CN102522633A - 超宽带小型化分形天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超宽带小型化分形天线，主要由接地板、双鞭天线和阻抗变换传输线构成；其中双鞭天线包括直立设置在接地板上的2根金属柱；阻抗变换传输线水平设置在接地板的上表面、且嵌在构成双鞭天线的2条金属柱之间；上述阻抗变换传输线包括2个或2个以上、并具有不同宽度的金属条，这些金属条随其自身宽度自小而大排列、并在金属条的长度方向上进行迭代连接，其中宽度最小的金属条与双鞭天线的1根金属柱连接、宽度最大的金属条与双鞭天线的另1根金属柱连接。本发明能够在有效降低天线尺寸的同时，保持较宽的频带、较高的辐射效率、较好的方向图特性。

Description

超宽带小型化分形天线

技术领域

本发明涉及一种天线装置，具体涉及一种超宽带小型化分形天线。

背景技术

目前，常利用四分之一波长单极、电小天线、或常规Hilbert分形结构来完成短波或超短波天线的设计。而上述设计方案又各存在一定的不足：如利用四分之一波长单极设计短波或超短波天线，由于天线的长度与工作频率成反比，因此在所设计的天线需要具有较低的工作频率时，其天线的长度则较长，从而天线的机动性、可架设性、隐蔽性都比较差。利用电小天线设计短波或超短波天线，会大大增加天线的Q值，降低天线的辐射效率，同时天线的带宽受限。采用常规Hilbert分形结构设计短波或超短波天线，虽能够降低天线的尺寸，但为了保证天线的移动性和可架设性，通常只采用1阶Hilbert曲线。而对于常规的Hilbert分形结构而言，当天线的尺寸缩减到k₀a＜0.5～0.6(k₀为波数，a为包围天线的最小半径)以后，天线的辐射效率迅速降低，天线的工作带宽受限，而且天线馈电点的输入阻抗随频率变化剧烈，因而非常不利于匹配电路的设计。另外，由于分形而导致的曲流效应可能会造成天线具有较严重的交叉极化特性，进一步对方向图特性造成严重影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超宽带小型化分形天线，它能够在有效降低天线尺寸的同时，保持较宽的频带、较高的辐射效率、较好的方向图特性。

为解决上述问题，本发明所设计的一种超宽带小型化分形天线，包括天线本体，所述天线本体主要由接地板、双鞭天线和阻抗变换传输线构成；其中双鞭天线包括直立设置在接地板上的2根金属柱；阻抗变换传输线水平设置在接地板的上表面、且嵌在构成双鞭天线的2条金属柱之间；上述阻抗变换传输线包括2个或2个以上、并具有不同宽度的金属条，这些金属条随其自身宽度自小而大排列、并在金属条的长度方向上进行迭代连接，其中宽度最小的金属条与双鞭天线的1根金属柱连接、宽度最大的金属条与双鞭天线的另1根金属柱连接。

上述方案中，所述金属条为长方形或正方形。

上述方案中，所述金属条可以由平行双导线、或微带线、或带状线之一构成。

上述方案中，所述金属条最好由微带线构成。

上述方案中，所述天线本体还包括馈源，该馈源位于阻抗变换传输线的其中一端。

上述方案中，所述馈源位于阻抗变换传输线与双鞭天线的其中1根金属柱的相交处。

上述方案中，所述馈源最好位于阻抗变换传输线的最小宽度金属条与双鞭天线的金属柱的相交处。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过双鞭天线和阻抗变换传输线构成改进型Hilbert分形结构，从而大大限制了常规Hilbert天线中的曲流效应，使得天线的辐射主要由双鞭天线产生，幅度降低了天线的交叉极化水平，在宽频带范围内天线都具有较好的方向图特性；此外，天线的工作频带可以通过改变双鞭天线的高度以及阻抗变换传输线的长度和特性阻抗来调整；

2、由于阻抗变换传输线采用高阻抗线结构，在设计中改变高阻抗线中不同段的特性阻抗，可以实现宽频带工作，在120MHz～300MHz的频率范围内，电压驻波比≤3；

3、选择合适的馈电点位置，天线馈电点的输入阻抗特性得到了很大的改善，其输入阻抗的实部变化趋于平坦，虚部的电抗值也大幅度减小且变化范围变小，有利于进一步设计匹配电路；如果进一步设计匹配电路，电压驻波比≤3的频率范围达到15个倍频程，为20～300MHz，实现超宽带。

附图说明

图1为本发明一种超宽带小型化分形天线的结构示意图；

图2为阻抗变换传输线的等效电路图；

图3为单根单极子天线的等效电路图；

图4为图1的等效电路图。

图中标号：1、接地板；2、双鞭天线；3、阻抗变换传输线；4、馈源。

具体实施方式

参见图1，本发明一种超宽带小型化分形天线，主要由接地板1、双鞭天线2、阻抗变换传输线3构成。其中双鞭天线2包括直立设置在接地板1上的2根金属柱；阻抗变换传输线3水平设置在接地板1的上表面、且嵌在构成双鞭天线2的2条金属柱之间。上述阻抗变换传输线3包括2个或2个以上、并具有不同宽度的金属条，这些金属条随其自身宽度自小而大排列、并在金属条的长度方向上进行迭代连接，其中宽度最小的金属条与双鞭天线2的1根金属柱连接、宽度最大的金属条与双鞭天线2的另1根金属柱连接。双鞭天线2和阻抗变换传输线3构成改进型Hilbert分形结构，这样能够在有效降低天线尺寸的同时，保持较宽的频带、较高的辐射效率、较好的方向图特性；而其中阻抗变换传输线3采用n阶形式，使得天线的工作频带能够通过改变双鞭天线2的高度以及阻抗变换传输线3的长度和特性阻抗来进行调整。

2根金属柱构成一对双鞭天线2，即2根单极子天线构成一对偶极子天线，该结构与传统结构大体相同。阻抗变换传输线3跨接在双鞭天线2的2根单极子天线之间，阻抗变换传输线3的结构决定天线的输入阻抗和方向图。在本发明中，通过阻抗变换传输线3的结构即金属条结构实现分形，以实现天线工作带宽的展宽，即将n个具有不同宽度的金属条进行首尾顺次连接，即构成了2根单极子天线之间的n阶改进型Hilbert分形结构。所述金属条呈长方形或正方形，并可以由实心的金属块或中空的金属线构成。在本发明中，所述金属条由平行双导线、或微带线、或带状线构成。为了减少阻抗变换传输线3的辐射对天线极化性能和方向图特性的影响，在本发明优选实施例中，阻抗变换传输线3与接地板1形成微带线结构又叫高阻抗线，这样流经阻抗变换传输线3上的电流产生的场绝大部分被限制在阻抗变换传输线3和接地板1之间，使阻抗变换传输线3上流经的电流在空间的辐射场强大大降低，从而降低了天线的交叉极化特性。因此天线的方向图特性能得到极大改善。

为了改善天线的输入阻抗特性，需为天线选择合适的馈源4位置，其具体位置根据天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗来确定。在本发明中，所述馈源4位于阻抗变换传输线3的其中一端即靠近双鞭天线2的金属柱处。作为优化，所述馈源4应恰好位于阻抗变换传输线3与双鞭天线2的其中1根金属柱的相交处。馈源4位于阻抗变换传输线3的最小宽度金属条与双鞭天线2的金属柱的相交处或位于馈源4位于阻抗变换传输线3的最大宽度金属条与双鞭天线2的金属柱的相交处，但两处馈源4点需要设计不同的匹配电路。为了得到最优的输入阻抗特性，在本发明优选实施例中，所述馈源4位于阻抗变换传输线3的最小宽度金属条与双鞭天线2的金属柱的相交处。

图2为阻抗变换传输线3的等效电路图，其中阻抗变换传输线3为3阶形式。图中，Z₀₁，Z_0(i-1)，Z_0i，Z_0n分别对应各段微带线的特性阻抗，表示为：

$Z_{0i}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\ln (\frac{8h}{W_i}+0.25\frac{W_i}{h})$

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}\[{(2+\frac{12h}{W_i})}^{-1/2}+0.041{(1-\frac{W_i}{h})}^2\]$ W_i/h≤1

$Z_{0i}=\frac{120\mathrm{\π}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\·\frac{1}{\[W_i/h+1.393+0.667\ln (W_i/h+1.4444)]}$

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W_i})}^{-1/2}$ W_i/h≥1

上式中h为微带线介质板的厚度，W_i为第i金属条的宽度，ε_r为介质板的介电常数。

图3为单根单极子天线的等效电路，图中两并联谐振电路R₁，L₁，C₁以及R₂，L₂，C₂分别表示偶极子天线的第一个和第二个谐振频率。则该电路的输入阻抗Z_in为偶极子天线的输入阻抗，简要表示为Z_in＝r₁+jx₁。

图4为图1的等效电路图，其中[Z_in]为图3所示的偶极子天线的输入阻抗，Z₀₁……Z_0n对应图2所述高阻抗线中各段微带线的特性阻抗，以位置i作为天线的馈入点即馈源4的位置，则馈入点左边的输入阻抗为Z_in(i-1)，馈入点右边的输入阻抗为Z_in(i)，分别表示为：

$Z_{\mathrm{in}(i-1)}=Z_{0(i-1)}\frac{Z_{\mathrm{in}(i-2)}+{\mathrm{jZ}}_{0(i-1)}{\mathrm{tg\βd}}_{0(i-1)}}{Z_{0(i-1)}+{\mathrm{jZ}}_{\mathrm{in}(i-2)}{\mathrm{tg\βd}}_{0(i-1)}}$ ①

$Z_{\mathrm{im}\left(i\right)}=Z_{0i}\frac{Z_{\mathrm{in}(i+1)}+{\mathrm{jZ}}_{0i}{\mathrm{tg\βd}}_{0i}}{Z_{0i}+{\mathrm{jZ}}_{\mathrm{in}(i+1)}{\mathrm{tg\βd}}_{0i}}$ ②

最后，得到天线馈入点的输入阻抗表示为馈入点左边以及右边输入阻抗的并联：

Z_in＝Z_in(i-1)//Z_in(i)   i＝1，2，3...    ③

根据式①-③，改变输入点i的位置，则Z_in(i-1)和Z_in(i)相应发生改变，从而达到调节天线馈电点的输入阻抗Z_in的目的。天线馈电位置的选取由式④确定：

Z_in＝Z₀                                  ④

式中Z₀为馈线的特征阻抗，Z_in由式3确定。

根据式①-④的计算，选择如图1中的“4”位置，即阻抗变换传输线3的最小宽度金属条与双鞭天线2的金属柱的相交处作为馈入点可以得到最优的输入阻抗特性。

在本发明的基础上再设计匹配电路，天线的工作频率的带宽会得到进一步拓展，其电压注波比小于3的频带达到15个倍频程。在20-60MHz频带范围内天线最大辐射效率为25％；在60-100MHz频带范围内天线辐射效率处于10％-25％之间；在100-180MHz频率范围内天线辐射效率处于25％-50％之间；在180-300MHz频率范围内天线辐射效率大于50％。

Claims (7)

1.超宽带小型化分形天线，包括天线本体，其特征在于：所述天线本体主要由接地板(1)、双鞭天线(2)和阻抗变换传输线(3)构成；其中双鞭天线(2)包括直立设置在接地板(1)上的2根金属柱；阻抗变换传输线(3)水平设置在接地板(1)的上表面、且嵌在构成双鞭天线(2)的2条金属柱之间；上述阻抗变换传输线(3)包括2个或2个以上、并具有不同宽度的金属条，这些金属条随其自身宽度自小而大排列、并在金属条的长度方向上进行迭代连接，其中宽度最小的金属条与双鞭天线(2)的1根金属柱连接、宽度最大的金属条与双鞭天线(2)的另1根金属柱连接。

2.根据权利要求1所述的超宽带小型化分形天线，其特征在于：所述金属条为长方形或正方形。

3.根据权利要求1所述的超宽带小型化分形天线，其特征在于：所述金属条由平行双导线、或微带线、或带状线构成。

4.根据权利要求3所述的超宽带小型化分形天线，其特征在于：所述金属条由微带线构成。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的超宽带小型化分形天线，其特征在于：所述天线本体还包括馈源(4)，该馈源(4)位于阻抗变换传输线(3)的其中一端。

6.根据权利要求5所述的超宽带小型化分形天线，其特征在于：所述馈源(4)位于阻抗变换传输线(3)与双鞭天线(2)的其中1根金属柱的相交处。

7.根据权利要求6所述的超宽带小型化分形天线，其特征在于：所述馈源(4)位于阻抗变换传输线(3)的最小宽度金属条与双鞭天线(2)的金属柱的相交处。

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