源终端(2)由两个同心半圆环和两个矩形组成，大半圆环位于小半圆环的外侧，大半圆环的内半径与小半圆环的外半径相等，从而使大半圆环与小半圆环能够无缝连接，两个矩形分别与大半圆环两端相连接，矩形的宽度与大半圆环的环宽R1-R3相等，N形馈源终端(2)通过N形上端的小半圆环与叉形共面波导馈线(3)的下半圆环导带对接，大半圆环外半径R1为8mm～10mm，矩形的长度L3为6mm～8mm。
所述的叉形共面波导馈线(3)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为15mm～17mm，宽度W2为1mm～3mm，下半圆环导带的外半径R3为4mm～6mm，内半径R2为3mm～5mm。
所述的非闭合矩形缝隙地板(4)的矩形上端窄缝宽度W5为3mm～6mm，长度L6为2mm～4mm，非闭合矩形缝隙地板(4)的侧壁宽度W3为2mm～3mm，非闭合矩形缝隙地板(4)下端的矩形长L1为8mm～9mm，宽W1为15mm～16mm。
所述的矩形宽缝隙(6)四个角过渡圆弧半径R4为3mm～4mm，矩形凸起的宽度W4为2mm～3mm，长度L5为5mm～6mm，矩形凸起底端距非闭合矩形缝隙地板(4)下边缘距离L4为16mm～18mm。
实施例1：具体制作过程如实施方式所述。选择FR4环氧树脂介质基板，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm，金属层厚度为0.04mm，同轴接头采用标准SMA接头。介质基板长L＝35mm、宽W＝35mm。N形馈源终端大半圆环外半径R1为10mm，矩形的长度L3为8mm，矩形的宽度R1-R3为4.5mm。叉形共面波导馈线中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为17mm，宽度W2为2mm，矩形导带与地板之间的缝隙g为0.5mm，下半圆环导带的外半径R3为5.5mm，内半径R2为4.5mm。非闭合矩形缝隙地板的矩形上端窄缝宽度W5为3mm，长度L6为3mm，非闭合矩形缝隙地板的侧壁宽度W3为3mm，非闭合矩形缝隙地板下端的矩形长L1为8mm，宽W1为16mm。矩形宽缝隙四个角过渡圆弧半径R4为4mm，矩形凸起的宽度W4为2.5mm，长度L5为6mm，矩形凸起底端距非闭合矩形缝隙地板下边缘距离L4为17mm。使用矢量网络分析仪进行测试，实测天线回波损耗S11曲线如图2所示，回波损耗小于-10dB的工作频带为7.1GHz～9.1GHz，谐振点稍偏离中心频率8GHz位于8.1GHz处，谐振峰强度为-41.8dB，能够满足天线的工作需求。对天线在8GHz中心频率处的XOZ面和XOY面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测如图3、图4所示。从图中可以看出，天线辐射方向图在XOZ面呈“8”字形，近似稳定，在XOY面辐射曲线近似全向，天线的波瓣比较宽，体现出宽频带特性，在中心频率点处具有较好的方向性。
实施例2：与实施例一相似，具体制作过程如实施方式所述，介质基板的参数保持不变。对其它设计参数调整如下：N形馈源终端大半圆环外半径R1为9mm，矩形的长度L3为7mm，矩形的宽度R1-R3为4mm。叉形共面波导馈线中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为16mm，宽度W2为2mm，矩形导带与地板之间的缝隙g为0.5mm，下半圆环导带的外半径R3为5mm，内半径R2为4mm。非闭合矩形缝隙地板的矩形上端窄缝宽度W5为4mm，长度L6为3mm，非闭合矩形缝隙地板的侧壁宽度W3为3mm，非闭合矩形缝隙地板下端的矩形长L1为8.5mm，宽W1为16mm。矩形宽缝隙四个角过渡圆弧半径R4为3.5mm，矩形凸起的宽度W4为2.5mm，长度L5为5.5mm，矩形凸起底端距非闭合矩形缝隙地板下边缘距离L4为16mm。使用矢量网络分析仪进行测试，实测天线回波损耗S11曲线如图5所示，回波损耗小于-10dB的工作频带为7.9GHz～9.9GHz，谐振点位于中心频率9GHz处，谐振峰强度为-48.4dB，能够满足天线的工作需求。对天线在9GHz中心频率处的XOZ面和XOY面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测如图6、图7所示。从图中可以看出，天线辐射方向图在XOZ面呈“8”字形，近似稳定，在XOY面辐射曲线近似全向，天线的波瓣比较宽，体现出宽频带特性，在中心频率点处具有较好的方向性。
实施例3：与实施例一相似，具体制作过程如实施方式所述，介质基板的参数保持不变。对其它设计参数调整如下：N形馈源终端大半圆环外半径R1为8.5mm，矩形的长度L3为6mm，矩形的宽度R1-R3为4mm。叉形共面波导馈线中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为15mm，宽度W2为2mm，矩形导带与地板之间的缝隙g为0.5mm，下半圆环导带的外半径R3为4.5mm，内半径R2为3.5mm。非闭合矩形缝隙地板的矩形上端窄缝宽度W5为5.5mm，长度L6为3mm，非闭合矩形缝隙地板的侧壁宽度W3为2.5mm，非闭合矩形缝隙地板下端的矩形长L1为9mm，宽W1为16mm。矩形宽缝隙四个角过渡圆弧半径R4为3mm，矩形凸起的宽度W4为2.5mm，长度L5为5mm，矩形凸起底端距非闭合矩形缝隙地板下边缘距离L4为18mm。使用矢量网络分析仪进行测试，实测天线回波损耗S11曲线如图8所示，回波损耗小于-10dB的工作频带为9.2GHz～11.3GHz，谐振点稍偏离中心频率10GHz位于9.8GHz处，谐振峰强度为-38.2dB，能够满足天线的工作需求。对天线在10GHz中心频率处的XOZ面和XOY面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测如图9、图10所示。从图中可以看出，天线辐射方向图在XOZ面呈“8”字形，近似稳定，在XOY面辐射曲线近似全向，天线的波瓣比较宽，体现出宽频带特性，在中心频率点处具有较好的方向性。
Claims (5)
1.一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)上的N形馈源终端(2)、叉形共面波导馈线(3)、非闭合矩形缝隙地板(4)和外接的同轴接头(5)构成，其特征在于：
a.所述的N形馈源终端(2)为N形金属贴片，由两个同心半圆环和两个矩形组成，两个同心半圆环位于N形馈源终端(2)的上端，大半圆环位于小半圆环的外侧，N形馈源终端(2)通过上端的小半圆环与叉形共面波导馈线(3)的下半圆环导带对接；
b.所述的叉形共面波导馈线(3)由一段特性阻抗为50Ω的矩形导带和下半圆环导带组成，下半圆环导带的下端与矩形导带上端相连，下半圆环导带的上端与N形馈源终端(2)上端的小半圆环对接，两个半圆环圆心在同一位置，整体形成一个内外半径相等的圆环结构；
c.所述的非闭合矩形缝隙地板(4)为开有矩形宽缝隙(6)的金属贴片，在地板的上端开有一矩形窄缝形成非闭合结构地板，非闭合矩形缝隙地板(4)对称于叉形共面波导馈线(3)两侧；
d.所述的矩形宽缝隙(6)以矩形为基形，矩形的四个角通过圆弧过渡，在矩形宽缝隙(6)的两侧对称增加两个矩形凸起；
e.所述的同轴接头(5)位于介质基板(1)下端，同轴接头(5)分别与叉形共面波导馈线(3)和非闭合矩形缝隙地板(4)的两个下边缘相连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，其特征在于所述的N形馈源终端(2)由两个同心半圆环和两个矩形组成，大半圆环位于小半圆环的外侧，大半圆环的内半径与小半圆环的外半径相等，从而使大半圆环与小半圆环能够无缝连接，两个矩形分别与大半圆环两端相连接，矩形的宽度与大半圆环的环宽R1-R3相等，N形馈源终端(2)通过N形上端的小半圆环与叉形共面波导馈线(3)的下半圆环导带对接，大半圆环外半径R1为8mm～10mm，矩形的长度L3为6mm～8mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，其特征在于所述的叉形共面波导馈线(3)中的特性阻抗为50Ω的矩形导带长度L2为15mm～17mm，宽度W2为1mm～3mm，下半圆环导带的外半径R3为4mm～6mm，内半径R2为3mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，其特征在于所述的非闭合矩形缝隙地板(4)的矩形上端窄缝宽度W5为3mm～6mm，长度L6为2mm～4mm，非闭合矩形缝隙地板(4)的侧壁宽度W3为2mm～3mm，非闭合矩形缝隙地板(4)下端的矩形长L1为8mm～9mm，宽W1为15mm～16mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有非闭合地板的N形终端平面缝隙天线，其特征在于所述的矩形宽缝隙(6)四个角过渡圆弧半径R4为3mm～4mm，矩形凸起的宽度W4为2mm～3mm，长度L5为5mm～6mm，矩形凸起底端距非闭合矩形缝隙地板(4)下边缘距离L4为16mm～18mm。
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