CN111786131B - 一种宽带准端射微带八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带准端射微带八木天线，包括顶层金属结构、第二层金属结构、第三层金属结构、底层金属结构、第一层介质基板、第二层介质基板以及同轴线。顶层金属结构包括第一条带型金属贴片、第一矩形金属贴片、双矩形金属贴片、第二条带型金属贴片。双矩形金属贴片以及由金属化通孔相连的第一矩形金属贴片和第二层金属结构构成的双层金属贴片结构组成驱动单元。驱动单元左侧的第一条带型金属贴片构成引向单元。驱动单元右侧的第二条带型金属贴片构成反射单元。第三条带型金属贴片、第二层介质基板以及金属大地构成微带线，作为馈电结构。本发明带宽较宽，并能大大降低金属载体尺寸对天线波束指向的影响，提高天线在金属载体上的适应能力。

Description

一种宽带准端射微带八木天线
技术领域
本发明涉及各种微波通信领域，尤其涉及一种宽带准端射微带八木天线。
背景技术
微带八木天线因其定向性强、高增益、高前后比、抗干扰能力强等特点而被广泛应用于无线通信***中。为了获得标准的端射式辐射，微带八木天线通常采用缺陷金属大地，其端射特性及带宽都能得到有效保证。然而此类天线的环境适应能力较弱，尤其当天线依附在金属载体时，其端射特性及带宽将受到巨大影响，且由于金属载体尺寸不同，其受到的影响也将变化。采用完整金属大地的微带八木天线，在设计上考虑了金属背景的影响，可以将天线放置在金属表面，在辐射特性上依然能获得准端射辐射特性。由此可见，准端射微带八木天线具有较好的环境适应能力，受金属载体的影响较小，因此受到越来越多的关注。
为了实现微带八木天线的准端射辐射特性，天线通常由反射单元、驱动单元与引向单元三个部分构成，并且各单元的谐振频率互不相同，便于调整各单元对远场合成时的相位贡献。对于各单元结构，目前主要有单金属贴片、带金属化过孔或条形槽的金属贴片、多金属贴片等形式，这些微带八木天线能够实现需要的准端射辐射，但是存在带宽相对较窄的问题。另外，为了较容易的实现天线的准端射辐射，目前的微带八木天线各单元沿着极化方向排列，但是带来的缺陷是波束指向容易受金属地尺寸的影响，在很大程度上降低了对金属环境的适应能力。为了提升准端射微带八木天线的带宽，以及降低天线波束指向随金属载体尺寸变化的影响，有必要提出新型的宽带准端射微带八木天线。
发明内容
发明目的：针对目前的准端射微带八木天线存在带宽较窄、天线波束指向受金属载体尺寸影响较大问题，提出一种宽带准端射微带八木天线，并且天线波束指向受金属载体尺寸的影响大大减少。
技术方案：一种宽带准端射微带八木天线，包括顶层金属结构、第二层金属结构、第三层金属结构、底层金属结构、第一层介质基板、第二层介质基板以及同轴线；
顶层金属结构位于第一层介质基板的上表面，包括第一条带型金属贴片、第一矩形金属贴片、具有间距的双矩形金属贴片、第二条带型金属贴片；第二层金属结构由第二矩形金属贴片构成，位于所述第一层介质基板的下表面，并通过位于金属贴片上两侧边中点位置的金属化通孔与所述第一矩形金属贴片连接；第三层金属结构由第三条带型金属贴片构成，位于第二层介质基板的上表面；底层金属结构是带有圆形孔的金属大地，位于所述第二层介质基板的下表面；同轴线的内导体穿过所述圆形孔与所述第三条带型金属贴片相连；
具有间距的所述双矩形金属贴片以及由所述金属化通孔相连的所述第一矩形金属贴片和第二矩形金属贴片构成的双层金属贴片结构组成天线的驱动单元；位于所述驱动单元左侧的所述第一条带型金属贴片构成天线的引向单元；位于所述驱动单元右侧的所述第二条带型金属贴片构成天线的反射单元；所述第三条带型金属贴片、第二层介质基板以及金属大地构成微带线，作为天线的馈电结构，馈电结构位于具有间距的双矩形金属贴片正下方，且其中轴线与双矩形金属贴片的中轴线平行；其中，所述驱动单元、引向单元、反射单元沿着垂直于极化方向排列，并在极化方向上呈对称分布。
有益效果：1、采用双矩形金属贴片及双层金属贴片构成天线的驱动单元，并通过半波长微带线进行耦合激励，从而获得多个工作模式，拓展了天线的带宽，并促使驱动单元自身具有一定的倾斜辐射特性，有利于在天线H面形成准端射辐射特性。
2、由条带型金属贴片构成的引向单元及反射单元分列于驱动单元两侧，并沿着垂直于极化方向(H面)排列，在H面形成准端射辐射特性，提高了天线对金属载体尺寸的适应能力。
3、通过在双层矩形金属贴片两侧的中点处加载金属化通孔，对双层金属贴片的电场分布进行调整，从而降低天线的旁瓣水平。
4、天线的引向单元、驱动单元与反射单元在极化方向上呈对称分布，保证了其E面方向图不倾斜。
附图说明
图1为本发明天线的剖面图；
图2为本发明天线的顶层金属结构图；
图3为本发明天线的第二层金属结构图；
图4为本发明天线的第三层金属结构图；
图5为本发明天线的底层金属结构图；
图6为本发明天线的仿真匹配和增益曲线；
图7为不同金属地尺寸下的本发明天线波束辐射角度曲线；
图8为天线俯仰面仿真方向图；其中，图(a)为5GHz的辐射方向图，图(b)为5.5GHz的辐射方向图，图(c)为6GHz的辐射方向图，图(d)为6.4GHz的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种宽带准端射微带八木天线，如图1所示，包括顶层金属结构1、第二层金属结构2、第三层金属结构3、底层金属结构4、第一层介质基板13、第二层介质基板16以及同轴线17。
如图2所示，顶层金属结构1位于第一层介质基板13的上表面，包括第一条带型金属贴片5、第一矩形金属贴片6、具有间距的双矩形金属贴片7、第二条带型金属贴片8。如图3所示，第二层金属结构2由第二矩形金属贴片9构成，位于第一层介质基板13的下表面，并通过位于金属贴片上两侧边中点位置的金属化通孔14与第一矩形金属贴片6连接。如图4所示，第三层金属结构3由第三条带型金属贴片10构成，位于第二层介质基板16的上表面。如图5所示，底层金属结构4是带有圆形孔11的金属大地12，位于第二层介质基板16的下表面。同轴线17的内导体15穿过所述圆形孔11与第三条带型金属贴片10相连。
具有间距的双矩形金属贴片7以及由金属化通孔14相连的第一矩形金属贴片6和第二矩形金属贴片9构成的双层金属贴片结构组成天线的驱动单元。位于驱动单元左侧的第一条带型金属贴片5构成天线的引向单元。位于驱动单元右侧的第二条带型金属贴片8构成天线的反射单元。第三条带型金属贴片10、第二层介质基板16以及金属大地12构成微带线，作为天线的馈电结构，馈电结构位于具有间距的双矩形金属贴片7正下方，且中轴线与双矩形金属贴片的中轴线平行。其中，驱动单元、引向单元、反射单元沿着垂直于极化方向排列，并在极化方向上呈对称分布。
天线工作时，信号通过同轴线17对微带线进行馈电，使其呈现半波驻波分布，并因此耦合激励双矩形金属贴片7的TM20模式，进而进一步激发双层金属贴片6，9的TM10模式。由于驱动单元及其馈电结构存在多个工作模式，因此能获得较宽的工作带宽。同时，由于驱动单元由存在耦合关系的双矩形金属贴片7及双层金属贴片6，9构成，其本身带有倾斜辐射特性，因此在加上引向单元及反射单元的辅助后，该天线可以在沿着非极化方向排列时，亦能较好的实现准端射辐射特性。在此种情况下，天线金属大地12的尺寸对天线波束指向的影响将大大降低，能有效提高在金属载体上的适应能力。
本实施例采用的基板是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板。天线的长度为100mm，宽度为70mm，厚度为5mm，即在中心频率5.63GHz时的尺寸为1.88λ0×1.31λ0×0.09λ0。天线结构示意图如图1至图5所示，其仿真的匹配响应和增益如图6所示，10-dB匹配带宽为4.75GHz-6.48GHz，即相对带宽达到了30.8％，频带内增益范围为8.6-10.9dBi。图7是该实施例天线的波束倾斜角度随频率的变化曲线，在匹配带宽内其波束指向角为23°-45°。在将金属地面积扩大17倍的情况下，在匹配带宽内其波束指向角为21°-56°，说明金属地对波束指向的影响很小。图8是该实施例天线在5GHz、5.5GHz、6GHz、6.4GHz处的天线方向图，可见天线在俯仰面的前后比均小于-16dB，交叉极化均小于-22dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种宽带准端射微带八木天线，其特征在于，包括顶层金属结构(1)、第二层金属结构(2)、第三层金属结构(3)、底层金属结构(4)、第一层介质基板(13)、第二层介质基板(16)以及同轴线(17)；
顶层金属结构(1)位于第一层介质基板(13)的上表面，包括第一条带型金属贴片(5)、第一矩形金属贴片(6)、具有间距的双矩形金属贴片(7)、第二条带型金属贴片(8)；第二层金属结构(2)由第二矩形金属贴片(9)构成，位于所述第一层介质基板(13)的下表面，并通过位于金属贴片上两侧边中点位置的金属化通孔(14)与所述第一矩形金属贴片(6)连接；第三层金属结构(3)由第三条带型金属贴片(10)构成，位于第二层介质基板(16)的上表面；底层金属结构(4)是带有圆形孔(11)的金属大地(12)，位于所述第二层介质基板(16)的下表面；同轴线(17)的内导体(15)穿过所述圆形孔(11)与所述第三条带型金属贴片(10)相连；
具有间距的所述双矩形金属贴片(7)以及由所述金属化通孔(14)相连的所述第一矩形金属贴片(6)和第二矩形金属贴片(9)构成的双层金属贴片结构组成天线的驱动单元；位于所述驱动单元左侧的所述第一条带型金属贴片(5)构成天线的引向单元；位于所述驱动单元右侧的所述第二条带型金属贴片(8)构成天线的反射单元；所述第三条带型金属贴片(10)、第二层介质基板(16)以及金属大地(12)构成微带线，作为天线的馈电结构，馈电结构位于具有间距的双矩形金属贴片(7)正下方，且中轴线与双矩形金属贴片的中轴线平行；其中，所述驱动单元、引向单元、反射单元沿着垂直于极化方向排列，并在极化方向上呈对称分布；
天线工作时，信号通过同轴线(17)对微带线进行馈电，使微带线呈现半波驻波分布，并因此耦合激励双矩形金属贴片(7)的TM20模式，进而进一步激发双层金属贴片的TM10模式。
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