一種小型化寬帶全向天線的製作方法

2023-08-04 10:40:57

本實用新型涉及一種小型化寬帶全向天線，屬於天線技術領域。

背景技術：

全向天線是指在水平面內實現360°均勻輻射，高增益的全向天線可提高信號覆蓋範圍，廣泛應用於廣播電視、衛星通信、移動通信、雷達傳感器網絡等領域。寬帶天線可以應用於不同的通信頻段，從而減少設備的天線數目，縮小設備尺寸。因此，全向高增益寬帶天線的研究具有很強的現實意義和工程價值。

隨著無線通信技術的高速發展，在通信基站等多類系統中，全向天線得到了越來越廣泛的應用，對全向天線性能要求也日益提高，如要求全向天線的帶寬寬、體積小、不圓度低、增益高、副瓣小、輻射主瓣方向穩定等。微帶天線具有加工方便和價格低廉的優勢，成為全向天線設計的新潮流。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種小型化、低剖面、寬頻帶、饋電簡單的寬帶全向天線，該天線工作於C頻段，具有良好的阻抗匹配特性,駐波比小於2的阻抗帶寬為4.2GHz，中心頻點5.4GHz處的天線增益高達3.55dB，且具有良好的水平全向輻射特性，全向輻射面的方向圖不圓度為3.7dB。可廣泛應用於廣播電視、衛星通信、移動通信、雷達傳感器網絡等領域。

為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案為：

一種小型化寬帶全向天線，包括介質板、金屬接地板和金屬微帶饋線，所述金屬接地板和金屬微帶饋線分別印製在介質板的正反面，所述金屬微帶饋線包括由上到下依次首尾連接的圓形貼片、槽型貼片、梯形貼片和矩形貼片並形成棒棒糖狀；所述金屬接地板包括由上到下依次首尾連接的第一矩形貼片、半橢圓型貼片和第二矩形貼片並形成瓶子狀，所述第二矩形貼片的底邊和矩形貼片的底邊均與所述介質板的底邊平齊，所述金屬微帶饋線的長度大於所述金屬接地板的長度。

所述金屬接地板和金屬微帶饋線均為左右向居中設置。

所述介質板長度L為30mm，介質板寬度W為30mm，介質板厚度為0.813mm。

所述金屬接地板和金屬微帶饋線的材質均為銅皮。

所述銅皮厚度均為36um。

所述圓形貼片的直徑D為12mm；所述槽型貼片為矩形槽貼片，所述矩形槽貼片的邊框寬度d為0.7mm，內框寬度W2為3.4mm，外框長度L3為2mm；梯形貼片上底i為1.1mm，下底W1為1.75mm，高L2為9.8mm；矩形貼片的長度L1為3.4mm，矩形貼片的寬度W1為1.75mm。

所述金屬接地板的長度L6為13mm，寬度為30mm；第一矩形貼片的長度L5為2.5mm、寬度W3為16mm；半橢圓型貼片的長軸為30mm，短軸與長軸之比為0.45；第二矩形貼片的長度L4為5mm、寬度為30mm。

該小型化寬帶全向天線在30mm×30mm×0.813mm的Rogers 4003C基板（即羅傑斯高頻板）上實現，整個結構簡單，製作方便，成本低。設計過程中使用了HFSS電磁仿真軟體對全向天線的駐波比、增益和不圓度比進行仿真，經過一些列電磁參數優化之後確定各個電磁參數的尺寸。然後，使用Altium Designer軟體進行該天線的PCB版圖的繪製，並加工實物。最後，使用Aglient E8361-000009型矢量網絡分析儀測試駐波比，在微波暗室裡測量天線的方向圖，從而求出中心頻率處的增益和全向輻射面的方向圖不圓度。結果表明：經過仿真設計時準確的匹配和實物加工後的微調，該全向天線駐波比小於2的阻抗帶寬為4.2GHz，中心頻點5.4GHz處的天線增益高達3.55dB，全向輻射面的方向圖不圓度為3.7dB。

為了實現全向天線的小型化、低剖面、寬頻帶、饋電簡單的特點，本實用新型提出了一種小型化寬帶全向天線，並對提出的全向天線進行優化設計、實物加工。測試結果表明：該天線工作於C頻段，具有良好的阻抗匹配特性，駐波比小於2的阻抗帶寬為4.2GHz，中心頻點5.4GHz處的天線增益高達3.55dB，且具有良好的水平全向輻射特性，全向輻射面的方向圖不圓度為3.7dB。可廣泛應用於廣播電視、衛星通信、移動通信、雷達傳感器網絡等領域。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為圖1的側視圖；

圖3為本實用新型駐波比仿真結果示意圖；

圖4為本實用新型方向圖仿真結果示意圖；

圖5為本實用新型駐波比實測結果示意圖；

圖6為本實用新型方向圖實測結果示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。

如圖1~圖2所示，一種小型化寬帶全向天線是一種介質基板雙面印刷天線，主要由介質板1、金屬接地板2和金屬微帶饋線3三部分組成。金屬接地板2和金屬微帶饋線3分別印製在介質板1的兩側。正面的金屬微帶饋線3由圓形貼片4、矩形貼片7、梯形貼片6和槽型貼片5構成，背面的金屬接地板2主要由第一矩形貼片8、第二矩形貼片10和半橢圓型貼片9構成。

介質板1長度L為30mm，介質板1寬度W為30mm，介質板1厚度為0.813mm，金屬接地板2和金屬微帶饋線3的銅皮厚度均為36um。

在金屬微帶饋線3中，圓形貼片4的直徑D為12mm，矩形貼片7的長度L1為3.4mm，矩形貼片7的寬度W1為1.75mm；梯形貼片6其上底i為1.1mm，下底W1為1.75mm，高L2為9.8mm；槽型貼片5的邊框寬度d為0.7mm，內框長度W2為3.4mm，外框寬度L3為2mm。

在金屬接地板2中，金屬接地板2的長度L6為13mm，寬度為30mm；第一矩形貼片8的長度L5為2.5mm、寬度W3為16mm，第二矩形貼片10的長度L4為5mm、寬度為30mm，半橢圓型貼片9的長軸為30mm，短軸與長軸之比為0.45。

根據天線帶寬、駐波、增益和不圓度的設計要求，基於HFSS電磁仿真軟體對微帶饋線長度、阻抗過渡段、矩形貼片及圓形貼片和槽型貼片的各參數進行優化設計，最後確定整個天線結構。

如圖3所示，基於HFSS電磁仿真軟體對該全向天線在3-8GHz的駐波比進行仿真，由駐波比仿真結果示意圖可知，3.4-7.45GHz頻率範圍內駐波比小於2，則駐波比小於2的阻抗帶寬BW=(5.4-3.4)×2=4GHz。

如圖4所示，該全向天線的全向輻射面為xoz面，基於HFSS電磁仿真軟體對該全向天線在5.4GHz的方向圖進行仿真，由方向圖仿真結果示意圖可知，在全向輻射面內，中心頻點5.4GHz頻點處的最大輻射功率為3.74dBm，最小輻射功率為0.44dBm，則該天線在5.4GHz的增益Gain=3.74dB，方向圖的不圓度YD=3.74-0.44=3.3dB。

如圖5所示，平面全向天線的設計和仿真完成後，將該平面全向天線在30mm×30mm×0.813mm的Rogers 4003C基板上加工實現。射頻信號通過一個標準的SMA接頭輸出。使用矢量網絡分析儀對天線的駐波比進行測量，實測結果表明：在3.30-7.60GHz範圍內駐波比小於2，則駐波比小於2的帶寬 BW=(5.4-3.3)×2=4.2GHz，實測結果與仿真結果基本吻合。

如圖6所示，在微波暗室中測量天線在全向輻射面xoz面內的方向圖。由方向圖實測結果示意圖可知，在全向輻射面內，中心頻點5.4GHz頻點處的最大輻射功率為3.55dBm，最小輻射功率為-0.15dBm，則該天線在5.4GHz的增益Gain=3.55dB，方向圖的不圓度YD=3.55-(-0.15)=3.7dB。由於無法達到0.01mm的加工精度，所以實測結果相對仿真結果略有差異，但是實測結果與仿真結果基本吻合。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。