基于諧振式反射器的寬帶定向天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及寬帶天線以及定向天線領(lǐng)域，具體涉及一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會與科技的進(jìn)步，無線通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，信號的帶寬也在不斷的提高。超寬帶(Ultra-Wideband)天線作為寬帶通信系統(tǒng)中的核心器件也得到了長足的發(fā)展。然而，超寬帶天線有一些普遍的缺點，比如為了提高帶寬而不得不做出增益的犧牲；以及高頻的方向圖會惡化，等等。這些缺點嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。而且超寬帶天線通常是全向輻射或者雙向輻射的，而隨著現(xiàn)代載體系統(tǒng)上的天線越來越多，電磁兼容是一個很大的問題；在需要高保密性以及高抗擾性的領(lǐng)域上應(yīng)用價值也不大。解決這些不足之處的一個簡單經(jīng)濟(jì)的辦法是使用定向輻射的超寬帶天線。
[0003]定向天線一般分為微帶天線、對數(shù)周期天線、八木天線、拋物面天線、喇機(jī)天線、Vivaldi天線和使用金屬反射面的天線等。上述天線都具有較高的定向性，但是遺憾的是，它們都有自身的不足:微帶天線由于在介質(zhì)基板的另一面覆蓋了金屬層作為地板，可以取得很好的定向性，但是金屬層的存在導(dǎo)致微帶天線的阻抗帶寬非常窄，通常只有5%左右；八木天線通常具有1dBi以上的前向增益，但是其固有的窄頻帶和端射的特性限制了它的應(yīng)用范圍；對數(shù)周期天線和Vivaldi天線屬于非頻變天線，它們具有很寬的阻抗帶寬，同時在整個通頻帶內(nèi)也可以保持比較穩(wěn)定的方向性，但是其較大的尺寸及端射特性使其在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)毫無優(yōu)勢可言;而拋物面天線和喇叭天線同樣由于相對較大的尺寸而被限制了應(yīng)用范圍。使用金屬反射面的定向天線是在寬帶天線上使用金屬導(dǎo)體(可等效為理想導(dǎo)體，Perfect Electric Conductor，PEC)作為反射面。根據(jù)PEC表面的邊界條件，電場的切向分量為零，所以反射波會產(chǎn)生180°的相位差。因此必須保證天線與金屬反射板的間距為四分之一波長，使得反射波與直射波在遠(yuǎn)場能夠同相疊加。天線與金屬反射板的間距為四分之一波長的要求使得在低頻應(yīng)用中天線將變得非常厚，而且天線的帶寬也不寬；另外，為取得較好的定向性反射板的尺寸也需要較大，不利于小型化。而且，除微帶天線外，上述其他天線都不屬于低剖面結(jié)構(gòu)。
[0004]近年隨著電磁超材料(metamater ial)的發(fā)展，出現(xiàn)了一類使用人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)作為反射面的定向天線。AMC是將強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)周期排列的人工電磁材料，以模擬理想磁導(dǎo)體(Perfect Magnetic Conductor，PMC)的的特性，使得在特定頻率實現(xiàn)零相位反射。由于AMC的零相位反射特性，將金屬導(dǎo)體反射面換成AMC，理論上天線與AMC的距離可以無限靠近，因此可以實現(xiàn)低剖面的定向天線。而且，有些結(jié)構(gòu)的AMC，如1999年美國學(xué)者D.Sievenpiper提出了的蘑燕型電磁帶隙(Electromagneticband-gap，EBG)結(jié)構(gòu)，零反射相位頻段與高阻特性的帶隙頻段相同，因此使用其作為反射面還同時具有抑制表面波，改善旁瓣和后瓣的特性。但是AMC表面也有其缺點，首先這種表面的頻帶特別窄，難以得到寬帶特性，更別說超寬帶了；其次，AMC表面為周期性結(jié)構(gòu)，需要多個周期才能實現(xiàn)良好功能，其平面尺寸較大;第三，AMC結(jié)構(gòu)與天線的距離很近，二者間的耦合很強(qiáng)，因而使得天線的設(shè)計和優(yōu)化效率低。
[0005]目前國內(nèi)對于寬帶定向天線的研究多為八木天線、拋物面天線、喇叭天線、采用金屬反射板的天線等。如公告號為CN103825091A的中國實用新型專利申請公開的“超寬帶定向天線”；公告號為CN102544721A的中國實用新型專利申請公開的“一種平面印刷寬帶定向天線”；公告號為CN102738572A的中國實用新型專利申請公開的“寬帶定向微帶貼片天線”和公告號為CN101752669A的中國實用新型專利申請公開的“寬帶高效率室內(nèi)定向天線”。上述研究雖然通過一定的方法產(chǎn)生了一定的定向性，但是它們的前后比并不是特別高，而且所有的這些方法在設(shè)計上稍顯復(fù)雜。這樣增加了設(shè)計成本且在某些場合并不適用。還有，這些專利不能滿足天線低剖面、小型化的要求。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型所要解決的是天線加載傳統(tǒng)金屬反射板需要較高的剖面和天線加載AMC結(jié)構(gòu)需要較大的面積以及較窄的頻帶的不足，提供一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線。
[0007]為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]—種基于諧振式反射器的寬帶定向天線，主要由寬帶天線本體層、諧振式反射器層和引向器層組成；諧振式反射器層位于寬帶天線本體層的正下方；引向器層位于寬帶天線本體層的正上方。上述寬帶天線本體層包括本體介質(zhì)基板、主輻射貼片和金屬加載環(huán);主輻射貼片和金屬加載環(huán)同時覆貼于本體介質(zhì)基板的同一側(cè)表面，且金屬加載環(huán)呈環(huán)狀，并環(huán)繞在主輻射貼片的相對外側(cè);主輻射貼片的中心設(shè)有饋電點。上述諧振式反射器層包括諧振介質(zhì)基板和金屬諧振環(huán);金屬諧振環(huán)環(huán)狀，并覆貼于諧振介質(zhì)基板的一側(cè)表面。上述引向器層包括引向介質(zhì)基板和金屬引向環(huán);金屬引向環(huán)環(huán)狀，并覆貼于引向介質(zhì)基板的一側(cè)表面。
[0009]上述方案中，主輻射貼片和金屬加載環(huán)同時覆貼于本體介質(zhì)基板的上表面，金屬諧振環(huán)覆貼于諧振介質(zhì)基板的下表面，金屬引向環(huán)覆貼于引向介質(zhì)基板的上表面。
[0010]上述方案中，所述寬帶天線本體層還進(jìn)一步包括一微帶漸變阻抗變換器，該微帶漸變阻抗變換器垂直置于本體介質(zhì)基板的下方，且微帶漸變阻抗變換器的上端與主輻射貼片的饋電點相連。
[0011]上述方案中，諧振式反射器層與寬帶天線本體層之間的距離大于引向器層與寬帶天線本體層之間的距離。
[0012]上述方案中，諧振式反射器層與寬帶天線本體層之間的距離為0.07λ?0.11λ，引向器層與寬帶天線本體層的距離為0.03λ?0.05λ，其中λ為主輻射貼片的工作頻帶起始頻率對應(yīng)波長。
[0013]上述方案中，所述主輻射貼片、金屬加載環(huán)、金屬諧振環(huán)和金屬引向環(huán)的中心均在同一條垂直直線上。
[0014]上述方案中，所述金屬加載環(huán)、金屬諧振環(huán)和金屬引向環(huán)均為圓環(huán)狀。
[0015]上述方案中，所述主輻射貼片為扇狀蝴蝶結(jié)形。
[0016]上述方案中，金屬諧振環(huán)的尺寸與金屬加載環(huán)的尺寸相匹配，金屬引向環(huán)的尺寸與主輻射貼片的尺寸相匹配。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下特點:
[0018]1、通過在寬帶天線本體層下方放置諧振式反射器層，使得較寬頻段的電磁波被反射回去，與天線本體的直射波在天線上方同相疊加，從而得到寬頻帶的定向輻射波。
[0019]2、反射器為諧振式結(jié)構(gòu)，尺寸較小，且僅使用一個反射器就能在寬頻帶上取得良好的定向性，因此天線結(jié)構(gòu)緊湊；
[0020]3、諧振式反射器層處的反射相位小于金屬地板反射器的180°，天線本體與反射器間的距離可遠(yuǎn)小于四分之一波長，因此天線又具有低剖面的特點。
[0021]4、天線優(yōu)化效率高，節(jié)約了系統(tǒng)資源;適用于寬頻帶、小型化和低剖面的定向輻射系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0022]圖1為一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線的輻射層的正視圖；
[0023]圖2為一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線的引向器層層的正視圖；
[0024]圖3為一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線的反射器層的正視圖；
[0025]圖4為一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線的整體側(cè)視圖；
[0026]圖5為天線的Sll曲線；
[0027]圖6為天線的諧振式反射器層在天線本體處的反射相位；
[0028]圖7為天線在2.0GHz處的輻射方向圖；
[0029]圖8為天線在3.0GHz處的輻射方向圖；
[0030]圖9為天線在4.2GHz處的輻射方向圖；
[0031 ]圖10為天線前瓣和后瓣隨頻率的變化情況；
[0032]圖11為天線前后比隨頻率的變化情況；
[0033]圖中標(biāo)號:1、寬帶天線本體層；1-1本體介質(zhì)基板;1-2、主輻射貼片；1-3、金屬加載環(huán)；1-4、微帶漸變阻抗變換器;2、諧振式反射器層;2-1、諧振介質(zhì)基板;2-2、金屬諧振環(huán);3、引向器層;3-1引向介質(zhì)基板;3-2、金屬引向環(huán)。
【具體實施方式】
[0034]一種基于諧振式反射器的寬帶定向天線，如圖1-4所示，該天線有3層，從上到下分別為引向器層3、寬帶天線本體層I和諧振式反射器層2，即諧振式反射器層2位于寬帶天線本體層I的正下方；引向器層3位于寬帶天線本體層I的正上方。在本實用新型優(yōu)選實施例中，引向器層3，寬帶天線本體層I以及諧振式反射器層2是通過塑料棒進(jìn)行支撐的。諧振式反射器層2與寬帶天線本體層I之間的距離大于引向器層3與寬帶天線本體層I之間的距離。諧振式反射器層2的反射相位小于傳統(tǒng)金屬反射板(PEC)所具有的180°，且約在90°到150°之間。因此，諧振式反射器層2與天線之間的距離可以小于金屬反射板(PEC)所要求的0.25λ，以獲得低的天線剖面;但是，諧振式反射器層2與天線之間的距離大于AMC的所要求的零距離，因此減弱了天線本體與反射器之間的耦合，提高設(shè)計效率，且可獲得較寬的頻帶;適當(dāng)選取諧振式反射器層2與寬帶天線本體層I之間的距離就可以使直射波與反射波同相疊加。本實施例中，引向器層3在本實用新型中僅僅起到聚束作用，與天線本體之間的距離不對天線的帶寬造成太大的影響。在本實用新型優(yōu)選實施例中，諧振式反射器層2與寬帶天線本體層I之間的距離為0.07λ?0.11λ，引向器層3與寬帶天線本體層I的距離為0.03λ?0.05λ，其中λ為主輻射貼片1-2的工作頻帶起始頻率對應(yīng)波長。
[0035]上述寬帶天線本體層I包括本體介質(zhì)基板1-1、主輻射貼片1-2、金屬加載環(huán)1-3和微帶漸變阻抗變換器1-4。主輻射貼片1-2采用寬帶貼片形式，以獲得寬頻帶特性。金屬加載環(huán)1-3用以進(jìn)一步改善阻抗特性的同時使天線的輻射特性也大大改觀。主輻射貼片1-2和金屬加載環(huán)1-3均覆貼于本體介質(zhì)基板1-1的上表面，且金屬加載環(huán)1-3呈環(huán)狀，并環(huán)繞在主輻射貼片1-2的相對外側(cè)。主輻射貼片1-2的中心設(shè)有饋電點。微帶漸變阻抗變換器1-4垂直置于本體介質(zhì)基板1-1的下方，且微帶漸變阻抗變換器1-4的上端與主輻射貼片1-2的饋電點相連，微帶漸變阻抗變換器1-4的下端可以垂直懸于寬帶天線本體層I和諧振式反射器層2之間，也可以從諧振式反射器層2上開設(shè)的通孔垂直穿過。在本實用新型優(yōu)選實施例中，主輻射貼片1-2位于本體介質(zhì)基板1-1的正中，金屬加載環(huán)1-3的外邊界與本體介質(zhì)基板1-1的邊緣重合，主輻射貼片1-2、