CN102760945A - 带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线 - Google Patents

Abstract

带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线，它涉及一种印刷型天线，具体涉及一种全向辐射印刷型天线。该天线为解决目前的全向天线无法同时满足全向辐射性好、带宽较宽且增益较高的问题。共面波导中心馈线的下端与馈电端口匹配枝节连接，共面波导中心馈线的上端与辐射型终端负载连接，第一振子和第二振子均为口字形，第一振子远离共面波导中心馈线的一侧开有第一方形通孔，第二振子远离共面波导中心馈线的一侧开有第二方形通孔，第二水平馈线通过两个第一金属过孔与第一振子连接，第三水平馈线通过两个第二金属过孔与第二振子连接。本发明用于在C波段的一点对多点的通信领域。

Description

带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线

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°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，从最初的单极子、偶极子到双锥、螺旋天线等，而在馈电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。

全向高增益一般以全向增益超过4dB为标准，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较高的增益，现有的研究主要集中在如下方面：第一种是一系列异形振子，虽然能够实现宽带，但会发生方向图分裂，全向性较差；第二种是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，整个天线为谐振式结构，导致带宽较窄；另外还有一些全向高增益天线，虽然具有较高增益，但是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，是这种天线研究的热点问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线，以解决目前的全向天线无法同时满足全向好、带宽较宽且增益较高的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是所述天线包括介质板和共面波导中心馈线，所述天线还包括两组振子、馈电端口匹配枝节、辐射型终端负载、第一水平馈线第二水平馈线和第三水平馈线，介质板的前侧壁上印刷两组振子、共面波导中心馈线、馈电端口匹配枝节、辐射型终端负载和第一水平馈线，介质板的后侧壁上印刷第二水平馈线和第三水平馈线，共面波导中心馈线的下端与馈电端口匹配枝节连接，共面波导中心馈线的上端与辐射型终端负载连接，每组振子包括第一振子和第二振子，第一振子和第二振子均为口字形，两组振子沿共面波导中心馈线对称设置，第一振子远离共面波导中心馈线的一侧开有第一方形通孔，第二振子远离共面波导中心馈线的一侧开有第二方形通孔，共面波导中心馈线通过第一水平馈线与两个第一振子中的一个连接，介质板的后侧壁上印刷第二水平馈线和第三水平馈线，介质板上位于每个第一振子靠近共面波导中心馈线的顶点位置处开有第一金属过孔，介质板上位于每个第二振子靠近共面波导中心馈线的顶点位置处开有第二金属过孔，第二水平馈线通过两个第一金属过孔与第一振子连接，第三水平馈线通过两个第二金属过孔与第二振子连接。

本发明具有以下有益效果：为了实现全向天线宽带化、高增益化、平面化和小型化，针对现有的全向天线带宽窄，增益低，宽带内全向性差且一些立体天线不利于小型化等问题，提出了本发明。本发明馈电形式紧凑，充分利用的天线空间，具有很好的小型化效果，同时，这种共面波导馈电形式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印刷型传输线馈电。本发明明显的改进是通过对称结构、馈电端口加载匹配枝节和飞线结构以及辐射型终端负载，一方面拓宽了天线的工作带宽，另一方面大大提高了天线的单位电长度增益，这些结构通过对电流分布的改善和终端负载辐射的改善提高了天线的增益，降低了天线的方向图不圆度。同时，天线的结构简单，便于增加节数进一步提高增益和改变振子长度从而扩展到其它频段。

附图说明

图1是本发明的带有椭圆形辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线的结构示意图，图2是图1的后视图，图3是图1的侧视图，图4是图3的A点放大图，图5是本发明的组合形辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线的结构示意图，图6是图5的后视图，图7是图5的侧视图，图8是本发明的等腰梯形辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线的结构示意图，图9是图8的后视图，图10是图8的侧视图，图11是具体实施方式四的天线反射系数图，图12是具体实施方式四的天线在典型频点4.8GHz的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10说明本实施方式，本实施方式的天线包括介质板1和共面波导中心馈线5，所述天线还包括两组振子、馈电端口匹配枝节6、辐射型终端负载7、第一水平馈线8、第二水平馈线9和第三水平馈线10，介质板1的前侧壁上印刷两组振子、共面波导中心馈线5、馈电端口匹配枝节6、辐射型终端负载7和第一水平馈线8，介质板1的后侧壁上第二水平馈线9和第三水平馈线10，共面波导中心馈线5的下端与馈电端口匹配枝节6连接，共面波导中心馈线5的上端与辐射型终端负载7连接，每组振子包括第一振子2和第二振子3，第一振子2和第二振子3均为口字形，两组振子沿共面波导中心馈线5对称设置，第一振子2远离共面波导中心馈线5的一侧开有第一方形通孔2-1，第二振子3远离共面波导中心馈线5的一侧开有第二方形通孔3-1，共面波导中心馈线5通过第一水平馈线8与两个第一振子2中的一个连接，介质板1的后侧壁上印刷第二水平馈线9和第三水平馈线10，介质板1上位于每个第一振子2靠近共面波导中心馈线5的顶点位置处开有第一金属过孔1-1，介质板1上位于每个第二振子3靠近共面波导中心馈线5的顶点位置处开有第二金属过孔1-2，第二水平馈线9通过两个第一金属过孔1-1与第一振子2连接，第三水平馈线10通过两个第二金属过孔1-2与第二振子3连接。

整个天线是一块双面的印刷电路板，印刷在厚度为h＝1.5mm相对介电常数为ε_r＝4.4的FR4环氧基板上。

两组振子通过第二水平馈线9、第三水平馈线10和第一金属过孔1-1、第二金属过孔1-2达到强制均衡馈电的作用，馈电端口匹配枝节6起到了调整馈电端口阻抗，从而实现阻抗匹配的作用；采用辐射型终端负载7，改变了以往损耗型终端负载导致的天线辐射效率较低的特点，能够提高天线增益。

第一方形通孔2-1使得对称振子上形成了驻波电流的辐射，从而使得不同振子之间的电流辐射场的同相叠加成为可能。

共面波导中心馈线5位于天线中心，能够将馈电电流很好的送至终端辐射型负载；馈电端口匹配枝节6位于馈电端口处能够起到调整输入阻抗的作用，使天线馈电匹配，馈电效率更高。

具体实施方式二：结合图说明1-图10说明本实施方式，本实施方式的辐射型终端负载7为椭圆形、等腰梯形或组合形，其中组合形由长方形与半圆形构成，长方形的短边与半圆形的直径重合。终端辐射负载为椭圆形负载，它起到了一般负载没有的作用，即辐射电磁波，从而使天线的增益得到了进一步的提高。组合形负载中的半圆形和共面波导中心馈线实现渐变过渡；梯形负载的天线的负载为了保证对称性采用了等腰梯形。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图说明1和图7说明本实施方式，本实施方式的每个第二振子3靠近共面波导中心馈线5的顶点位置处切掉一个45°的等腰直角三角形，切去等腰直角三角形可以起到降低天线馈线上的反射、达到更好的匹配的目的，其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图说明11和图12说明本实施方式，介质板1长为L、宽为R₁；第一振子2的上端面厚度为l₁、第一振子2的上端面与第一方形通孔2-1的上侧壁之间的距离为l₂、第一方形通孔2-1的开口宽度为l₃、第一方形通孔2-1的下侧壁与第一振子2的下端面之间的距离为l₄、第一振子2与第二振子3之间的距离为l₅、第二振子3的下端面与第二方形通孔3-1的上侧壁之间的距离为l₆、第二方形通孔3-1的开口宽度为l₇，第二方形通孔3-1的下侧壁与第二振子3底端面的距离为l₈，第一振子2与第二振子3的宽度为w₁，第一金属过孔1-1与第二金属过孔1-2的半径为r，馈电端口匹配枝节6长为g₁、宽为l₈，椭圆形辐射型终端负载7中长轴长度为R₂、短轴长为R₁，第一振子2或第二振子3与共面波导中心馈线5之间的距离为S，共面波导中心馈线5的宽度为g，第三水平馈线10与介质板1的下端面之间的距离为l₉，第二水平馈线9与第三水平馈线10之间的距离为l₁₀，第二水平馈线9与介质板1的上端面的距离为l₁₁，第二水平馈线9和第三水平馈线10的宽度为l₁₂，d₁为第一水平馈线8、第二水平馈线9、第三水平馈线10的厚度，d为介质板1背面水平馈线的长度，d₂为金属过孔的长度，d₃为第一水平馈线长度，d₄为切角边长，r为金属过孔的半径。

天线的具体尺寸为：R₁＝14.8mm，L＝96.1mm，w₁＝4mm，S＝1.9mm，g＝3mm，g₁＝4.9mm，l₁＝1.3mm，l₂＝19.3mm，l₃＝4.7mm，l₄＝19.3mm，l₅＝1.5mm，l₆＝19.3mm，l₇＝3.0mm，l₈＝1.1mm，l₉＝26.85mm，l₁₀＝44.6mm，l₁₁＝24.65mm，l₁₂＝0.4mm，R₂＝22mm，d＝8.5mm，d₁＝0.1mm，d₂＝1.5mm，d₃＝1mm，d₄＝1.7mm，r＝0.2mm。

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，带有椭圆形负载的天线在4.2GHz-5.0GHz的频带内反射系数低于-10dB，相对带宽为17.4％，带宽内单位电长度增益达到了4.0dB(4.8GHz)，最大增益达到了6.3dB(4.8GHz)同时工作带宽内H面方向图不圆度低于2.0dB，实现了宽带全向高增益的要求。

从图12的天线测试结果可以看出，天线在C波段典型频率4.8GHz处具有较好的全向特性和较高的增益，测试结果表明天线在4.8GHz的增益达到了6.3dB，符合对天线高增益特性的预期，H面方向图表明天线的方向图不圆度很小，小于2.0dB，符合对天线全向性的预期。天线在结合尺寸以及参数的测试结果，说明了本项发明在结构尺寸、带宽、波束覆盖和增益等指标上获得了良好的结合。

本实施例的天线馈电形式紧凑，充分利用了天线空间，馈电结构为共面波导结构，可以适用于同轴线等传统传输线馈电，也可以适用于现代集成传输线馈电；本实施例所提出的天线单位电长度增益较大，具有较高的全向性和较宽的频带，尤其是相对带宽较大；本实施例所采用的是印刷结构，1.5mm的厚度使其非常便于集成和小型化。

Claims (3)

1.一种带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线，所述天线包括介质板(1)和共面波导中心馈线(5)，其特征在于所述天线还包括两组振子、馈电端口匹配枝节(6)、辐射型终端负载(7)、第一水平馈线(8)、第二水平馈线(9)和第三水平馈线(10)，介质板(1)的前侧壁上印刷两组振子、共面波导中心馈线(5)、馈电端口匹配枝节(6)、辐射型终端负载(7)和第一水平馈线(8)，介质板(1)的后侧壁上印刷第二水平馈线(9)和第三水平馈线(10)，共面波导中心馈线(5)的下端与馈电端口匹配枝节(6)连接，共面波导中心馈线(5)的上端与辐射型终端负载(7)连接，每组振子包括第一振子(2)和第二振子(3)，第一振子(2)和第二振子(3)均为口字形，两组振子沿共面波导中心馈线(5)对称设置，第一振子(2)远离共面波导中心馈线(5)的一侧开有第一方形通孔(2-1)，第二振子(3)远离共面波导中心馈线(5)的一侧开有第二方形通孔(3-1)，共面波导中心馈线(5)通过第一水平馈线(8)与两个第一振子(2)中的一个连接，介质板(1)的后侧壁上印刷第二水平馈线(9)和第三水平馈线(10)，介质板(1)上位于每个第一振子(2)靠近共面波导中心馈线(5)的顶点位置处开有第一金属过孔(1-1)，介质板(1)上位于每个第二振子(3)靠近共面波导中心馈线(5)的顶点位置处开有第二金属过孔(1-2)，第二水平馈线(9)通过两个第一金属过孔(1-1)与第一振子(2)连接，第三水平馈线(10)通过两个第二金属过孔(1-2)与第二振子(3)连接。

2.根据权利要求1所述带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线，其特征在于辐射型终端负载(7)为椭圆形、等腰梯形或组合形，其中组合形由长方形与半圆形构成，长方形的短边与半圆形的直径重合。

3.根据权利要求1或2所述带有辐射型负载的直接馈电型全向印刷天线，其特征在于每个第二振子(3)靠近共面波导中心馈线(5)的顶点位置处切掉一个45°的等腰直角三角形。

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