CN102255139A - 一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线 - Google Patents

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林澍
蔡润南
黄冠龙
张雪莹
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Abstract

本发明公开了一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线，包括介质板、反射器、后裙、有源振子、前裙、引向器和馈电处；反射器、后裙、有源振子、前裙、引向器和馈电处印刷在介质板的一侧表面，所述有源振子的(4-1)部分为有源振子的一臂，前裙5中的(5-1)部分、后裙中的(3-1)部分组成了有源振子4的另外一臂；反射器2长度lr应大于有源振子两臂总长度，反射器2长度lr约为有源振子两臂总长度的1-1.1倍；引向器6长度ld小于有源振子两臂总长度，引向器6长度ld约为两臂总长度的40-50％。在大批量生产中可以节约成本40％-50％，会产生显著的经济效益。

Description

一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，尤其涉及一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线。
背景技术
引向天线又称作八木天线或者八木-宇田天线，是一种定向辐射天线，通常由一个有源振子作为天线的辐射馈源，一至两个反射器和若干个引向器构成，利用有源振子在引向器和反射器上感应的电流和有源振子共同作用而实现定向辐射。自从1928年被日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明以来，在无线电通信领域和雷达领域获得了广泛的应用。随着通信技术的发展，这类天线出现了许多种形式，主要分为两大类：
(1)传统金属圆柱振子型引向天线：现在仍然在电视、雷达等领域广泛使用，主要特点为引向器数目较多，增益高，带宽窄；
(2)印刷形式的引向天线：包括双面印刷形式的引向天线和单面印刷的引向天线，主要特点为带宽较宽，结构简单，但是馈电部分往往较大，从而增加了天线尺寸，不利于与电路的集成以及设备的小型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线，既解决引向天线尺寸大的问题，同时又保持较宽的带宽。
采用如下技术方案：
一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线，包括介质板、反射器、后裙、有源振子、前裙、引向器和馈电处；反射器、后裙、有源振子、前裙、引向器和馈电处印刷在介质板的一侧表面，所述有源振子的4-1部分为有源振子的一臂，前裙5中的5-1部分、后裙3中的3-1部分组成了有源振子4的另外一臂；反射器2长度lr应大于有源振子两臂总长度(图中标注l+L)，反射器2长度lr约为有源振子两臂总长度的1-1.1倍；引向器6长度ld小于有源振子两臂总长度(图中标注l+L)，引向器6长度ld约为两臂总长度的40-50％。
所述的印刷引向天线，所述介质板采用相对介电常数为4.4，厚度为1.5mm的FR-4。
所述的印刷引向天线，所述馈电处使用同轴接头馈电或与集成电路中的共面波导馈线直接相连馈电。
所述的印刷引向天线，所述有源振子的长度为l＝20mm，宽度为wf＝4mm，引向器和反射器的长度分别为ld＝20mm和lr＝41mm，引向器和反射器与有源振子之间的中心距离分别为sd＝15mm和sr＝22mm。
所述的印刷引向天线，所述有源振子的下半部分和前裙以及后裙中分别除了5-1部分和3-1部分的其余部分构成4-2部分，4-2部分用作印刷引向天线的馈电线部分。
所述的印刷引向天线，所述4-2部分两侧外缘的金属分别和5-1部分以及3-1部分间隔一定的距离，所述距离优选为0.5mm。
所述的印刷引向天线，所述前裙包括5-2部分，后裙包括的3-2部分，所述5-2部分和3-2部分用于调整印刷引向天线的阻抗。
根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，所述5-2和3-2的尺寸为：宽9mm，高6mm。
为了实现引向天线的平面化、宽带化和小型化，针对现有的印刷型平面引向天线馈电尺寸大，双面印刷成本高的问题，提出了本项发明。本发明所提出的“具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线”馈电形式紧凑，充分利用了天线空间，所占面积仅为天线面积的30％以下，具有良好的小型化的效果，馈电结构为共面波导结构，可以适用于同轴线等传统馈线馈电，也可以适用于现代集成传输线馈电；本发明所提出的天线是单面印刷电路，在大批量生产中可以节约成本40％-50％，会产生显著的经济效益；另外，单面板与双面板尤其是带有过孔的双面板相比，将显著提高稳定性。
附图说明
图1为本发明引向天线结构示意图；1、介质板；2、反射器；3、后裙；4、有源振子；5、前裙；6、引向器；7馈电处；
图2为本发明天线反射损耗测试结果，图中是原始的测试曲线；
图3为3.5GHz时的天线的方向图的实验结果；(a)为3.5GHz时天线的E面方向图的实验结果；(b)为3.5GHz时的天线的H面的实验结果；
图4为本发明引向天线有源振子4和后裙3以及前裙5的结构划分示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明引向天线的结构如图1所示，包括有源振子4、一个引向器6和一个反射器2，其中有源振子4采用印刷型的裙式偶极天线结构。印刷在相对介电常数为4.4，厚度为1.5mm的FR-4介质板1的一侧表面，有源振子4的长度为l，宽度为wf，引向器6和反射器2的长度分别为ld和lr，它们与有源振子4之间的中心距离分别为sd和sr。
引向器6从有源振子4处耦合能量，可以改变引向天线的带宽及方向性，引向器6长度ld小于有源振子两臂总长度(图中标注l+L)，引向器6长度ld约为两臂总长度的40-50％。
反射器2也从有源振子4处耦合能量，对引向天线的阻抗及方向性产生影响，反射器2长度lr应大于有源振子两臂总长度(图中标注l+L)，反射器2长度lr约为有源振子两臂总长度的1-1.1倍。通过引向器6和反射器2的影响，可以使天线具有较宽的带宽和较强的方向性。馈电处7可以使用同轴接头馈电，也可以与集成电路中的共面波导馈线直接相连馈电，这样以来，适用范围广，既可以用同轴线馈电，也可以与印刷电路板集成。
作为优选的一个方案，天线的尺寸为：ws＝45mm，ls＝49mm，wg＝13mm，lg＝6mm，wf＝4mm，s＝1.5mm，l＝20mm，L＝21mm，w＝8.5mm，wr＝3mm，wd＝3mm，lr＝41mm，ld＝20mm，sr＝22mm，sd＝15mm.。
如图4所示，为本发明中有源振子4和后裙3以及前裙5的结构划分示意图。有源振子4中的4-1部分、前裙5中的5-1部分、后裙3中的3-1部分这三者共同组成了有源振子4的两臂，其中，因为5-1和3-1在馈电处7的位置电连接在一起的，所以其实是一个臂，4-1部分组成了有源振子的另外一臂。
4-2部分包含了有源振子4的下半部分和前裙5以及后裙3中分别除了振子臂5-1和3-1的其余部分，4-2部分是天线的馈电线部分，起到了给天线馈电的作用，设计的较为紧凑，充分利用了空间。属于前裙5的5-2和属于后裙3的3-2两部分是为了调整天线的阻抗而添加的金属，其面积大小对天线阻抗匹配性能的影响很大，本发明综合考虑了面积大小以及匹配效果，最终确定3-2和5-2的尺寸为：宽9mm，高6mm。
作为优选的一个方案，馈电线部分4-2两侧外缘的金属分别和5-1以及3-1间隔一定的距离，在本发明中为0.5mm。
根据上述要求的尺寸制作了天线的实物并进行了测试。结果表明，天线在2.6-3.95GHz的频带内反射系数低于-10dB，相对带宽为41.2％，增益为4.5dB，天线主瓣宽度较宽，前后比均在10dB以上。
从图2的天线测试结果可以看出，天线在2.6-3.95GHz的频率范围内反射系数低于-10dB，相对带宽达到了41.2％，属于宽带天线，并且这个频带覆盖了WiMAX系统的工作频带，所以本发明可以应用于WiMAX系统中。
从图3的天线测试结果可以看出，天线在WiMAX所应用的典型频率3.5GHz处具有较好的定向辐射特性，其E面和H面方向图的前后比均高于10dB，并且波瓣较宽，E面的3dB波瓣宽度超过了90°，H面的波瓣宽度超过了120°，结合天线尺寸以及增益的测试结果，说明了本项发明在天线尺寸、带宽、波束覆盖和增益等指标上获得了良好的结合。
印刷型的裙式偶极天线的提出，是根据传统的同轴线馈电的裙式偶极天线并借鉴了同轴线和共面波导的对应关系设计的。因为共面波导的顶视图可以看成是普通同轴线的剖面图，那么传统的同轴线馈电的裙式偶极天线的剖面图就是共面波导馈电的印刷型的裙式偶极天线的顶视图(如图1)。
(1)本发明所提出的“具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线”馈电形式紧凑，充分利用了天线空间，所占面积仅为天线面积的30％以下，具有良好的小型化的效果，馈电结构为共面波导结构，可以适用于同轴线等传统馈线馈电，也可以适用于现代集成传输线馈电；
(2)本发明所提出的天线是单面印刷电路，在大批量生产中可以节约成本40％-50％，会产生显著的经济效益；
(3)本发明所采用的单面板与双面板尤其是带有过孔的双面板相比，将显著提高稳定性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有裙式偶极有源振子的印刷引向天线，其特征在于，包括介质板、反射器、后裙、有源振子、前裙、引向器和馈电处；反射器、后裙、有源振子、前裙、引向器和馈电处印刷在介质板的一侧表面，所述有源振子的(4-1)部分为有源振子的一臂，前裙中的(5-1)部分、后裙中的(3-1)部分组成了有源振子4的另外一臂；反射器2长度lr应大于有源振子两臂总长度，反射器2长度lr约为有源振子两臂总长度的1-1.1倍；引向器6长度ld小于有源振子两臂总长度，引向器6长度ld约为两臂总长度的40-50％。
2.根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，所述介质板采用相对介电常数为4.4，厚度为1.5mm的FR-4。
3.根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，所述馈电处使用同轴接头馈电或与集成电路中的共面波导馈线直接相连馈电。
4.根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，所述有源振子的长度为l＝20mm，宽度为wf＝4mm，引向器和反射器的长度分别为ld＝20mm和lr＝41mm，引向器和反射器与有源振子之间的中心距离分别为sd＝15mm和sr＝22mm。
5.根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，所述有源振子的下半部分和前裙以及后裙中分别除了(5-1)部分和(3-1)部分的其余部分构成(4-2)部分，(4-2)部分用作印刷引向天线的馈电线部分。
6.根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，所述(4-2)部分两侧外缘的金属分别和(5-1)部分以及(3-1)部分间隔一定的距离，
7.根据权利要求6所述的印刷引向天线，其特征在于，所述距离为0.5mm。
8.根据权利要求1所述的印刷引向天线，其特征在于，前裙包括(5-2)部分，后裙包括的(3-2)部分，所述(5-2)部分和(3-2)部分用于调整印刷引向天线的阻抗。
9.根据权利要求8所述的印刷引向天线，其特征在于，所述(5-2)部分和(3-2)部分的尺寸为：宽9mm，高6mm。
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