CN112768946B - 一种超宽带高增益偶极子天线 - Google Patents

一种超宽带高增益偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带高增益偶极子天线，涉及无线通讯设备部件，针对现有技术中带宽和增益不足的问题提出本方案。包括底板、开放式背腔和偶极子；开放式背腔下端口与底板上表面固定连接，上端口向外扩展；偶极子设置在开放式背腔下端口中部且与底板的馈电端口电性连接；偶极子中的两个电磁极子结构对称：分别由依次连接的垂杆、弧杆和横杆组成，两电磁极子的横杆互相背向延伸，在横杆靠近弧杆的位置设有球状凸起。优点在于，实现了从4.1GHz到14.3GHz的阻抗带宽，覆盖了C波段和X波段全部，以及Ku波段的少部分。带宽内天线增益可以达到10～18.7dBi，整体方案实现了超宽带高增益辐射，尤其适用于雷达技术中。

Description

一种超宽带高增益偶极子天线
技术领域
本发明涉及无线通讯设备的部件，尤其涉及一种超宽带高增益偶极子天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线通信***对天线的要求也在不断地提高，为了同时容纳原有的频段和不断增加的频段，例如PCS，LTE，WLAN，Sub 6G等，天线应该具有更宽的工作频带。
偶极子天线实现了在两个极化面相同的辐射方向图，同时具有低后瓣，低交叉极化，稳定的增益等一系列良好的特性。但是现有技术也存在着许多的不足之处，首先，仅采用最基本的偶极子结构使得其阻抗带宽和轴比带宽较窄，仅能覆盖最基本的通信频段。此外，由于仅采用了单一的反射板结构，使得其增益较低，极大地限制了其应用范围。
近年来随着第五代移动通信快速发展，毫米波天线大量地吸引了研究人员的注意力。移动通信在毫米波频段有很宽的频谱资源，能够实现高速率传输数据，速率高达每秒几个Gbits,有望在未来无线传输无压缩高清影像和超快文件传输。作为通信***的重要组成部分，有低成本，宽带宽和高增益的毫米波天线或者阵列需求越来越大。迄今，研究人员提出了很多不同类型有优良性能的毫米波天线，比如背腔天线，缝隙天线，贴片天线等等。众所周知，由于双极化天线有着极化分集和改善信道容量的优点，工作在低频段的双极化天线阵列被广泛应用于无线通信***中
偶极子天线可以加背腔降低平台影响，但是工作效率较低，可靠性和可制造性较差。对于要求高宽带、高增益的应用平台，现有技术的方案均不能满足要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种超宽带高增益偶极子天线，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明超宽带高增益偶极子天线，包括底板、开放式背腔和偶极子；所述的开放式背腔下端口与底板上表面固定连接，上端口向外扩展；所述的偶极子设置在开放式背腔下端口中部且与底板的馈电端口电性连接；所述偶极子中的两个电磁极子结构对称：分别由依次连接的垂杆、弧杆和横杆组成，两电磁极子的横杆互相背向延伸，在横杆靠近弧杆的位置设有球状凸起。
所述横杆的轴线穿过球状凸起的球心。
还包括一阻抗匹配模块，所述阻抗匹配模块的下端面与底板上端面固定连接，所述的阻抗匹配模块内设有两垂直的通孔，每一通孔分别非接触式套设在一垂杆外侧。
所述的阻抗匹配模块横截面为椭圆形，通孔的轴线与所述椭圆形的长轴相交且与椭圆形所在平面垂直。
所述开放式背腔由两相对设置的侧平板和两相对设置的弧板围蔽而成。
所述侧平板为倒梯形且与底板形成非零夹角，侧平板远离偶极子一侧的平面与底板的夹角小于等于90°。
所述两相对设置的弧板为同一圆台上的两相对侧壁部分。
整体均为金属制成。
本发明超宽带高增益偶极子天线，其优点在于，实现了从4.1GHz到14.3GHz的阻抗带宽，覆盖了C波段和X波段全部，以及Ku波段的少部分。相对带宽最高可达110％且带宽内端口反射系数小于-10dBi，带宽内天线增益可以达到10～18.7dBi，整体方案实现了超宽带高增益辐射。
附图说明
图1是本发明所述超宽带高增益偶极子天线的结构示意图。
图2是图1中A-A向的剖视图。
图3是本发明所述开放式背腔的结构示意图。
图4是本发明所述偶极子和阻抗匹配模块的装配示意图。
图5是本发明所述阻抗匹配模块相对垂杆高度变化的反射系数仿真曲线图。
图6是本发明所述阻抗匹配模块通孔内径相对变化的反射系数仿真曲线图。
图7是本发明所述球状凸起直径相对变化的反射系数变化仿真曲线图。
图8是本发明所述球状凸起相对弧杆距离变化的反射系数仿真曲线图。
图9是本发明所述阻抗匹配模块相对垂杆高度变化的增益仿真曲线图。
图10是本发明所述球状凸起相对弧杆距离变化的增益仿真曲线图。
图11是本发明所述弧板下端圆弧半径相对变化的增益仿真曲线图。
图12是本发明所述弧板上端圆弧半径相对变化的增益仿真曲线图。
图13是本发明所述弧板上端圆弧弦长相对变化的增益仿真曲线图。
图14是本发明所述开放式背腔垂直高度相对变化的增益仿真曲线图。
图15是本发明所述弧板下端圆弧弦长相对变化的增益仿真曲线图。
图16是本发明所述超宽带高增益偶极子天线在最优参数下的反射系数仿真曲线图。
图17是本发明所述超宽带高增益偶极子天线在最优参数下的增益仿真曲线图。
附图标记：
10-底板：11-馈电端口；
20-开放式背腔：21-侧平板、22-弧板；
30-阻抗匹配模块：31-通孔；
40-偶极子：41-垂杆、42-弧杆、43-横杆、44-球状凸起。
具体实施方式
如图1-4所示，本发所述明超宽带高增益偶极子天线整体均为金属制成：包括底板10、开放式背腔20、阻抗匹配模块30和偶极子40。天线的结构十分简单，除金属结构外无需其他介质，可在无线通信领域和高分辨率雷达探测等领域发挥巨大作用。
所述的底板10中部设有两个连通上下表面的馈电端口11。
所述的开放式背腔20下端口与底板10上表面固定连接，上端口向外扩展。由两相对设置的侧平板21和两相对设置的弧板22互相间隔围蔽而成。所述侧平板21为倒梯形且与底板10形成非零夹角，侧平板21远离偶极子40一侧的平面与底板10的夹角小于等于90°。为了更好辐射信号，夹角优选小于90°。所述两相对设置的弧板22为同一圆台上的两相对侧壁部分。开放式背腔20的结构从几何空间上可以理解为一个仅具有侧壁厚度的空心圆台被两对称的切割平板分割而成，圆台位于切割平板之间的剩余部分即两所述弧板22，两所述弧板22之间的切割平板部分即所述侧平板21。
所述的偶极子40设置在开放式背腔20下端口中部且与底板10的馈电端口11电性连接。所述偶极子40中的两个电磁极子结构对称：分别由依次连接的垂杆41、弧杆42和横杆43组成，两电磁极子的横杆43互相背向延伸，在横杆43靠近弧杆42的位置设有球状凸起44。所述横杆43的轴线穿过球状凸起44的球心。垂杆41和横杆43形成90°夹角，弧杆42为1/4圆弧。
所述阻抗匹配模块30的下端面与底板10上端面固定连接，所述的阻抗匹配模块30内设有两垂直的通孔31。每一通孔31分别非接触式套设在一垂杆41外侧，形成对偶极子40的容性阻抗。所述的阻抗匹配模块30横截面为椭圆形，通孔31的轴线与所述椭圆形的长轴相交且与椭圆形所在平面垂直。
本发明所述超宽带高增益偶极子天线的工作原理如下：
参数定义：l1为单个电磁极子的长度，即垂杆41下端依次经过弧杆42至横杆43自由端的轴线长度；h1为阻抗匹配模块30的高度，d1为通孔31的内径；d2为球状凸起44的直径，l2为球状凸起44相对弧杆42的距离；h2为开放式背腔20的垂直高度，Rb为弧板22下端圆弧的半径，Cb为弧板22下端圆弧的弦长，圆心位于开放式背腔20下端面中心点处；Rt为弧板22上端圆弧的半径，Ct为弧板22上端圆弧的弦长，圆心位于开放式背腔20上端面中心点处。
1、关于工作频率
工作频率f满足式子
Figure BDA0002874845350000041
式中，k为比例系数。天线的工作频率与单个电磁极子的长度成反比。
2、关于阻抗带宽
阻抗带宽主要受以下四个参数的影响：阻抗匹配模块的高度h1、通孔内径d1、球状凸起的直径d2和球状凸起相对弧杆的距离l2。
2.1、阻抗匹配模块的高度h1变化影响，如图5所示，四条不同的曲线分别对应阻抗匹配模块四种不同的高度。其中，曲线(1)对应高度h1为垂杆30％高度，曲线(2)对应高度h1为垂杆70％高度，曲线(3)对应高度h1为垂杆100％高度，曲线(4)对应高度h1为垂杆123％高度。
曲线(1)和曲线(2)表明，当阻抗匹配模块高度不高于电磁极子垂杆高度70％时，阻抗匹配模块几乎不起作用，天线在工作频段内的反射系数很差。
曲线(3)表明，当阻抗匹配模块高度接近电磁极子垂杆高度时，阻抗匹配模块可以起到良好的阻抗匹配调节作用，天线在工作频段内阻抗匹配良好，拥有110％的相对阻抗带宽。因此，阻抗匹配模块的高度优选值为等于或接近于垂杆高度。
曲线(4)表明，当阻抗匹配模块高度大于垂杆高度时，只在天线的部分工作频段内起作用，部分工作频段内可以实现反射系数小于-10dB，其他频道难以得到理想的反射系数。
2.2阻抗匹配模块的通孔内径d1变化影响，如图6所示，四条不同的曲线分别对四种不同的通孔内径。其中，曲线(1)对应内径d1为垂杆直径1倍的大小，曲线(2)对应内径d1为垂杆直径2.5倍的大小，曲线(3)对应内径d1为垂杆直径3.5倍的大小，曲线(4)对应内径d1为垂杆直径5倍的大小，
曲线(1)表明，当阻抗匹配模块通孔内径过小时，只在工作频率的高频段起作用，天线在工作频段内的反射系数有好有坏。
曲线(2)和曲线(3)表明，当阻抗匹配模块通孔内径大小是电磁极子杆直径大小的3倍左右时，可以起到良好的阻抗匹配调节作用，天线在工作频段内阻抗匹配良好。因此，阻抗匹配模块内径的优选值为垂杆直径的3倍。
曲线(4)表明，当阻抗匹配模块通孔内径大小过大时，模块只在天线的工作频段的高频段内起作用，工作频段的高频段内可以实现反射系数小于-10dB。
2.3球状凸起的直径d2变化影响，如图7所示，四条不同的曲线分别对应球状凸起的四种不同直径。其中，曲线(1)对应直径d1为横杆直径1.1倍的大小，曲线(2)对应直径d1为横杆直径2倍的大小，曲线(3)对应直径d1为横杆直径3倍的大小，曲线(4)对应直径d1为横杆直径5倍的大小，
曲线(1)表明，当球状凸起的直径过小时，只在工作频率的低频段起作用，天线在工作频段内的反射系数有好有坏。
曲线(2)和曲线(3)表明，当球状凸起的直径大小是电磁极子杆直径大小的2.5倍左右时，可以起到良好的阻抗匹配调节作用，天线在工作频段内阻抗匹配良好。因此，球状凸起直径的优选值为横杆直径的2.5倍。
曲线(4)表明，当球状凸起的直径过大时，只在天线的工作频段的低频段内起作用，工作频段的低频段内可以实现反射系数小于-10dB。
2.4球状凸起相对弧杆的距离l2变化影响，如图8所示，四条不同的曲线分别对应球状凸起相对弧杆的四种不同距离。其中，曲线(1)对应球状凸起无限接近弧杆，曲线(2)对应球状凸起与弧杆的距离约横杆30％长度，曲线(3)对应球状凸起与弧杆的距离约横杆60％长度，曲线(4)对应球状凸起与弧杆的距离达到最大。
曲线(1)表明，当球状凸起无限接近弧杆时，可以起到良好的阻抗匹配调节作用，天线在工作频段内阻抗匹配良好，拥有110％的相对阻抗带宽。因此，球状凸起相对弧杆的距离优选值为零或略大于零。
曲线(2)、曲线(3)和曲线(4)均表明，当球状凸起逐渐远离弧杆时，模块只在天线的工作频段的低频段内起作用，工作频段的低频段内可以实现反射系数小于-10dB。尤其地，当球状凸起接近横杆的自由端时，模块几乎不起作用，天线在工作频段内反射系数很差。
3、关于辐射特性
辐射特性主要受以下七个参数的影响：阻抗匹配模块的高度h1、球状凸起相对弧杆的距离l2、弧板下端圆弧的半径Rb、弧板上端圆弧的半径Rt、弧板上端圆弧的半径Cb、弧板上端圆弧的弦长Ct和垂直高度h2。
3.1阻抗匹配模块的高度h1变化影响，如图9所示，四条不同的曲线分别对应图片上的阻抗模块四种不同的高度。其中，曲线(1)对应高度h1为垂杆30％高度，曲线(2)对应高度h1为垂杆70％高度，曲线(3)对应高度h1为垂杆100％高度，曲线(4)对应高度h1为垂杆123％高度。
曲线(1)和曲线(2)表明，当阻抗匹配模块的高度不高于电磁极子垂杆高度的70％时，天线在8～14GHz频段内的增益急剧下降。模块的高度低于电磁极子垂杆高度的70％时，模块的高度越低，天线的增益越小。
曲线(3)和曲线(4)表明，当阻抗匹配模块的高度接近电磁极子垂杆的高度时，或者当模块高度大于垂杆高度，也就是说模块达到了把电磁极子的弧杆部分也部分包围着的高度时，模块的高度变化对天线增益的影响不大。
3.2球状凸起相对弧杆的距离l2变化影响，如图10所示，四条不同的曲线分别对应图片上的球状凸起相对弧杆的四种不同距离。其中，曲线(1)对应球状凸起无限接近弧杆，曲线(2)对应球状凸起与弧杆的距离约横杆30％长度，曲线(3)对应球状凸起与弧杆的距离约横杆60％长度，曲线(4)对应球状凸起与弧杆的距离达到最大。
曲线(1)和曲线(2)表明，当球状凸起接近弧杆时，天线在工作频段内增益较高，最高可达19dBi。
曲线(3)和曲线(4)表明，当球状凸起逐渐远离弧杆时，天线在工作频段内的增益逐渐下降。特别地，当球状凸起接近横杆的自由端时，与最佳增益的情况相比，天线的增益下降了1.5dBi左右。
3.3弧板下端圆弧的半径Rb变化影响，如图11所示，四条不同的曲线分别对应弧板下端圆弧的半径四种不同情况，圆弧圆心与背腔下端面中心点重合。其中，曲线(1)对应下端圆弧的半径Rb为中心点到横杆自由端水平距离的1.3倍，曲线(2)对应下端圆弧的半径Rb为中心点到横杆自由端水平距离的1.7倍，曲线(3)对应下端圆弧的半径Rb为中心点到横杆自由端水平距离的2倍，曲线(4)对应下端圆弧的半径Rb为中心点到横杆自由端水平距离的2.2倍。
曲线(1)表明，当背腔弧板下端圆弧越靠近电磁极子时，天线的增益越高。但此时背腔对天线阻抗带宽影响很大，天线的阻抗匹配变差，使得天线无法获得110％的相对阻抗带宽。
曲线(2)表明，当背腔弧板下端圆弧与电磁极子之间的距离适当，约为中心点到横杆自由端水平距离的1.7倍时，天线的增益较高，与此同时背腔对天线阻抗带宽影响不大，相对阻抗带宽仍为110％，曲线(2)对应情况为满足较大阻抗带宽和较高增益的最优参数。
曲线(3)和(4)表明，当背腔弧板下端圆弧越远离电磁极子时，天线的增益越低。
3.4弧板上端圆弧的半径Rt变化影响，如图12所示，四条不同的曲线分别对应弧板上端圆弧的半径四种不同情况，圆弧圆心与背腔上端面中心点重合。其中，曲线(1)对应上端圆弧的半径Rt为中心点到横杆自由端水平距离的2.5倍，曲线(2)对应上端圆弧的半径Rt为中心点到横杆自由端水平距离的3倍，曲线(3)对应上端圆弧的半径Rt为中心点到横杆自由端水平距离的3.5倍，曲线(4)对应上端圆弧的半径Rt为中心点到横杆自由端水平距离的4倍。
曲线(1)表明，当背腔弧板上端圆弧靠近电磁极子，约为中心点到横杆自由端水平距离的2.5倍时，相比于曲线(2)，天线在7～10GHz的增益会提升1dBi，但在11～14GHz的增益会下降1.5dBi。
曲线(2)表明，当背腔弧板上端圆弧与电磁极子之间的距离适当，约为中心点到横杆自由端水平距离的3倍时，天线的增益较好。相比于曲线(1)，虽然天线在7～10GHz的增益会略微下降1dBi，但在11～14GHz的增益提升了1.5dBi。曲线(2)对应情况为最优参数。
曲线(3)和曲线(4)表明，当背腔弧板上端圆弧越远离电磁极子，大于中心点到横杆自由端水平距离的3倍时，天线的增益越低。
3.5弧板上端圆弧的弦长Ct变化影响，如图13所示，四条不同的曲线分别对应弧板上端圆弧的弦长四种不同情况，圆心与背腔上端面中心点重合。其中，曲线(1)对应上端圆弧的弦长Ct为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的9倍，曲线(2)对应上端圆弧的弦长Ct为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的10倍，曲线(3)对应上端圆弧的弦长Ct为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的12倍，曲线(4)对应上端圆弧的弦长Ct为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的13倍。
曲线(1)表明，当背腔侧板上端靠近电磁极子时，天线的增益会下降。
曲线(2)表明，当背腔侧板上端与电磁极子的距离适中，约为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的10倍时，天线拥有最优的增益，相比于曲线(1)，增益提升了1dBi。
曲线(3)和曲线(4)表明，当背腔侧板上端远离电磁极子，距离大于或等于阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的12倍时，背腔侧板上端与电磁极子的距离变化对天线增益的影响不大。
3.6背腔的垂直高度h2变化影响，如图14所示，四条不同的曲线分别对应垂直高度四种不同情况。其中，曲线(1)对应背腔上端水平面低于球状凸起下端，曲线(2)对应背腔上端水平面与横杆轴线重合，曲线(3)对应背腔上端水平面略高于球状凸起上端，曲线(4)对应背腔垂直高度约为2倍垂杆长度。
曲线(1)和曲线(2)表明，当背腔垂直高度小于最优参数时，天线在工作频段的增益会下降。
在实现110％的相对阻抗带宽前提下，曲线(3)对应情况为最优参数，即背腔上端水平面略高于球状凸起上端。
曲线(4)表明，当背腔垂直高度大于最优参数时，天线在6～9GHz频段内增益会有提升，但在10～14GHz频段内会下降。
3.7弧板下端圆弧的弦长Cb变化影响，如图15所示，四条不同的曲线分别对应弧板下端圆弧的弦长四种不同情况，圆心与背腔下端面中心点重合。其中，曲线(1)对应下端圆弧的弦长Cb为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的4倍，曲线(2)对应下端圆弧的弦长Cb为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的4.5倍，曲线(3)对应下端圆弧的弦长Cb为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的6倍，曲线(4)对应下端圆弧的弦长Cb为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的8倍。
曲线(1)和曲线(2)表明，当背腔侧板下端靠近电磁极子时，天线的增益会下降。
曲线(3)表明，当背腔侧板下端与电磁极子的距离适中，约为阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的6倍时，天线拥有较高的增益，曲线(3)对应的情况为最优参数。
曲线(4)表明，当背腔侧板下端远离电磁极子，大于或等于阻抗匹配模块椭圆形横截面短轴长度的8倍时，天线在5～8GHz的增益会有略微提升，但此时天线的阻抗匹配差，天线的带宽会变小。
综上，高度对称的开放式背腔20类似于光学上具有聚光效果的凹面镜，能够把发散的电磁波汇聚在同一个方向上，使得该天线在天顶方向拥有高增益辐射。天线的阻抗调节主要通过球状凸起44的大小和相对位置发挥作用，再配合阻抗匹配模块30的具体参数选择实现高带宽高增益的效果。在极端情况下，可以仅靠球状凸起44完成匹配调节。但是球状凸起44的数量设置并非越多越好，根据研究结果表明，当球状凸起44的数量为两个或多个时，天线的阻抗特性并没有得到提升。且在同等参数实现本发明的高带宽和高增益目标时，结果显示除了第一个最靠近弧杆42的球状凸起44之外，其它的球状凸起44作用变得很小且趋向于零效率。所以对于球状凸起44的数量设置，并没有呈现越多而天线阻抗特性越好的规律。
本发明所述超宽带高增益偶极子天线在最优参数取值状态下的仿真结果如图16和图17所示：在图16中，从4.1GHz到14.3GHz内，反射系数小于-10dB。即阻抗带宽为4.1GHz到14.3GHz，相对带宽达到110％。图17显示了带宽内的实际增益为10～18.7dBi，尤其在5.2GHz到14.3GHz内，增益均大于12dBi。在5.8GHz到14.3GHz内，增益均大于13dBi，最高增益可达到18.7dBi。
本发明所述超宽带高增益偶极子天线尤其适用于雷达技术中，有效提高雷达目标的三维成像分辨率。根据探测雷达距离向分辨率Δd与天线的带宽BW、光速C之间的关系：Δd＝C/(2×BW)，式子表明雷达***的距离向分辨率与带宽成反比，即带宽越大距离分辨率越高。扩展***天线的带宽可以提高雷达目标的距离方向分辨率。本发明所述超宽带高增益偶极子天线可以提供高达110％的相对阻抗带宽，并在5.8GHz～14.3GHz的带宽内具有大于13dBi的定向增益，因此既可以提高距离向分辨率，还能够提高探测距离。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超宽带高增益偶极子天线，包括底板(10)、开放式背腔(20)和偶极子(40)；所述的开放式背腔(20)下端口与底板(10)上表面固定连接，上端口向外扩展；所述的偶极子(40)设置在开放式背腔(20)下端口中部且与底板(10)的馈电端口(11)电性连接；其特征在于，所述偶极子(40)中的两个电磁极子结构对称：分别由依次连接的垂杆(41)、弧杆(42)和横杆(43)组成，两电磁极子的横杆(43)互相背向延伸，在横杆(43)靠近弧杆(42)的位置设有球状凸起(44)；
还包括一阻抗匹配模块(30)，所述阻抗匹配模块(30)的下端面与底板(10)上端面固定连接，所述的阻抗匹配模块(30)内设有两垂直的通孔(31)，每一通孔(31)分别非接触式套设在一垂杆(41)外侧；所述的阻抗匹配模块(30)横截面为椭圆形，通孔(31)的轴线与所述椭圆形的长轴相交且与椭圆形所在平面垂直；
所述一种超宽带高增益偶极子天线整体均为金属制成。
2.根据权利要求1所述超宽带高增益偶极子天线，其特征在于，所述横杆(43)的轴线穿过球状凸起(44)的球心。
3.根据权利要求1所述超宽带高增益偶极子天线，其特征在于，所述开放式背腔(20)由两相对设置的侧平板(21)和两相对设置的弧板(22)围蔽而成。
4.根据权利要求3所述超宽带高增益偶极子天线，其特征在于，所述侧平板(21)为倒梯形且与底板(10)形成非零夹角，侧平板(21)远离偶极子(40)一侧的平面与底板(10)的夹角小于等于90°。
5.根据权利要求3所述超宽带高增益偶极子天线，其特征在于，所述两相对设置的弧板(22)为同一圆台上的两相对侧壁部分。
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