[发明专利]一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线

说明书

本发明公开了一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，包括有介质基板，所述介质基板的上端中部设置有圆形贴片，所述介质基板的上端在圆形贴片的外部设置有开槽的扇形环，所述介质基板的下端设置有接地板，所述圆形贴片向下通过12个短路过孔与所述接地板连接，12个所述短路过孔沿着所述圆形贴片的轴线均布，所述介质基板的上端、下端的外围各周向均布有14个雪花状的超材料晶胞，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电。本发明提供的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，在不增加天线高度(即低剖面)的基础上，提高了天线的水平面增益，满足很多工程使用需求。

技术领域

本发明涉及通信系统中的天线领域，尤其涉及一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线。

背景技术

全向天线由于其全向辐射的方向图而被广泛应用于点对多通信、移动通信、卫星通信以及空间飞行器等无线通信领域。天线采用垂直极化方式可以提高传输距离，避免由于采用水平极化波受地表极化电流引起的信号衰减。所以，垂直极化的全向天线的研究和设计一直都备受关注。但是一些公开报道的具有垂直极化的全向天线中，水平增益均低于0dBi，这是由于仰角较大所致，在实际应用中水平面的低增益限制了其在各种环境中的应用。因此，如何增大全向天线的水平面增益成为设计和研究重点。

近年来，国内外学者已经研究并提出了多种提高全向天线水平面增益的方法。主要可以分为两部分：一、在微带贴片周围加载寄生条带、环形磁偶极子、耦合环等通过对天线辐射特性的调控以提高水平面增益。李超超等2014年发表的论文“基于零阶谐振的高增益共形全向微带天线”中提出了一种零阶谐振的共面磁流环阵列天线，通过在圆形贴片上加载短路过孔，在贴片和接地板平面分别增加环形寄生单元，这种水平面增益增大的原因主要是由于两个磁流环是反相的，故而，在0-60°范围内的场相抵消减弱，使得90°附近的辐射能量得到增强，从而使得水平面附近的增益得到提高；二、在全向天线的上方加载超材料覆盖层，利用超材料的近零折射率、负介电常数、负磁导率等特性，通过改变电磁波的传输路径来提高水平面增益。Guo.Y等人2020年发表的论文“Omnidirectional BroadbandPatch Antenna with Horizontal Gain Enhanced by Epsilon-negative MetamaterialSuperstrate”提出了两种近零折射率超材料(NZIM)，将其放置在宽带全向天线上方以提高水平增益，结果表明，两个覆盖层都可以在各个方向上的各个频率上将水平增益值增加50％以上(1dB)。为了不增加天线的垂直高度且便于加工，有必要设计在水平面上加载超材料阵列和耦合环来提高天线的水平面增益。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，在不增加天线高度(即低剖面)的基础上，提高天线的水平面增益，满足很多工程使用需求。

为实现本发明提供的一种具有增大水平面增益的全向垂直极化天线，包括有介质基板，所述介质基板的上端中部设置有圆形贴片，所述介质基板的上端在圆形贴片的外部设置有开槽的扇形环，所述介质基板的下端设置有接地板，所述圆形贴片向下通过12个短路过孔与所述接地板连接，实现阻抗匹配和展宽阻抗带宽。12个所述短路过孔沿着所述圆形贴片的轴线均布，所述介质基板的上端、下端的外围各周向均布有14个雪花状的超材料晶胞，采用同轴馈电方式对顶层的圆形贴片中心馈电。中心馈电的圆形贴片用于实现全向垂直极化特性，开槽的扇形环和外围的雪花状的超材料晶胞用于增大水平面增益。

进一步地，为了保证天线的阻抗带宽，需要调节短路过孔的数目、半径、距天线圆心的位置；采用12个半径为0.45mm的金属短路过孔均匀地分布在距离圆形贴片的圆心13.6mm处的圆上，使天线的TM01和TM02模式可以产生两个相邻的谐振频率来展宽带宽。