CN205355251U - 基于谐振式反射器的宽带定向天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于谐振式反射器的宽带定向天线，主要由宽带天线本体层、谐振式反射器层和引向器层组成；谐振式反射器层位于宽带天线本体层的正下方；引向器层位于宽带天线本体层的正上方。宽带天线本体层包括本体介质基板、以及覆贴于本体介质基板的上的主辐射贴片和金属加载环。谐振式反射器层包括谐振介质基板和覆贴于谐振介质基板的金属谐振环。引向器层包括引向介质基板和覆贴于引向介质基板金属引向环。由于本实用新型既克服了天线加载传统金属反射板所需的较高的剖面，又克服了天线加载AMC结构所需要的较大的面积以及较窄的频带，因此本实用新型具有双重优势。

Description

基于谐振式反射器的宽带定向天线

技术领域

本实用新型涉及宽带天线以及定向天线领域，具体涉及一种基于谐振式反射器的宽带定向天线。

背景技术

随着社会与科技的进步，无线通信技术得到了迅速的发展，信号的带宽也在不断的提高。超宽带(Ultra-Wideband)天线作为宽带通信***中的核心器件也得到了长足的发展。然而，超宽带天线有一些普遍的缺点，比如为了提高带宽而不得不做出增益的牺牲；以及高频的方向图会恶化，等等。这些缺点严重影响通信质量。而且超宽带天线通常是全向辐射或者双向辐射的，而随着现代载体***上的天线越来越多，电磁兼容是一个很大的问题；在需要高保密性以及高抗扰性的领域上应用价值也不大。解决这些不足之处的一个简单经济的办法是使用定向辐射的超宽带天线。

定向天线一般分为微带天线、对数周期天线、八木天线、抛物面天线、喇叭天线、Vivaldi天线和使用金属反射面的天线等。上述天线都具有较高的定向性，但是遗憾的是，它们都有自身的不足：微带天线由于在介质基板的另一面覆盖了金属层作为地板，可以取得很好的定向性，但是金属层的存在导致微带天线的阻抗带宽非常窄，通常只有5％左右；八木天线通常具有10dBi以上的前向增益，但是其固有的窄频带和端射的特性限制了它的应用范围；对数周期天线和Vivaldi天线属于非频变天线，它们具有很宽的阻抗带宽，同时在整个通频带内也可以保持比较稳定的方向性，但是其较大的尺寸及端射特性使其在便携式应用领域内毫无优势可言；而抛物面天线和喇叭天线同样由于相对较大的尺寸而被限制了应用范围。使用金属反射面的定向天线是在宽带天线上使用金属导体(可等效为理想导体，PerfectElectricConductor,PEC)作为反射面。根据PEC表面的边界条件，电场的切向分量为零，所以反射波会产生180°的相位差。因此必须保证天线与金属反射板的间距为四分之一波长，使得反射波与直射波在远场能够同相叠加。天线与金属反射板的间距为四分之一波长的要求使得在低频应用中天线将变得非常厚，而且天线的带宽也不宽；另外，为取得较好的定向性反射板的尺寸也需要较大，不利于小型化。而且，除微带天线外，上述其他天线都不属于低剖面结构。

近年随着电磁超材料(metamaterial)的发展，出现了一类使用人工磁导体(ArtificialMagneticConductor,AMC)作为反射面的定向天线。AMC是将强谐振结构周期排列的人工电磁材料，以模拟理想磁导体(PerfectMagneticConductor,PMC)的的特性，使得在特定频率实现零相位反射。由于AMC的零相位反射特性，将金属导体反射面换成AMC，理论上天线与AMC的距离可以无限靠近，因此可以实现低剖面的定向天线。而且，有些结构的AMC，如1999年美国学者D.Sievenpiper提出了的蘑菇型电磁带隙(Electromagneticband-gap,EBG)结构,零反射相位频段与高阻特性的带隙频段相同，因此使用其作为反射面还同时具有抑制表面波，改善旁瓣和后瓣的特性。但是AMC表面也有其缺点，首先这种表面的频带特别窄，难以得到宽带特性，更别说超宽带了；其次，AMC表面为周期性结构，需要多个周期才能实现良好功能，其平面尺寸较大；第三，AMC结构与天线的距离很近，二者间的耦合很强，因而使得天线的设计和优化效率低。

目前国内对于宽带定向天线的研究多为八木天线、抛物面天线、喇叭天线、采用金属反射板的天线等。如公告号为CN103825091A的中国实用新型专利申请公开的“超宽带定向天线”；公告号为CN102544721A的中国实用新型专利申请公开的“一种平面印刷宽带定向天线”；公告号为CN102738572A的中国实用新型专利申请公开的“宽带定向微带贴片天线”和公告号为CN101752669A的中国实用新型专利申请公开的“宽带高效率室内定向天线”。上述研究虽然通过一定的方法产生了一定的定向性，但是它们的前后比并不是特别高，而且所有的这些方法在设计上稍显复杂。这样增加了设计成本且在某些场合并不适用。还有，这些专利不能满足天线低剖面、小型化的要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是天线加载传统金属反射板需要较高的剖面和天线加载AMC结构需要较大的面积以及较窄的频带的不足，提供一种基于谐振式反射器的宽带定向天线。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于谐振式反射器的宽带定向天线，主要由宽带天线本体层、谐振式反射器层和引向器层组成；谐振式反射器层位于宽带天线本体层的正下方；引向器层位于宽带天线本体层的正上方。上述宽带天线本体层包括本体介质基板、主辐射贴片和金属加载环；主辐射贴片和金属加载环同时覆贴于本体介质基板的同一侧表面，且金属加载环呈环状，并环绕在主辐射贴片的相对外侧；主辐射贴片的中心设有馈电点。上述谐振式反射器层包括谐振介质基板和金属谐振环；金属谐振环环状，并覆贴于谐振介质基板的一侧表面。上述引向器层包括引向介质基板和金属引向环；金属引向环环状，并覆贴于引向介质基板的一侧表面。

上述方案中，主辐射贴片和金属加载环同时覆贴于本体介质基板的上表面，金属谐振环覆贴于谐振介质基板的下表面，金属引向环覆贴于引向介质基板的上表面。

上述方案中，所述宽带天线本体层还进一步包括一微带渐变阻抗变换器，该微带渐变阻抗变换器垂直置于本体介质基板的下方，且微带渐变阻抗变换器的上端与主辐射贴片的馈电点相连。

上述方案中，谐振式反射器层与宽带天线本体层之间的距离大于引向器层与宽带天线本体层之间的距离。

上述方案中，谐振式反射器层与宽带天线本体层之间的距离为0.07λ～0.11λ，引向器层与宽带天线本体层的距离为0.03λ～0.05λ，其中λ为主辐射贴片的工作频带起始频率对应波长。

上述方案中，所述主辐射贴片、金属加载环、金属谐振环和金属引向环的中心均在同一条垂直直线上。

上述方案中，所述金属加载环、金属谐振环和金属引向环均为圆环状。

上述方案中，所述主辐射贴片为扇状蝴蝶结形。

上述方案中，金属谐振环的尺寸与金属加载环的尺寸相匹配，金属引向环的尺寸与主辐射贴片的尺寸相匹配。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、通过在宽带天线本体层下方放置谐振式反射器层，使得较宽频段的电磁波被反射回去，与天线本体的直射波在天线上方同相叠加，从而得到宽频带的定向辐射波。

2、反射器为谐振式结构，尺寸较小，且仅使用一个反射器就能在宽频带上取得良好的定向性，因此天线结构紧凑；

3、谐振式反射器层处的反射相位小于金属地板反射器的180°，天线本体与反射器间的距离可远小于四分之一波长，因此天线又具有低剖面的特点。

4、天线优化效率高，节约了***资源；适用于宽频带、小型化和低剖面的定向辐射***中。

附图说明

图1为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的辐射层的正视图；

图2为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的引向器层层的正视图；

图3为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的反射器层的正视图；

图4为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的整体侧视图；

图5为天线的S11曲线；

图6为天线的谐振式反射器层在天线本体处的反射相位；

图7为天线在2.0GHz处的辐射方向图；

图8为天线在3.0GHz处的辐射方向图；

图9为天线在4.2GHz处的辐射方向图；

图10为天线前瓣和后瓣随频率的变化情况；

图11为天线前后比随频率的变化情况；

图中标号：1、宽带天线本体层；1-1本体介质基板；1-2、主辐射贴片；1-3、金属加载环；1-4、微带渐变阻抗变换器；2、谐振式反射器层；2-1、谐振介质基板；2-2、金属谐振环；3、引向器层；3-1引向介质基板；3-2、金属引向环。

具体实施方式

一种基于谐振式反射器的宽带定向天线，如图1-4所示，该天线有3层，从上到下分别为引向器层3、宽带天线本体层1和谐振式反射器层2，即谐振式反射器层2位于宽带天线本体层1的正下方；引向器层3位于宽带天线本体层1的正上方。在本实用新型优选实施例中，引向器层3，宽带天线本体层1以及谐振式反射器层2是通过塑料棒进行支撑的。谐振式反射器层2与宽带天线本体层1之间的距离大于引向器层3与宽带天线本体层1之间的距离。谐振式反射器层2的反射相位小于传统金属反射板(PEC)所具有的180°，且约在90°到150°之间。因此，谐振式反射器层2与天线之间的距离可以小于金属反射板(PEC)所要求的0.25λ，以获得低的天线剖面；但是，谐振式反射器层2与天线之间的距离大于AMC的所要求的零距离，因此减弱了天线本体与反射器之间的耦合，提高设计效率，且可获得较宽的频带；适当选取谐振式反射器层2与宽带天线本体层1之间的距离就可以使直射波与反射波同相叠加。本实施例中，引向器层3在本实用新型中仅仅起到聚束作用，与天线本体之间的距离不对天线的带宽造成太大的影响。在本实用新型优选实施例中，谐振式反射器层2与宽带天线本体层1之间的距离为0.07λ～0.11λ，引向器层3与宽带天线本体层1的距离为0.03λ～0.05λ，其中λ为主辐射贴片1-2的工作频带起始频率对应波长。

上述宽带天线本体层1包括本体介质基板1-1、主辐射贴片1-2、金属加载环1-3和微带渐变阻抗变换器1-4。主辐射贴片1-2采用宽带贴片形式，以获得宽频带特性。金属加载环1-3用以进一步改善阻抗特性的同时使天线的辐射特性也大大改观。主辐射贴片1-2和金属加载环1-3均覆贴于本体介质基板1-1的上表面，且金属加载环1-3呈环状，并环绕在主辐射贴片1-2的相对外侧。主辐射贴片1-2的中心设有馈电点。微带渐变阻抗变换器1-4垂直置于本体介质基板1-1的下方，且微带渐变阻抗变换器1-4的上端与主辐射贴片1-2的馈电点相连，微带渐变阻抗变换器1-4的下端可以垂直悬于宽带天线本体层1和谐振式反射器层2之间，也可以从谐振式反射器层2上开设的通孔垂直穿过。在本实用新型优选实施例中，主辐射贴片1-2位于本体介质基板1-1的正中，金属加载环1-3的外边界与本体介质基板1-1的边缘重合，主辐射贴片1-2、金属加载环1-3和本体介质基板1-1三者共中心。本实用新型对于主辐射贴片1-2的结构并未有严格限定，其可以是现有技术中已有的馈电点在其中心的辐射天线结构，如可以是阿基米德螺旋天线、圆形贴片、椭圆形贴片、三角形贴片、梯形贴片、或它们的变形，但必须是对称结构。在本实用新型优选实施例中，主辐射贴片1-2采用扇形蝴蝶结的形式，以使天线具有更好的阻抗特性。该主辐射贴片1-2由2个相对设置的扇形金属贴片所组成，2个扇形金属贴片的中心相对并形成馈电点。主辐射贴片1-2采用扇状蝴蝶结形，其扇形半径r₀决定了该宽带天线低频截止频率。但是，一般的扇状蝴蝶结形的天线有一个致命的缺点，即在高频时贴片上的反向电流会使得方向图***。本实用新型中，金属加载环1-3的形状可以是为方形、花朵形、或其他关于中心对称的环形结构，但在本实用新型优选实施例中，金属加载环1-3为圆环形。通过在主辐射贴片1-2的外部加载了一圈金属加载环1-3，该金属加载环1-3等效为2个半波振子，金属加载环1-3对应于低频的辐射，而主辐射贴片1-2辐射较高的频率，以在整个频段获得较一致的电流，从而改善整个天线的辐射特性，同时可以很明显的改善其阻抗特性。微带渐变阻抗变换器1-4用于为宽带天线本体层1馈电。微带渐变阻抗变换器1-4为75Ω—50Ω的微带线渐变平衡-不平衡转换器即微带渐变巴伦，以将天线阻抗从75Ω变换到50Ω。微带渐变阻抗变换器1-4采用现有技术已有的结构，由于用于阻抗变换以及平衡到不平衡变换的微带渐变阻抗变换器1-4的技术成熟，在此不做过多讨论。

上述谐振式反射器层2包括谐振介质基板2-1和金属谐振环2-2。金属谐振环2-2呈环状，并覆贴于谐振介质基板2-1的下表面。在本实用新型优选实施例中，谐振介质基板2-1和金属谐振环2-2共中心，金属谐振环2-2的外边界与谐振介质基板2-1的边缘重合。本实用新型中，金属谐振环2-2的形状可以是为方形、花朵形、或其他关于中心对称的环形结构，但在本实用新型优选实施例中，金属谐振环2-2为圆环形。金属谐振环2-2的作用为将低频截止波长近似等于其周长的一段较宽频谱的电磁波以一定的反射相位反射回去，加以谐振式反射器层2与宽带天线本体层1之间的一定距离较小，引入的空间相位补偿，使得反射波与天线本体的直射波在上半空间的远场同相叠加，形成较强辐射；以此将宽带天线本体层1的双向或全向辐射电磁波转变为定向辐射波。此外，本实用新型的谐振式反射器层2仅需要一个谐振器，其尺寸远远小于需要周期结构才能实现的人工磁导体(ArtificialMagneticConductor,AMC)，因此具有双重优势。

上述引向器层3包括引向介质基板3-1和金属引向环3-2。金属引向环3-2呈环状，并覆贴于引向介质基板3-1的上表面。在本实用新型优选实施例中，引向介质基板3-1和金属引向环3-2共中心，金属引向环3-2的外边界小于引向介质基板3-1的边缘。金属引向环3-2的形状可以是为方形、花朵形、或其他关于中心对称的环形结构，但在本实用新型优选实施例中，金属引向环3-2为圆环形。金属引向环3-2可以对高频时的电磁波起到聚束的作用，即将通频带频率高端的电磁波引导到天线主辐射方向上以提高高频时的前后比，以增加天线的定向性，并让前向波瓣角有一定的下降，提高了增益，

本实用新型对于主辐射贴片1-2、金属加载环1-3、金属谐振环2-2和金属引向环3-2印制在各介质基板的哪一侧表面对天线的影响不大。本实用新型优选实施例仅仅是给出一种优选的方案。在本实用新型中，主辐射贴片1-2、金属加载环1-3、金属谐振环2-2和金属引向环3-2的中心在垂直方向上相对或允许有一定的偏离，但为了能够获得最好的性能，所述主辐射贴片1-2、金属加载环1-3、金属谐振环2-2和金属引向环3-2的中心均在同一条垂直直线上，该垂直直线同时垂直于本体介质基板1-1、谐振介质基板2-1和引向介质基板3-1。金属谐振环2-2的尺寸与金属加载环1-3的尺寸相匹配，即金属谐振环2-2的中心环径与金属加载环1-3的中心环径相等。金属引向环3-2的尺寸与主辐射贴片1-2的尺寸相匹配，即金属引向环3-2的中心环径小于等于主辐射贴片1-2的外轮廓直径。

结合附图，现给出一个基于谐振式反射器的宽带定向天线的具体数据，主辐射贴片1-2为扇形蝴蝶形，其2个扇形金属贴片扇形张角为120°，扇形半径r₀为20mm，2个扇形金属贴片之间的间隙为1mm，该主辐射贴片1-2的输入阻抗近似为75Ω。金属加载环1-3为圆环形，其中心环径r1为25mm，环宽w1为2mm。金属谐振环2-2为圆环形，其与金属加载环1-3的尺寸一致，其中心环径r2为25mm，环宽w2为2mm。谐振式反射器层2与宽带天线本体层1的距离hr以及引向器层3与宽带天线本体层1的距离hd分别为12mm和5mm，其中hr仅为0.08λ(λ天线低频截止波长)，大大小于传统金属反射板实现同向反射所需要的0.25λ。本体介质基板1-1、谐振介质基板2-1和引向介质基板3-1所用材料相同且尺寸一致，介质基板的相对介电常数为2.65。

图5为天线的S11曲线，由图可见，天线在2.0GHz--4.2GHz内S₁₁小于-10dB，阻抗匹配特性良好。图6为天线的谐振式反射器层2在天线本体处的反射相位，由图可见，在整个天线频带内反射相位都在-90°到+90°之间，符合在远场反射波与直射波同相叠加的要求，可实现远场良好的同相叠加，同时天线增益有明显提高。图7，图8，图9分别为天线在2.0GHz，3.0GHz以及4.2GHz处的方向图，由图可见，三个频点处的E面和H面方向图均表现出了明显的定向辐射特性，且方向图非常稳定，在高频并未出现裂瓣以及主波束的偏移。图10为天线的前瓣和后瓣随频率的变化曲线，图11为天线的前后比随频率变化的情况，由图可见，在整个天线工作频带内，天线的前后比均大于4dB，最高能达到10dB，整个工作频带内前后比非常稳定，符合某些特定环境要求下的通信。本宽带定向天线克服了天线加载传统金属反射板所需的较高的剖面，又克服了天线加载AMC结构所需要的较大的面积以及较窄的频带的不足，因此，该宽带定向天线具有双重优势。

最后应说明的是，所述实施例中的具体参数仅是为了清楚的表述实用新型人的实用新型验证过程，并非用于限制本实用新型的专利保护范围；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：主要由宽带天线本体层(1)、谐振式反射器层(2)和引向器层(3)组成；谐振式反射器层(2)位于宽带天线本体层(1)的正下方；引向器层(3)位于宽带天线本体层(1)的正上方；

上述宽带天线本体层(1)包括本体介质基板(1-1)、主辐射贴片(1-2)和金属加载环(1-3)；主辐射贴片(1-2)和金属加载环(1-3)同时覆贴于本体介质基板(1-1)的同一侧表面，且金属加载环(1-3)呈环状，并环绕在主辐射贴片(1-2)的相对外侧；主辐射贴片(1-2)的中心设有馈电点；

上述谐振式反射器层(2)包括谐振介质基板(2-1)和金属谐振环(2-2)；金属谐振环(2-2)呈环状，并覆贴于谐振介质基板(2-1)的一侧表面；

上述引向器层(3)包括引向介质基板(3-1)和金属引向环(3-2)；金属引向环(3-2)呈环状，并覆贴于引向介质基板(3-1)的一侧表面。

2.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：主辐射贴片(1-2)和金属加载环(1-3)同时覆贴于本体介质基板(1-1)的上表面，金属谐振环(2-2)覆贴于谐振介质基板(2-1)的下表面，金属引向环(3-2)覆贴于引向介质基板(3-1)的上表面。

3.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：所述宽带天线本体层(1)还进一步包括一微带渐变阻抗变换器(1-4)，该微带渐变阻抗变换器(1-4)垂直置于本体介质基板(1-1)的下方，且微带渐变阻抗变换器(1-4)的上端与主辐射贴片(1-2)的馈电点相连。

4.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：谐振式反射器层(2)与宽带天线本体层(1)之间的距离大于引向器层(3)与宽带天线本体层(1)之间的距离。

5.根据权利要求1或4所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：谐振式反射器层(2)与宽带天线本体层(1)之间的距离为0.07λ～0.11λ，引向器层(3)与宽带天线本体层(1)的距离为0.03λ～0.05λ，其中λ为主辐射贴片(1-2)的工作频带起始频率对应波长。

6.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：所述主辐射贴片(1-2)、金属加载环(1-3)、金属谐振环(2-2)和金属引向环(3-2)的中心均在同一条垂直直线上，其该垂直直线同时与本体介质基板(1-1)、谐振介质基板(2-1)和引向介质基板(3-1)垂直。

7.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：所述金属加载环(1-3)、金属谐振环(2-2)和金属引向环(3-2)均为圆环状。

8.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：所述主辐射贴片(1-2)为扇状蝴蝶结形。

9.根据权利要求1所述基于谐振式反射器的宽带定向天线，其特征在于：金属谐振环(2-2)的尺寸与金属加载环(1-3)的尺寸相匹配，金属引向环(3-2)的尺寸与主辐射贴片(1-2)的尺寸相匹配。