[发明专利]一种高增益平面端射天线的设计方法

说明书

本发明公开了一种高增益平面端射天线的设计方法，将扇形贴片的直边通过短路壁与地板连接构成天线的主振子，将扇形环贴片的外圆弧边通过短路壁与地板连接构成天线的反射器。改变扇形贴片和扇形环贴片之间的距离，实现主振子和反射器之间产生的电耦合呈现容性；将扇形环贴片的直边宽度设置为0.25倍波长的奇数倍，主振子和反射器之间电耦合产生的电磁波沿着反射器表面向端射方向传播0.25倍波长的奇数倍后，主振子与反射器之间的电耦合由容性变成感性，产生超前相位，电磁波被反射并沿着背射方向传播，在主振子的垂直金属壁与反射器的垂直金属壁之间形成单一方向的连续虚拟电流模式(弹球模式)，该模式下实现天线水平方向的高增益端射和低副瓣电平。

技术领域

本发明涉及一种高增益平面端射天线的设计方法，属于无线通信与微波技术、车辆通信等领域。

背景技术

随着现代无线技术、特别是近年来车联网技术的发展，对车辆通信天线的需求日渐增加。车辆通信天线通常要求天线具有低剖面特性(高度小于0.15波长，便于降低风阻和隐蔽美观)，能同时在垂直和平行于车体(金属外壁)的方向上产生足够强的辐射电平，以满足维持不同高度上的车-物通信、相同高度上的车-车和车-人通信的需求。

常规单元贴片天线只能在垂直于金属地板的方向上产生足够辐射，无法在水平面上实现较强的辐射电平，导致在平行于金属地板的背射或端射方向上增益很低。然而最近研究的单元贴片天线可以实现平行金属板的背射或端射方向上相对高的增益，但是对应的副瓣较高，抗干扰能力差。通过扇形主振子和扇形反射器之间形成电耦合，等效在二者之间引入虚拟电壁条件，令总体表面电流分布呈现单向连续流动模式、即“弹球模式”，该模式与经典物理论文《Asymptotic Solution of Eigenvalue Problems》中提到的“Bouncingball mode”极为类似，它能够在水平面内产生很强的方向性和很低的副瓣电平。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种高增益平面端射天线，该天线具有简单的矩形(短路壁)和扇形以及扇形环结构，可实现7dBi以上的端射增益以及-15dBi以下的副瓣增益，贴片天线具有增益高、低副瓣、体积小、结构简单而成本低等一系列优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高增益平面端射天线的设计方法，所述设计方法具体为：

在地板的上方设置扇形贴片和扇形环贴片，并在地板和扇形贴片、扇形环贴片之间填充介质；

扇形环贴片的外圆弧边通过第一短路壁与地板连接，构成外圆弧短路、内圆弧开路的第一非封闭结构，作为天线的反射器；扇形贴片的直边通过第二短路壁与地板连接，构成直边短路、圆弧开路的第二非封闭结构，作为天线的主振子；

在所述第二非封闭结构上设置馈电结构；

通过改变扇形贴片和扇形环贴片之间的距离，实现主振子和反射器之间产生的电耦合呈现容性；通过将扇形环贴片的直边宽度设置为0.25倍波长的奇数倍，主振子和反射器之间电耦合产生的电磁波沿着反射器表面向端射方向传播0.25倍波长的奇数倍后，主振子与反射器之间的电耦合由容性变成感性，产生超前相位，电磁波被反射并沿着背射方向传播，在主振子的垂直金属壁与反射器的垂直金属壁之间形成单一方向的连续虚拟电流模式，该模式下实现天线水平方向的高增益端射和低副瓣电平，端射增益不低于7dBi，最大值可达7-7.7dBi。

进一步地，通过改变扇形贴片圆弧长度和圆心角大小，改变扇形环贴片内外径比例和圆心角大小引入高阶模谐振，实现天线的宽带设计。

进一步地，所述扇形环贴片的内外径比例大于1：1.1；所述扇形贴片的圆弧长度为1.5倍波长至2.5倍波长。

进一步地，所述地板分别与扇形贴片、扇形环贴片平行，且扇形贴片、扇形环贴片与地板之间的距离均不大于0.15倍波长。

进一步地，所述介质的相对介电常数为0-100。