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CN109390689A - 一种小型化宽频带高增益谐振腔天线 - Google Patents

一种小型化宽频带高增益谐振腔天线 Download PDF

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CN109390689A CN201811528299.2A CN201811528299A CN109390689A CN 109390689 A CN109390689 A CN 109390689A CN 201811528299 A CN201811528299 A CN 201811528299A CN 109390689 A CN109390689 A CN 109390689A
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章伟
秦培元
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Abstract

本发明提供了一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，包括金属地板层，所述金属地板层上设置有微带贴片天线馈源，所述微带贴片天线馈源上开设有U型缝隙，且所述金属地板层上还设置有第一层频率选择表面和第二层频率选择表面，所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面置于金属地板层上方，所述第一层频率选择表面置于第二层频率选择表面的下方。本发明能够提高天线的增益带宽，天线可以实现15dB的阻抗带宽和1dB增益带宽均高于13％，且在频带内增益大于15dB。

Description

一种小型化宽频带高增益谐振腔天线
技术领域
本发明涉及电子标签技术领域，尤其涉及一种小型化宽频带高增益谐振腔天线。
背景技术
近年来，为了满足高速无线局域和点对点的无线通信，高增益、小型化的平面天线被广泛应用，但由于单个天线的增益较小、带宽较窄，无法满足通信系统需求，阵列天线通过耦合可以提高增益与带宽，但天线馈电系统会很复杂，相对而言，加载有频率选择表面的谐振腔天线可以实现高增益宽频带天线，传统的谐振腔天线是由频率选择表面加载于平面天线之上构成，其谐振腔高度为工作波长的一半。
谐振腔天线，又叫电磁带隙(EBG–electromagnetic bandgap)谐振天线或者是PRS(Partially Reflective surface)谐振天线，通过查阅相关谐振腔天线资料，我们发现，传统的谐振腔天线的3dB增益带宽很低，大多数的谐振腔天线3dB增益带宽不超过5％。
为了解决现有谐振腔天线增益带宽低的问题，2001年，Feresidis等人提出，如果所选用的频率选择表面单元的相位能够随频率的提高而增加的话，并且增加的速率为4πh/c(h为腔体高度，c为光在真空中的速度),那么腔体的增益带宽就可以大幅提高。虽然该技术在一定程度上提高了增益带宽，但仍存在缺点，该技术的阻抗带宽是以10dB为标准，增益带宽以3dB为标准，不能满足工业界广泛应用的15dB阻抗带宽和1dB的增益带宽的标准。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种小型化、阻抗带宽宽，天线可以实现15dB的阻抗带宽和1dB增益带宽均高于13％，且在频带内增益大于15dB的小型化宽频带高增益谐振腔天线。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，包括金属地板层，所述金属地板层上设置有微带贴片天线馈源，所述微带贴片天线馈源上开设有U型缝隙，且所述金属地板层上还设置有第一层频率选择表面和第二层频率选择表面，所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面置于金属地板层上方，所述第一层频率选择表面置于第二层频率选择表面的下方。
进一步地，所述金属地板层上还设置有介质支撑柱，所述介质支撑柱的一端固定于金属地板层，一端分别与所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面连接，通过介质支撑柱将第一层频率选择表面和第二层频率选择表面安装于所述金属地板层的上方。
进一步地，所述介质支撑柱为尼龙介质支撑柱。
进一步地，所述金属地板层上还设置有介质基板，所述介质基板的一表面层与所述金属地板层相连接，介质基板的一表面层与所述微带贴片天线馈源相连接，其中，所述微带贴片天线馈源为印制于所述介质基板上的。
进一步地，所述金属地板层的尺寸大于所述介质基板的尺寸的3-5个真空的波长。
进一步地，所述U型缝隙的中心点设置有馈电源，所述U型缝隙的两个垂直臂关于馈电源对称设置。
进一步地，所述微带贴片天线馈源为矩形结构，且所述微带贴片天线馈源通过同轴电缆进行馈电。
进一步地，所述U型缝隙的中心与所述金属地板层的中心重合。
进一步地，所述第一层频率选择表面与所述金属地板层之间的间距为真空中波长的1/2。
进一步地，所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面之间的间距小于真空中波长。
进一步地，所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面的单元周期长度均小于真空中波长的1/4。
进一步地，第一层频率选择表面和第二层频率选择表面均为双面金属覆层结构。
进一步地，所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面，每个面均为周期排布的正方形环状结构单元，每个面正方形环状的长度要小于单元周期的长度。
本发明的有益效果是：通过设置微带贴片天线馈源作为激励源，并采用第一层频率选择表面和第二层频率选择表面提高天线的增益，第一层频率选择表面和第二层频率选择表面设置于微带贴片天线馈源的上方，微带贴片天线馈源通过同轴电缆进行馈电，第一层频率选择表面和第二层频率选择表面的间距相对于真空中的波长非常小，实现宽频带高增益天线，该天线的15dB的阻抗带宽和1-dB增益带宽均可达到13％，且在频带内增益大于15dB，本发明的腔体天线，尺寸小，阻抗带宽大，天线增益宽带高，同时，天线的口面尺寸仅为真空中波长的2.8倍左右。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的微带贴片天线馈源结构示意图；
图3为本发明的第一层频率选择表面上平面示意图；
图4为本发明的第一层频率选择表面下平面示意图；
图5为本发明的第二层频率选择表面上平面示意图；
图6为本发明的第二层频率选择表面下平面示意图。
图中，金属地板层10，微带贴片天线馈源101，U型缝隙1011，馈电源1011a，第一层频率选择表面102，第二层频率选择表面103，介质支撑柱104，介质基板105，正方形环状结构单元106。
具体实施方式
本实施例中，参照图1和图6，一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，包括金属地板层10，所述金属地板层10上设置有微带贴片天线馈源101，所述微带贴片天线馈源101上开设有U型缝隙1011，且所述金属地板层10上还设置有第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103，所述第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103置于金属地板层10上方，所述第一层频率选择表面102置于第二层频率选择表面103的下方。
所述金属地板层10上还设置有介质支撑柱104，所述介质支撑柱104的一端固定于金属地板层10，一端分别与所述第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103连接，通过介质支撑柱104将第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103安装于所述金属地板层10的上方；具体地，所述介质支撑柱104为尼龙介质支撑柱104。
所述金属地板层10上还设置有介质基板105，所述介质基板105的一表面层与所述金属地板层10相连接，介质基板105的一表面层与所述微带贴片天线馈源101相连接，其中，所述微带贴片天线馈源101为印制于所述介质基板105上的；所述金属地板层10的尺寸大于所述介质基板105的尺寸的3-5个真空的波长。
所述U型缝隙1011的中心点设置有馈电源1011a，所述U型缝隙1011的两个垂直臂关于馈电源1011a对称设置；所述微带贴片天线馈源101为矩形结构，且所述微带贴片天线馈源101通过同轴电缆进行馈电；所述U型缝隙1011的中心与所述金属地板层10的中心重合。
本实施例中，微带贴片天线馈源101的长为38.2mm，宽为17.3mm,U型缝隙1011的宽为1.58mm,U型缝隙1011的垂直长度L2为10.56mm，U型缝隙1011的水平长度L3为13.05mm,U型缝隙1011与微带贴片天线馈源101的下边缘的间距L1为2.64mm。
第一层频率选择表面102距离地板的距离为29.3mm，该第二层频率选择表面103与第一层频率选择表面102的间距为2mm，介质基板105的介电常数为4.4，单元周期为13mm。
所述第一层频率选择表面102与所述金属地板层10之间的间距为真空中波长的1/2；所述第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103之间的间距小于真空中波长；所述第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103的单元周期长度均小于真空中波长的1/4。
第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103均为双面金属覆层结构；所述第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103，每个面均为周期排布的正方形环状结构单元106，每个面正方形环状的长度要小于单元周期的长度。
本实施例中，所述第一层频率选择表面102的下平面的正方形环状的外边长为11.7mm,内边长为7.2mm，上平面的正方形环状的外边长为12mm,内边长为10.1mm；所述第二层频率选择表面103的下平面的正方形环状的外边长为11.1mm,内边长为6.6mm，上平面的正方形环状的外边长为10.47mm,内边长为4mm。
通过设置微带贴片天线馈源101作为激励源，并采用第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103提高天线的增益，第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103设置于微带贴片天线馈源101的上方，微带贴片天线馈源101通过同轴电缆进行馈电，第一层频率选择表面102和第二层频率选择表面103的间距相对于真空中的波长非常小，实现宽频带高增益天线，该天线的15dB的阻抗带宽和1-dB增益带宽均可达到13％，且在频带内增益大于15dB，本发明的腔体天线，尺寸小，阻抗带宽大，天线增益宽带高，同时，天线的口面尺寸仅为真空中波长的2.8倍左右。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，包括金属地板层，其特征在于：所述金属地板层上设置有微带贴片天线馈源，所述微带贴片天线馈源上开设有U型缝隙，且所述金属地板层上还设置有第一层频率选择表面和第二层频率选择表面，所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面置于金属地板层上方，所述第一层频率选择表面置于第二层频率选择表面的下方。
2.根据权利要求1所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述金属地板层上还设置有介质支撑柱，所述介质支撑柱的一端固定于金属地板层，一端分别与所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面连接，通过介质支撑柱将第一层频率选择表面和第二层频率选择表面安装于所述金属地板层的上方。
3.根据权利要求1所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述金属地板层上还设置有介质基板，所述介质基板的一表面层与所述金属地板层相连接，介质基板的一表面层与所述微带贴片天线馈源相连接。
4.根据权利要求1所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述U型缝隙的中心点设置有馈电源，所述U型缝隙的两个垂直臂关于馈电源对称设置。
5.根据权利要求4所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述U型缝隙的中心与所述金属地板层的中心重合。
6.根据权利要求2所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述第一层频率选择表面与所述金属地板层之间的间距为真空中波长的1/2。
7.根据权利要求6所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面之间的间距小于真空中波长。
8.根据权利要求7所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：所述第一层频率选择表面和第二层频率选择表面的单元周期长度均小于真空中波长的1/4。
9.根据权利要求8所述的一种小型化宽频带高增益谐振腔天线，其特征在于：第一层频率选择表面和第二层频率选择表面均为双面金属覆层结构。
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