CN208637588U - 一种应用于脑活动探测的宽带高增益天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种应用于脑活动探测的宽带高增益天线，由不规则的蝶形金属贴片、金属寄生条以及互补环和金属反射腔体组成。本实用新型采用蝶形天线作为天线优化的基础结构，天线正面通过在蝶形贴片上增加寄生条构成不规则蝶形辐射贴片，并使用共面波导线馈电，共面波导结构位于两个不规则蝶形臂的中间；以及在背面添加互补环结构，通过在互补结构的三角形金属区域进行开槽增加互补环电长度以达到小型化的目的。同时在天线下方放置渐变三层反射腔体，该腔体通渐变的矩形阶梯结构构成。本实用新型能够在实现天线宽带高增益的同时还具有造价低、结构简单且易与大脑共形的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及领域，具体涉及一种应用于脑活动探测的宽带高增益天线。
背景技术
当前脑科学发展正处于一个重要的跨越式发展时期，可能随时产生改变人类生活的重大突破。大脑通过大脑神经信号表征和控制着整个人的心理活动以及各项生理行为。大脑是人类接收和存储来自外界海量信息的中央控制器，任何计算机都无法与其媲美。大脑操控着人体内各个器官的生命活动以及高级思维，具有自我学习和进化的能力。大脑的高级思维活动是人类根本上区别于其他动物、改造和认知自然的最重要依托。因此，目前需要研究活体无创脑活动检测新技术来服务于人类医疗事业，同时从新的角度来诠释脑活动及其对应的特征与脑疾病的关系。
随着天线技术的发展，高增益和宽频带在脑活动的微波探测中有着巨大的发展潜力，为了进一步探测深脑活动的状态，通过合理设计天线的结构，即可实现宽频带高增益工作。对现有技术进行检索发现，公开号为CN105832331的中国实用新型专利公开了一种“基于宽带先技术的非接触脑出血检测装置及其检测方法”，该微带天线采用超厚的介质层、短路壁接地技术及天线折叠结构，整体尺寸长宽高是49mm×24mm×14mm，虽然天线结构简单、尺寸不大，但是增益低且带宽较窄。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是现有技术中存在的增益低且带宽较窄的技术问题。提供一种新的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，该应用于脑活动探测的宽带高增益天线具有天线结构简单、尺寸小，增益高、且频带宽的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种应用于脑活动探测的宽带高增益天线，所述天线包括不规则蝶形的共面波导天线，以及位于所述共面波导天线主体下方横截面积大于共面波导天线横截面积的金属反射腔体，所述金属反射腔包括渐变的三层阶梯反射腔体；所述共面波导天线的正面包括两片对称的不规则的蝶形金属贴片，两片蝶形金属贴片之间连接有用于馈电的共面波导线，两片蝶形金属贴片的另一侧间隔设置有矩型寄生条；所述共面波导天线的背面是与不规则蝶形的共面波导天线正面互补的互补环，互补环开有槽；所述三层阶梯反射腔体是三层渐变的阶梯形构成的一个类喇叭腔体结构。
本实用新型的馈电结构整体尺寸为6mm×8mm最佳，能够实现整体天线小型化。本实用新型中蝶形臂贴片的两边是间隔一定距离的寄生条，作用是拓宽天线的带宽。天线背面为与正面互补的环结构，再通过对互补环的三角结构区域上进行开槽，以增加互补环的电长度，作用是控制工作频带向低频扩展。
上述方案中，为优化提高增益以及改善频带阻抗特性，进一步地，所述三层阶梯反射腔体包括三层金属板，最底层金属板以共面波导天线横截面向外等比例延伸，中间层金属板在最底层金属板的基础上向外等比例延伸，最高层金属板在中间金属板的基础上向外等比例延伸。
进一步地，所述互补环的在正面蝶形金属贴片尺寸的基础上向外等比例延伸。
进一步地，所述最高层金属板与共面波导天线的背面间隔距离为λ0/4，其中λ0为天线共面波导天线的中心频率波长。
进一步地，所述共面波导天线的正面的不规则蝶形中心、互补环中心及三层阶梯反射腔体中心位于同一条垂线上。
进一步地，所述其中一个蝶形金属贴片经过中间的通孔连接有SMA接头的内芯，另一个蝶形金属贴片经过上下两个通孔连接到与SMA接头的外芯。
进一步地，所述两片蝶形金属贴片在原点处相交的两条三角边之间的夹角为82°
本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型的金属辐射贴片通过共面波导线馈电。金属反射腔可以使天线实现定向辐射，提高增益。通过在天线背面的互补环上进行开槽以增加天线的电长度，从而实现了天线小型化，同时在将蝶形贴片改为不规则形状及在蝶形臂两边加寄生条有效的展宽了微带天线的阻抗带宽。此外，经过仿真设计，本实用新型天线的尺寸为66mm×62mm，反射腔的口径比天线稍大，其第一层腔壁与天线之间的距离为λ0/4，其中λ0为天线本体的中心频率1.8GHz的波长。带宽覆盖1.1GHz-2.2GHz。另外，本实用新型能够在实现天线低频高增益的同时还具有造价低、结构简单且易与大脑共形的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实施例的整体结构示意图。
图2是本实施例的天线正面结构图。
图3是本实施例的天线正面结构图
图4是本实施例的反射腔结构示意图。
图5是本实施例的阻抗带宽特性图。
图6是本实施例的增益特性图。
图7是本实施例在中心频率处的仿真辐射方向图。
附图标记如下：1-不规则蝶形金属辐射贴片，2-蝶形金属共面地，3-馈电共面波导线，4-开槽互补环，5-三层渐变阶梯反射腔，第一层阶梯反射矩形腔-5-1，第二层阶梯反射矩形腔-5-2，第三层阶梯反射矩形腔-5-3；第一耦合矩形条-6-1；第二耦合矩形条-6-2。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
本实施例提供一种应用于脑活动探测的宽带高增益天线，如图1所示，包括天线本体，所述天线本体主要是由蝶形天线作为优化的基础结构，天线的正面是通过优化调整的两个不规则蝶形金属贴片1，两蝶形金属臂之间是进行馈电共面波导线3；天线的背面是一个与天线正面不规则蝶形金属贴片互补的金属环4，在天线主体的正下方间隙叠置一个三层渐变的阶梯反射腔。
本实施例中的天线整体为矩形，其下方的反射腔体为与天线尺寸不同比例增大的三层矩形腔体叠加而成的喇叭形状。
在本实施例中，为了提高性能，所述天线的两个不规则蝶形金属贴片1与背面开槽的互补环4在形状上互补，其正下方反射腔体5较天线尺寸略大，且三者的中心位于同一条垂线上。
天线主体正面的辐射贴片是以一对规则蝶形辐射片作为优化基础，两片蝶形金属贴片臂关于纵轴对称相同，蝶形金属贴片在原点处相交的两条三角边之间的夹角为82°。
同时在相隔两蝶形金属臂两边的一定位置处添加第一耦合矩形条6-1和第二耦合矩形条6-2，使蝶形金属贴片与形矩形寄生条之间成两个耦合缝隙，以增加更多的谐振点，从而达到拓宽天线带宽的目的。
对规则的蝶形金属臂进行修改调整，通过在规则的蝶形臂增加四条大小相同的纵向矩形条，通过调整矩形条的尺寸以及矩形条之间的距离，使得天线的阻抗特性得到改善。
天线正面的两个蝶形金属贴片之间是天线的馈电结构，主体天线结构的馈电方式是采用共面波导馈电线，馈电结构的整体尺寸仅为6mm×8mm。蝶形的右臂经过中间的通孔与SMA接头的内芯相连，左臂经过上下两个通孔与SMA接头的外芯相连。所述的馈电结构3通过金属微带馈线与蝶形右臂连接起来。金属微带馈线的宽度和长度在当前基板材料下满足特性阻抗为50Ω。
天线主体的背面为一不规则的互补环4，该互补环4上下两个三角金属片关于横轴对称相同。通过对三角区域的进行横向切割以减少背面环与正面馈电部分3重合的面积，达到降低正反两面辐射金属片之间相互耦合的影响。同时对三角区域的底边进行开槽，增加互补环的电长度，从而实现带宽对低频点1.2GHz的覆盖。
在天线的正下方用类似一个喇叭状的反射腔体代替了传统的反射板，以达到提高天线的增益的目的。该反射腔体是一个整体体积比天线大的三层渐变阶梯腔体，且该腔体的中心与天线的中心位于同一条垂线上。金属反射腔的最底层金属板以天线整体尺寸的比例延伸27.5mm，并且与天线之间存在λ0/4距离，其中λ0为天线本体的中心频率1.8GHz的波长。在横轴面上，第二层与第三层阶梯相较第一层反射底板分别延伸2mm与3mm。在纵轴面上，第一层、第二层与第三层阶梯分别向上延伸30mm、5mm、10mm的高度，通过三层不等高度的渐变阶梯形构成一个类似喇叭的腔体结构。其中第三层阶梯略高于天线表面层5mm，可以起到引向的作用。
相对于介质基板的厚度而言，覆于介质基板正面的金属蝶形辐射贴片1、共面波导馈电线3和天线背面的互补环4的厚度极小，从工艺上来说，是在介质板上敷铜实现。
改变三层渐变金属反射腔5与天线主体的距离，或者改变该反射腔的高度都能使其所设计的天线的增益会随之改变。通过优化，当金属反射腔的第一层金属板与天线背面的互补金属环之间的距离为λ0/4时，其中λ0为天线本体的中心频率波长，能够有效减小天线后瓣辐射，从而改善天线的定向性并且提高天线增益。
改变第二层渐变阶梯5-2和第三层渐变阶梯5-3之间的距离，天线的阻抗特性在也会得到相应的改善。
通过优化，当第一层渐变阶梯5-1与第二层渐变阶梯5-2之间的距离为30mm，且第二层渐变阶梯层5-2与第三层渐变阶梯5-3的在垂直方向的距离分别为时10mm和15mm时，天线的阻抗特性和增益得到比较好的权衡。
图4-图6分别是本实用新型的阻抗带宽、轴比带宽和增益特性图。宽带高增益圆极化天线在1.1GHz～2.2GHz频带范围内反射系数小于-10dB，相对阻抗带宽为66.6％。在1.6GHz～2.2GHz范围内，增益大于8dB，最大增益达到9.42dB，且阻抗带宽内的平均增益为8.14dB。
图7是本实用新型在中心频率处的仿真辐射方向图。宽带高增益圆极化天线在1.8GHz处3dB波束宽度为70.8°，本实施例的工程过程为：所述的共面波导馈电线3外接信号源，外加激励信号通过不规则蝶形金属贴片的右臂，并将能量耦合天线背面开槽的互补金属环，通过金属辐射贴片1，蝶形金属共面地2，开槽互补环4将能量辐射出去，完成无线通信功能。然后采用通过三层渐变阶梯金属反射腔5使天线实现定向辐射，并且通过该渐变阶梯结构改善了天在带宽频段的阻抗特性，最终实现宽带高增益的目的。本实施例具有宽带高增益特性外，还具有结构简单、造价低、易与大脑共形的特点。
尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本实用新型，但是本实用新型不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本实用新型精神和范围内，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述天线包括不规则蝶形的共面波导天线，以及位于所述共面波导天线主体下方横截面积大于共面波导天线横截面积的金属反射腔体，所述金属反射腔包括渐变的三层阶梯反射腔体；
所述共面波导天线的正面包括两片对称的不规则的蝶形金属贴片，通过同轴线馈电的共面波导线将两片蝶形金属贴片连接，两片蝶形金属贴片的另一侧间隔设置有矩型寄生条；
所述共面波导天线的背面是与不规则蝶形的共面波导天线正面互补的互补环，互补环开有槽；
所述三层阶梯反射腔体是三层渐变的阶梯形构成的一个类喇叭腔体结构。
2.根据权利要求1所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述三层阶梯反射腔体包括三层金属板，最底层金属板以共面波导天线横截面向外等比例延伸，中间层金属板在最底层金属板的基础上向外等比例延伸，最高层金属板在中间金属板的基础上向外等比例延伸。
3.根据权利要求2所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述最高层金属板与共面波导天线的背面间隔距离为λ0/4，其中λ0为天线共面波导天线的中心频率波长。
4.根据权利要求1所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述互补环的在正面蝶形金属贴片尺寸的基础上向外等比例延伸。
5.根据权利要求1所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述共面波导天线的正面的不规则蝶形中心、互补环中心及三层阶梯反射腔体中心位于同一条垂线上。
6.根据权利要求1所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述其中一个蝶形金属贴片经过中间的通孔连接有SMA接头的内芯，另一个蝶形金属贴片经过上下两个通孔连接到与SMA接头的外芯。
7.根据权利要求1-6任一所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述两片蝶形金属贴片在原点处相交的两条三角边之间的夹角为82°。
8.根据权利要求7所述的应用于脑活动探测的宽带高增益天线，其特征在于：所述蝶形金属贴片上设有四条大小相同的纵向矩形条。
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