微带天线及微带天线阵列

1.本发明涉及天线设计技术，具体涉及一种适用于电磁辐射发射现场中电磁兼容测量的微带天线及微带天线阵列。


背景技术：

2.在目前大多数辐射发射现场的电磁兼容测量领域中，通常采用的天线都是带宽较窄、尺寸较大的定向天线。在特定的复杂外场环境，基于特定的电磁信号处理算法需要采集所遇到的多方位和多工作频点的电磁干扰信号。但是环境电磁干扰信号具有难预见、易突发的特点，为了接收各个方向和各个频段不可预见的干扰电磁波就需要带宽较宽、辐射覆盖范围较广的全向性超宽带电磁兼容天线。目前在实现超宽带天线的领域中，主要包括以下几种类型：
3.介质谐振器天线：介质谐振器天线容易通过选取合适的谐振参数如介质谐振器的形状、尺寸和介电常数等，比较容易获得较长的带宽，常用于无线通信领域中。介质谐振天线虽然在带宽和增益方面具有优异的性能，但是大多是三维结构，且剖面较高，用于电磁兼容测量的天线普遍尺寸都偏大，难以携带和运输。
4.平面渐变缝隙天线：通过在给定介质基板金属表面上设计出渐变形状的开槽线比如指数型渐变的vivaldi天线，电磁波沿开槽缝隙传输和辐射电磁波，从而实现超宽带。平面渐变缝隙天线广泛应用于无线通信系统、汽车雷达遥感成像等方面。但是，平面渐变缝隙天线需要设计较长的缝隙渐变辐射结构，这种设计会增加天线的尺寸，增加天线的制作成本。
5.微带天线：微带天线通过提高介质基板的厚度或者减小其介电常数，加载超材料，附加匹配网络，天线组阵的方式可以拓宽频带实现超宽带，且微带天线易于加工、制作成本低，因此具有广泛的应用前景。其中分型结构的微带天线是近年来一种非常具有发展前景的超宽带天线。分形结构主要从不同规定限度的对称出发，通过递归和迭代的数学原理去定义和设计，通过数学优化的方法去实现超宽带。但是分型结构的微带天线贴片的结构有时过于复杂，在实际加工时会遇到一些困难。微带贴片天线常规设计普遍都是频带较窄，其相对带宽约为1％～7％；有导体和介质损耗，会激励表面波，效率较低。


技术实现要素：

6.针对现有技术中。当前工作在l,s波段的电磁兼容测量接收天线尺寸较大(大于1个工作波长)，全向性能弱(信号覆盖接收范围小)，结构较复杂，带宽较窄(相对带宽在20％左右，难以覆盖电磁干扰源的多个工作频点)，且辐射增益较低(《2db，辐射效率不高)的问题，本发明的目的是提供一种微带天线及微带天线阵列。
7.为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
8.一方面，本发明提供一种微带天线，包括介质基板、辐射贴片、接地贴片以及馈电微带线；
9.所述辐射贴片设置在介质基板的正面，辐射贴片与馈电微带线相连，通过馈电微带线进行馈电；
10.所述接地贴片设置在介质基板的背面，所述接地贴片的中部开设有葫芦槽，葫芦槽的开口侧位于接地贴片的上侧边上，所述接地贴片的上侧边与左、右侧边之间带有圆弧形切角。
11.作为本发明的优选方案，所述介质基板为矩形或方形，所述接地贴片为矩形，所述介质基板、辐射贴片、接地贴片均为轴对称结构，且介质基板、辐射贴片、接地贴片的对称轴重合。
12.作为本发明的优选方案，所述辐射贴片、接地贴片均为金属贴片。
13.作为本发明的优选方案，所述辐射贴片为半环形金属贴片。其中半环形辐射贴片通过在一半圆形金属帖片上方裁剪去一个小半圆形金属贴片得到。馈电微带线的第一端与半环形金属贴片其底部弧形外缘的中部连接，馈电微带线的第二端垂直延伸至介质基板的下侧边。
14.作为本发明的优选方案，接地贴片其两个圆弧形切角的半径大小影响天线工作的带宽，随着两个圆弧形切角的半径增大，在低频段工作频带变窄，在高频段频带没有明显变化趋势。
15.另一方面，本发明提供一种微带天线阵列，包括多个上述任一种微带天线。
16.和现有技术相比，本发明具有下述优点：
17.本发明通过在接地贴片上引入圆弧形切角和中央葫芦槽，实现覆盖l，s，c，x，ku，k频段的超宽带和全向性辐射和接收。
18.本发明大大提高了微带天线的带宽，带宽达到180.6％，并实现了微带天线的小型化和全向性。
19.本发明结构新颖且简单，相对于现有公开的文献，降低了成本，易于加工和制造。
附图说明
20.图1为本发明一实施例的正面结构示意图；
21.图2为本发明一实施例的背面结构示意图；
22.图3为本发明一实施例的侧面结构示意图；
23.图4为本发明一实施例的天线反射系数曲图；
24.图5为本发明一实施例天线处于不同频点的e面和h面辐射方向图，其中：(a)表示天线处于2ghz时的e面和h面辐射方向图；(b)表示天线处于5ghz时的e面和h面辐射方向图；(c)表示天线处于10ghz时的e面和h面辐射方向图；(d)表示天线处于15ghz时的e面和h面辐射方向图；(e)表示天线处于20ghz时的e面和h面辐射方向图；(f)表示天线处于25ghz时的e面和h面辐射方向图。
25.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基
于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
28.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
31.当前工作在l,s波段的电磁兼容测量接收天线尺寸较大(大于1个工作波长)，全向性能弱(信号覆盖接收范围小)，结构较复杂，带宽较窄(相对带宽在20％左右，难以覆盖电磁干扰源的多个工作频点)，且辐射增益较低(《2db，辐射效率不高)。本发明设计的超宽带全向性电磁兼容天线(1.4ghz-27.5ghz)通过在一个圆环形辐射贴片以及在背面地板上引入圆弧形边角以及葫芦形超材料结构可实现天线的小型化、全向性以及超宽带工作的特性，可覆盖l，s，c，x，ku，k波段的辐射源信号和电磁干扰信号，并且具有较高的增益和辐射效率。
32.本发明目前主要设计应用于电磁辐射发射现场中电磁兼容测量领域，该天线实现了全向性的同时，通过加载超材料结构实现了天线的小型化和超宽带，并且辐射效率较高，亦可以推广运用到物联网和雷达等领域。
33.参照图1、图2和图3，本发明一实施例中提供一种微带天线，该微带天线整体呈轴对称结构。
34.微带天线包括介质基板1、辐射贴片2、接地贴片3以及馈电微带线4。所述介质基板1、辐射贴片2、接地贴片3以及馈电微带线4均为轴对称结构，且介质基板1、辐射贴片2、接地贴片3以及馈电微带线4的对称轴重合。
35.介质基板1为长方形介质基板，其长度为l，宽度为w。
36.所述辐射贴片2为半环形金属贴片。其中半环形辐射贴片通过在一个半圆形金属帖片(半径为r2)上方裁剪去一个小半圆形金属贴片(半径为r1)得到。半环形金属贴片的外圆弧的半径为r2，半环形金属贴片的内圆弧的半径为r1。
37.所述辐射贴片2设置在介质基板1的正面，辐射贴片1与矩形的馈电微带线4相连，通过馈电微带线4进行馈电。馈电微带线4的第一端与半环形金属贴片其底部弧形外缘的中部连接，馈电微带线4的第二端垂直延伸至介质基板1的下侧边。矩形的馈电微带线4的长度
为ls，宽度为wd。
38.辐射贴片2其开口端正对介质基板1的上侧边。辐射贴片2其表面电流主要分布在辐射贴片2的外侧弧形边缘5附近以及馈电微带线4的左右侧边缘附近，其表面电流最密集的地方也是辐射最强的地方，信号沿着馈电微带线4左右侧边缘耦合到辐射贴片2的外侧弧形边缘，沿着辐射贴片2其两侧弧形边缘渐变辐射出去，这是其产生全向性辐射和宽频带工作的关键因素。辐射贴片2上方几乎没有分布的表面电流，因此半环形辐射贴片通过在一个半圆形金属帖片(半径为r2)上方裁剪去一个小半圆形金属贴片(半径为r1)得到，可以最大化减少金属的使用，从而节约成本，同时不影响天线的整体辐射性能。
39.接地贴片3为矩形金属贴片，其长度与介质基板1的长度相同，为l，宽度为g。所述接地贴片3设置在介质基板1的背面，接地贴片3的下长边与介质基板1的下侧边重合。所述接地贴片3的中部开设有葫芦槽6，葫芦槽6的开口侧位于接地贴片3的上侧边上，所述接地贴片3的上侧边与左、右侧边之间带有圆弧形切角7，圆弧形切角7的半径为r3。接地贴片3其两个圆弧形切角7的半径大小影响天线工作的带宽，随着两个圆弧形切角的半径增大，在低频段工作频带变窄，在高频段频带没有明显变化趋势。
40.所述葫芦槽6由2个以上的圆形葫芦槽单元串联而成，其中位于最外侧的圆形葫芦槽单元的半径最大，由外至内圆形葫芦槽单元的半径线性减小。如图2所示实施例中，所述葫芦槽6由3个圆形葫芦槽单元串联而成，即三阶葫芦槽。其中位于最外侧的圆形葫芦槽单元的半径最大，中间次之，位于最内侧的圆形葫芦槽单元的半径最小，半径分别为r4、r5、r6，其中r4＞r5＞r6。
41.在接地贴片设置葫芦槽，通过设计葫芦槽的阶数(即葫芦槽中圆形葫芦槽单元的个数)和深度(葫芦槽的深度即接地贴片上侧边至葫芦槽最底部的深度)是影响天线带宽的另一个重要因素。与目前大多数平面单极天线背面地板的矩形开槽方式不同，葫芦槽可以显著优化高频阻抗不匹配的情况，可以大大拓展工作频带至高频。优选地，所述葫芦槽的阶数优选为3阶。经仿真优化，发现葫芦槽从1阶、2阶到3阶，并且随着葫芦槽的阶数越多和深度越深，微带天线的阻抗匹配就越好。但是当葫芦槽从4阶开始阻抗匹配就会变差，再往后阻抗匹配就会变更差。因此葫芦槽的阶数选择为3阶，从而使天线的阻抗匹配达到最优并使天线工作带宽达到最大。这是因为在接地贴片中央刻蚀葫芦槽，可以将表面电流引入葫芦槽内部，增加电流路径，从而可以大大改善匹配，增加工作带宽。
42.在本发明另一实施例中，其正面如图1所示，背面如图2所示，侧面如图3所示，介质基板为rogers rt6002，相对介电常数为2.94，介质基板的长度为60mm，宽度为44mm，厚度为3.048mm。辐射贴片2、接地贴片3均为厚度为0.018mm的金属贴片。本实施例的具体参数如下：l＝60mm，w＝44mm，r1＝10mm，r2＝26.6mm，wd＝7.76mm，ls＝16.44mm，g＝15mm，r3＝5mm，r4＝4mm，r5＝3mm，r6＝2mm。通过仿真软件对该实施例中的微带天线的结构进行了仿真计算和改进，研究和分析了主要参数对天线性能的影响，并通过参数扫描对天线性能进行了进一步的优化。图4为天线的阻抗匹配特性，以反射系数来表征，通常要求反射系数不超过-10db。通过图4，可知本发明提供的微带天线的阻抗匹配良好，s
11
参数都在-10db以下，说明信号能量反射的很少(30％以下)，基本上都辐射出去了，所以s
11
参数在-10db以下的频段就算为工作频段，工作频带很宽(1.4ghz-27.5ghz)，证明该天线是一个超宽带天线。
43.图5为天线处于不同频点的e面和h面方向图,其中：(a)表示天线处于2ghz时的e面
和h面辐射方向图，其中e面增益为1.11db；(b)表示天线处于5ghz时的e面和h面辐射方向图，其中e面增益为1.94db；(c)表示天线处于10ghz时的e面和h面辐射方向图，其中e面增益为5.79db；(d)表示天线处于15ghz时的e面和h面辐射方向图，其中e面增益为5.34db；(e)表示天线处于20ghz时的e面和h面辐射方向图，其中e面增益为4.38db；(f)表示天线处于25ghz时的e面和h面辐射方向图，其中e面增益为2.42db。通过图5，可知本发明提供的微带天线的全向性良好，h面辐射方向图均近似于圆形，即全向性辐射。
44.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。