CN116053790A - 一种宽带低剖面平板开槽天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带低剖面平板开槽天线，涉及无线通信领域，包括：天线单元上设有两个相向且结构相同的镂空结构，并在镂空结构上设有偶数个对称的条形翅，通过调整所述镂空结构的尺寸以协调带宽内低频段辐射增益和低频段辐射阻抗，调整所述条形翅的尺寸以协调带宽内高频段辐射增益和高频段辐射阻抗；还在天线单元上开设槽缝隙，通过调整所述槽缝隙的尺寸以谐振辐射带宽以及辐射阻抗，提升了天线增益以及拓展了天线的带宽；此外，所述天线单元与所述金属反射板之间形成空气介质层，无需采用介质覆有导电涂层板，满足了大功率输入的需求。

Description

一种宽带低剖面平板开槽天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种宽带低剖面平板开槽天线。
背景技术
CN201921429436.7，该低剖面天线采用三层介质覆有导电涂层板叠加而成，包括寄生单元、贴片单元和功分器微带电路；从上至下依次放置压合无间隙；第一介质层上端面设有寄生单元；第二介质层上端面设有贴片单元，下端面设有接地面；第三介质层下端面设有功分器微带电路；功分器微带电路和贴片单元，共用接地面；包括贯穿第二介质层，连通贴片单元和接地面的接地通道；还包括贯穿第二介质层和第三介质层，连通贴片单元和功分器微带电路的馈电通道，该技术实现了低剖面天线技术需求。CN200610106436.4，该天线采用在矩形导体板上形成蝶形领结状切口、或锥形、或横8字形状，在该形中央位置的两个顶角中的一方两侧，形成沿蝶形领结状切口延伸的辅助天线元件，在该辅助天线元件侧的顶角部形成供电部，在另一方顶角部形成接地部，该技术在保障低剖面的前提下有效拓展了天线的阻抗带宽，成本低廉，且易生产装配和。
CN201921429436.7虽然满足工程应用场景对低剖面天线的需求，因该技术采用介质覆有导电涂层板，故产品成本高，满足不了大功率输入的要求，且阻抗带宽仅7.73％。CN200610106436.4虽然剖面低、阻抗带宽达50％，且易加工，成本低，但辐射增益极低，在50％阻抗带宽内，最大增益仅-1dB，极大地缩小了该产品的场景应用范围。
可见，上述两项专利虽然满足了工程场景对低剖面天线的需求，但满足不了大功率输入，或天线辐射增益极低。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带低剖面平板开槽天线，以解决无法满足大功率输入，或天线辐射增益极低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种宽带低剖面平板开槽天线，包括：天线单元、同轴电缆、馈电结构以及金属反射板；
所述天线单元上设有两个相向且结构相同的镂空结构；所述镂空结构以所述天线单元的宽边垂直中线对称设置；所述镂空结构上设有偶数个对称的条形翅，所述条形翅延伸至所述镂空结构的镂空内；调整所述镂空结构的尺寸以协调带宽内低频段辐射增益和低频段辐射阻抗，调整所述条形翅的尺寸以协调带宽内高频段辐射增益和高频段辐射阻抗；
在所述天线单元的长边水平中线上开设有槽缝隙；所述槽缝隙的宽度与同一所述镂空结构内的两个所述条形翅的间距相等，且所述槽缝隙延伸至所述镂空结构的镂空内；调整所述槽缝隙的尺寸以谐振辐射带宽以及辐射阻抗；所述宽边垂直中线与所述长边水平中线相互垂直，且所述宽边垂直中线与所述长边水平中线的交点为所述天线单元的中心位置；
所述同轴电缆设于所述天线单元以及所述金属反射板之间；所述宽边垂直中线上设有凹槽以及第一圆孔；所述馈电结构的一端设于所述凹槽内，所述馈电结构的另一端设于所述第一圆孔内，所述馈电结构横跨所述槽缝隙；所述凹槽用于焊接所述同轴电缆的外导体，所述第一圆孔用于焊接所述同轴电缆的芯线，所述馈电结构通过所述凹槽以及所述第一圆孔连通所述同轴电缆；
所述天线单元与所述金属反射板之间形成空气介质层。
可选的，所述天线单元为长度为0.69λ，宽度为0.37λ，厚度为1mm的金属板；其中，λ为天线波长。
可选的，所述槽缝隙的长度为0.37λ，宽度为0.016λ。
可选的，所述镂空结构为类等腰梯形、圆形、三角形或多边形。
可选的，当所述镂空结构为类等腰梯形时，所述类等腰梯形的上底边长度为0.074λ，下底长度为0.16λ，梯形高为0.186λ。
可选的，所述条形翅的长度为0.106λ，宽度为0.016λ。
可选的，所述金属反射板的长度为0.92λ，宽度为0.92λ，厚度为1.2mm。
可选的，所述同轴电缆的长度为λ的整数倍。
可选的，还包括：尼龙棒；
所述尼龙棒包括多个，所述尼龙棒固定在所述天线单元以及所述金属反射板之间。
可选的，根据频率阻抗特性改变所述条形翅的末端形状。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种宽带低剖面平板开槽天线，所述天线单元上设有两个相向且结构相同的镂空结构，并在镂空结构上设有偶数个对称的条形翅，通过调整所述镂空结构的尺寸以协调带宽内低频段辐射增益和低频段辐射阻抗，调整所述条形翅的尺寸以协调带宽内高频段辐射增益和高频段辐射阻抗；还在天线单元上开设槽缝隙，通过调整所述槽缝隙的尺寸以谐振辐射带宽以及辐射阻抗，提升了天线增益以及拓展了天线的带宽；此外，所述天线单元与所述金属反射板之间形成空气介质层，无需采用介质覆有导电涂层板，满足了大功率输入的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的天线单元正视图；
图2为本发明所提供的宽带低剖面平板开槽天线侧视图；
图3为本发明所提供的天线单元馈电结构图；
图4为本发明所提供的天线阻抗驻波曲线图；
图5为本发明所提供的天线辐射增益曲线图；
图6为本发明所提供的天线3dB波束宽度曲线图；
图7为缝隙天线与对称振子互补原理图；其中，图7a为缝隙天线示意图，图7b为互补的对称振子示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种宽带低剖面平板开槽天线，提升了天线增益，拓展了天线的带宽，满足了大功率输入的需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的天线单元正视图，图2为本发明所提供的宽带低剖面平板开槽天线侧视图，图3为本发明所提供的天线单元馈电结构图，如图1-图3所示，一种宽带低剖面平板开槽天线，包括：天线单元1、同轴电缆2、馈电结构3以及金属反射板4；所述天线单元1上设有两个相向且结构相同的镂空结构5；所述镂空结构5以所述天线单元1的宽边垂直中线对称设置；所述镂空结构5上设有偶数个对称的条形翅7，所述条形翅7延伸至所述镂空结构5的镂空内；调整所述镂空结构5的尺寸以协调带宽内低频段辐射增益和低频段辐射阻抗，调整所述条形翅7的尺寸以协调带宽内高频段辐射增益和高频段辐射阻抗；在所述天线单元1的长边水平中线(L中线)上开设有槽缝隙6；所述槽缝隙6的宽度与同一所述镂空结构5内的两个所述条形翅7的间距相等，且所述槽缝隙6延伸至所述镂空结构5的镂空内；调整所述槽缝隙6的尺寸以谐振辐射带宽以及辐射阻抗；所述宽边垂直中线(S中线)与所述长边水平中线相互垂直，且所述宽边垂直中线与所述长边水平中线的交点为所述天线单元1的中心位置；所述同轴电缆2设于所述天线单元1以及所述金属反射板4之间；所述宽边垂直中线上设有凹槽10以及圆孔11；所述馈电结构3的一端设于所述凹槽10内，所述馈电结构3的另一端设于所述圆孔11内，所述馈电结构3横跨所述槽缝隙6；所述凹槽10用于焊接所述同轴电缆2的外导体，所述圆孔11用于焊接所述同轴电缆2的芯线，所述馈电结构3通过所述凹槽10以及所述圆孔11连通所述同轴电缆2；所述天线单元1与所述金属反射板4之间形成空气介质层，满足微带天线低剖面的理论特征。在沿宽边垂直中线，在距离中心位置的一侧4mm处有一凹槽10用以焊接同轴电缆2的外导体，距离中心位置的另一侧2mm处有一圆孔11用以焊接同轴电缆2的芯线。
在实际应用中，所述天线单元1为长度为0.69λ，宽度为0.37λ，厚度为1mm的金属板；其中，λ为天线波长。
在实际应用中，所述槽缝隙6的长度为0.37λ，宽度为0.016λ。
在实际应用中，所述镂空结构5为类等腰梯形、圆形、三角形或多边形。
在实际应用中，当所述镂空结构5为类等腰梯形时，所述类等腰梯形的上底边长度为0.074λ，下底长度为0.16λ，梯形高为0.186λ，两个所述类等腰梯形相距0.16λ。
在实际应用中，所述条形翅7的长度为0.106λ，宽度为0.016λ，同一镂空结构5内的条状翅的间距为0.16λ。
在实际应用中，所述金属反射板4的长度为0.92λ，宽度为0.92λ，厚度为1.2mm；所述金属反射板4将天线单元1后向辐射能量镜像至前向，提升辐射增益。
在实际应用中，所述同轴电缆2的长度为λ的整数倍。同轴电缆2的长度根据实际应用调整，但需满足λ的整倍数。
在实际应用中，还包括：尼龙棒8；所述尼龙棒8包括多个，所述天线单元1和所述金属反射板4上设有天线单元固定孔9，所述尼龙棒8通过天线单元固定孔9固定在所述天线单元1以及所述金属反射板4之间；尼龙棒8稳固天线整体结构的可靠性。
如图2所示，天线单元1采用自攻螺钉通过四个固定孔与尼龙棒8一端紧固，金属反射板4采用自攻螺钉通过四个固定孔与尼龙棒8另一端紧固，同轴电缆2外导体与反射板焊接或可靠压接。
在实际应用中，根据频率阻抗特性改变所述条形翅7的末端形状。
微带天线具有剖面低、尺寸小的优势，但其等效电路Q值限制了其频带宽度，最宽也就7％左右。通常降低Q值的方法是采用高厚度低介电常数的双面覆金属导电层的介质基板作为天线单元1设计的材料，但这势必会增加天线的材料成本和限制了大功率的输入。
本发明为不受Q值、材料成本及大功率输入的限制影响，基于微带天线原理在金属板开槽缝隙6加金属反射板4设计而成，图4为本发明所提供的天线阻抗驻波曲线图，图5为本发明所提供的天线辐射增益曲线图，图6为本发明所提供的天线3dB波束宽度曲线图，如图4-6所示。
当所开槽缝隙6为半波缝隙长度2l＝λ/2时，可与对称振子互补，如图7所示。因为对称振子电流波腹Idm处的切向磁场为Hdm，可得电场分量Edθ：
Figure BDA0004085395410000061
j表示虚数；W表示槽缝隙6的宽度；η表示效率；β表示相移常数；r表示磁场半径；l表示槽缝隙6的长度；θ表示垂直角度。
由于电、磁属对偶关系，便可得天线所开缝隙处产生的磁场Hsθ为：
Figure BDA0004085395410000062
其中，Esm表示场密度。
图7为缝隙天线与对称振子互补原理图，图7a为缝隙天线示意图，图7b为互补的对称振子示意图，其中，V0为电压，该缝隙天线即为本发明所提供的宽带低剖面平板开槽天线，由此可得设计合理的缝隙方向图与对偶的电振子的方向图相同，只不过场的极化方向互换而已。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，包括：天线单元、同轴电缆、馈电结构以及金属反射板；
所述天线单元上设有两个相向且结构相同的镂空结构；所述镂空结构以所述天线单元的宽边垂直中线对称设置；所述镂空结构上设有偶数个对称的条形翅，所述条形翅延伸至所述镂空结构的镂空内；调整所述镂空结构的尺寸以协调带宽内低频段辐射增益和低频段辐射阻抗，调整所述条形翅的尺寸以协调带宽内高频段辐射增益和高频段辐射阻抗；
在所述天线单元的长边水平中线上开设有槽缝隙；所述槽缝隙的宽度与同一所述镂空结构内的两个所述条形翅的间距相等，且所述槽缝隙延伸至所述镂空结构的镂空内；调整所述槽缝隙的尺寸以谐振辐射带宽以及辐射阻抗；所述宽边垂直中线与所述长边水平中线相互垂直，且所述宽边垂直中线与所述长边水平中线的交点为所述天线单元的中心位置；
所述同轴电缆设于所述天线单元以及所述金属反射板之间；所述宽边垂直中线上设有凹槽以及第一圆孔；所述馈电结构的一端设于所述凹槽内，所述馈电结构的另一端设于所述第一圆孔内，所述馈电结构横跨所述槽缝隙；所述凹槽用于焊接所述同轴电缆的外导体，所述第一圆孔用于焊接所述同轴电缆的芯线，所述馈电结构通过所述凹槽以及所述第一圆孔连通所述同轴电缆；
所述天线单元与所述金属反射板之间形成空气介质层。
2.根据权利要求1所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，所述天线单元为长度为0.69λ，宽度为0.37λ，厚度为1mm的金属板；其中，λ为天线波长。
3.根据权利要求2所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，所述槽缝隙的长度为0.37λ，宽度为0.016λ。
4.根据权利要求2所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，所述镂空结构为类等腰梯形、圆形、三角形或多边形。
5.根据权利要求4所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，当所述镂空结构为类等腰梯形时，所述类等腰梯形的上底边长度为0.074λ，下底长度为0.16λ，梯形高为0.186λ。
6.根据权利要求2所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，所述条形翅的长度为0.106λ，宽度为0.016λ。
7.根据权利要求2所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，所述金属反射板的长度为0.92λ，宽度为0.92λ，厚度为1.2mm。
8.根据权利要求2所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，所述同轴电缆的长度为λ的整数倍。
9.根据权利要求1所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，还包括：尼龙棒；
所述尼龙棒包括多个，所述尼龙棒固定在所述天线单元以及所述金属反射板之间。
10.根据权利要求1所述的宽带低剖面平板开槽天线，其特征在于，根据频率阻抗特性改变所述条形翅的末端形状。
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