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CN110518344B - 一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线 - Google Patents

一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线 Download PDF

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CN110518344B CN201910773241.2A CN201910773241A CN110518344B CN 110518344 B CN110518344 B CN 110518344B CN 201910773241 A CN201910773241 A CN 201910773241A CN 110518344 B CN110518344 B CN 110518344B
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Abstract

本发明公开了一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，属于物联网与微波技术领域，包括半圆形贴片的上表面和下表面，上表面位于下表面的正上方，上表面和下表面的侧边均为垂直短路壁，配合后形成半圆形磁偶极子结构。该天线由半圆形磁偶极子构成，并且在磁偶极子的上表面开取两个矩形槽来调节高次模式以实现带宽拓展，利用磁偶极子上下表面的面积差来实现自平衡馈电，无须借助大面积金属反射板即可拥有较宽的波束带宽，该天线各性能受控于矩形槽围绕半圆形磁偶极子中轴线旋转的角度、矩形槽的长度和宽度。本发明具有体积小、高增益、剖面低、结构简单的特点，在物联网的各种无线传感与射频识别系统中有广泛应用前景。

Description

一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线
技术领域
本发明属于物联网与微波技术领域，具体涉及一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线。
背景技术
随着无线技术的飞速发展，宽波束天线已广泛应用于通信、广播、导航等现代领域。在过去的几十年里，各种宽波束技术被提出，根据宽波束天线的基本工作原理，宽波束天线的设计方法基本上可以分为五种不同的类型。
第一个是反射成形技术；第二种是旋转构型技术；第三种是互补偶极子天线技术；第四种是基于材料的技术；最后一种是寄生元件技术。
这些天线剖面尺寸均为0.1波长以上(典型尺寸为0.25波长)，结构相对复杂且缺少通用设计准则。因此，研制结构简单的低剖面平面宽波束天线属于天线领域的挑战性难题之一。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，实现双谐来拓展带宽，利用磁偶极子上下表面的面积差来实现自平衡馈电。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，包括半圆形贴片的上表面和下表面，所述的上表面位于下表面的正上方，所述的上表面和下表面的侧边均为垂直短路壁，配合后形成半圆形磁偶极子结构。
进一步地，在所述的上表面设置矩形槽。
进一步地，所述的矩形槽对称设置在半圆形磁偶极子结构上的中轴线的两侧。
进一步地，所述的半圆形磁偶极子结构为非封闭结构。
进一步地，所述的下表面半径大于上表面半径五分之一个波长至三分之一个波长。
进一步地，该自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线主波束宽度范围为100°至110°，受控于上表面与下表面的半径差值。
进一步地，在所述的上表面上设置有馈电结构。
进一步地，所述的馈电结构为同轴线，包括同轴线内导体和外导体构成。
进一步地，在所述的上表面和下表面之间填充任意介电常数的介质。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，使用半圆形磁偶极子结构以及在其上表面开取两个以磁偶极子中轴线对称的矩形槽，实现双谐来拓展带宽，利用磁偶极子上下表面的面积差来实现自平衡馈电，无须借助大面积金属反射板即可拥有较宽的波束宽度，并且制作工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1是天线的正面结构与参考坐标示意图；
图2是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图；
图3是采用HFSS软件计算的天线反射系数示意图；
图4是采用HFSS软件画出的ZX面方向图；
图5是采用HFSS软件画出的ZY面方向图；
图6是采用HFSS软件计算的天线增益图；
附图标记：1-上表面、2-矩形槽、3-中轴线、4-内导体、5-外导体、6-下表面和7-短路壁。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，包括半圆形磁偶极子结构和两个以磁偶极子中轴线3对称的矩形槽2，其中半圆形磁偶极子结构为非封闭结构，由两个不同的半圆形贴片以及连接两个半圆形贴片直边的垂直短路壁7构成，两个不同的半圆形贴片分别为半圆形磁偶极子结构的上表面1和下表面6，上表面1位于下表面6的正上方。在半圆形磁偶极子结构上表面1开取两个矩形槽2。
该半圆形磁偶极子结构的下表面6半径大于半圆形磁偶极子结构的上表面1半径五分之一个波长至三分之一个波长，主波束宽度范围为100°至110°，受控于上表面1、下表面6的半径差值。
该自平衡式宽带宽波束的磁偶极子天线在无须接地板的情况下，相对带宽达30％以上，主极化波束宽度达100°以上，且体积小、高增益、结构简单、剖面尺寸低，便于制作实现。
非封闭的扇形平面磁偶极子上设置有馈电结构。馈电结构为同轴线，由同轴线内导体4和外导体5构成。
矩形槽2的数目和位置，根据高阶谐振模式的表面磁流分布函数而确定。矩形槽2的长度、宽度均可改变。矩形槽2与半圆形磁偶极子中轴线3之间的角度可以改变。半圆形磁偶极子结构上表面1、下表面6的半径可以改变。半圆形磁偶极子结构的两个半圆形贴片上表面1和下表面6之间可填充任意介电常数的介质。
实施例1
本实施例中采用空气介质，半圆形磁偶极子结构上表面1和下表面6之间的间距为6mm，半圆形磁偶极子结构上表面1和下表面6的半径分别为36mm和61mm，矩形槽2的长和宽分别为16mm和5mm，矩形槽2与半圆形磁偶极子结构的中轴线3夹角为35°，馈电点在半圆形磁偶极子结构的中轴线3上距离圆心31mm处，利用HFSS软件仿真计算得到的天线各项特性。
图3是采用HFSS软件计算的天线反射系数特性，天线的阻抗带宽覆盖了2.44GHz-3.37GHz频段，中心频率在2.9GHz，相对带宽约为32％。
图4和图5是采用HFSS软件计算的天线在ZX面和ZY面的辐射方向图，其中图4是该天线在2.45GHz工作频率下ZX面的方向图；图5是该天线在2.45GHz工作频率下ZY面的方向图。由图4和图5可以看出，天线的半功率波束张角均可达到100°以上。
图6是采用HFSS软件计算的天线在工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到7.03dBi。
综上所述，一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线的设计方法，该天线在其上表面开取两个矩形槽2来调节高次模式以实现带宽拓展，利用其上下表面的面积差来实现自平衡馈电，无须借助大面积金属反射板即可拥有较宽的波束带宽，且体积小、高增益、结构简单、剖面尺寸低，便于制作实现。

Claims (6)

1.一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，其特征在于：包括半圆形贴片的上表面(1)和下表面(6)，所述的上表面(1)位于下表面(6)的正上方，所述的上表面(1)和下表面(6)的侧边均为垂直短路壁(7)，配合后形成半圆形磁偶极子结构；在所述的上表面(1)设置矩形槽(2)；所述的矩形槽(2)对称设置在所述的半圆形磁偶极子结构上的中轴线(3)的两侧；所述的下表面(6)的半径大于上表面(1)半径的五分之一个波长至三分之一个波长。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，其特征在于：所述的半圆形磁偶极子结构为非封闭结构。
3.根据权利要求1所述的一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，其特征在于：该自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线主波束宽度范围为100°-110°。
4.根据权利要求1所述的一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，其特征在于：在所述的上表面(1)上设置有馈电结构。
5.根据权利要求4所述的一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，其特征在于：所述的馈电结构为同轴线，包括同轴线内导体(4)和外导体(5)构成。
6.根据权利要求1所述的一种自平衡式宽带宽波束磁偶极子天线，其特征在于：在所述的上表面(1)和下表面(6)之间填充任意介电常数的介质。
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