CN206313137U - 微带天线装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微带天线装置，其辐射源、介质层和参考地以及馈电同轴线；辐射源为矩形的辐射贴片；且微带天线装置的整体横截面为矩形形状；馈电同轴线的内芯线依次穿过参考地、介质层和辐射源，馈电同轴线的一部分固定在参考地的区域内，馈电同轴线的另一部分固定在辐射源的区域内；微带天线装置的中心频率为2.5G Hz；介质层的介电常数εr＝3.38，且介质层的厚度h＝5mm。上述微带天线装置采用的是同轴线馈电；同时其经过基于有限元法和空腔模型法设计构成具有上述相应尺寸及参数特点的微带天线，该微带天线装置具有体积小、宽频、质量高等技术优势，尤其适合于铁路客运站台的乘客安全警示线系统中微波天线设备使用。

Description

微带天线装置

技术领域

本实用新型涉及警示设备技术领域，尤其涉及一种微带天线装置。

背景技术

随着铁路现代化建设的发展，高铁技术的不断进步，旅客候车环境，自动售票和检票等自动，自助化服务能力不断提升。

同时，长期停滞的站台候车秩序与安全维护系统有必要进行现代化改造，因此我公司研究人员通过新的技术手段，研制一种安全警示线系统可及时告警提示的主动式探测旅客是否跨越了安全警示线(即类似于传统安全白线)。

在设计过程中，发现目前常用的非接触报警装置主要有激光、红外、超声波和微波等。激光和红外报警主要采用对射和反射两种方式。其中，对射方式需要在警示区域内安装有激光发射和接收机，收发光束会在防范区域内形成了一个激光围栏。以火车站台为例，可以沿安全白线形成激光围栏，但其需要在站台上树立激光收发栏杆，很显然其不符合车站站台建设要求；反射方式可以根据目标对光束的反射波检测目标，虽然可以将探测器埋设于站台地面以下，但由于光束的线性传播特性，一组传感器只能覆盖光线上的区域，对于站台安全白线的覆盖显然不具有可操作性。同时，红外探测还容易受到太阳光和温 度的影响，尤其在夏季高温，阳光直射下容易时效或虚警，不适合作为站台的安全警示手段。

超声探测虽然可以覆盖一定的探测区域，但一方面器探测区域不容易控制，无法形成扇面状的探测区域，同时也容易受到人声嘈杂和机车等环境噪声的干扰，同样不适合作为站台安全警示的探测手段。

然而，微波是波长很短的无线电波，微波的方向性很好，速度等于光速。雷达式微波探测器是一种将微波收、发设备合置的探测器，工作原理基于多普勒效应。微波的波长很短，在1mm～1000mm之间，因此很容易被物体反射。微波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射波信号的频率会产生微小的偏移。

微波警示技术以回波多普勒效应为基础，采用最先进的平面天线，可有效抑制高次谐波和其他杂波的干扰﹑灵敏度高﹑可靠性强﹑安全方便﹑智能节能，车站安全检测的首选技术。

然而，针对铁路客运站台的乘客安全警示线系统，设计一款适合的微带天线装置对于现有技术来说仍然是个空白；因此，如何设计一款适合安全警示线系统的天线装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微带天线装置，以解决上述问题。

由于微波天线的定向散射和微波的直线传播特性，其波束覆盖区域容易控制，容易根据探测区域形成波束覆盖，当人物或物体在微波的感应范围内移动时，便会启动感应器，发出报警信号。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供了一种微带天线装置，包括自上而下依次层叠设置的辐射源、介质层和参考地以及馈电同轴线；

所述辐射源为矩形的辐射贴片；且所述微带天线装置的整体横截面为矩形形状；所述馈电同轴线的内芯线依次穿过所述参考地、所述介质层和所述辐射源，且所述馈电同轴线的一部分固定在所述参考地的区域内，所述馈电同轴线的另一部分固定在所述辐射源的区域内(即实现馈电同轴线与辐射源相连接)；

所述微带天线装置的中心频率为2.5GHz；所述介质层的介电常数ε_r＝3.38，且所述介质层的厚度h＝5mm；所述微带天线装置通过所述馈电同轴线实现馈电。

优选的，作为一种可实施方案；所述介质层具体为Rogers R04003基板。

优选的，作为一种可实施方案；所述微带天线装置的馈电同轴线伸出所述参考地的一端设置有微带天线同轴馈线接头(即射频接头)；所述微带天线同轴馈线接头具体为I－PEX射频接头。

优选的，作为一种可实施方案；所述矩形的辐射贴片的长度L为30.2mm，其宽度W为40.6mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述参考地的长度 L_GND≥60.3mm，其宽度W_GND≥70.5mm；且所述参考地的其具体的尺寸为长度L_GND90mm，宽度W_GND90mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述介质层的长度LG为80mm，宽度WG为80mm。需要说明的是，很显然，上述介质层也有特定的尺寸要求，其详细尺寸长度为LG为80mm，宽度WG为80mm，厚度h为5mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述馈电同轴线的半径为0.5mm，长度为5mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述微带天线装置的微带天线辐射缝隙的长度ΔL为2.34mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述微带天线装置的馈点位置输入阻抗等于50Ω。

与现有技术相比，本实用新型实施例的优点在于：

本实用新型提供的一种微带天线装置，其主要由自上而下依次层叠设置的辐射源、介质层和参考地以及依次穿过参考地、介质层以及辐射源的馈电同轴线等结构组成；

其中，所述辐射源为矩形的辐射贴片；且所述微带天线装置的整体横截面为矩形形状；所述馈电同轴线的内芯线依次穿过所述参考地、所述介质层和所述辐射源，且所述馈电同轴线的一部分固定在所述参考地的区域内，所述馈电同轴线的另一部分固定在所述辐射源的区域内(即实现馈电同轴线与辐射源相连接)；所述微带天线装置的中心频率为2.5GHz；所述介质层的介电常数ε_r＝3.38，且所述介质层的厚度h＝5mm；所述微带天线装置通过所述馈电同轴线实现馈电。

需要说明的是，上述微带天线装置的三个关键参数如下：工作频率f0＝2.5GHz(即所述微带天线装置的中心频率)；介质板材的介电常数ε_r＝3.38；介质层厚度h＝5mm。即所述介质层具体为罗杰斯R04003基板，所述介质层其相对介电常数ε_r＝3.38，所述介质层的厚度h＝5mm，所述微带天线装置通过所述馈电同轴线实现馈电。

本实用新型提供的微带天线装置是一种同轴馈电的微带贴片天线，其采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。同时其经过基于有限元法和空腔模型法设计构成具有相应尺寸以及参数特点的微带天线，该微带天线具有体积小、宽频、质量高等技术优势，尤其适合于铁路客运站台的乘客安全警示线系统中微波天线设备使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的微带天线装置的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的微带天线装置的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的微带天线装置的侧视结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的微带天线装置中的馈点位置的示意图；

图5为带有馈电同轴线的本实用新型实施例提供的微带天线装置的透视结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的微带天线装置在创建微带天线模型坐标的示意图；

图7为本实用新型实施例提供的微带天线装置在创建介质层的示意图；

图8为本实用新型实施例提供的微带天线装置在创建辐射贴片的示意图；

图9为本实用新型实施例提供的微带天线装置在创建馈电同轴线的内芯的示意图；

附图标记说明：

辐射源1；介质层2；参考地3；馈电同轴线4。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

参见图1，本实用新型实施例提供的一种微带天线装置，包括自上而下依次层叠设置的辐射源1、介质层2和参考地3以及馈电同轴线4；

所述辐射源1为矩形的辐射贴片；且所述微带天线装置的整体横截面为矩形形状；所述馈电同轴线4的内芯线依次穿过所述参考地3、所述介质层2和所述辐射源1，且所述馈电同轴线4的一部分固定在所述参考地3的区域内，所述馈电同轴线4的另一部分固定在所述辐射源1的区域内(即实现馈电同轴线4与辐射源1相连接)；

所述微带天线装置的中心频率为2.5GHz；所述介质层的介电常数ε_r＝3.38，且所述介质层的厚度h＝5mm；所述微带天线装置通过所述馈电同轴线实现馈电。需要说明的是，上述微带天线装置的三个关键参数如下：工作频率f0＝2.5GHz(即所述微带天线装置的中心频 率)；介质板材的介电常数ε_r＝3.38；介质层厚度h＝5mm。即所述介质层具体为罗杰斯R04003基板，所述介质层其相对介电常数ε_r＝3.38，所述介质层的厚度h＝5mm，所述微带天线装置通过所述馈电同轴线实现馈电。

本实用新型提供的微带天线装置是一种同轴馈电的微带贴片天线，其采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。同时其经过基于有限元法和空腔模型法设计构成具有相应尺寸以及参数特点的微带天线，该微带天线具有体积小、宽频、质量高等技术优势，尤其适合于铁路客运站台的乘客安全警示线系统中微波天线设备使用。

下面对本实用新型实施例提供的微带天线装置的具体结构以及具体技术效果做一下详细说明：

优选的，作为一种可实施方案；所述介质层具体为Rogers R04003基板。

优选的，作为一种可实施方案；所述微带天线装置的馈电同轴线伸出所述参考地的一端设置有微带天线同轴馈线接头；(即射频接头)；所述微带天线同轴馈线接头具体为I－PEX射频接头。

优选的，作为一种可实施方案；所述矩形的辐射贴片的长度L为30.2mm，其宽度W为40.6mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述参考地的长度L_GND≥60.3mm，其宽度W_GND≥70.5mm，且所述参考地的其具体的尺寸为长度L_GND90mm，宽度W_GND90mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述介质层的长度LG为80mm，宽度WG为80mm。需要说明的是，很显然，上述介质层也有特定的尺寸要求，其详细尺寸长度为LG为80mm，宽度WG为80mm，厚度h为5mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述馈电同轴线的半径为0.5mm，长度为5mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述微带天线装置的微带天线辐射缝隙的长度ΔL为2.34mm。

优选的，作为一种可实施方案；所述微带天线装置的馈点位置输入阻抗等于50Ω。

辐射源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数ε_r、介质层的长度LG和介质层的宽度WG。1、矩形的辐射贴片的长度L为30.2mm，其宽度W为40.6mm，其介质层的有效介电常数ε_r＝3.38；2、辐射缝隙的长度ΔL＝2.34mm；3、所述参考地的其具体的尺寸为长度L_GND90mm，宽度W_GND90mm。

下面简要介绍一下，经过基于有限元法和空腔模型法设计构成具有相应尺寸以及参数特点的微带天线装置的过程；

图1所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本实用新型将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。

对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是TM₁₀模，意味着电场在 长度L方向上有λg/2的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2所示，在长度L方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图3可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

假设矩形贴片的有效长度设为L_e，则有

L_e＝λg/2； (4－1)

式中，λg表示导波波长，有

式中，λ₀表示自由空间波长；ε_e表示有效介电常数，且

式中，ε_r表示介质的相对介电常数；h表示介质层厚度；W表示微带贴片的厚度。

由此，可计算出矩形贴片的实际长度L，有

式中，c表示真空中的光速；f₀表示天线的工作频率；ΔL表示 图2中所示的等效辐射缝隙的长度，且有

矩形贴片的宽度W可以由下式计算：

对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度W之后，还需要确定同轴线馈电的位置，馈电的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常会使用50Ω，对于同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以(x_f，y_f)表示馈电的位置坐标(具体如图4所示意的微带天线装置的俯视图，同时参见图5所示意的微带天线装置的侧视透视结构图)。

对于TM₁₀模式，在W方向上电场长度不变，因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈电，对于避免激发TM_1n模式，在W方向上馈电的位置一般取在中心点，即

y_f＝0； (4－7)

在L方向上电场有λg/2的改变，因此在长度L方向上，从中心点到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50Ω时的馈点位置可以由下式计算

式中，

上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时，计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度L_GND和宽度W_GND只要满足一下两式即可，即

L_GND≥L+6h； (4－10)

W_GND≥W+6h； (4－11)

本项目的矩形微带天线中心频率为2.5GHz，选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数ε_r＝3.38，厚度h＝5mm，天线使用同轴线馈电。微带线的三个关键参数如下：工作频率f0＝2.5GHz；介质板材的介电常数ε_r＝3.38；介质层厚度h＝5mm。

(1)矩形贴片的宽度W；

把c＝3.0×10⁸m/s，f0＝2.5GHz，ε_r＝3.38代入式(4－1)，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即

W＝0.04054m＝40.6mm

(2)有效介电常数ε_e；

把h＝5mm，W＝40.6mm，ε_r＝3.38代入式(4－6)，可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，即

ε_e＝2.95

(3)辐射缝隙的长度ΔL；

把h＝5mm，W＝40.6mm，ε_e＝2.95代入式(4－5)，可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即

ΔL＝2.34mm

(4)矩形贴片的长度L；

把c＝3.0×10⁸m/s，f0＝2.5GHz，ε_e＝2.95，ΔL＝2.34mm代入式(4－4)，可以计算出微带天线矩形贴片的长度，即

L＝30.2mm

(5)参考地的长度L_GND和宽度W_GND；

把h＝5mm，W＝40.6mm，L＝30.2mm分别代入式(4－10)和式(4－11)，可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即

L_GND≥60.3mm；W_GND≥70.5mm；

本项目天线使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML边界表面，这里使用辐射边界条件。为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4个波长。因为使用了辐射边界表面，所以同轴线馈线的信号输入输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。

天线的中心频率2.5GHz，因此设置HFSS的求解频率为2.5GHz，同时添加1.5G—3.5GHz的扫描设置，分析天线在1.5G—3.5GHz频段内的回波损耗或者电压驻波比。如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫描结果显示谐振频率没有落在2.5GHz，还需添加参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置，以 达到良好的天线性能。

根据理论计算，创建微带天线模型

(1)创建参考地

在Z＝0的XOY面上创建一个顶点位于(－45mm，－45mm)，大小为90mm×90mm的矩形面作为参考地，命名为GND，并为其分配理想导体边界条件(具体参见图6)。

(2)创建介质层

如图7所示，创建一个长×宽×高为80mm×80mm×5mm的长方形作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上(即z＝0的XOY面上)，其顶点坐标为(－40，－40，0)，介质板的材料为R04003。

(3)创建辐射贴片

如图8所示，在z＝5的XOY面上创建一个顶点坐标为(－15.1mm，－20.3mm，5mm)，大小为30.2mm×40.6mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。

(4)创建馈电同轴线的内芯

如图9所示，创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为(8.9mm，0，0)，材料为理想导体，同轴馈线命名为Feed。

(5)创建信号传输端口面

同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量。因此，需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输，圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为(8.9mm，0，0)，并将其命名为Port。

创建一个长方体，其顶点坐标为(－80，－80，－35)，长方形的长宽高为160mm、160mm、75mm，长方体模拟自由空间，因此材质为真 空，长方体命名为Air，创建好这样的一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。

设置激励端口：设置同轴线信号端口面(即圆面Port)的激励方式为集总端口激励。

(8)添加和使用变量

添加设计变量Length，初始值为30.2mm，用以表示激带贴片的长度：添加设计变量Width，初始值为40.6mm，用以表示微带贴片的宽度：添加设计变量x_f，初始值为8.9mm，用以表示同轴馈线的圆心点的x轴坐标。

本项目设计的微带贴片天线中心频率在2.5GHz，因为设置HFSS的求解频率(即自适应网格剖分频率)为2.5GHz；同时添加1.5－3.5GHz的扫描设置，选择快速(Fast)扫频类型，分析天线在1.5－3.5GHz频段的回波损耗或者电压驻波比。

通过前面的操作，已经完成了模型创建和求解设置等HFSS设计的前期工作，接下来就可以运行仿真计算，并查看分析结果了。在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。

需要说明的是，本实用新型还设计了后续的设置激励端口以及添加和使用变量等步骤，对此本实用新型不再一一赘述。总之，经过一些列的设计过程证明，由于宽对微带天线的影响不高，所以仍取原w值40.6mm。

通过以上设计和技术优化，项目实现了安全白线内侧(指向火车方向)垂直地面以上空间的180度无死角探测，使得每个微波雷达探 测单元沿安全白线形成垂直于地面的1/4球体波束。通过多个探测器线性分布，连成沿安全白线的立体安全警示墙，其为微波雷达探测设备布设于地面工作奠定了技术基础。

本实用新型实施例提供的微带天线装置，其每个机车车辆单元都具有特殊的结构设计，且每个机车车辆单元的具体结构装置之间连接、布局等都具有巧妙的设计；因此，本实用新型实施例提供的微带天线装置，其设计更为合理，系统架构更加新颖、功能更加完善。

基于以上诸多显著的技术优势，本实用新型提供的微带天线装置必将带来良好的市场前景和经济效益。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微带天线装置，其特征在于，包括自上而下依次层叠设置的辐射源、介质层和参考地以及馈电同轴线；

所述辐射源为矩形的辐射贴片；且所述微带天线装置的整体横截面为矩形形状；所述馈电同轴线的内芯线依次穿过所述参考地、所述介质层和所述辐射源，且所述馈电同轴线的一部分固定在所述参考地的区域内，所述馈电同轴线的另一部分固定在所述辐射源的区域内；

所述微带天线装置的中心频率为2.5GHz；所述介质层的介电常数ε_r＝3.38，且所述介质层的厚度h＝5mm；所述微带天线装置通过所述馈电同轴线实现馈电。

2.如权利要求1所述的微带天线装置，其特征在于，

所述介质层具体为Rogers R04003基板。

3.如权利要求2所述的微带天线装置，其特征在于，

所述微带天线装置的馈电同轴线伸出所述参考地的一端设置有微带天线同轴馈线接头。

4.如权利要求3所述的微带天线装置，其特征在于，

所述矩形的辐射贴片的长度L为30.2mm，其宽度W为40.6mm。

5.如权利要求4所述的微带天线装置，其特征在于，

所述参考地的长度L_GND≥60.3mm，所述参考地的宽度W_GND≥70.5mm。

6.如权利要求5所述的微带天线装置，其特征在于，

所述参考地的其具体的尺寸为长度L_GND90mm，宽度W_GND90mm。

7.如权利要求6所述的微带天线装置，其特征在于，

所述介质层的长度LG为80mm，宽度WG为80mm。

8.如权利要求7所述的微带天线装置，其特征在于，

所述馈电同轴线的半径为0.5mm，长度为5mm。

9.如权利要求8所述的微带天线装置，其特征在于，

所述微带天线装置的微带天线辐射缝隙的长度ΔL为2.34mm。

10.如权利要求9所述的微带天线装置，其特征在于，

所述微带天线装置的馈点位置输入阻抗等于50Ω。