CN103401068A - 高增益宽带立体式缝隙八木天线 - Google Patents

高增益宽带立体式缝隙八木天线 Download PDF

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Abstract

一种高增益宽带立体式缝隙八木天线,包括辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元。辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元纵向排列,呈三维立体式结构。辐射单元为印制在介质材料板表面开有缝隙的金属覆层。辐射单元与引向单元之间通过四个对称的金属圆柱连接。馈电单元包括矩形微带线和与之相连接的扇形微带线,馈电单元印制在介质材料板的底层。反射单元为开有缝隙的矩形金属贴片,反射单元与辐射单元之间通过四个塑料圆柱连接。本发明具有频带宽、增益高的特点,可用于宽频带的端射接收和发射。

Description

高增益宽带立体式缝隙八木天线
技术领域
本发明属于通信技术领域,更进一步涉及电磁场与微波技术领域的一种高增益宽带立体式缝隙八木天线。本发明具有较高的增益,且在较宽频带内工作,适用于宽频带的端射接收和发射。
背景技术
作为无线通信系统的辐射器,天线特性的好坏对系统整体功能的发挥具有很重要的作用。由于目前移动通信凶中使用的各种天线的使用频率,增益和前后比等指标差别不大,天线的辐射形式成为系统选择天线类型考虑的一个重要的因素。端射天线以其定向性好,辐射范围可调性强的特点,在雷达系统、车载系统中得到了广泛的应用。八木天线就是一种得到广泛应用的端射天线。
缝隙天线一般指在导体面上开槽,并且利用缝隙向外辐射电磁波形成的天线,因此也可称为开槽天线。缝隙天线一般多在各种通讯设备中使用,例如微波波段的雷达,导航系统和电子对抗设备等,尤其是在诸如高速飞机等要求的低轮廓或嵌入式安装的场合。任何缝隙都有其互补形式的导线或导带,可利用它们的波瓣图和阻抗数据来预测所对应缝隙的波瓣图和阻抗。
深圳国人通信有限公司申请的专利“一种改进的缝隙馈电八木天线”(申请号:CN200820091758.0,公开号:CN20113152)中提出了一种改进的缝隙馈电八木天线。该专利申请是用半波阵子作为天线的有源阵子,馈电由缝隙来实现,在保证增益,前后比的前提条件下,节省了生产成本,减小了天线的占用空间。但是,该方法仍然存在的不足之处是,天线的工作带宽较窄,限制了天线在通信领域中的进一步应用。
哈尔滨工业大学申请的专利“一种阵子加载型平衡微带线馈电的印刷型八木天线”(申请号:CN201210277358.X,公开号:CN102800951A)中提出了一种阵子加载型平衡带线馈电的印刷型八木天线。该专利申请是将第一对称振子和第二对称振子呈一字型印刷在引向器与反射器之间,反射器与位于介质板下边缘中部的馈电部分连接,第一对称振子靠近第二对称振子的一侧通过馈线与反射器连接,终端馈线加载印刷在介质板的背面上。采用该方法的天线解决了现有印刷型八木天线馈电结构的尺寸较大的问题。但是,该方法仍然存在的不足之处在于,增益较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足,结合了缝隙天线与传统八木天线的优点,提出一种高增益宽带缝隙八木天线,以易于八木天线在通信系统中的应用。
实现本发明的具体思路是:天线采用三维立体式结构,且用开有缝隙结构作为八木天线的阵子单元,采用微带耦合馈电结构,结合了缝隙天线和八木天线的优点,使八木天线具有较高的增益,同时展宽了天线的工作带宽。
为实现上述目的,本发明包括辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元。辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元纵向排列,呈三维立体式结构。辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元为缝隙式结构。辐射单元为印制在介质材料板表面开有缝隙的金属覆层。辐射单元与引向单元之间通过四个对称的金属圆柱连接;馈电单元印制在介质材料板的底层。反射单元为开有缝隙的矩形金属贴片,反射单元与辐射单元之间通过四个对称的塑料圆柱连接。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
第一,本发明由于采用了缝隙结构作为天线的阵子单元,克服了现有技术存在的八木天线带宽窄的缺点,使得本发明具有了增益高,宽带宽的优点,有效扩大了天线的应用范围。
第二,本发明由于采用三维立体式结构,实现了在端射方向尺寸的减缩,克服了现有技术存在的八木天线体积较大的缺点。使得本发明具有了结构简单,占用空间小的优点。
第三,本发明由于采用微带耦合馈电的形式,使得馈电结构较为简单,克服了现有技术存在的八木天线馈电结构较为复杂的缺点,使得本发明具有了易于馈电的优点,有利于天线的加工制造。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明介质材料板的俯视图;
图3是本发明引向单元1的俯视图;
图4是本发明引向单元2的俯视图;
图5是本发明反射单元的俯视图;
图6是本发明的回波损耗曲线仿真图;
图7是本发明天线工作在4.22GHz时E面方向图;
图8是本发明天线工作在4.22GHz时H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的结构示意图,图2是本发明介质材料板的俯视图,图3是本发明引向单元1的俯视图,图4是本发明引向单元2的俯视图,图5是本发明反射单元的俯视图,图6是本发明的回波损耗曲线仿真图,图7是本发明天线工作在4.22GHz时E面方向图,图8是本发明天线工作在4.22GHz时H面方向图。
参照附图1,本发明包括辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元。辐射单元3、引向单元、馈电单元5和反射单元6纵向排列,呈三维立体式结构。辐射单元3、引向单元、馈电单元5和反射单元6为缝隙式结构。辐射单元3为印制在介质材料板4表面开有缝隙的金属覆层。辐射单元3与引向单元之间通过四个对称的金属圆柱8连接。馈电单元5印制在介质材料板4的底层,反射单元6为开有缝隙的矩形金属贴片,反射单元6与辐射单元3之间通过四个对称的塑料圆柱7连接。
引向单元包括引向单元1和引向单元2,引向单元2位于辐射单元3的正上方,引向单元1位于引向单元2的正上方,反射单元6位于辐射单元3的正下方,构成三维立体结构。
引向单元1和引向单元2之间的距离与引向单元2和辐射单元3之间的距离相同,且小于反射单元6与辐射单元3之间的距离。
本发明的实施例中,四个金属圆柱体的半径为0.8毫米,高度为2.2厘米,四个塑料圆柱体的半径为1毫米,高度为2.7厘米。引向单元1与引向单元2之间的距离d1为1.1厘米,引向单元2与辐射单元3之间的距离d2为1.1厘米,介质材料板4的底层与反射单元6间的距离d3为2.6厘米,介质材料板4的厚度为2毫米。
参照附图2,对本发明的介质材料板4做进一步的描述。辐射单元3的金属覆层的长度和宽度与介质材料板4的长度和宽度相同。馈电单元5通过矩形微带线9和扇形微带线10将电磁能量耦合到辐射单元3。
本发明的实施例中,介质材料板4是由相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯材料构成,介质材料板4的长为60毫米,宽为60毫米,厚度为1毫米。辐射单元3印刷在介质材料板4顶层,并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。辐射单元3的金属覆层的长度和宽度与介质材料的长度和宽度相同,均为60毫米。缝隙14的长度为50毫米,宽度为2毫米。辐射单元3和介质材料板4上金属圆形通孔12半径为0.8毫米,且位于同一边上两圆心间的距离为50毫米,塑料圆形通孔11半径均为1毫米,且位于同一边上两圆心间的距离为57毫米。矩形贴片9长31.5毫米,宽2.8毫米;扇形贴片10长度为10.8毫米,弧度为45度。馈电单元5印刷在介质材料板4底层,并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。馈电单元5和辐射单元3分别与同轴转换接头13的内芯和外芯焊接在一起。
参照图3,对本发明引向单元1做进一步的描述。引向单元1为开有缝隙的矩形金属贴片。
本发明的实施例中,引向单元1的长度和宽度均为60毫米,缝隙15位于中间位置,缝隙15的长度为48毫米,宽度为2毫米。位于引向单元1上的金属圆形通孔16的半径为0.8毫米,且位于同一边上两圆心间的距离为50毫米。
参照图4,对本发明引向单元2做进一步的描述。引向单元2为开有缝隙的矩形金属贴片,引向单元2上所开缝隙的长度大于引向单元1上所开缝隙的长度;引向单元2的金属贴片的长度和宽度大于引向单元1的金属贴片的长度和宽度。
本发明的实施例中,引向单元2的长度和宽度均为54毫米,缝隙17位于贴片的中间位置,且缝隙17的长度为37毫米。位于引向单元2上的金属圆形通孔18半径为0.8毫米,且位于同一边上两圆心间的距离为50毫米。
参照图5,对本发明发射单元6做进一步的描述。反射单元6的金属贴片的两个对角线上分别开有两个尺寸相同,且关于金属贴片另一对角线对称的缝隙。反射单元6的金属贴片的长度和宽度大于辐射单元3金属覆层和引向单元1、引向单元2金属贴片的长度和宽度。
本发明的实施例中,反射单元6的长度为80毫米,宽度为90毫米。对角线上的缝隙尺寸相同,缝隙19和缝隙20的长度分别为22毫米和30毫米,宽度均为2毫米,位于反射板上塑料圆形通孔21半径均为1毫米,且位于同一边上两圆心间的距离为57毫米。缝隙19与水平方向夹角为45度,缝隙20与水平方向夹角为135度。
下面结合附图6、附图7和附图8对本发明的效果作进一步的描述。
本发明的仿真是通过电磁软件Ansoft HFSS建模,在频段3.2-5.2GHz内仿真得到的。
参照图6,对采用本发明获得的回波损耗曲线做进一步的描述。在附图6中,横轴表示频率,纵轴表示回波损耗。从本发明仿真的回波损耗的仿真曲线可以看出,在频段3.65-4.79GHz内,本发明电压驻波比的仿真曲线和测试曲线的纵坐标均在-10dB以下,说明本发明在3.65-4.79GHz频段内可以正常工作。将3.65-4.79GHz频段内的中心频率除以最高频率4.79GHz与最低频率3.65GHz的差,可以得到本发明的相对带宽为27.0%。由此可见,本发明具有更好的宽带特性。
参照附图6,对采用本发明获得的4.22GHz时E面方向图做进一步的描述。参照附图7对采用本发明获得的4.22GHz时E面方向图做进一步的描述。从本发明在4.22GHz时E面方向图和H面方向图可以看出,本发明的增益为11.17dB,由此可见,本发明具有较高的增益。
从上述分析可知,本发明在工作频段3.65-4.79GHz内电压驻波均比小于2,相对阻抗带宽可达27.0%,本发明具有较高的增益,是一种高增益宽带八木天线。

Claims (7)

1.一种高增益宽带立体式缝隙八木天线,包括辐射单元、引向单元、馈电单元和反射单元;其特征在于,所述的辐射单元(3)、引向单元、馈电单元(5)和反射单元(6)纵向排列,呈三维立体式结构;所述的辐射单元(3)、引向单元、馈电单元(5)和反射单元(6)为缝隙式结构;所述的辐射单元(3)为印制在介质材料板(4)表面开有缝隙的金属覆层;所述的辐射单元(3)与引向单元之间通过四个对称的金属圆柱(8)连接;所述的馈电单元(5)印制在介质材料板(4)的底层;所述的反射单元(6)为开有缝隙的矩形金属贴片,反射单元(6)与辐射单元(3)之间通过四个对称的塑料圆柱(7)连接。
2.根据权利要求1所述的高增益宽带立体式缝隙八木天线,其特征在于,所述的引向单元包括引向单元(1)和引向单元(2),引向单元(2)位于辐射单元(3)的正上方,引向单元(1)位于引向单元(2)的正上方,反射单元(6)位于辐射单元(3)的正下方,构成三维立体结构;引向单元(1)和引向单元(2)之间的距离与引向单元(2)和辐射单元(3)之间的距离相同,且小于反射单元(6)与辐射单元(3)之间的距离。
3.根据权利要求1所述的高增益宽带立体式缝隙八木天线,其特征在于,所述的引向单元(1)和引向单元(2)均为开有缝隙的矩形金属贴片,引向单元(2)上所开缝隙的长度大于引向单元(1)上所开缝隙的长度;引向单元(2)的金属贴片的长度和宽度大于引向单元(1)的金属贴片的长度和宽度。
4.根据权利要求1所述的高增益宽带立体式缝隙八木天线,其特征在于,所述的辐射单元(3)的金属覆层的长度和宽度与介质材料板(4)的长度和宽度相同。
5.根据权利要求1所述的高增益宽带立体式缝隙八木天线,其特征在于,所述的馈电单元(5)通过矩形微带线(9)和扇形微带线(10)将电磁能量耦合到辐射单元(3)。
6.根据权利要求1所述的高增益宽带立体式缝隙八木天线,其特征在于,所述的反射单元(6)的金属贴片的两个对角线上分别开有两个尺寸相同,且关于金属贴片另一对角线对称的缝隙。
7.根据权利要求1所述的高增益宽带立体式缝隙八木天线,其特征在于,所述的反射单元(6)的金属贴片的长度和宽度大于辐射单元(3)金属覆层和引向单元(1)、引向单元(2)金属贴片的长度和宽度。
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