一种宽带低剖面定向天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带低剖面定向天线，可用于移动基站与室内分布系统等无线通信系统中。

背景技术：

随着无线通信技术的不断发展，对于在移动基站与室内分布系统等无线通信系统中天线的性能要求也在不断地提高。为了能够适应pcs，lte，wlan，wimax等更多的工作频段，就要求天线在更宽的频段内具有优良的性能。因此在宽频带中满足稳定增益，稳定辐射方向图，低交叉极化和低后瓣的定向天线的需求在不断增加。

定向天线是远场辐射方向图具有一定指向性的天线，主要包括对数周期天线、喇叭天线、微带天线和电磁偶极子天线等，其具有通信距离远、频率利用率高、抗干扰能力强等许多优点，所以在移动通信系统中基站天线、雷达天线都采用了定向天线。定向天线不仅需要满足定向辐射的远场方向图特性，还需具有宽频带、低剖面、稳定的增益和方向图等许多特性。微带天线作为一种低剖面的定向天线，具有尺寸小的优势，但存在增益较低以及带宽较窄等缺点，限制了其在宽带移动通信系统中的应用。对数周期天线、喇叭天线和反射面天线虽然具有较宽的工作带宽，但普遍存在体积过于庞大的缺点，使得其应用受到很大的限制。电磁偶极子天线，利用电偶极子与磁偶极子在e面与h面互补的原理实现在工作带宽内近似对称的辐射方向图，且天线在e面和h面的辐射方向图差别非常小，但其辐射和馈电结构较为复杂，不易于加工。

传统的定向天线存在着许多的不足之处，首先，其工作带宽较窄，仅能覆盖最基本的通信频段，极大地限制了其应用范围。此外，其剖面较高，这就使得不适用于许多的实际场合。

如上海交通大学公开了一种名称为“新型低剖面超宽带圆极化定向天线”发明专利申请(申请号201610590673.6，申请公布号cn106207431a)，该发明专利申请公开了一种新型低剖面超宽带圆极化定向天线，该天线包括：辐射模块、多个介质层、多个寄生层、金属地板、巴伦以及馈电端口，其中，最上层为介质层，所述寄生层位于相邻的寄生层之间，所述辐射模块紧贴在最上层的上表面，金属地板位于最底层的介质层下方。虽然带宽较宽，但其剖面较高天线在整个频段的增益不稳定；

如西安电子科技大学公开了一种名称为“一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线”发明专利申请(申请号201610652712.0，申请公布号cn106299643a)，该发明专利申请公开了一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，设置有辐射基板和差分电路基板，辐射基板采用四个分布式的微型辐射元，辐射基板对角线方向的一对微型辐射元构成一个线极化工作状态，另一对微型辐射元构成另一个正交的线极化工作状态。虽然其剖面低，但要求隔离度大于30db时，频带覆盖1.58ghz-2.395ghz，相对带宽较低仅为41％，且其定向辐射特性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种宽带低剖面定向天线，可用于解决现有技术中天线带宽窄，剖面高的技术问题，在降低天线剖面的同时增加天线的工作带宽，扩展天线的实际应用范围。

本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种宽带低剖面定向天线，包括金属地板和设置在金属地板上表面的e型电磁偶极子、四个相同结构的г型寄生枝节和馈电结构，所述e型电磁偶极子包括电偶极子和折叠磁偶极子，其特征在于，所述电偶极子由两个相同结构的梯形贴片和寄生贴片组成，该电偶极子位于金属地板的正上方，且与折叠磁偶极子连接成为整体结构；所述寄生贴片由第一梯形寄生贴片和第二梯形寄生贴片组成；所述四个相同的г型寄生枝节分别位于金属地板的正上方，且与电偶极子对应的四个角的位置上，所述馈电结构由梯形水平贴片、折叠贴片、馈电底座和阶梯状贴片组成，该馈电结构设置在两个相同结构的梯形贴片之间，进一步实现了天线的宽频带特性。

所述梯形贴片与寄生贴片构成一体结构，该寄生贴片两端为相同的第一梯形寄生结构，其中间为第二梯形寄生贴片，所述第二梯形寄生贴片与寄生贴片的几何中心相互重合，所述第一梯形寄生结构关于寄生贴片的几何中心对称分布。

所述两个相同结构的梯形贴片之间相互平行，且关于金属地板的中心对称分布。

所述г型寄生枝节中的长边为pl，其与相对的所述金属地板边长的夹角为θ，其中，40°≦θ≦50°。

所述梯形水平贴片分别与阶梯状贴片和折叠贴片相连接，折叠贴片的端部与馈电底座相连接，该梯形水平贴片的上、下底分别为ft1和ft2，高为fth，其中，6mm≤ft1≤7mm，7mm≤ft2≤8mm，11mm≤fth≤12mm；所述折叠贴片与阶梯贴片的宽度为df1，其中1mm≤df1≤2mm。

所述梯形贴片的上底长度为w1，下底长度为w2，梯形贴片的高为h，其中70mm≤w1≤80mm，80mm≤w2≤90mm，20mm≤h≤30mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明由于采用了e型电磁偶极子，所述e型电磁偶极子包括电偶极子和折叠磁偶极子，由于采用了电偶极子和折叠磁偶极子组合，并且设置一对相同的梯形贴片和寄生贴片的技术方案，能够降低天线的剖面和产生新的谐振频率，克服了现有技术中天线剖面高和工作带宽窄的技术问题，使得天线的剖面降低和工作带宽得到了展宽。

2、本发明由于馈电结构是由梯形水平贴片、折叠贴片、馈电底座和阶梯状贴片组成，采用了梯形水平贴片分别与阶梯状贴片和折叠贴片相连接的技术方案，使得天线具有稳定的定向辐射特性和增益，克服了现有技术中天线辐射方向图和增益不稳定的技术问题，并且拓宽天线的带宽。

3、本发明由于采用了四个г型寄生枝节，增加了金属地板的等效长度，且在低频处改变了其容感特性，产生了新的谐振频率，克服了现有技术中天线工作带宽较窄的技术问题，使得天线在低频处的工作带宽得到了展宽。

附图说明

图1是本发明天线的整体结构示意图；

图2和图3是本发明天线的俯视图与主视图；

图4是本发明天线的馈电结构示意图；

图5是本发明天线的s11参数仿真结果图；

图6是本发明天线的增益图；

图7是本发明天线在1.9ghz，2.4ghz和2.9ghz的工作方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方案进行详细描述：

实施例1

参照图1，一种宽带低剖面电磁偶极子天线，包括金属地板1和设置在金属地板1上表面的e型电磁偶极子2、四个相同结构的г型寄生枝节3和馈电结构4，所述e型电磁偶极子2包括电偶极子21和折叠磁偶极子22，其特征在于，所述电偶极子21由两个相同结构的梯形贴片211和寄生贴片212组成，该电偶极子21位于金属地板1的正上方，且与折叠磁偶极子22连接成为整体结构；所述寄生贴片212由第一梯形寄生贴片2121和第二梯形寄生贴片2122组成；所述四个相同的г型寄生枝节3分别位于金属地板1的正上方，且与电偶极子21对应的四个角的位置上，所述馈电结构4由梯形水平贴片41、折叠贴片42、馈电底座43和阶梯状贴片44组成，该馈电结构4设置在两个相同结构的梯形贴片211之间，进一步实现了天线的宽频带特性。

本发明采用将传统电磁偶极子天线的电偶极子设置为梯形贴片211电偶极子，并在其边缘加载了梯形寄生贴片212，通过采用加载的梯形寄生贴片212的方式可以引入新的谐振频点，且梯形贴片211使得天线整体的阻抗匹配特性变得更加良好，有效地拓宽了天线的工作带宽。在电偶极子21的短边处有一对折叠短路贴片与之相连，这一对折叠短路贴片与其之间的金属地板构成一个折叠磁偶极子22，通过对短路贴片进行折叠可以有效的降低天线的剖面。馈电结构4与同轴线相连接，其折叠贴片42与折叠磁偶极子22相平行的部分可以等效为微带传输线，并将能量传输到梯形水平贴片41，为了能更好的调节天线的容感特性，将梯形水平贴片41设计为一个梯形结构并将与之相连的垂直贴片改进为阶梯状贴片44，使得天线整体的阻抗匹配与增益变得更好，更进一步展宽天线的带宽，在金属地板1的四个角设计了四个相同结构的г型寄生枝节3，它们的引入可以改善天线在低频处的阻抗匹配特性与辐射特性，使得天线在低频处增加了新的谐振点，有效的展宽了天线的带宽。

参照图2，所述两个相同结构的梯形贴片211之间相互平行，且关于金属地板1的中心对称分布，所述梯形贴片211与寄生贴片212构成一体结构，其中梯形贴片211的上底70mm≤w1≤80mm，下底80mm≤w2≤90mm，高30mm≤h≤40mm，本实施例中取w1＝74mm，w2＝85mm，h＝32mm；

所述寄生贴片212两端为相同的第一梯形寄生结构2121，其中间为第二梯形寄生贴片2122，该第二梯形寄生贴片2122与寄生贴片212的几何中心相互重合，所述第一梯形寄生结构2121关于寄生贴片212的几何中心对称分布；第二梯形寄生贴片2122上底长mt1＝2mm，下底长mt2＝11mm，高mth＝9mm。第一梯形寄生贴片上底长t1＝4mm，下底长t2＝12mm，高th＝10mm；

所述г型寄生枝节3中的长边为pl，其与相对的金属地板(1)边长的夹角为θ，其中，40°≤θ≤50°，本实施例中取θ＝45°，pl＝20mm，整个г型寄生枝节的宽度均为pw＝11mm。

参照图3，所述折叠磁偶极子22的高度为l1+l3+l5＝25.5mm，其中l1＝8.5mm，l2＝9mm，l3＝8mm，折叠部分向外突出的长度为l2＝l4＝10mm。г型寄生枝节3的高度ph＝20mm，弯折部分长度pd＝8mm。

参照图4，所述梯形水平贴片41分别与阶梯状贴片44和折叠贴片42相连接，折叠贴片42的端部与馈电底座43相连接，该梯形水平贴片41的上、下底分别为ft1和ft2，高为fth，其中，6mm≤ft1≤7mm，6mm≤ft2≤8mm，11mm≤fth≤12mm；所述折叠贴片42与阶梯贴片44的宽度为df1，其中1mm≤df1≤2mm；本实施例中取ft1＝6.4mm，ft2＝7mm，fth＝11.5mm，df1＝1.8mm。所述折叠贴片42的高度分别为f1＝8.5mm，f3＝9mm，f5＝8mm，向外突出部分的长度为f2＝f4＝10mm。所述阶梯状贴片44的尺寸分别为f6＝9mm，f7＝2mm，f8＝3mm。

实施例2

实施例2的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：

本发明中的梯形贴片211上底为w1，w1取值为70mm，下底为w2，w2取值为80mm，高为h，h取值为30mm；金属地板1边长的夹角为θ，θ取值为40°；梯形水平贴片41的上底为ft，ft1取值为6mm，下底为ft2，ft2取值为6mm，高为fth，fth取值为11mm；折叠贴片42与阶梯贴片44的宽度为df1，df1取值为1mm；

实施例3

实施例3的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：

本发明中的梯形贴片211上底为w1，w1取值为80mm，下底为w2，w2取值为90mm，高为h，h取值为40mm；金属地板1边长的夹角为θ，θ取值为50°；梯形水平贴片41的上底为ft1，ft1取值为7mm，下底为ft2，ft2取值为8mm，高为fth，fth取值为12mm；折叠贴片42与阶梯贴片44的宽度为df1，df1取值为2mm；

以下结合附图对本发明的仿真结果作进一步描述：

参照图5、图6和图7：

1、仿真条件和内容

1.1)利用商业仿真软件hfss_19.0对上述实施例天线的s11参数在1-4ghz范围内进行仿真计算。

从图5可知，图中纵坐标表示天线的电压驻波比vswr，横坐标表示频率，单位为ghz，本发明宽带低剖面电磁偶极子天线在工作频段内出现了5个谐振点，天线端口反射系数s11小于-10db时的相对带宽为96.5％(1.27-3.64ghz)。

1.2)利用商业仿真软件hfss_19.0对上述实施例天线的增益在1-4ghz范围内进行仿真计算。

由图6可知，图中纵坐标表示天线的增益，单位为db，横坐标表示频率，单位为ghz，天线在整个工作频带上具有稳定的增益。

1.3)利用商业仿真软件hfss_19.0对上述实施例天线在1.9ghz，2.4ghz和2.9ghz处的辐射方向图进行仿真计算。其中：

图7(a)是本实施例在1.9ghz时的e面和h面的辐射方向图

图7(b)是本实施例在2.4ghz时的e面和h面的辐射方向图

图7(c)是本实施例在2.9ghz时的e面和h面的辐射方向图

从图7(a)，7(b)和7(c)可知，本发明天线在1.9ghz，2.4ghz和2.9ghz处的e面和h面具有良好的一致性，且天线的后瓣很小，具有稳定的定向辐射特性和低交叉极化特性。

以上描述和实施例仅为本发明的优选实施方式，不构成对本发明的任何限制，应当指出：对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。