基于谐振式反射器的宽带定向天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及宽带天线以及定向天线领域，具体涉及一种基于谐振式反射器的宽带定向天线。
【背景技术】
[0002]随着社会与科技的进步，无线通信技术得到了迅速的发展，信号的带宽也在不断的提高。超宽带(Ultra-Wideband)天线作为宽带通信系统中的核心器件也得到了长足的发展。然而，超宽带天线有一些普遍的缺点，比如为了提高带宽而不得不做出增益的牺牲；以及高频的方向图会恶化，等等。这些缺点严重影响通信质量。而且超宽带天线通常是全向辐射或者双向辐射的，而随着现代载体系统上的天线越来越多，电磁兼容是一个很大的问题；在需要高保密性以及高抗扰性的领域上应用价值也不大。解决这些不足之处的一个简单经济的办法是使用定向辐射的超宽带天线。
[0003]定向天线一般分为微带天线、对数周期天线、八木天线、抛物面天线、喇机天线、Vivaldi天线和使用金属反射面的天线等。上述天线都具有较高的定向性，但是遗憾的是，它们都有自身的不足:微带天线由于在介质基板的另一面覆盖了金属层作为地板，可以取得很好的定向性，但是金属层的存在导致微带天线的阻抗带宽非常窄，通常只有5%左右；八木天线通常具有1dBi以上的前向增益，但是其固有的窄频带和端射的特性限制了它的应用范围；对数周期天线和Vivaldi天线属于非频变天线，它们具有很宽的阻抗带宽，同时在整个通频带内也可以保持比较稳定的方向性，但是其较大的尺寸及端射特性使其在便携式应用领域内毫无优势可言;而抛物面天线和喇叭天线同样由于相对较大的尺寸而被限制了应用范围。使用金属反射面的定向天线是在宽带天线上使用金属导体(可等效为理想导体，Perfect Electric Conductor，PEC)作为反射面。根据PEC表面的边界条件，电场的切向分量为零，所以反射波会产生180°的相位差。因此必须保证天线与金属反射板的间距为四分之一波长，使得反射波与直射波在远场能够同相叠加。天线与金属反射板的间距为四分之一波长的要求使得在低频应用中天线将变得非常厚，而且天线的带宽也不宽；另外，为取得较好的定向性反射板的尺寸也需要较大，不利于小型化。而且，除微带天线外，上述其他天线都不属于低剖面结构。
[0004]近年随着电磁超材料(metamater ial)的发展，出现了一类使用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)作为反射面的定向天线。AMC是将强谐振结构周期排列的人工电磁材料，以模拟理想磁导体(Perfect Magnetic Conductor，PMC)的的特性，使得在特定频率实现零相位反射。由于AMC的零相位反射特性，将金属导体反射面换成AMC，理论上天线与AMC的距离可以无限靠近，因此可以实现低剖面的定向天线。而且，有些结构的AMC，如1999年美国学者D.Sievenpiper提出了的蘑燕型电磁带隙(Electromagneticband-gap，EBG)结构，零反射相位频段与高阻特性的带隙频段相同，因此使用其作为反射面还同时具有抑制表面波，改善旁瓣和后瓣的特性。但是AMC表面也有其缺点，首先这种表面的频带特别窄，难以得到宽带特性，更别说超宽带了；其次，AMC表面为周期性结构，需要多个周期才能实现良好功能，其平面尺寸较大;第三，AMC结构与天线的距离很近，二者间的耦合很强，因而使得天线的设计和优化效率低。
[0005]目前国内对于宽带定向天线的研究多为八木天线、抛物面天线、喇叭天线、采用金属反射板的天线等。如公告号为CN103825091A的中国实用新型专利申请公开的“超宽带定向天线”；公告号为CN102544721A的中国实用新型专利申请公开的“一种平面印刷宽带定向天线”；公告号为CN102738572A的中国实用新型专利申请公开的“宽带定向微带贴片天线”和公告号为CN101752669A的中国实用新型专利申请公开的“宽带高效率室内定向天线”。上述研究虽然通过一定的方法产生了一定的定向性，但是它们的前后比并不是特别高，而且所有的这些方法在设计上稍显复杂。这样增加了设计成本且在某些场合并不适用。还有，这些专利不能满足天线低剖面、小型化的要求。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型所要解决的是天线加载传统金属反射板需要较高的剖面和天线加载AMC结构需要较大的面积以及较窄的频带的不足，提供一种基于谐振式反射器的宽带定向天线。
[0007]为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0008]—种基于谐振式反射器的宽带定向天线，主要由宽带天线本体层、谐振式反射器层和引向器层组成；谐振式反射器层位于宽带天线本体层的正下方；引向器层位于宽带天线本体层的正上方。上述宽带天线本体层包括本体介质基板、主辐射贴片和金属加载环;主辐射贴片和金属加载环同时覆贴于本体介质基板的同一侧表面，且金属加载环呈环状，并环绕在主辐射贴片的相对外侧;主辐射贴片的中心设有馈电点。上述谐振式反射器层包括谐振介质基板和金属谐振环;金属谐振环环状，并覆贴于谐振介质基板的一侧表面。上述引向器层包括引向介质基板和金属引向环;金属引向环环状，并覆贴于引向介质基板的一侧表面。
[0009]上述方案中，主辐射贴片和金属加载环同时覆贴于本体介质基板的上表面，金属谐振环覆贴于谐振介质基板的下表面，金属引向环覆贴于引向介质基板的上表面。
[0010]上述方案中，所述宽带天线本体层还进一步包括一微带渐变阻抗变换器，该微带渐变阻抗变换器垂直置于本体介质基板的下方，且微带渐变阻抗变换器的上端与主辐射贴片的馈电点相连。
[0011]上述方案中，谐振式反射器层与宽带天线本体层之间的距离大于引向器层与宽带天线本体层之间的距离。
[0012]上述方案中，谐振式反射器层与宽带天线本体层之间的距离为0.07λ?0.11λ，引向器层与宽带天线本体层的距离为0.03λ?0.05λ，其中λ为主辐射贴片的工作频带起始频率对应波长。
[0013]上述方案中，所述主辐射贴片、金属加载环、金属谐振环和金属引向环的中心均在同一条垂直直线上。
[0014]上述方案中，所述金属加载环、金属谐振环和金属引向环均为圆环状。
[0015]上述方案中，所述主辐射贴片为扇状蝴蝶结形。
[0016]上述方案中，金属谐振环的尺寸与金属加载环的尺寸相匹配，金属引向环的尺寸与主辐射贴片的尺寸相匹配。
[0017]与现有技术相比，本实用新型具有如下特点:
[0018]1、通过在宽带天线本体层下方放置谐振式反射器层，使得较宽频段的电磁波被反射回去，与天线本体的直射波在天线上方同相叠加，从而得到宽频带的定向辐射波。
[0019]2、反射器为谐振式结构，尺寸较小，且仅使用一个反射器就能在宽频带上取得良好的定向性，因此天线结构紧凑；
[0020]3、谐振式反射器层处的反射相位小于金属地板反射器的180°，天线本体与反射器间的距离可远小于四分之一波长，因此天线又具有低剖面的特点。
[0021]4、天线优化效率高，节约了系统资源;适用于宽频带、小型化和低剖面的定向辐射系统中。
【附图说明】
[0022]图1为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的辐射层的正视图；
[0023]图2为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的引向器层层的正视图；
[0024]图3为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的反射器层的正视图；
[0025]图4为一种基于谐振式反射器的宽带定向天线的整体侧视图；
[0026]图5为天线的Sll曲线；
[0027]图6为天线的谐振式反射器层在天线本体处的反射相位；
[0028]图7为天线在2.0GHz处的辐射方向图；
[0029]图8为天线在3.0GHz处的辐射方向图；
[0030]图9为天线在4.2GHz处的辐射方向图；
[0031 ]图10为天线前瓣和后瓣随频率的变化情况；
[0032]图11为天线前后比随频率的变化情况；
[0033]图中标号:1、宽带天线本体层；1-1本体介质基板;1-2、主辐射贴片；1-3、金属加载环；1-4、微带渐变阻抗变换器;2、谐振式反射器层;2-1、谐振介质基板;2-2、金属谐振环;3、引向器层;3-1引向介质基板;3-2、金属引向环。
【具体实施方式】
[0034]一种基于谐振式反射器的宽带定向天线，如图1-4所示，该天线有3层，从上到下分别为引向器层3、宽带天线本体层I和谐振式反射器层2，即谐振式反射器层2位于宽带天线本体层I的正下方；引向器层3位于宽带天线本体层I的正上方。在本实用新型优选实施例中，引向器层3，宽带天线本体层I以及谐振式反射器层2是通过塑料棒进行支撑的。谐振式反射器层2与宽带天线本体层I之间的距离大于引向器层3与宽带天线本体层I之间的距离。谐振式反射器层2的反射相位小于传统金属反射板(PEC)所具有的180°，且约在90°到150°之间。因此，谐振式反射器层2与天线之间的距离可以小于金属反射板(PEC)所要求的0.25λ，以获得低的天线剖面;但是，谐振式反射器层2与天线之间的距离大于AMC的所要求的零距离，因此减弱了天线本体与反射器之间的耦合，提高设计效率，且可获得较宽的频带;适当选取谐振式反射器层2与宽带天线本体层I之间的距离就可以使直射波与反射波同相叠加。本实施例中，引向器层3在本实用新型中仅仅起到聚束作用，与天线本体之间的距离不对天线的带宽造成太大的影响。在本实用新型优选实施例中，谐振式反射器层2与宽带天线本体层I之间的距离为0.07λ?0.11λ，引向器层3与宽带天线本体层I的距离为0.03λ?0.05λ，其中λ为主辐射贴片1-2的工作频带起始频率对应波长。
[0035]上述宽带天线本体层I包括本体介质基板1-1、主辐射贴片1-2、金属加载环1-3和微带渐变阻抗变换器1-4。主辐射贴片1-2采用宽带贴片形式，以获得宽频带特性。金属加载环1-3用以进一步改善阻抗特性的同时使天线的辐射特性也大大改观。主辐射贴片1-2和金属加载环1-3均覆贴于本体介质基板1-1的上表面，且金属加载环1-3呈环状，并环绕在主辐射贴片1-2的相对外侧。主辐射贴片1-2的中心设有馈电点。微带渐变阻抗变换器1-4垂直置于本体介质基板1-1的下方，且微带渐变阻抗变换器1-4的上端与主辐射贴片1-2的馈电点相连，微带渐变阻抗变换器1-4的下端可以垂直悬于宽带天线本体层I和谐振式反射器层2之间，也可以从谐振式反射器层2上开设的通孔垂直穿过。在本实用新型优选实施例中，主辐射贴片1-2位于本体介质基板1-1的正中，金属加载环1-3的外边界与本体介质基板1-1的边缘重合，主辐射贴片1-2、