一种通感一体化天线

摘要

本发明公开了一种通感一体化天线，属于天线与微波技术领域。为了实现通感一体化功能，天线的辐射单元采用圆形和扇形贴片结构，同时，还可以增加带有枝节的扇形结构的寄生单元。当采用圆形和扇形贴片结构时，不仅可以实现通信和感知，而且其辐射零向频率扫描曲线的斜率为正数。当增加带有枝节的扇形结构的寄生单元时，利用耦合馈电的方式，实现零点频扫，并在特定方向上有较稳定的增益。本发明具有体积小、结构简单等特点，在物联网的各种无线传感与测向系统中有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种通感一体化天线，其特征在于，该天线包括由圆形贴片（1），第一扇形贴片（1’）和垂直短路壁构成的非封闭结构；圆形贴片（1）和第一扇形贴片（1’）一上一下平行放置，所述垂直短路壁沿第一扇形贴片（1’）的圆弧方向与圆形贴片（1）和第一扇形贴片（1’）连接；

所述第一扇形贴片（1’）上设置有与圆形贴片（1）相接的第一短路钉（4）；

所述第一扇形贴片（1’）上，沿两条边分别向内开有两个对称的弧形槽（2，2’）；

所述非封闭结构上设置有馈电结构（3）；

所述圆形贴片（1）的半径比第一扇形贴片（1’）的半径大五分之一个波长至三分之一个波长。

2.根据权利要求1所述的一种通感一体化天线，其特征在于，该天线还包括与第一扇形贴片（1’）共面的带有枝节的第二扇形贴片（1’’）；所述第二扇形贴片（1’’） 上设置有与圆形贴片（1）相接的第二短路钉（4’），并且采用耦合馈电的方式进行馈电。

3.根据权利要求2所述的一种通感一体化天线，其特征在于，所述第二扇形贴片（1’’）的径向上设置有对称的两个枝节（5，5’）。

4.根据权利要求1或2所述的一种通感一体化天线，其特征在于，所述第一扇形贴片（1’）的圆心角小于等于60°。

5.根据权利要求1或2所述的一种通感一体化天线，其特征在于，两个所述对称的弧形槽（2，2’）对应的圆心角大于15°且小于25°。

6.根据权利要求2所述的一种通感一体化天线，其特征在于，所述第二扇形贴片（1’’） 的圆心角大于250°且小于300°。

7.根据权利要求2所述的一种通感一体化天线，其特征在于，所加第二扇形贴片（1’’）的半径比第一扇形贴片（1’）的半径小三分之一个波长至二分之一个波长。

8.根据权利要求2所述的一种通感一体化天线，其特征在于，所述枝节与第二扇形贴片（1’’）中轴线之间的夹角大于70°且小于90°。

说明书

一种通感一体化天线

技术领域

[0001] 本发明涉及一种通感一体化天线，属于天线与微波技术以及物联网领域。

背景技术

[0002] 在1G至5G时代，通信和感知是相互独立存在的，这样的分离化设计造成了无线频谱与硬件资源的浪费，同时，功能相互独立也带来信息处理时延较高的问题。进入6G时代，通信频谱迈向了毫米波、太赫兹，未来通信的频谱会与传统的感知频谱重合，这就需要通信与感知的融合，实现资源的联合调度。

[0003] 微带贴片天线是应用于微波系统中最广泛的天线，但普通微带贴片天线只具备通信功能，而不具备感知功能。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明提出一种通感一体化天线，天线的辐射零向随频率变化而在空间中出现扫描现象，辐射零向频率扫描曲线的斜率为正数、也可以是负数，该辐射零向频率扫描特性用于实现传感功能；同时，天线在特定方向上具有较稳定的辐射波束和增益频率响应特性，该稳定的辐射波束和增益频率响应特性用于实现通信功能。该天线主动认知并分析信道的特性，来感知周围环境的物理特性，具有体积小、高增益、结构简单、剖面低、成本低等特点，便于制作实现，有利于平面化设计和小型化应用，在物联网的各种无线传感与各种射频识别系统中有广泛的应用前景。

[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0006] 一种通感一体化天线，该天线包括由圆形贴片，第一扇形贴片和垂直短路壁构成的非封闭结构；圆形贴片和第一扇形贴片一上一下平行放置，所述垂直短路壁连接沿第一扇形贴片的圆弧方向与圆形贴片和第一扇形贴片连接；

[0007] 所述第一扇形贴片上设置有与圆形贴片相接的第一短路钉；

[0008] 所述第一扇形贴片上，沿两条边分别向内开有两个对称的弧形槽；

[0009] 所述非封闭结构上设置有馈电结构，采用同轴馈电方式进行馈电。

[0010] 进一步，所述第一扇形贴片的圆心角小于等于60°。

[0011] 进一步，所述圆形贴片的半径比第一扇形贴片的半径大五分之一个波长至三分之一个波长。

[0012] 进一步，两个所述对称的弧形槽对应的圆心角大于15°且小于25°。

[0013] 进一步，该天线还包括与第一扇形贴片共面的带有枝节的第二扇形贴片；所述第二扇形贴片上设置有与圆形贴片相接的第二短路钉，并且采用耦合馈电的方式进行馈电。

[0014] 进一步，所述第二扇形贴片的径向上设置有对称的两个枝节。

[0015] 进一步，所述第二扇形贴片的圆心角大于250°且小于300°。

[0016] 进一步，所加第二扇形贴片的半径比第一扇形贴片的半径小三分之一个波长至二分之一个波长。

[0017] 进一步，所述枝节与第二扇形贴片中轴线之间的夹角大于70°且小于90°。

[0018] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明能够在使用平面结构的同时，通过扇形贴片加短路钉、开槽或加枝节，使得辐射零向频率扫描曲线的斜率可以是正数、也可以是负数；同时，在特定方向上具有较稳定的辐射波束和增益频率响应特性。该天线体积小、结构简单、剖面低，便于制作实现，在物联网的各种无线传感与各种射频识别系统中有广泛的应用前景。

附图说明

[0019] 图1是本发明一实施例中，天线的正面结构与参考坐标示意图；

[0020] 图2是本发明一实施例中，天线的三维立体示意图与参考坐标示意图；

[0021] 图3是本发明一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线反射系数特性；

[0022] 图4是本发明一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线辐射方向图；

[0023] 图5是本发明一实施例中，天线辐射零向频率扫描的角度频率曲线；

[0024] 图6是本发明一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线增益图；

[0025] 图7是本发明另一实施例中，天线的正面结构与参考坐标示意图；

[0026] 图8是本发明另一实施例中，天线的三维立体示意图与参考坐标示意图；

[0027] 图9是本发明另一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线反射系数特性；

[0028] 图10是本发明另一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线辐射方向图；

[0029] 图11是本发明另一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线增益图；

[0030] 其中，1、1′、1″分别对应圆形贴片、带有弧形槽的扇形贴片和带有枝节的扇形贴片，2、2′是弧形槽，3是馈电结构，4、4′是短路钉，5、5′是枝节，6是圆形贴片的中轴线。

具体实施方式

[0031] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

[0032] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0033] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

[0034] 本发明提出一种通感一体化天线，为了实现通感一体化功能，天线的辐射单元采用圆形和扇形贴片结构，同时，还可以增加带有枝节的扇形结构的寄生单元。天线可以进行辐射零向频率扫描，同时，在特定方向上具有较稳定的辐射波束和增益频率响应特性，具有体积小、高增益、结构简单、成本低等特点，有利于平面化设计和小型化应用。

[0035] 如图1和2所示，在一个实施例中，通感一体化天线由具有两个对称弧形槽的扇形贴片和圆形贴片构成。扇形贴片和圆形贴片以及连接它们的垂直短路壁构成非封闭结构，扇形贴片和圆形贴片之间还通过一个短路钉连接。该天线可以制作在介电常数为1‑20的介质上。采用圆形和扇形贴片结构，不仅可以实现通信和感知，而且其辐射零向频率扫描曲线的斜率为正数。

[0036] 本实施例中采用空气介质，圆形贴片的半径为100mm，扇形贴片与圆形贴片之间的间距为3mm；扇形贴片的半径为72.8mm，圆心角的度数为60°；扇形贴片上两个弧形槽对应的圆心角为23°，宽为4mm；馈电点在扇形贴片结构的中轴线上，距离圆心15.8mm处；短路钉在扇形贴片结构的中轴线上距离圆心28.5mm处；利用HFSS软件仿真计算得到的天线各项特性。

[0037] 图3是采用HFSS软件计算的天线反射系数特性，该天线阻抗带宽覆盖了3.21到4.29GHz频段，中心频率在3.6GHz，可以看出该天线具有较宽的阻抗带宽。

[0038] 图4是采用HFSS软件计算的天线的辐射方向图，虚线表示频率为3.27GHz时的方向图，零点出现在仰角‑75°处；点划线表示频率为3.37GHz时的方向图，零点出现在仰角‑30°处；点线表示频率为3.37GHz时的方向图，零点出现在仰角‑30°处；实线表示频率为3.71GHz时的方向图，零点出现在仰角10°处。由此可见，在3.27‑3.71GHz频段范围内，零点扫描角度范围可达85°以上。

[0039] 图5是天线辐射零向频率扫描的角度频率曲线，可以看出，曲线的斜率是正数。

[0040] 图6是采用HFSS软件计算的天线在工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到7.94dBi。

[0041] 如图7和8所示，在另一个实施例中，通感一体化天线由带有弧形槽的扇形贴片、带有枝节的扇形贴片和圆形贴片构成。带有弧形槽的扇形贴片和圆形贴片以及连接它们的垂直短路壁构成非封闭结构。带有枝节的扇形贴片与带有弧形槽的扇形贴片共面，且带有枝节的扇形贴片与带有弧形槽的扇形贴片各有一个短路钉与圆形贴片相接。该天线可以制作在介电常数为1‑20的介质上。增加带有枝节的扇形结构的寄生单元，利用耦合馈电的方式，实现零点频扫，并在特定方向上有较稳定的增益。

[0042] 本实施例中采用空气介质，圆形贴片的边长半径为90mm，带有弧形槽的扇形贴片、带有枝节的扇形贴片与圆形贴片之间的间距均为3mm；带有弧形槽的扇形贴片的半径为52.5mm，圆心角的度数为90°；带有弧形槽的扇形贴片上两个弧形槽对应的圆心角为28°，宽为2mm；馈电点在带有弧形槽的扇形贴片的中轴线上，距离圆心12.5mm处；短路钉在带有弧形槽的扇形贴片的中轴线上，距离圆心21.3mm处；带有枝节的扇形贴片的半径为29mm，圆心角的度数为270°；带有枝节的扇形贴片上两个枝节的长度为12.7mm,宽度为7mm；短路钉在带有枝节的中轴线上，距离圆心12mm处；利用HFSS软件仿真计算得到的天线各项特性。

[0043] 图9是采用HFSS软件计算的天线反射系数特性，该天线阻抗带宽覆盖了3.26到4.15GHz频段，中心频率在3.6GHz，可以看出该天线具有较宽的阻抗带宽。

[0044] 图10是采用HFSS软件计算的天线的辐射方向图，虚线表示频率为3.44GHz时的方向图，零点出现在仰角45°处；点划线表示频率为3.6GHz时的方向图，零点出现在仰角15°处；实线表示频率为3.76GHz时的方向图，零点出现在仰角‑5°处。由此可见，在3.44‑3.76GHz频段范围内，零点扫描角度范围可达50°以上。

[0045] 图11是采用HFSS软件计算的天线在工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到9.24dBi。

[0046] 综上所述，本发明通感一体化天线的设计方法，为了实现通感一体化功能，天线的辐射单元采用圆形和扇形贴片结构，同时，还可以增加带有枝节的扇形结构的寄生单元。当采用圆形和扇形贴片结构时，不仅可以实现通信和感知，而且其辐射零向频率扫描曲线的斜率为正数。当增加带有枝节的扇形结构的寄生单元时，利用耦合馈电的方式，实现零点频扫，并在特定方向上有较稳定的增益。本发明具有体积小、结构简单等特点，在物联网的各种无线传感与测向系统中有广泛的应用前景。

[0047] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0048] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。