一种全向辐射的垂直极化宽带电小滤波天线

1.本发明属于天线技术领域，涉及一种全向辐射的垂直极化宽带电小滤波天线。


背景技术：

2.垂直极化天线由于其辐射电场垂直于地面，当其在近地面使用时，相较于水平极化天线具有路径损耗更小的优势。因此垂直极化天线，尤其是水平全向的垂直极化天线被广泛应用于各种通讯系统，例如基站、车载通讯系统等。这些应用所处电磁环境往往较为复杂，具有滤波特性的全向垂直极化天线因其具有良好的带外抑制水平和抗干扰能力，能过够更好地适应复杂的电磁环境，因此受到广泛关注。
3.现有的滤波垂直极化天线工作主要着重于两个方面的研究，即天线剖面的降低及天线带宽的扩展，很少有工作聚焦于天线尺寸的缩减。然而，随着小型化集成电路的快速发展，无线平台可用于天线安装的空间被不断压缩，对天线的小型化提出了迫切的需求。因此，设计具有全向辐射的垂直极化宽带电小滤波天线是必然趋势也是难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种全向辐射的垂直极化宽带电小滤波天线。
5.本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有圆形介质基板、金属地板，以及设置在所述圆形介质基板与金属地板之间且与圆形介质基板、金属地板垂直的矩形介质基板；
6.所述圆形介质基板与矩形介质基板之间设置有立体倒f的馈电结构，所述馈电结构与设置在所述金属地板下方的同轴电缆内导体连接，所述同轴电缆外导体与所述金属地板连接；
7.所述圆形介质基板上还设置有近场寄生结构，所述馈电结构通过近场寄生耦合原理激励所述近场寄生结构。
8.进一步，所述馈电结构包括第一金属条带、第二金属条带、下层金属贴片、第一金属短路柱；
9.所述第一金属条带、第二金属条带分别印制在所述矩形介质基板的两侧壁上，所述第一金属条带的下端与所述同轴电缆的内导体连接，所述第一金属条带将电磁能量耦合到第二金属条带上；
10.所述下层金属贴片印制在所述圆形介质基板的下表面，所述第二金属条带的上端与所述下层金属贴片连接；
11.所述第一金属短路柱的中轴线与圆形介质基板上下端面垂直，所述第一金属短路柱的上端与所述下层金属贴片连接，所述第一金属短路柱的下端与所述金属地板连接。
12.进一步，所述近场寄生结构包括顶端金属贴片、第二金属短路柱；
13.所述顶端金属贴片印制在所述圆形介质基板的上表面，两个第二金属短路柱中轴线均与圆形介质基板上下端面垂直，且两个二金属短路柱关于所述圆形介质基板的中轴线
中心对称设置；
14.两个第二金属短路柱的上端均与顶端金属贴片连接，两个第二金属短路柱的下端均与金属地板连接；
15.所述顶端金属贴片上蚀刻有两个用于实现高频滤波的c型槽，两个c型槽关于所述圆形介质基板上表面的圆心中心对称设置。
16.进一步，所述c型槽为椭圆形开口槽，c型槽的总长度为高频辐射零点的半个波长。
17.进一步，所述天线的总高度为h为11mm；
18.所述圆形介质基板与矩形介质基板材料均采用rogers 5880，其相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009，所述圆形介质基板的半径r1为15mm；
19.所述金属地板材料采用金属铝板，所述金属地板的半径为400mm。
20.进一步，所述第一金属条带的宽度w1为2.6mm，所述第一金属条带的长度l1为9.2mm；
21.所述第二金属条带的宽度w2为2.0mm，所述第二金属条带的长度l2为7.3mm；
22.所述下层金属贴片的半径r2为2.6mm；
23.所述第一金属短路柱的直径d1为1.6mm，所述第一金属短路柱的中轴线与下层金属贴片中心的距离s1为1.4mm；
24.所述第二金属条带与下层金属贴片中心的距离s2为2.3mm。
25.进一步，所述顶端金属贴片的半径r3为15mm；
26.所述第二金属短路柱的直径d2为3.8mm；
27.所述第二金属短路柱的中轴线与顶端金属贴片中心的距离s3为4.6mm；
28.进一步，所述c型槽椭圆形的短半轴a为4.8mm，所述c型槽椭圆形的长半轴b为13mm，所述c型槽的缺口宽度w3为6.6mm，所述c型槽的槽宽g为0.22mm，两个c型槽的最小边缘间距s4为1.56mm。
29.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
30.1、本技术通过第一金属条带、第二金属条带、下层金属贴片和第一金属短路柱构建耦合馈电立体倒f结构，通过利用立体倒f结构耦合馈电，在不增加天线尺寸的前提下，即实现天线电尺寸的缩减又引入了一个新的谐振峰实现带宽的扩展；同时在工作频带下边频附近进入了一个辐射零点，实现高通滤波特性。
31.2、本技术通过在顶端贴片上对称的刻蚀两个c型槽的方式，引入了一个额外的谐振频点，进一步扩展了天线的工作带宽；同时在工作频带上边频附近引入了一个辐射零点，从而使得天线实现了带通滤波特性。
32.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
33.本发明的附图说明如下。
34.图1为本发明天线的整体结构三维视图。
35.图2为本发明天线的正视图。
36.图3为本发明圆形介质基板的俯视图。
37.图4为本发明圆形介质基板的仰视图。
38.图5为本发明天线的仿真和测试s参数及可实现增益曲线图。
39.图6为本发明天线的仿真和测试的辐射效率曲线图。
40.图7中(a)、(b)、(c)分别为本发明天线在第一、第二及第三个谐振点处的e面及h面仿真和测试的归一化二维辐射方向图。
41.图中：1-圆形介质基板；2-金属地板；3-矩形介质基板；4-馈电结构；5-近场寄生结构；6-同轴电缆；7-第一金属条带；8-第二金属条带；9-下层金属贴片；10-第一金属短路柱；11-顶端金属贴片；12-第二金属短路柱；13-c型槽。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
43.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
44.如图1-4所示的一种全向辐射的垂直极化宽带电小滤波天线，包括圆形介质基板1、金属地板2，以及设置在所述圆形介质基板1与金属地板2之间且与圆形介质基板1、金属地板2垂直的矩形介质基板3；
45.所述圆形介质基板1与矩形介质基板3之间设置有立体倒f的馈电结构4，所述馈电结构4与设置在所述金属地板2下方的同轴电缆6内导体连接，所述同轴电缆6外导体与所述金属地板2连接；
46.所述圆形介质基板1上还设置有近场寄生结构5，所述馈电结构4通过近场寄生耦合原理激励所述近场寄生结构5；
47.所述天线的总高度为h为11mm；
48.所述圆形介质基板1与矩形介质基板3材料均采用rogers 5880，其相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009，所述圆形介质基板1的半径r1为15mm；
49.所述金属地板2材料采用金属铝板，所述金属地板2的半径为400mm。
50.在本发明实例中，天线的整体高度h仅为11mm，相对于下边频波长的剖面高度仅为0.069λ
l
，天线的横向尺寸半径r仅为15mm，金属地板2的半径为2.5λ
l
，其中λ
l
表示工作频段内最低频率所对应的波长，天线的电尺寸参数ka仅为0.74，因此本天线为电小天线。
51.所述馈电结构4包括第一金属条带7、第二金属条带8、下层金属贴片9、第一金属短
路柱10；
52.所述第一金属条带7、第二金属条带8分别印制在所述矩形介质基板3的两侧壁上，所述第一金属条带7的下端与所述同轴电缆6的内导体连接，所述第一金属条带7将电磁能量耦合到第二金属条带8上；
53.所述下层金属贴片9印制在所述圆形介质基板1的下表面，所述第二金属条带8的上端与所述下层金属贴片9连接；
54.所述第一金属短路柱10的中轴线与圆形介质基板1上下端面垂直，所述第一金属短路柱10的上端与所述下层金属贴片9连接，所述第一金属短路柱10的下端与所述金属地板2连接；
55.所述第一金属条带7的宽度w1为2.6mm，所述第一金属条带7的长度l1为9.2mm；
56.所述第二金属条带8的宽度w2为2.0mm，所述第二金属条带8的长度l2为7.3mm；
57.所述下层金属贴片9的半径r2为2.6mm；
58.所述第一金属短路柱10的直径d1为1.6mm，所述第一金属短路柱10的中轴线与下层金属贴片9中心的距离s1为1.4mm；
59.所述第二金属条带8与下层金属贴片9中心的距离s2为2.3mm。
60.在本发明实例中，第一金属条带7、第二金属条带8、下层金属贴片9、第一金属短路柱10构成耦合馈电立体倒f结构，该馈电结构4既作为馈电结构，同时又作为天线的辐射结构，第一金属条带7与第二金属条带8形成类似于平板电容结构，通过容性耦合将馈电结构4的电磁能量传递到近场寄生结构5，使得进场寄生结构5谐振。
61.所述近场寄生结构5包括顶端金属贴片11、第二金属短路柱12；
62.所述顶端金属贴片11印制在所述圆形介质基板1的上表面，两个第二金属短路柱12中轴线均与圆形介质基板1上下端面垂直，且两个二金属短路柱12关于所述圆形介质基板1的中轴线中心对称设置；
63.两个第二金属短路柱12的上端均与顶端金属贴片11连接，两个第二金属短路柱12的下端均与金属地板2连接；
64.所述顶端金属贴片11上蚀刻有两个用于实现高频滤波的c型槽13，两个c型槽13关于所述圆形介质基板1上表面的圆心中心对称设置；
65.所述c型槽13为椭圆形开口槽，c型槽13的总长度为高频辐射零点的半个波长；
66.所述顶端金属贴片11的半径r3为15mm；
67.所述第二金属短路柱12的直径d2为3.8mm；
68.所述第二金属短路柱12的中轴线与顶端金属贴片11中心的距离s3为4.6mm；
69.所述c型槽13椭圆形的短半轴a为4.8mm，所述c型槽13椭圆形的长半轴b为13mm，所述c型槽13的缺口宽度w3为6.6mm，所述c型槽13的槽宽g为0.22mm，两个c型槽13的最小边缘间距s4为1.56mm。
70.在本发明实例中，c型槽13的总长度为高频辐射零点的半个波长，从而通过在c型槽上激励起半波谐振实现在该频率引入一个辐射零点，实现滤波特性。
71.依照上述参数，使用电磁三维仿真软件hfss对所设计的全向辐射的垂直极化宽带电小滤波天线的反射系数(|s
11
|)曲线，可实现增益，辐射效率等特性参数进行仿真分析，并对这些性能参数进行相应的测试，其结果分析如下：
72.如图5所示的天线仿真及测试的反射系数(|s
11
|)曲线及可实现增益曲线，天线实测(仿真)的工作频带为1.89-2.61ghz(1.89-2.61ghz)，对应的分数带宽为32％(32％)，实测的最大可实现增益为6.1dbi，在整个工作频带范围内增益波动很小，即本天线具有非常稳定的辐射特性。此外，实测(仿真)的可实现增益曲线显示了本天线在工作频带的上、下边频处各具有一个辐射零点，零点分别位于1.63ghz(1.62ghz)和2.93ghz(2.96ghz)处，具有良好的滤波特性。实测结果与仿真结果吻合良好。
73.如图6所示的天线仿真及测试的辐射效率曲线，在整个工作频带范围内，天线实测(仿真)的总辐射效率值高于80％(85％)，在上、下边频处显示了良好的滚降特性，进一步表明了本发明天线具有良好的滤波特性，实测结果与仿真结果吻合良好。
74.如图7(a)、(b)、(c)所示的天线在三个谐振点处的仿真及测试的h面和e面的归一化二维辐射方向图，三个测试(仿真)的谐振频点分别为：第一个谐振点1.94ghz(1.92ghz)，第二个谐振点2.14ghz(2.15ghz)和第三个谐振点2.54ghz(2.53ghz)。如图所示，三个谐振点e面方向图显示，天线实测的主波束倾角约为60
°
，仿真的主波束倾角约为56
°
；h面表明本天线具有良好的全向辐射特性，天线的交叉极化与主极化差值大于17db，实测的方向图与仿真方向图吻合良好。
75.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。