一种全向、垂直极化、电小滤波天线
阅读说明：本技术 一种全向、垂直极化、电小滤波天线 (Omnidirectional, vertical polarization and electric small filtering antenna ) 是由 唐明春 郭飘 李大疆 胡坤志 李梅 理查德·齐奥尔科夫斯基 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全向、垂直极化、电小滤波天线,包括与下层介质基板平行的上层介质基板；顶帽加载的单极子包括圆形贴片设置在上层介质基板上表面,驱动柱连接圆形贴片与馈线部分；短路柱垂直设置在上层介质基板与下层介质基板之间,并连接圆形贴片和金属地板；馈线部分设置于下层介质基板的上表面；同轴电缆的内导体连接馈线部分和驱动柱,同轴电缆的外导体连接金属地板,金属地板设置在下层介质基板的下表面。本天线采用圆形顶帽加载的单极子结构由此降低单极子的剖面高度和减小尺寸,采用混合的滤波结构来实现优异的滤波性能,而且可以拓宽天线的工作带宽,实现了在保持一个电小尺寸的同时还具有良好频率选择和带外抑制特性。(The invention discloses an omnidirectional, vertical polarization and small electric filtering antenna, which comprises an upper dielectric substrate parallel to a lower dielectric substrate; the monopole loaded on the top cap comprises a circular patch arranged on the upper surface of the upper-layer medium substrate, and the driving column is connected with the circular patch and the feeder line part; the short circuit column is vertically arranged between the upper-layer dielectric substrate and the lower-layer dielectric substrate and is connected with the circular patch and the metal floor; the feeder line part is arranged on the upper surface of the lower-layer dielectric substrate; the inner conductor of the coaxial cable is connected with the feeder line part and the driving column, the outer conductor of the coaxial cable is connected with the metal floor, and the metal floor is arranged on the lower surface of the lower-layer dielectric substrate. The antenna adopts the monopole structure loaded by the circular top cap, so that the profile height and the size of the monopole are reduced, the excellent filtering performance is realized by adopting the mixed filtering structure, the working bandwidth of the antenna can be widened, and the antenna has good frequency selection and out-of-band rejection characteristics while keeping the small size.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种全向、垂直极化、电小滤波天线。
背景技术
与水平极化天线相比，垂直极化天线有着当电磁波在一个损耗媒介中传播时，比如地球或地面，它们的路径损耗本来就小得多的性能优势。因此，垂直极化天线已被广泛应用于除陆地、水上和空中交通工具外的许多实际工程场景，如无人值守地面传感器网络、无线局域网系统、隧道环境中的通信和传感以及道路射频识别智能停车系统等等。
近年来，滤波天线即将天线和滤波器集成在一个模块，因其小巧的尺寸优势而受到关注。特别地，垂直极化滤波天线相比简单的垂直极化天线有一个额外的可取的优势，它们能够同时提供辐射和滤波功能。然而，目前只有一篇垂直极化滤波天线报道。它通过在介质谐振器内部加载一个环形槽和四个短路柱，并采用混合结构馈电来实现滤波响应。由于介质谐振器的工作特性，它具有一个不可避免的高剖面，由此导致它的电大尺寸，不适用于空间受限的无线平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种全向、垂直极化、电小滤波天线，具有尺寸小、结构简单、高频率选择和带外抑制的性能。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，包括有上层介质基板、下层介质基板、顶帽加载的单极子、短路柱、馈线部分、同轴电缆和金属地板；
所述上层介质基板与下层介质基板平行，且所述上层介质基板位于下层介质基板的上方；
所述顶帽加载的单极子包括圆形贴片和驱动柱；
所述圆形贴片设置在上层介质基板上表面，所述驱动柱垂直设置在上层介质基板与下层介质基板之间，所述驱动柱连接圆形贴片与馈线部分；
所述短路柱垂直设置在上层介质基板与下层介质基板之间，所述短路柱连接圆形贴片和金属地板；
所述馈线部分设置于下层介质基板的上表面；
所述同轴电缆的内导体连接馈线部分和驱动柱，所述同轴电缆的外导体连接金属地板，所述金属地板设置在下层介质基板的下表面。
作为优选，所述上层介质基板和下层介质基板的材料均是Rogers RO4003，所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数均为3.55，所述上层介质基板和下层介质基板损耗角正切均为0.0027，所述上层介质基板和下层介质基板的厚度分别为H1和H2，所述H1＝H2＝0.813mm，所述上层介质基板的半径为15mm，所述下层介质基板的半径为21mm；
所述上层介质基板的轴线与下层介质基板的轴线相重合。
作为优选，所述圆形贴片的轴线与上层介质基板的轴线相重合；
所述圆形贴片的半径R1＝15mm，所述驱动柱的直径D1＝4mm，所述驱动柱的轴线与圆形贴片的轴线之间的距离为3mm。
作为优选，所述短路柱的直径D2＝4mm，所述短路柱位于驱动柱远离上层介质基板的轴线一侧，所述短路柱的轴线、上层介质基板的轴线和驱动柱的轴线位于同一竖直平面；
所述短路柱的轴线与上层介质基板的轴线之间的距离为9mm。
作为优选，所述同轴电缆的内导体半径为0.45mm，所述同轴电缆的长度为6mm，所述同轴电缆的外导体内径为1.5mm，所述同轴电缆的外导体外径为1.7mm。
作为优选，所述金属地板的半径为165mm，所述金属地板的厚度为1mm，所述金属地板与上层介质基板之间的距离为H，所述H＝11.3mm。
作为优选，所述馈线部分包括有第一支节模块和第二支节模块，所述第一支节模块和第二支节模块均设置在下层介质基板的上表面；
所述第一支节模块包括有弧形支节Ⅰ、第一矩形支节Ⅰ和第二矩形支节Ⅰ；
所述弧形支节Ⅰ连接在第一矩形支节Ⅰ一端，所述第一矩形支节Ⅰ与同轴电缆的内导体连接，所述第一矩形支节Ⅰ远离馈电点的一侧平行的设置有第二矩形支节Ⅰ；
所述第一矩形支节Ⅰ的宽度WS1＝1.5mm，所述第一矩形支节Ⅰ的长度LS1＝11mm，所述第一矩形支节Ⅰ远离弧形支节Ⅰ的一端与馈电点的距离S4＝4.5mm，所述弧形支节Ⅰ的宽度W3＝2mm，所述弧形支节Ⅰ的弧形原点与馈电点相重合，所述弧形支节Ⅰ的弧形弯曲角度θ1＝32°，所述第二矩形支节Ⅰ的长度L1＝2mm，所述第二矩形支节Ⅰ的宽度W1＝2.5mm，所述第二矩形支节Ⅰ远离弧形支节Ⅰ的底边与馈电点的距离S5＝2mm；
所述第二支节模块包括有矩形支节II、弧形支节II和矩形槽；
所述矩形支节II与第一矩形支节Ⅰ相平行，所述矩形支节II也与同轴电缆的内导体连接，所述矩形支节II一端设置有弧形支节II，所述弧形支节II位于矩形支节II远离弧形支节Ⅰ一侧；
所述第一矩形支节Ⅰ与矩形支节II之间的间隙空气间隙g＝0.2mm，所述矩形支节II的长度LS2＝15.5mm，所述矩形支节II的宽度WS2＝1.5mm，所述弧形支节II远离弧形支节II一端与馈电点的距离S3＝12mm，所述弧形支节II的宽度W4＝2.5mm，所述弧形支节II的弧形原点与馈电点相重合，所述弧形支节II的弧形弯曲角度θ2＝30°；
所述矩形槽开设在矩形支节II上馈电点与弧形支节II之间，所述矩形槽位于弧形支节II靠近馈电点的一侧，所述矩形槽的长度L2＝11mm，所述矩形槽的宽度W2＝0.5mm，所述矩形槽与馈电点的最小垂直距离S8＝2mm。
采用以上结构后，本发明相较于现有技术，具备以下优点：
1、通过采用这种新颖的混合滤波结构来产生两个零点，从而实现带通滤波效果；
2、通过采用这种新颖的混合滤波结构来引入一个额外的谐振点，从而扩展带宽；
3、由于采用这种新颖的混合滤波结构，能够完全在贴片下方，从而实现电小的尺寸；
4、由于采用这种新颖的混合滤波结构，能够在保持优良滤波性能的情况下实现全向垂直极化。
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
本发明的
附图说明
如下。图1为本发明中全向、垂直极化、电小滤波天线整体结构三维视图；
图2为本发明中全向、垂直极化、电小滤波天线整体结构的侧视图；
图3为本发明中全向、垂直极化、电小滤波天线中馈线的整体结构主视图；
图4为本发明中全向、垂直极化、电小滤波天线的仿真阻抗带宽(S11≤-10dB)和可实现增益；
图5为本发明中全向、垂直极化、电小滤波天线的总效率；
图6为本发明在1.85GHz频点下全向、垂直极化、电小滤波天线在ZOY平面和XOY平面的仿真二维辐射方向图；
图7为本发明中定向、垂直极化、电小滤波天线整体结构三维视图；
图8为本发明中定向、垂直极化、电小滤波天线整体结构的侧视图；
图9为本发明中定向、垂直极化、电小滤波天线中顶帽的整体结构主视图；
图10为本发明中定向、垂直极化、电小滤波天线中馈线的整体结构主视图；
图11为本发明中定向、垂直极化、电小滤波天线的仿真阻抗带宽(S11≤-10dB)和可实现增益；
图12为本发明中定向、垂直极化、电小滤波天线的总效率；
图13为本发明在2.05GHz频点下定向、垂直极化、电小滤波天线在ZOY平面和XOY平面的仿真二维辐射方向图。
图中：1.上层介质基板；2.下层介质基板；3.顶帽加载的单极子；4.短路柱；5.馈线部分；6.同轴电缆；7.金属地板；8.圆形贴片；9.驱动柱；10.定向滤波上层介质基板；11.定向滤波下层介质基板；12.第一定向滤波顶帽加载的单极子；13.第二定向滤波顶帽加载的单极子；14.定向滤波短路柱；15.定向滤波馈线部分；16.定向滤波同轴电缆；17.定向滤波金属地板；18.第一定向滤波扇形贴片；19.第一定向滤波驱动柱；20.第二定向滤波扇形贴片；21.第二定向滤波驱动柱；22.弧形支节Ⅰ；23.第一矩形支节Ⅰ；24.第二矩形支节Ⅰ；25.矩形支节II；26.弧形支节II；27.矩形槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图6所示，一种全向、垂直极化、电小滤波天线，包括上层介质基板1、下层介质基板2、顶帽加载的单极子3、短路柱4、馈线部分5、同轴电缆6和金属地板7；
所述上层介质基板1与下层介质基板2平行，且所述上层介质基板1位于下层介质基板2的上方；
所述顶帽加载的单极子3包括圆形贴片8和驱动柱9；
所述圆形贴片8设置在上层介质基板1上表面，所述驱动柱9垂直设置在上层介质基板1与下层介质基板2之间，所述驱动柱9连接圆形贴片8与馈线部分5；
所述短路柱4垂直设置在上层介质基板1与下层介质基板2之间，所述短路柱4连接圆形贴片8和金属地板7；
所述馈线部分5设置于下层介质基板2的上表面；
所述同轴电缆6的内导体连接馈线部分5和驱动柱9，所述同轴电缆6的外导体连接金属地板7，所述金属地板7设置在下层介质基板2的下表面。
所述上层介质基板1和下层介质基板2的材料均是Rogers RO4003，所述上层介质基板1和下层介质基板2的介电常数均为3.55，所述上层介质基板1和下层介质基板2损耗角正切均为0.0027，所述上层介质基板1和下层介质基板2的厚度分别为H1和H2，所述H1＝H2＝0.813mm，所述上层介质基板1的半径为15mm，所述下层介质基板2的半径为21mm；
所述上层介质基板1的轴线与下层介质基板2的轴线相重合。
所述圆形贴片8的轴线与上层介质基板1的轴线相重合；
所述圆形贴片8的半径R1＝15mm，所述驱动柱9的直径D1＝4mm，所述驱动柱9的轴线与圆形贴片8的轴线之间的距离为3mm。
所述短路柱4的直径D2＝4mm，所述短路柱4位于驱动柱9远离上层介质基板1的轴线一侧，所述短路柱4的轴线、上层介质基板1的轴线和驱动柱9的轴线位于同一竖直平面；
所述短路柱4的轴线与上层介质基板1的轴线之间的距离为9mm。
所述同轴电缆6的内导体半径为0.45mm，所述同轴电缆6的长度为6mm，所述同轴电缆6的外导体内径为1.5mm，所述同轴电缆6的外导体外径为1.7mm。
所述金属地板7的半径为165mm，所述金属地板7的厚度为1mm，所述金属地板7与上层介质基板1之间的距离为H，所述H＝11.3mm。
所述馈线部分5包括有第一支节模块和第二支节模块，所述第一支节模块和第二支节模块均设置在下层介质基板(2)的上表面；
所述第一支节模块包括有弧形支节Ⅰ22、第一矩形支节Ⅰ23和第二矩形支节Ⅰ24；
所述弧形支节Ⅰ22连接在第一矩形支节Ⅰ23一端，所述第一矩形支节Ⅰ23与同轴电缆6的内导体连接，所述第一矩形支节Ⅰ23远离馈电点的一侧平行的设置有第二矩形支节Ⅰ24；
所述第一矩形支节Ⅰ23的宽度WS1＝1.5mm，所述第一矩形支节Ⅰ23的长度LS1＝11mm，所述第一矩形支节Ⅰ23远离弧形支节Ⅰ22的一端与馈电点的距离S4＝4.5mm，所述弧形支节Ⅰ22的宽度W3＝2mm，所述弧形支节Ⅰ22的弧形原点与馈电点相重合，所述弧形支节Ⅰ22的弧形弯曲角度θ1＝32°，所述第二矩形支节Ⅰ24的长度L1＝2mm，所述第二矩形支节Ⅰ24的宽度W1＝2.5mm，所述第二矩形支节Ⅰ24远离弧形支节Ⅰ22的底边与馈电点的距离S5＝2mm；
所述第二支节模块包括有矩形支节II25、弧形支节II26和矩形槽27；
所述矩形支节II25与第一矩形支节Ⅰ23相平行，所述矩形支节II25也与同轴电缆6的内导体连接，所述矩形支节II25一端设置有弧形支节II26，所述弧形支节II26位于矩形支节II25远离弧形支节Ⅰ22一侧；
所述第一矩形支节Ⅰ23与矩形支节II25之间的间隙空气间隙g＝0.2mm，所述矩形支节II25的长度LS2＝15.5mm，所述矩形支节II25的宽度WS2＝1.5mm，所述弧形支节II26远离弧形支节II26一端与馈电点的距离S3＝12mm，所述弧形支节II26的宽度W4＝2.5mm，所述弧形支节II26的弧形原点与馈电点相重合，所述弧形支节II26的弧形弯曲角度θ2＝30°；
所述矩形槽27开设在矩形支节II25上馈电点与弧形支节II26之间，所述矩形槽27位于弧形支节II26靠近馈电点的一侧，所述矩形槽27的长度L2＝11mm，所述矩形槽27的宽度W2＝0.5mm，所述矩形槽27与馈电点的最小垂直距离S8＝2mm。
所述第一支节模块和第二支节模块为四分之一开路支节，其中第一支节模块产生一个高频零点，在上阻带实现优异的滤波性能；第二支节模块形成一个低频零点，进而在下阻带实现优异的滤波性能，也就是说这个紧凑、简单的馈线能够实现高频率选择特性，从而带来带通滤波响应；第一支节模块和第二支节模块由一个共同的同轴线馈电形成一个半波长谐振器，在通带内产生一个谐振峰，短路柱4的加载能够促使两个模式的谐振峰重叠由此实现带宽的扩展；由于第一支节模块的第一矩形支节Ⅰ23和第二支节模块的矩形支节II25平行放置，顶端的弧形支节Ⅰ22与弧形支节II26向相反方向弯曲，它们在边射方向的能量相互抵消，所以该天线在整个通带内都能保持垂直极化辐射。
表1本发明中全向滤波天线各参数尺寸表
依照表1参数，使用高频电磁仿真软件HFSS对所设计的具有高性能的全向、垂直极化、电小滤波天线的S参数，二维辐射方向图，辐射增益等特性参数进行仿真分析，并且基于此得到最终实物并进行测试，仿真和测试结果如图4-6所示，并对结果具体分析如下：
如图4所示，为本发明中滤波天线的仿真和测试情况下的S参数和辐射增益，该情况下|S11|<-10dB条件下阻抗带宽范围为1.74-1.96GHz(11.9％)，实物测试值为1.76-1.97GHz(11.3％)；其仿真峰值增益为3.65dBi，而实测峰值增益为3.01dBi。可以发现，仿真和测试都存在着两个辐射零点，具备优异的频率选择特性。
如图5所示，仿真的通带内总效率大于85％，实物测试的通带内总效率大于83％。
如图6所示为本发明中全向滤波天线在1.85GHz时分别在ZOY平面和XOY平面的辐射方向图，从图中可以看出，天线的XOY面呈现全向辐射，且交叉极化良好。
综上所述，该全向滤波天线，具有良好的阻抗匹配特性、滤波特性与较好且稳定的全向辐射方向图。
如图7至图10所示，一种定向、垂直极化、电小滤波天线，它包括有定向滤波上层介质基板10、定向滤波下层介质基板11、第一定向滤波顶帽加载的单极子12、第二定向滤波顶帽加载的单极子13、定向滤波短路柱14、定向滤波馈线部分15、定向滤波同轴电缆16和定向滤波金属地板17；
所述定向滤波上层介质基板10上表面设置有第一定向滤波扇形贴片18和第二定向滤波扇形贴片20，所述第一定向滤波顶帽加载的单极子12连接第一定向滤波扇形贴片18，所述第二定向滤波顶帽加载的单极子13连接第二定向滤波扇形贴片20，所述第一定向滤波扇形贴片18的弧形圆心、第二定向滤波扇形贴片20的弧形圆心与定向滤波上层介质基板10的圆心相重合，所述第一定向滤波扇形贴片18与第二定向滤波扇形贴片20张角均为θ1＝120°，曲折线槽宽度为W＝1mm，圆弧半径为R4＝4mm，折线长度为L1＝3.5mm，左侧曲折线中心距离天线中心S4＝13.75mm，右侧曲折线中心距离天线中心S5＝14mm，定向滤波驱动柱19垂直放置，连接第一定向滤波扇形贴片18与定向滤波馈线部分15，直径为D2＝3.2mm，其中心距离天线中心S2＝7.2mm，定向滤波短路柱21垂直放置，连接第二定向滤波扇形贴片20与定向滤波金属地板17，直径为D3＝4.4mm，其中心距离天线中心S3＝14.8mm。
扇形顶帽的加载极大地降低了单极子的剖面高度由此减小了尺寸；扇形顶帽上均刻蚀了曲折线槽，曲折线槽增大了表面电流的路径，降低了天线的工作频率，由此实现了一个电小的尺寸；两个单极子并列放置，左侧单极子充当引向器，右边单极子作为反射器，由此形成了准Yagi的天线结构，产生端射辐射。
定向滤波上层介质基板10和定向滤波下层介质基板11的材料都是RogersRO4003，其介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，定向滤波上层介质基板10和定向滤波下层介质基板11的半径R1均为21mm，基板厚度均为0.813mm，定向滤波上层介质基板10和定向滤波下层介质基板11之间的空气隙H＝8.37mm。
定向滤波短路柱14连接第一定向滤波扇形贴片18与定向滤波金属地板17，直径为D1＝2.6mm，其中心距离天线中心13.2mm。
定向滤波馈线部分15位于定向滤波下层介质基板11上表面；
定向滤波同轴电缆16内导体半径为0.45-0.55mm，电缆长度为6-7mm，外导体内径为1.5-1.6mm，外导体外径1.7-1.8mm。
定向滤波金属地板17位于定向滤波下层介质基板11下表面，是半径150mm，厚度为1mm的圆柱。
定向滤波馈线部分15包括支节Ⅰ，馈电点距离其底端S6＝0.8mm，长度为Ls1＝17.2mm，宽度为Ws1＝3.4mm，以及刻蚀矩形槽的支节Ⅱ，馈电点距离其底端S7＝3.8mm，长度为Ls2＝17.7mm，宽度为Ws2＝2.3mm，顶端弯曲宽度为W5＝1.9mm，弯曲角度为θ2＝41°，矩形槽长度为L4＝10.7mm，宽度W4＝1mm，且支节I与支节II之间的空气间隙为g＝0.2mm。
馈线部分16沿用了全向滤波天线的设计，即两根长度不一的四分之一开路支节和一个短路柱；支节I和II的引入分别在高、低频通带边缘各产生了一个零点，所以，滤波性能能够被维持，同样地，这两根支节由同一个同轴馈电形成的半波长谐振在通带内产生了一个谐振峰，短路柱的加载促进了单极子模式和支节模式的叠加，由此起到了扩展天线带宽的作用，这也进一步验证了全向滤波天线中所提出的混合滤波结构的功能；由于馈线部分16仍位于辐射贴片的正下方，所以该定向滤波天线能够在保持电小尺寸的同时实现滤波响应。
表2本发明中定向滤波天线各参数尺寸表
依照表2参数，使用HFSS对所设计的具有高性能的定向、垂直极化、电小滤波天线的S参数，二维辐射方向图，辐射增益等特性参数进行仿真分析，并且基于此得到最终实物并进行测试，仿真和测试结果如图11-13所示，结果基本吻合，并对结果具体分析如下：
如图11和图12所示，为本发明中定向滤波天线仿真和测试情况下的S参数、辐射增益和总效率，在仿真时，|S11|<-10dB条件下阻抗带宽范围为1.91-2.19GHz(13.7％)，对应通带仿真峰值增益为6.34dBi，通带内总效率大于80％；在测试时，|S11|<-10dB条件下阻抗带宽范围为1.9-2.16GHz(12.8％)，对应通带仿真增益范围为6.09dBi，通带内总效率大于78％；仿真和测试的增益曲线都有两个零点。
如图13所示，为本发明中圆极化滤波天线在2.05GHz时分别在ZOY平面和XOY平面的辐射方向图，可以看出XOY面的方向图呈现端射辐射，且交叉极化良好。
综上所述，该定向滤波天线，具有良好的阻抗匹配特性、滤波特性与较好且稳定的端射辐射方向图。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种双波束辐射的漏波天线