一种具有可定制波束倾角的微带天线及其设计方法

1.本发明涉及天线技术领域，具体为一种具有可定制波束倾角的微带天线及其设计方法。


背景技术：

2.倾斜波束天线能够以更高的增益将主波束聚焦到预期方向，并具有增加信道容量、改善信号干扰比和提高数据传输速率等优点。这些天线广泛应用于包括基站、雷达、卫星等无线通信系统中。随着现代无线系统向小型化、大容量和集成化方向发展，人们迫切希望获得紧凑、宽带宽和定制倾角的倾斜波束天线。
3.传统的平面式微带准八木天线虽然能够实现波束倾角的调整，但其不具备定量计算调整的功能，难以获得预定义的波束倾角。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的就是提供一种具有可定制波束倾角微带天线的设计方法，所述微带天线包括若干等间距设置的亚波长激励贴片。
5.本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤为：
6.1)根据需求预先定义波束倾角θ0的具体数值；
7.2)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定初始位置亚波长激励贴片的尺寸；
8.3)根据定义波束倾角θ0和广义斯涅耳定律推导的公式计算出相邻贴片之间所需要的相位差和对应的具体尺寸；
9.4)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定亚波长激励贴片的数量。
10.进一步，步骤2)中确定初始位置亚波长激励贴片尺寸的具体方法为：
11.所述亚波长激励贴片包括中间的竖板以及竖板两端的横板，构建横板臂长与等效折射率的数学关系：
12.ni＝1.09129-0.01392li+0.0015l
i2
+0.000321445l
i3
13.式中，ni为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，li为第i个亚波长激励贴片的横板臂长；
14.根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，选定初始位置亚波长激励贴片的等效折射率，并根据等效折射率计算初始位置亚波长激励贴片的尺寸。
15.进一步，计算出相邻贴片之间所需要的相位差和对应的具体尺寸的具体方法为：
16.根据广义斯涅耳定律推导来的公式算出相邻贴片之间所需要的相位差：
[0017][0018]
式中，ni为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，为第i个当前亚波长激励贴片的反射相位，为第i+1个亚波长激励贴片的反射相位，p为波长激励贴片单元周期，λ0为
自由空间波长，θ0为预先定义的波束倾角；
[0019]
根据计算的第i+1个亚波长激励贴片的反射相位计算第i+1个亚波长激励贴片横板的臂长l
i+1
。
[0020]
本发明的另一个目的就是提供一种具有可定制波束倾角的微带天线。
[0021]
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，包括介质基板、金属地板、50ω同轴线馈电，以及贴设在所述介质基板上的微带贴片天线阵列；
[0022]
所述微带贴片天线阵列包括若干等间距设置在所述介质基板上的亚波长激励贴片，所述金属地板设置在所述介质基板的下表面；
[0023]
所述50ω同轴线馈电设置在所述金属地板的下表面，且所述50ω同轴线馈电通过所述金属地板与微带贴片天线阵列其中的一个亚波长激励贴片连接。
[0024]
进一步，若干等间距设置在所述介质基板上的亚波长激励贴片的尺寸不同。
[0025]
进一步，所述亚波长激励贴片的形状均为“工”字型。
[0026]
本发明的另一个目的就是提供一种具有可定制波束倾角微带天线的设计方法，用于设计上述的的微带天线。
[0027]
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤为：
[0028]
1)根据需求预先定义波束倾角θ0的具体数值；
[0029]
2)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定初始位置亚波长激励贴片的尺寸；
[0030]
3)根据定义波束倾角θ0和广义斯涅耳定律推导的公式计算出相邻贴片之间所需要的相位差和对应的具体尺寸；
[0031]
4)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定亚波长激励贴片的数量。
[0032]
进一步，步骤2)中确定初始位置亚波长激励贴片尺寸的具体方法为：
[0033]
所述亚波长激励贴片包括中间的竖板以及竖板两端的横板，构建横板臂长与等效折射率的数学关系：
[0034]
ni＝1.09129-0.01392li+0.0015l
i2
+0.000321445l
i3
[0035]
式中，ni为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，li为第i个亚波长激励贴片的横板臂长；
[0036]
根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，选定初始位置亚波长激励贴片的等效折射率，并根据等效折射率计算初始位置亚波长激励贴片的尺寸。
[0037]
进一步，计算出相邻贴片之间所需要的相位差和对应的具体尺寸的具体方法为：
[0038]
根据广义斯涅耳定律推导来的公式算出相邻贴片之间所需要的相位差：
[0039][0040]
式中，ni为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，为第i个当前亚波长激励贴片的反射相位，为第i+1个亚波长激励贴片的反射相位，p为波长激励贴片单元周期，λ0为自由空间波长，θ0为预先定义的波束倾角；
[0041]
根据计算的第i+1个亚波长激励贴片的反射相位计算第i+1个亚波长激励贴片横板的臂长l
i+1
。
[0042]
进一步，所述亚波长激励贴片的臂长与数量采用上述的具有可定制波束倾角微带天线的设计方法进行设计。
[0043]
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0044]
微带贴片天线阵列基于多个不同尺寸的亚波长金属贴片进行设计，在保持贴片单元周期不变的情况下，仅仅通过对周期性加载的亚波长金属贴片的具体尺寸进行调制就可以实现对周期性贴片单元的折射率的调节，综合出满足定制波束倾角的折射率分布所对应的不同尺寸贴片单元的排布，从而能有效实现天线阵列的宽带化、辐射方向图稳定、波束倾角可定制、尺寸紧凑化设计。
[0045]
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来实现和获得。
附图说明
[0046]
本发明的附图说明如下。
[0047]
图1是本发明50
°
偏转时天线的整体示意图。
[0048]
图2是本发明50
°
偏转时天线的俯视图。
[0049]
图3是本发明50
°
偏转时天线的前视图。
[0050]
图4为本发明“工”字形亚波长激励贴片的等效折射率与贴片尺寸间的对应关系。
[0051]
图5为本发明“工”字形亚波长激励贴片设定50
°
偏转时的等效折射率与反射相位间的对应索引关系。
[0052]
图6为本发明“工”字形亚波长激励贴片设定30
°
偏转时的等效折射率与反射相位间的对应索引关系。
[0053]
图7为本发明的50
°
偏转时反射系数的曲线图。
[0054]
图8为本发明的50
°
偏转时在5.8ghz频点的yz面的辐射方向图。
[0055]
图9为本发明的50
°
偏转时在5.6-6.2ghz频点范围内的yz面的辐射方向图。
[0056]
图10是本发明30
°
偏转时天线的整体示意图。
[0057]
图11是本发明30
°
偏转时天线的俯视图。
[0058]
图12是本发明30
°
偏转时天线的前视图。
[0059]
图13为本发明的30
°
偏转时反射系数的曲线图。
[0060]
图14为本发明的30
°
偏转时在5.8ghz频点的yz面的辐射方向图。
[0061]
图15为本发明的30
°
偏转时在5.6-6.2ghz频点范围内的yz面的辐射方向图。
[0062]
其中：1-介质基板；2-金属地板；3-50ω同轴线馈电；4-亚波长激励贴片。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0064]
实施例1：
[0065]
如图1-3所示的一种波束倾角为50
°
的微带天线，包括介质基板1、金属地板2、50ω同轴线馈电3，以及贴设在所述介质基板1上的微带贴片天线阵列；
[0066]
所述微带贴片天线阵列包括若干等间距设置在所述介质基板1上的亚波长激励贴片4，所述金属地板2设置在所述介质基板1的下表面；
[0067]
所述50ω同轴线馈电3设置在所述金属地板2的下表面，且所述50ω同轴线馈电3通过所述金属地板2与微带贴片天线阵列其中的一个亚波长激励贴片4连接。
[0068]
在本发明实例中，所述微带贴片天线阵列采用底馈的馈电方式，通过所述金属地板2与所述微带贴片天线阵列中位于最左侧的亚波长激励贴片4相连接，仅靠一个馈电点就能激励起表面波，从而实现对整个天线阵列的激励。
[0069]
作为本发明的一种实施例，若干等间距设置在所述介质基板1上的亚波长激励贴片4的尺寸不同。
[0070]
作为本发明的一种实施例，所述亚波长激励贴片4的形状均为“工”字型。
[0071]
在本实施中，介质基板1为长方体型基板，其长度l
50,0
为100mm，宽度w
50,0
为26mm，厚度h
50
为4mm，材料型号选用了rogers rt/duroid 5880，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，介质基板1上表面的亚波长激励贴片4均为厚度相同的覆铜薄膜。
[0072]
相邻两个亚波长激励贴片4的间距为1.3mm，周期p
50
均为13mm；所述“工”字形的亚波长激励贴片4包括中间的竖板以及竖板两端的横板，所述竖板的长度l
50,s
均为9.1mm，所述竖板的宽度度w
50,1
均为3mm，所述横板的宽度w
50,2
为1.3mm，所述最左侧的亚波长激励贴片4的竖板的中心点与50ω同轴线馈电3之间的间距l
50,f
为3.3mm。
[0073]
所述“工”字形的亚波长激励贴片4的数量以及臂长尺寸由微带天线的设计方法进行设计。
[0074]
一种波束倾角为50
°
的微带天线的设计方法，具体步骤为：
[0075]
1)根据需求预先定义波束倾角θ0的具体数值；
[0076]
在本发明实施例中，预先所需的波束倾角为50
°
。
[0077]
2)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定初始位置亚波长激励贴片的尺寸；具体方法为：
[0078]
所述亚波长激励贴片包括中间的竖板以及竖板两端的横板，构建横板臂长与等效折射率的数学关系：
[0079]n50,i
＝1.09129-0.01392l
50,i
+0.0015l
50,i2
+0.000321445l
50,i3
[0080]
式中，n
50,i
为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，l
50,i
为第i个亚波长激励贴片的横板臂长；
[0081]
根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，选定初始位置亚波长激励贴片的等效折射率，并根据等效折射率计算初始位置亚波长激励贴片的尺寸。
[0082]
在本发明实施例中，所述微带贴片天线的折射率与所述微带贴片天线的具体尺寸呈正相关特性，在保持微带贴片阵元周期不变的情况下，通过对所述微带贴片阵元的具体尺寸调制即可实现对所述微带贴片单元折射率的调节。
[0083]
在本发明实施例中，等效折射率n
50,i
的范围为1.07～1.68，根据等效折射率的范围选定初始亚波长激励贴片(最左侧的亚波长激励贴片)的等效折射率n
50，1
为1.68，根据初始亚波长激励贴片的等效折射率n
50，1
计算得到初始亚波长激励贴片的横板臂长l
50,1
为11.89mm。
[0084]
3)根据定义波束倾角θ0和广义斯涅耳定律推导的公式计算出相邻贴片之间所需要的相位差和对应的具体尺寸；具体方法为：
[0085]
根据广义斯涅耳定律推导来的公式算出相邻贴片之间所需要的相位差：
[0086][0087]
式中，n
50,i
为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，为第i个当前亚波长激励贴片的反射相位，为第i+1个亚波长激励贴片的反射相位，p
50
为波长激励贴片单元周期，λ0为自由空间波长，θ0为预先定义的波束倾角；
[0088]
根据计算的第i+1个亚波长激励贴片的反射相位计算第i+1个亚波长激励贴片横板的臂长l
50,i+1
。
[0089]
在本发明实例中，详细的折射率调制原理是从广义折射定律发展而来的，其中等效折射率由微带贴片单元的色散曲线直接计算得来，反射相位通过利用等效传输线理论和横向共振技术映射到折射率。
[0090]
在本发明实例中，将初始亚波长激励贴片的横板臂长l
50,1
代入图5得到该臂长尺寸下的微带贴片阵元的反射相位为-200
°
，通过上式计算得出为实现5.8ghz下50
°
波束倾角所需的下一个微带贴片阵元的反射相位为-117.42
°
，进而通过图4和图5索引出下一个亚波长激励贴片的横板臂长l
50,2
为8.01mm，以此类推，就可以的到全部亚波长激励贴片的横板臂长的具体尺寸。
[0091]
4)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定亚波长激励贴片的数量。
[0092]
在本发明实例中，当下一个亚波长激励贴片的等效折射率超出等效折射率范围时，则停止计算输出当前所有亚波长激励贴片的尺寸和数量，如表1所示。
[0093]
表1本发明贴片单元臂长尺寸l
50,i
、等效折射率n
50,i
、反射相位对应表
[0094][0095]
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件hfss2020进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表2所示：
[0096]
表2本发明各参数最佳尺寸表
[0097]
[0098][0099]
依照上述参数，使用hfss2020对所设计的一种具有可定制波束倾角的微带天线(偏转50
°
)的-10-db阻抗匹配(s11)，辐射方向图等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
[0100]
图7为本发明50
°
偏转时的反射系数的曲线图，当天线的|s
11
|＜-10db时，本天线的阻抗带宽范围为4.79-6.74ghz。
[0101]
图8为本发明50
°
偏转时在5.8ghz频点的yz面的辐射方向图，其波束偏转角为50
°
，最大增益为10.87dbi，交叉极化低于-40db。
[0102]
图9为本发明50
°
偏转时在5.6-6.2ghz频点范围内的yz面的辐射方向图，其主波束在该频率范围内几乎固定在50
°
，说明该天线具有稳定的倾斜波束辐射特性。
[0103]
实施例2：
[0104]
如图10-12所示的一种波束倾角为30
°
的微带天线，包括介质基板1、金属地板2、50ω同轴线馈电3，以及贴设在所述介质基板1上的微带贴片天线阵列；
[0105]
所述微带贴片天线阵列包括若干等间距设置在所述介质基板1上的亚波长激励贴片4，所述金属地板2设置在所述介质基板1的下表面；
[0106]
所述50ω同轴线馈电3设置在所述金属地板2的下表面，且所述50ω同轴线馈电3通过所述金属地板2与微带贴片天线阵列其中的一个亚波长激励贴片4连接。
[0107]
在本发明实例中，所述微带贴片天线阵列采用底馈的馈电方式，通过所述金属地板2与所述微带贴片天线阵列中位于最左侧的亚波长激励贴片4相连接，仅靠一个馈电点就能激励起表面波，从而实现对整个天线阵列的激励。
[0108]
作为本发明的一种实施例，若干等间距设置在所述介质基板1上的亚波长激励贴片4的尺寸不同。
[0109]
作为本发明的一种实施例，所述亚波长激励贴片4的形状均为“工”字型。
[0110]
在本实施中，介质基板1为长方体型基板，其长度l
30,0
为61mm，宽度w
30,0
为26mm，厚度h
30
为4mm，材料型号选用了rogers rt/duroid 5880，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，介质基板1上表面的亚波长激励贴片4均为厚度相同的覆铜薄膜。
[0111]
相邻两个亚波长激励贴片4的周期p
30
均为13mm；所述“工”字形的亚波长激励贴片4包括中间的竖板以及竖板两端的横板，所述竖板的长度l
30,s
均为9.1mm，所述竖板的宽度w
30,1
均为3mm，所述横板的宽度w
30,2
为1.3mm，所述最左侧的亚波长激励贴片4的竖板的中心点与50ω同轴线馈电3之间的间距l
30,f
为3.3mm。
[0112]
所述“工”字形的亚波长激励贴片4的数量以及臂长尺寸由微带天线的设计方法进行设计。
[0113]
一种波束倾角为30
°
的微带天线的设计方法，具体步骤为：
[0114]
1)根据需求预先定义波束倾角θ0的具体数值；
[0115]
在本发明实施例中，预先所需的波束倾角为30
°
。
[0116]
2)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定初始位置亚波长激励贴片的尺寸；具体方法为：
[0117]
所述亚波长激励贴片包括中间的竖板以及竖板两端的横板，构建横板臂长与等效折射率的数学关系：
[0118]n30,i
＝1.09129-0.01392l
30,i
+0.0015l
30,i2
+0.000321445l
30,i3
[0119]
式中，n
30,i
为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，l
30,i
为第i个亚波长激励贴片的横板臂长；
[0120]
根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，选定初始位置亚波长激励贴片的等效折射率，并根据等效折射率计算初始位置亚波长激励贴片的尺寸。
[0121]
在本发明实施例中，所述微带贴片天线的折射率与所述微带贴片天线的具体尺寸呈正相关特性，在保持微带贴片阵元周期不变的情况下，通过对所述微带贴片阵元的具体尺寸调制即可实现对所述微带贴片单元折射率的调节。
[0122]
在本发明实施例中，等效折射率n
30,i
的范围为1.07～1.68，根据等效折射率的范围选定初始亚波长激励贴片(最左侧的亚波长激励贴片)的等效折射率n
30，1
为1.68，根据初始亚波长激励贴片的等效折射率n
30，1
计算得到初始亚波长激励贴片的横板臂长l
30,1
为11.89mm。
[0123]
3)根据定义波束倾角θ0和广义斯涅耳定律推导的公式计算出相邻贴片之间所需要的相位差和对应的具体尺寸；具体方法为：
[0124]
根据广义斯涅耳定律推导来的公式算出相邻贴片之间所需要的相位差：
[0125][0126]
式中，n
30,i
为第i个亚波长激励贴片的等效折射率，为第i个当前亚波长激励贴片的反射相位，为第i+1个亚波长激励贴片的反射相位，p
30
为波长激励贴片单元周期，
λ0为自由空间波长，θ0为预先定义的波束倾角；
[0127]
根据计算的第i+1个亚波长激励贴片的反射相位计算第i+1个亚波长激励贴片横板的臂长l
30,i+1
。
[0128]
在本发明实例中，详细的折射率调制原理是从广义折射定律发展而来的，其中等效折射率由微带贴片单元的色散曲线直接计算得来，反射相位通过利用等效传输线理论和横向共振技术映射到折射率。
[0129]
在本发明实例中，将初始亚波长激励贴片的横板臂长l
30,1
代入图6得到该臂长尺寸下的微带贴片阵元的反射相位为-194.70
°
，通过上式计算得出为实现5.8ghz下30
°
波束倾角所需的下一个微带贴片阵元的反射相位为-88.11
°
，进而通过图4和图6索引出下一个亚波长激励贴片的横板臂长l
30,2
为6.58mm，以此类推，就可以的到全部亚波长激励贴片的横板臂长的具体尺寸。
[0130]
4)根据亚波长激励贴片的等效折射率范围，确定亚波长激励贴片的数量。
[0131]
在本发明实例中，当下一个亚波长激励贴片的等效折射率超出等效折射率范围时，则停止计算输出当前所有亚波长激励贴片的尺寸和数量，如表3所示。
[0132]
表3本发明贴片单元臂长尺寸l
30,i
、等效折射率n
30,i
、反射相位对应表
[0133][0134][0135]
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件hfss2020进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表4所示：
[0136]
表4本发明各参数最佳尺寸表
[0137][0138]
依照上述参数，使用hfss2020对所设计的一种具有可定制波束倾角的微带天线(偏转30
°
)的-10-db阻抗匹配(s11)，辐射方向图等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
[0139]
图13为本发明30
°
偏转时的反射系数的曲线图，当天线的|s11|＜-10db时，本天线的阻抗带宽范围为5.04-6.84ghz。
[0140]
图14为本发明30
°
偏转时在5.8ghz频点的yz面的辐射方向图，其波束偏转角为30
°
，最大增益为8.42dbi，交叉极化低于-40db。
[0141]
图15为本发明30
°
偏转时在5.6-6.2ghz频点范围内的yz面的辐射方向图，其主波束在该频率范围内几乎固定在30
°
，说明该天线具有稳定的倾斜波束辐射特性。
[0142]
综上所述，该天线剖面高度低，阻抗匹配范围由4.79ghz到6.74ghz，实现了预定义的波束倾斜角度50
°
/30
°
，具有良好的阻抗匹配特性和较好且稳定的辐射方向图。
[0143]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0144]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0145]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0146]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0147]
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。