CN103094716B - 辐射波束平行于接地面的小型天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体为一种辐射波束平行于接地面的小型天线阵列。该小型天线阵列包括一个起支撑作用的介质板，在介质板正面有：两个L型单极子天线单元、两个半圆形槽线单元、接地面单元；两个L型单极子天线单元分别与背面的馈电网络传输线相连接相连。在介质板反面有：两个50Ω均匀传输线单元、两个70Ω均匀传输线单元、两个100Ω均匀传输线单元和一个输入输出端口，其中输入输出端口的信号和反面均匀传输线相连接，输入输出端口的地和正面部分的接地面相连接。本发明采用调节背面传输线的长度和宽度实现控制激励信号的幅度和相位的功能，从而有效实现辐射波束平行于接地面的辐射特性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种能够实现辐射波束与接地面平行的小型双单元天线阵列。
背景技术
随着室内高速无线数据接入技术的发展,要求未来的无线通信系统比现有系统具有更大的数据吞吐量。因此，作为一种有效的短距离无线接入技术，能够实现全向目标搜索,当目标锁定后能够以高增益、高数据率通信的智能天线技术日益得到重视。针对全向搜索目标和定向高数据率、高增益通信使用的需要，天线作为无线通信系统中关键的无源器件之一，成为研究热点之一。对于全向搜索目标要求在水平面内全向辐射，同时要求该天线必须具有比较小的尺寸，以便能和其他电路集成，而传统微带天线的辐射方向是与接地面垂直的,无法实现既能在水平面内的全向辐射又能定向辐射从而实现高数据率通信。为了实现这两种功能有必要设计一种辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，当单独使用一个阵列时可以实现定向通信，将不同的阵列组合时可以实现在水平范围内的360度全向扫描，从而实现全向搜索目标的功能。
经对现有技术的文献检索发现，2012年6月Md.Rashidul Islam等人在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters（天线和无线传播快报），11卷发表了“Switched Parasitic Dipole Antenna Array for High-Data-Rate Body-Worn Wireless Applicaions（应用于可穿在人身上的高数据率通信的可调寄生偶极子天线阵列）”，在该文中提出了利用调节寄生的四对偶极子天线的开与关来实现天线辐射方向图的改变。但是该文献中的偶极子天线方向图的调节范围只有65o，并不能实现水平范围内360o的波束覆盖。检索中还发现，2010年10月C.S.Ong等人在Proceeding of Asia-Pacific Microwave Conference 2010, （2010年亚太微波会议）上发表了“A Compact 2×2 Circularly Polarized Antenna Array for Energy Harvesting（应用于能量收集的2×2圆极化紧凑型天线阵列）”，在该文中提出了通过对三个圆形天线的馈线长度相对于参考天线分别为90o,180o,270o从而有效实现圆极化的能量收集天线，但是该天线的辐射方向图还是传统的与接地面垂直的辐射波束，因而并不能实现水平范围内全向辐射的功能。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，使其能够实现当单独使用该阵列时可以在水平方向上定向高数据率通信,当采用两个阵列形成组合时实现水平范围内的波束全覆盖。本发明覆盖733 MHz-867 MHz这样一个比较宽的频带，以中心频率为800 MHz计算的相对带宽为16.8%，其结构主要由两个L型的单极子天线、接地面和背面的馈电网络构成。
本发明提供的辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，其结构如图1和图2所示。包括：一起支撑作用的介质板4，在介质板4正面有：第一L型单极子天线单元1、第二L型单极子天线单元2、接地面单元3、介质板4、第一半圆形槽线单元5、第二半圆形槽线单元6；在介质板的反面有：第一50Ω均匀传输线单元7、第二50Ω均匀传输线单元13、第一70Ω均匀传输线单元8、第二70Ω均匀传输线单元12、第一100Ω均匀传输线单元9、第二100Ω均匀传输线单元11和输入输出端口10；其中，第一50Ω均匀传输线单元是“7”字形,第二50Ω均匀传输线单元是反“Z”字形；第一70Ω均匀传输线单元是“L”字形,第二70Ω均匀传输线单元是“1”字形；两个100Ω均匀传输线单元都是“一”形，并且以输入输出端口中心对称；
第一L型单极子天线单元1和位于反面部分的第一50Ω均匀传输线单元7相连接；第一半圆形槽线单元5的一端和第一L型单极子天线单元1相连，另一端和接地面单元3相连；第二半圆形槽线单元6的一端和第二L型单极子天线单元2相连，另一端和接地面单元3相连；第二L型单极子天线单元2和位于反面部分的第二50Ω均匀传输线单元13相连接。
本发明中，所述的第一L型单极子天线单元1、第二单极子天线单元2、接地面单元3、第一50Ω均匀传输线单元7、第二50Ω均匀传输线单元13、第一70Ω均匀传输线单元8、第二70Ω均匀传输线单元12、第一100Ω均匀传输线单元9、第二100Ω均匀传输线单元11均为导体。
本发明中，所述的第一半圆形槽线单元5和第二半圆形槽线单元6都是在接地单元3上刻蚀去相应的半圆形缝隙形状，而形成的空气单元结构。
本发明中，所述的输入输出端口10外接信号源，外加的激励信号的一路通过第一100Ω均匀传输线单元9、第一70Ω均匀传输线单元8、第一50Ω均匀传输线单元7，再通过第一L型单极子天线单元1向空中辐射；外加的激励信号的另一路通过第二100Ω均匀传输线单元11、第二70Ω均匀传输线单元12、第二50Ω均匀传输线单元13，再通过第二L型单极子天线单元2向空中辐射。由于这两路信号所经过的传输线单元的宽度和长度不一样，导致由输入输出端口所激励的信号最后到达第一L型单极子天线单元1和第二L型单极子天线单元2的幅度和相位是不一样的，因此，所辐射的信号在空中经过叠加后会形成辐射波束平行于接地面的方向图。
本发明中，所述的两个L型单极子天线单元位于电路板正面，两个天线单元均贯穿介质板并延伸到电路板的上方，并以电路板中心轴对称分布。
本发明中，所述的接地面单元3位于电路板的正面，呈长方形。
本发明中，所述的两个50Ω均匀传输线单元、两个70Ω均匀传输线单元、两个100Ω均匀传输线单元都是由均匀微带线组成。
本发明中，所述的介质板，其介电常数可以为2.2。
本发明通过由背面的传输线单元的长度和宽度来实现调节输入到L型单极子天线单元的幅度和相位，由正面的L型单极子天线单元和接地面单元来实现辐射，从理论上来讲只要分别调节背面均匀传输线的几何尺寸在一定范围内可以实现任辐射波束可调的天线，该电路具有结构紧凑的特点，有利于和其它射频（RF）电路的集成。并且本发明采用的是将L型单极子天线离开接地面一定的距离，采用本结构后从频率特性可以看到改天线的频带相应较宽，有效实现了宽频带天线的设计要求。
附图说明
图1为本发明小型天线阵列的正面结构示意图。
图2为本发明小型天线阵列的反面结构示意图。
图3为本发明小型天线阵列仿真的频率特性示意图。
图4为本发明小型天线阵列仿真的辐射特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如附图所示，本实施例包括：正面部分和反面部分，输入\输出端口位于电路的反面，但是输入\输出端口分别和正面部分和反面部分相连接。其中输入\输出端口的信号和反面部分连接，输入\输出端口的地和正面部分连接。
输入\输出端口有1个，即为输入\输出端口10。
如图1所示，本实施例所述的正面部分包括：第一L型单极子天线单元1、第二L型单极子天线单元2、接地面单元3、介质板4、第一半圆形槽线单元5、第二半圆形槽线单元6。第一L型单极子天线单元1和位于反面部分的第一50Ω均匀传输线单元7相连接。第一半圆形槽线单元5的一端和第一L型单极子天线单元1相连，另一端和接地面单元3相连。第二半圆形槽线单元6的一端和第二L型单极子天线单元2相连，另一端和接地面单元3相连。第二L型单极子天线单元2和位于反面部分的第二50Ω均匀传输线单元13相连接。介质板4 是起支撑作用，贯穿介质板且大部分位于介质板上方的是第一L型单极子天线单元1、第二L型单极子天线单元2，位于介质板上面的还有第一槽线单元5、第二槽线单元6、接地面单元3。在介质板的另一面上是第一50Ω均匀传输线单元7、第二50Ω均匀传输线单元13、第一70Ω均匀传输线单元8、第二70Ω均匀传输线单元12、第一100Ω均匀传输线单元9、第二100Ω均匀传输线单元11和输入输出端口10。
如图2所示，本实施例所述的反面部分包括：第一50Ω均匀传输线单元7、第二50Ω均匀传输线单元13、第一70Ω均匀传输线单元8、第二70Ω均匀传输线单元12、第一100Ω均匀传输线单元9、第二100Ω均匀传输线单元11和输入输出端口10。
所述的第一50Ω均匀传输线单元7呈“7”字形，第一50Ω均匀传输线单元7的一端与第一L型单极子天线1相连接，另一端与第一70Ω均匀传输线单元8相连接。
所述的第二50Ω均匀传输线单元13呈反“Z”字形，第二50Ω均匀传输线单元13的一端与第二L型单极子天线2相连接，另一端与第二70Ω均匀传输线单元12相连接。
所述的第一70Ω均匀传输线单元8呈“L”字形，第一70Ω均匀传输线单元8的一端与第一50Ω均匀传输线单元7相连接，另一端与第一100Ω均匀传输线单元9相连接。
所述的第二70Ω均匀传输线单元12呈“1”字形，第二70Ω均匀传输线单元12的一端与第二50Ω均匀传输线单元13相连接，另一端与第二100Ω均匀传输线单元11相连接。
所述的第一100Ω均匀传输线单元9呈“一”字形，第一100Ω均匀传输线单元9的一端与第一70Ω均匀传输线单元8相连接，另一端与输入输出端口10相连接。
所述的第二100Ω均匀传输线单元11呈“一”字形，第二100Ω均匀传输线单元11的一端与第二70Ω均匀传输线单元12相连接，另一端与输入输出端口10相连接。
所述的第一100Ω均匀传输线单元9和第二100Ω均匀传输线单元11呈中心对称结构。
本实施例所述的输入输出端口10外接信号源，外加的激励信号的一路通过第一100Ω均匀传输线单元9、第一70Ω均匀传输线单元8、第一50Ω均匀传输线单元7，再通过第一L型单极子天线单元1向空中辐射；外加的激励信号的另一路通过第二100Ω均匀传输线单元11、第二70Ω均匀传输线单元12、第二50Ω均匀传输线单元13，再通过第二L型单极子天线单元2向空中辐射。由于这两路信号所经过的传输线单元的宽度和长度不一样，导致由输入输出端口所激励的信号最后到达第一和第二L型单极子天线的幅度和相位是不一样的，因此，所辐射的信号在空中经过叠加后会形成辐射波束平行于接地面的方向图。从而可以实现水平定向辐射的功能，并以此为单元组合将形成水平全向辐射的功能。
如图3所示, 本实施例的频率特性是回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz；纵坐标代表幅度变量，单位为dB。本发明的小型天线阵列的工作频带是733 MHz-867 MHz, 回波损耗参数在工作频带内小于-10dB。
如图4所示, 本实施例的辐射特性是天线的辐射方向图参数。其中X-Y平面是和天线的接地面相平行的面（即天线放置的平面），Y-Z平面代表与天线接地面垂直的平面；增益的大小通过极坐标幅度参数的大小来表示，单位为dB。本发明的小型天线阵列的辐射主波束方向图是与X-Y平面平行的，最大辐射值在俯仰角80度左右,说明该天线阵列的辐射方向图是与接地面平行的,而不是传统的与接地面垂直的方式。
Claims (5)
1. 一种辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，包括：一起支撑作用的介质板（4），其特征在于，在介质板（4）正面有：第一L型单极子天线单元（1）、第二L型单极子天线单元（2）、接地面单元（3）、第一半圆形槽线单元（5）、第二半圆形槽线单元（6）；在介质板的反面有：第一50Ω均匀传输线单元（7）、第二50Ω均匀传输线单元（13）、第一70Ω均匀传输线单元（8）、第二70Ω均匀传输线单元（12）、第一100Ω均匀传输线单元（9）、第二100Ω均匀传输线单元（11）和输入输出端口（10）；其中，第一50Ω均匀传输线单元是“7”字形,第二50Ω均匀传输线单元是反“Z”字形；第一70Ω均匀传输线单元是“L”字形,第二70Ω均匀传输线单元是“1”字形；两个100Ω均匀传输线单元都是“一”形，并且以输入输出端口中心对称；
第一L型单极子天线单元（1）和位于反面部分的第一50Ω均匀传输线单元（7）相连接；第一半圆形槽线单元（5）的一端和第一L型单极子天线单元（1）相连，另一端和接地面单元（3）相连；第二半圆形槽线单元（6）的一端和第二L型单极子天线单元（2）相连，另一端和接地面单元（3）相连；第二L型单极子天线单元（2）和位于反面部分的第二50Ω均匀传输线单元（13）相连接；
其中，所述的第一半圆形槽线单元（5）和第二半圆形槽线单元（6）都是在接地面单元（3）上刻蚀去相应的半圆形缝隙形状，而形成的空气单元结构；
所述的输入输出端口（10）外接信号源，外加的激励信号的一路通过第一100Ω均匀传输线单元（9）、第一70Ω均匀传输线单元（8）、第一50Ω均匀传输线单元（7），再通过第一L型单极子天线单元（1）向空中辐射；外加的激励信号的另一路通过第二100Ω均匀传输线单元（11）、第二70Ω均匀传输线单元（12）、第二50Ω均匀传输线单元（13），再通过第二L型单极子天线单元（2）向空中辐射；由于这两路信号所经过的传输线单元的宽度和长度不一样，导致由输入输出端口所激励的信号最后到达第一L型单极子天线单元1和第二L型单极子天线单元2的幅度和相位是不一样的；
所述的两个L型单极子天线单元位于电路板正面，均贯穿介质板并延伸到电路板的上方，并以电路板中心轴对称分布。
2. 如权利要求1所述的辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，其特征在于，所述的第一L型单极子天线单元（1）、第二单极子天线单元（2）、接地面单元（3）、第一50Ω均匀传输线单元（7）、第二50Ω均匀传输线单元（13）、第一70Ω均匀传输线单元（8）、第二70Ω均匀传输线单元（12）、第一100Ω均匀传输线单元（9）、第二100Ω均匀传输线单元（11）均为导体。
3. 如权利要求1所述的辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，其特征在于，所述的接地面单元（3）位于电路板的正面，呈长方形。
4. 如权利要求1所述的辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，其特征在于，所述的两个50Ω均匀传输线单元、两个70Ω均匀传输线单元、两个100Ω均匀传输线单元都是由均匀微带线组成。
5. 如权利要求1所述的辐射波束平行于接地面的小型天线阵列，其特征在于，所述的介质板（4），其介电常数为2.2。
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