CN102760944A

CN102760944A - 加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线

Info

Publication number: CN102760944A
Application number: CN2012102664722A
Authority: CN
Inventors: 林澍; 刘曦; 马欣茹; 荆丽雯; 董佳鑫; 林怡琛; 刘梦芊; 田雨; 陆加
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: CN102760944B

Abstract

加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线，它涉及一种全向辐射振子阵列天线，以解决现有全向天线的带宽窄、单位电长度增益低、全向性差的问题。介质板1的正面印刷有两组振子、共面波导中心馈线、馈电端口匹配枝节和辐射型终端负载，共面波导中心馈线的上端与辐射型终端负载连接、下端与馈电端口匹配枝节连接，两组振子上、下设置，每组振子包括左侧振子、右侧振子和两个加载水平金属带条，左侧振子和右侧振子对称设置在共面波导中心馈线的两侧，两个加载水平金属带条对称设置在左侧振子和右侧振子的外侧，上水平馈线的两端分别与上方的两个金属化过孔连接，下水平馈线的两端分别与下方的两个金属化过孔连接。本发明属于用于通信的印刷型天线。

Description

加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线

技术领域

本发明涉及一种印刷型天线，具体涉及一种全向辐射印刷型天线。

背景技术

印刷型天线是一种采用现代印制电路板技术制作的天线，全向天线是一种在水平面内辐射特性基本没有差异，而在垂直面内具有定向辐射性的天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。全向天线发展至今，结构形式上产生了多样化的改变，有单极子、偶极子、双锥、螺旋天线等，而实现方式上主要有并馈和串馈两种方式。在一点对多点的基站对终端的通信和卫星通信系统等一些专用通信系统中有广泛的应用。

一般以全向增益超过4dB为高增益标准，这样可保证波束较宽。因此需要通过合理的设计保证天线在单位尺寸上产生最高的增益，现有的研究可以概括为：(1)、异形振子，虽然能够实现宽带，但会发生方向图分裂，全向性较差。(2)、同轴共线交叉馈电振子天线(COCO Antenna)，虽然能够实现高增益和全向性，但是由于终端为短路器，使得整个天线为谐振式结构，导致带宽较窄。现有的全向高增益天线普遍具有带宽窄和单位长度产生的增益较低等特点，而后者不利于天线的小型化。因此如何在保证全向性较好的情况下尽可能展宽带宽并同时提高增益，是研究的热点问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有全向天线的带宽窄、单位电长度增益低、全向性差的问题，提供一种加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线。

本发明的加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线包括介质板、共面波导中心馈线、馈电端口匹配枝节、辐射型终端负载、上水平馈线、下水平馈线和两组振子，介质板的正面印刷有两组振子、共面波导中心馈线、馈电端口匹配枝节和辐射型终端负载，辐射型终端负载、共面波导中心馈线和馈电端口匹配枝节由上至下依次设置，且共面波导中心馈线的上端与辐射型终端负载连接，共面波导中心馈线的下端与馈电端口匹配枝节连接，两组振子上、下设置在辐射型终端负载的下方，每组振子包括左侧振子、右侧振子和两个加载水平金属带条，左侧振子和右侧振子对称设置在共面波导中心馈线的两侧，两个加载水平金属带条对称设置在左侧振子和右侧振子的外侧，每个加载水平金属带条与其对应的振子垂直设置，且每个加载水平金属带条与其对应的振子连接，介质板上与每个左侧振子和每个右侧振子对应处均设有一个金属化过孔，上方的左侧振子和右侧振子对应的两个金属化过孔在同一水平线上，下方的左侧振子和右侧振子对应的两个金属化过孔在同一水平线上，上水平馈线的两端分别与上方的两个金属化过孔连接，下水平馈线的两端分别与下方的两个金属化过孔连接。

本发明具有以下优点：

一、上、下方的左侧振子和右侧振子通过上水平馈线和下水平馈线与金属化过孔连接，达到强制均衡馈电的作用，使得上、下的左侧振子和右侧振子都能够很好的进行馈电；加载水平金属带条的作用是改善天线上的电流分布，使得天线上的辐射电流更为均匀，从而大幅度的改善辐射方向图的不圆度，提高全向性；加载馈电端口匹配枝节则起到了调整馈电端口阻抗，从而实现阻抗匹配的作用。二、本发明采用辐射型终端负载，改变了以往损耗型终端负载的使天线效率降低的缺点，能够提高增益减少损耗，从而得到较高的增益。三、本发明采用印刷结构，利于天线的小型化和批量生产，具有较高的经济价值。

附图说明

图1是本发明的整体主视图；图2是图1的I局部放大图；图3是图2的后视图；图4是图3的A-A剖视图；图5是图4的II局部放大图；图6是具体实施方式四的天线反射系数测试图；图7是具体实施方式四的天线在典型频点4.6GHz E面和H面方向图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式的加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线包括介质板1、共面波导中心馈线6、馈电端口匹配枝节7、辐射型终端负载8、上水平馈线9、下水平馈线10和两组振子，介质板1的正面印刷有两组振子、共面波导中心馈线6、馈电端口匹配枝节7和辐射型终端负载8，辐射型终端负载8、共面波导中心馈线6和馈电端口匹配枝节7由上至下依次设置，且共面波导中心馈线6的上端与辐射型终端负载8连接，共面波导中心馈线6的下端与馈电端口匹配枝节7连接，两组振子上、下设置在辐射型终端负载8的下方，每组振子包括左侧振子2、右侧振子3和两个加载水平金属带条4，左侧振子2和右侧振子3对称设置在共面波导中心馈线6的两侧，两个加载水平金属带条4对称设置在左侧振子2和右侧振子3的外侧，每个加载水平金属带条4与其对应的振子垂直设置，且每个加载水平金属带条4与其对应的振子连接，介质板1上与每个左侧振子2和每个右侧振子3对应处均设有一个金属化过孔5，上方的左侧振子2和右侧振子3对应的两个金属化过孔5在同一水平线上，下方的左侧振子2和右侧振子3对应的两个金属化过孔5在同一水平线上，上水平馈线9的两端分别与上方的两个金属化过孔5连接，下水平馈线10的两端分别与下方的两个金属化过孔5连接。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式的辐射型终端负载8的形状由上部为长方形与下部为半圆形构成，长方形的短边与半圆形的直径相等。长方形的长边长度为L1、短边宽度(半圆形直径)为W1，这样设计，能够起到辐射电磁波的作用，从而使天线的增益得到了进一步的提高。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三、结合图2说明本实施方式，本实施方式的馈电端口匹配枝节7与左侧振子2之间的距离和馈电端口匹配枝节7与右侧振子3之间的距离相等。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

整个天线是一块双面的印刷电路板，介质板1的厚度D1为1.5mm，介质板1为相对介电常数ε_r是4.4的环氧(FR4)基板。

馈电口加载了馈电端口匹配枝节7用来匹配天线馈电，馈电端口匹配枝节7起到调整输入阻抗的作用，使得馈电效率更高；加载水平金属带条4用来改善天线上的电流分布使得天线上的辐射电流更为均匀，从而大幅度的改善天线方向图的不圆度，提高全向性；左侧振子2和右侧振子3通过上水平馈线9与金属化过孔5相连接，达到了强制均衡馈电的目的；共面波导中心馈线6位于印刷天线的中心，能够将馈电电流很好的送至终端辐射型负载；天线的终端为辐射型终端负载8(即无耗的异形辐射型负载)，能够提高增益减少损耗，从而得到较高的增益。

具体实施方式四：介质板1的长为L、宽为W；上方左侧振子2的上端面至上方加载水平金属带条4的上端面之间的距离为L2，上方左侧振子2的下端面至上方加载水平金属带条4的下端面之间的距离为L2，左侧振子2至右侧振子3之间的距离为W2，加载水平金属带条4的宽度为L3、长度为W3，馈电端口匹配枝节7的宽度为L4、馈电端口匹配枝节7的长度为W4，上方左侧振子2至下方左侧振子2之间的间距为L5(上方右侧振子3至下方上方之间的间距为L5)，共面波导中心馈线6的宽度为W5，下方左侧振子2和下方右侧振子3的长度均为L6，左侧振子2和右侧振子3宽均为W6，上水平馈线9和下水平馈线10的宽均为L7、长度均为W7，下方左侧振子2的下端面至下方加载水平金属带条4的下端面之间的距离为L8，上水平馈线9的中心线至介质板1的上端面之间的距离为L9，上水平馈线9的中心线至下水平馈线10的中心线之间的距离为L10，下水平馈线10的中心线至介质板1的下端面之间的距离为L11，上水平馈线9和下水平馈线10的厚度均为D2，左侧振子2、右侧振子3、加载水平金属带条4、共面波导中心馈线6、馈电端口匹配枝节7和辐射型终端负载8的厚度均为D3。

作为优选的方案，上述尺寸为：W＝29.8mm、W1＝10mm、W2＝3.8mm、W3＝10mm、W4＝2.4mm、W5＝0.6mm、W6＝3mm、W7＝5.4mm、L＝102mm、L1＝20mm、L2＝20mm、L3＝2mm、L4＝0.6mm、L5＝5mm、L6＝24mm、L7＝0.8mm、L8＝2mm、L9＝31.4mm、L10＝41.2mm、L11＝29.4mm、D1＝1.5mm、D2＝0.1mm、D3＝0.1mm。

根据上述尺寸制作了天线的实物并进行了测试。结果见图6和图7，天线在4.6GHz-5.6GHz的频带内反射系数低于-10dB，相对带宽为19.6％，工作带宽内单位电长度增益达到了3.32dB(4.7GHz)，最大增益达到了5.2dB(4.7GHz)，同时工作带宽内不圆度低于1.0dB，实现了宽带全向高增益的要求。

从图7的天线测试结果可以看出，天线在属于C波段的典型工作频率4.7GHz处具有较好的全向特性和较高的增益，E面方向图表明天线在该频点增益超过了4dB，达到了5.2dB，符合对天线高增益特性的预期，H面方向图表明天线在该频点的不圆度很小，小于1.0dB，符合对天线全向性的预期。天线在结合天线尺寸以及天线参数的测试结果，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。

加载型耦合馈电的全向辐射振子天线阵列的提出，扩展了全向性天线的工作频带，同时保证了较宽工作频带内较高的增益和优异的全向性，并且，天线的单位电长度增益很高，采用了印刷结构，利于天线的小型化，具有较高的经济价值。

(1)、本发明所提出的“加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线”馈电形式紧凑，充分利用了天线空间，具有很好的小型化效果，馈电结构为共面波导结构，既可以适用于同轴线等传统馈线馈电，又可以适用于现代集成传输线馈电；

(2)、本发明所提出的天线单位电长度增益较高，具有较高的全向性和较宽的频带，相对带宽较大；

(3)、本发明所采用的是印刷结构，介质板1的厚度采用1.5mm，具有很低的剖面，使其非常方便集成和小型化。

Claims

1.一种加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线，所述全向辐射振子天线包括介质板1、共面波导中心馈线(6)，上水平馈线(9)和下水平馈线(10)，其特征在于：所述全向辐射振子天线还包括两组振子、馈电端口匹配枝节(7)和辐射型终端负载(8)，介质板(1)的正面印刷有两组振子、共面波导中心馈线(6)、馈电端口匹配枝节(7)和辐射型终端负载(8)，辐射型终端负载(8)、共面波导中心馈线(6)和馈电端口匹配枝节(7)由上至下依次设置，且共面波导中心馈线(6)的上端与辐射型终端负载(8)连接，共面波导中心馈线(6)的下端与馈电端口匹配枝节(7)连接，两组振子上、下设置在辐射型终端负载(8)的下方，每组振子包括左侧振子(2)、右侧振子(3)和两个加载水平金属带条(4)，左侧振子(2)和右侧振子(3)对称设置在共面波导中心馈线(6)的两侧，两个加载水平金属带条(4)对称设置在左侧振子(2)和右侧振子(3)的外侧，每个加载水平金属带条(4)与其对应的振子垂直设置，且每个加载水平金属带条(4)与其对应的振子连接，介质板(1)上与每个左侧振子(2)和每个右侧振子(3)对应处均设有一个金属化过孔(5)，上方的左侧振子(2)和右侧振子(3)对应的两个金属化过孔(5)在同一水平线上，下方的左侧振子(2)和右侧振子(3)对应的两个金属化过孔(5)在同一水平线上，上水平馈线(9)的两端分别与上方的两个金属化过孔(5)连接，下水平馈线(10)的两端分别与下方的两个金属化过孔(5)连接。

2.根据权利要求1所述加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线，其特征在于：辐射型终端负载(8)的形状由上部为长方形与下部为半圆形构成，长方形的短边与半圆形的直径相等。

3.根据权利要求1或2所述加载型耦合馈电的全向辐射振子阵列天线，其特征在于：所述馈电端口匹配枝节(7)与左侧振子(2)之间的距离和馈电端口匹配枝节(7)与右侧振子(3)之间的距离相等。