一种小型化高增益天线的设计方法与流程 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明属于天线设计技术领域，更具体地，涉及一种小型化高增益天线的设计方法。背景技术：2.典型的高增益天线有八木天线、反射面天线等，但它们不具备小型化的特点。普通的间距为半波长的各向同性单元组成的阵列，最大可实现方向系数约等于单元数。根据超方向性阵列理论，如果正确选择各单元激励的幅度和相位，由各向同性辐射单元组成的线性阵列的端射方向系数可以接近单元数的平方。因此，由各向同性辐射单元组成的超方向性二元阵的方向系数将接近4，即比单独的各向同性辐射单元的方向系数高6db。然而，理想的超方向性二元阵列需要满足两阵元的间距趋近于0，且激励的幅度相同，激励的相位差接近180度时，二元阵列才能实现最大的方向系数。3.现有的普通高增益天线不具备小型化的特点。超方向性二元阵能以小型化结构实现较高的方向系数，但是存在工程上难以实现且欧姆损耗大导致可实现增益不高的缺点。具体来说，当天线阵元的幅度和相位按照超方向性阵列设置时，随着单元间距的不断减小，阵列的方向系数趋近于单元数的平方，但是辐射能力却在不断减弱以致趋近于零，因为由于强互耦导致阵列的辐射电阻在不断减小，也即虽然方向系数变大了，但增益却很低。此外，由于单元间距很近，单元间的互耦很强，工程实现上，馈电网络很难准确实现想要的幅度和相位分布。鉴于这些原因，超方向性天线在工程上很难实现。技术实现要素：4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于超方向性天线原理的易于工程实现的小型化高增益天线设计方法。5.为实现上述目的，本发明提供了一种小型化高增益天线的设计方法，包括：6.初步设计一个天线单元，将天线单元作为激励单元，激励单元不包括存在介质损耗的天线类型(比如微带天线)；7.初步设计一个寄生单元，寄生单元的类型与激励单元保持一致；8.调整寄生单元与激励单元的参数，使寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流幅度近似相等，寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流相位近似相反，以完成寄生单元的最终设计。9.其中，寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流幅度近似相等表示寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流幅度之间的差距在幅度预设范围内，该幅度预设范围可以设置比较小，以满足两者近似相等。10.寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流相位近似相反表示寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流相位相差近似180度，也即寄生单元上的感应电流与激励单元上的电流之间的相位差与180度之间的差值在度数预设范围内，该度数预设范围可以设置比较小，以满足两者近似相等。11.在一些可选的实施方案中，所述激励单元为单极子类型或者偶极子类型。12.在一些可选的实施方案中，所述寄生单元与所述激励单元的具体结构相同或者不同。13.在一些可选的实施方案中，所述调整寄生单元与激励单元的参数，包括：14.调整寄生单元与激励单元的间距、寄生单元的长度及宽度。15.在一些可选的实施方案中，在完成寄生单元的最终设计之后，所述方法还包括：16.在寄生单元存在的情况下，对激励单元的结构参数及与寄生单元的距离进行微调，调整目标为馈电端口在要求的频带内具有良好的阻抗匹配。17.在一些可选的实施方案中，所述方法还包括：18.对所设计天线的方向图进行仿真验证，看是否达到设计目标，若方向图特性未达预期，则进一步调整寄生单元的参数。19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：20.本发明提出的易于工程实现的小型化高增益天线设计方法，可用在要求天线以较小的尺寸实现较高的增益等一些特殊的应用场景，解决天线小型化的设计需求。附图说明21.图1是本发明实施例提供的一种天线结构示意图；22.图2是本发明实施例提供的一种电流幅度比m随l1的变化图；23.图3是本发明实施例提供的一种相位差p随l1的变化图；24.图4是本发明实施例提供的一种方向系数d随l1的变化图；25.图5是本发明实施例提供的一种原天线和改进后天线的输入阻抗的对比图；26.图6是本发明实施例提供的一种改进后天线的反射系数；27.图7是本发明实施例提供的一种改进后天线在3.6ghz的仿真方向图。具体实施方式28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。29.本发明利用超方向性二元阵的幅度和相位配置来获得高方向性；针对现有超方向性天线存在的馈电网络设计难度大、损耗大等缺点，采用相应的设计方法来避免这些缺点。针对超方向性二元阵的馈电网络设计难以实现的问题，采取的方案是仅对一个单元馈电，另一个单元上电流幅度和相位的调整通过调节与第一个单元的耦合来实现。针对超方向性二元阵欧姆损耗大的缺点，在设计中尽量采用金属结构，少用或不用存在介质损耗的天线类型，在方向系数与天线的工作带宽之间采取折中处理。30.采用本发明对一个中心工作频率为3.6ghz的半波对称振子进行高增益设计。如图1所示，激励振子和寄生振子的间距用d表示，寄生振子的长度用l1表示。数值实验表明，当d＝6mm，l1＝38mm时，天线有最大方向性d＝7.46db，但其反射系数仅有-2.81db，可实现增益为4.25db。由于当d＝6mm时，两振子间的耦合很大，辐射电阻过小，不利于后续阻抗匹配。31.在d＝9mm时，改变寄生振子的长度l1，观察由激励半波振子和寄生振子的电流幅度比m和相位差p的变化引起的天线的方向系数变化。图2、图3、图4分别给出了当d＝9mm时，仅改变l1的大小，电流幅度比m、相位差p以及天线的方向系数的变化情况。32.当d＝9mm，l1＝36.5mm时，d＝7.21db，反射系数为-6.12db，可实现增益为6db；33.当d＝9mm，l1＝36mm时，d＝7db，反射系数为-8.14db，可实现增益为6.3db；34.当d＝9mm，l1＝35.5mm时，d＝6.7db，反射系数为-10.72db，可实现增益为6.3db。35.由于在d＝9mm时，取l1＝36.5mm可得到最大方向系数7.21db，此时对应的电流幅度比m接近1，相位差p约为168度。但在3.6ghz附近，由于耦合的影响，激励振子端口的输入阻抗实部约为14欧姆，虚部接近于0欧姆。为了增大3.6ghz的端口输入阻抗，把半波对称振子改为半波折合振子。图5给出了d＝9mm，l1＝36.5mm时采用半波对称振子和采用半波折合振子的端口输入阻抗的比较图。可以看到，改进后天线在3.6ghz附近的输入阻抗实部为50欧姆左右，但是其输入阻抗虚部曲线变得更陡峭，导致宽带特性变差。图6为改进后天线的s11参数图，在3.546-3.656ghz范围内反射系数小于-10db。图7给出改善后天线的e面方向图，最大可实现增益约为7.31db。由于没有反射结构，该天线的后瓣略大。36.理想的超方向性二元阵的方向系数能够比单个阵元的方向系数提高6db，但是由于辐射效率极低，导致可实现增益非常低。本实施例中，单个半波对称振子天线的增益为2.15db，通过本发明所提出的高增益天线设计方法，使增益提高了5.16db。37.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。38.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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