CN103746189A - 单极子天线及天线系统 - Google Patents

Abstract

一种单极子天线，布设于基板或独立设置包括：辐射面，具有平行相对的第一侧边和第二侧边、垂直耦接于所述第一侧边和第二侧边的第一端之间的直角边和耦接在所述第一侧边和第二侧边的第二端之间的第四边；频率引线，该频率引线改变所述辐射面的电流分布以拓宽频率；接地部，与所述辐射面的直角边相对，且两端与所述频率引线耦接。上将传统的对数周期单极子天线阵列中的阵列数目缩减至一个，即无需复杂的馈线交叉衔接，为了有足够的带宽和特征阻抗的特性，将阵列天线的单元采用梯形面状，并利用频率引线使辐射面上电流分布定量均匀，到达频率扩散功能，即可在不同长度的边缘形成不同的电流从而保证频宽。

Description

单极子天线及天线系统

技术领域

本发明属于通讯领域，尤其涉及一种单极子天线及天线系统。

背景技术

目前，随着高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统，尤其是全球3G和4G网络建设的飞速发展，对天线的要求也越来越高。一方面，需要使天线能够工作在多个频带，具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面，又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。正是由于这样的需求，宽频天线的概念被提出并得到蓬勃发展。对数周期偶极子天线作为非频变天线家族中能在特定频段构成一种特征参数相对不变的天线而应用广泛，是在各种检测与实验中的不二选择，但是该类型天线结构复杂庞大，应用时常受空间和价格限制。

而另外，对频率要求连续性高的对数周期单极子天线阵列来说，长短不一的辐射单元不但多，生产流程工艺复杂易错，成品率不高。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构简单、体积小、宽频的单极子天线。

一种单极子天线，布设于基板或独立设置，包括：

辐射面，具有平行且相对设置的第一侧边和第二侧边、垂直耦接于所述第一侧边和第二侧边的第一端之间的直角边和耦接在所述第一侧边和第二侧边的第二端之间的第四边；

频率引线，位于所述辐射面的所述第一侧边和第二侧边两侧并与该第一侧边和第二侧边分别耦接，该频率引线改变所述辐射面的电流分布以拓宽频率；

接地部，与所述辐射面的直角边相对，且两端与所述频率引线耦接。

在其中一个实施例中，所述频率引线包括分别与所述第一侧边和第二侧边平行相对的第一引线和第二引线，所述第一引线和第二引线的第一端与所述第一侧边和第二侧边的第一端在同一直线，所述第一引线和第二引线的第二端与所述辐射面的直角边在同一直线，并分别与所述第一侧边和第二侧边耦接。

在其中一个实施例中，所述频率引线包括还包括第三引线和第四引线，所述第一引线的第二端通过所述第三引线耦接至所述第一侧边和所述接地部的一端，所述第二引线的第二端通过所述第四引线耦接至所述第二侧边所述接地部的另一端。

在其中一个实施例中，所述第三引线和第四引线与所述辐射面的直角边在同一直线上。

在其中一个实施例中，所述接地部具有一长边，该长边与所述辐射面的直角边以缝隙相隔平行，所述接地部的长边长度大于所述第一引线和第二引线之间的距离。

在其中一个实施例中，所述第一侧边的长度小于所述第二侧边的长度，所述第一引线和所述第一侧边的距离小于所述第二引线和所述第二侧边的距离。

在其中一个实施例中，所述第二侧边的长度对应所述单极子天线的最低频率的四分之一波长；所述第一侧边的长度对应所述单极子天线的最高频率的四分之一波长。

在其中一个实施例中，所述第一侧边和第二侧边的第一端所在的直线、直角边和所述第二引线形成一三角形，该三角形的于所述直角边所在的边上的中点为该天线的馈电点。

在其中一个实施例中，所述第四边为多段直线或弧线首尾相接而成，或者是多段直线和弧线任意组合后首尾相接而成，或者是一段弧线；

所述第四边的上任一点的切线与所述直角边的夹角在0°至90°或90°至180°之间。

在其中一个实施例中，所述第一引线和所述第二引线的第一端形成斜线，该斜线与所述第一侧边和第二侧边的第一端所在的直线在同一直线。

此外，还提供了一种天线系统，包括上述的单极子天线。

上述的单极子天线将对数周期偶极子天线阵列中的负轴消除，同时将传统的对数周期单极子天线阵列中的阵列数目缩减至一个，即无需复杂的馈线交叉衔接，为了有足够的带宽和特征阻抗的特性，将阵列天线的单元采用梯形面状，并利用频率引线使辐射面上电流分布定量均匀，到达频率扩散功能，即可在不同长度的边缘形成不同的电流从而保证频宽。

附图说明

图1（A）是第一实施例中的单极子天线的结构示意图；

图1（B）是第二实施例中的单极子天线的结构示意图；

图1（C）是第三实施例中的辐射面的结构示意图；

图1（D）是第四实施例中的辐射面的结构示意图；

图2是单极子天线的仿真中1000MHz时的天线增益3D图；

图3是单极子天线的仿真中1000MHz时的天线增益2D图；

图4是单极子天线的电压驻波比仿真图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1（A）和1（B）所示，单极子天线布设于基板或独立设置。参考图1（A）若该天线为金属板材质，则无需基板。参考图1（B）若该天线铺设在基板上，则基板作为该天线的支架体，例如基板是PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)材质的。

单极子天线包括辐射面100、频率引线、接地部300。

辐射面100具有平行且相对设置的第一侧边101和第二侧边102、直角边103以及第四边104。直角边103垂直耦接于第一侧边101和第二侧边102的第一端之间，第四边104耦接在第一侧边101和第二侧边102的第二端之间。因此，将单极子的数目N取极限形成一个平面，对于一个平面而言，没有了长短不一的辐射单元族，也没有了交错的连接方式。

在一个实施例中，该天线的频率范围从800MHz-3000MHz，且第一侧边101的长度小于第二侧边102的长度。特别地，第一侧边101的长度对应单极子天线的最高频率的四分之一波长；第二侧边102的长度对应单极子天线的最低频率的四分之一波长。优选地，第一侧边101的长度要比该天线的最高频率的1/4波长略短，第二侧边102的长度比该天线的最低频率的1/4波长略长。例如：辐射面100的第二侧边102边长取165mm，第一侧边101边长取为20mm（800MHz与3000MHz的1/4波长分别是93mm和25mm）。

在优选的实施例中，辐射面100为梯形平面体，其第四边104为多段直线或弧线首尾相接而成，或者是多段直线和弧线任意组合后首尾相接而成，或者是一段弧线，特别指出的是：第四边104的走线拐角范围在-90°至0°（参考图1（A）、（B）、（C）、（D））或0°至90°之间，其中，该拐角不包含-90°、0°、90°；也可以认为是：第四边104的上任一点的切线与直角边的夹角（即第四边104上的点的斜率）在0°至90°或90°至180°（参考图1（A）、（B）、（C）、（D））之间，其中该夹角不包含0°、90°、180°。即第四边104线条走线要求平滑且连续，且第四边104上的点到直角边103的垂直线不能重合，而且同一水平高度上不可有重复点。结合附图，第四边104可以为直线的斜边（参考图1（A）），此时，辐射面100为直角梯形；第四边104可以为外凸的弧形曲线（参考图1（B））；第四边104可以为内凹的弧形曲线（参考图1（C））；第四边104可以为波浪形的曲线（参考图1（D））。在其它实施例中，第四边104为可以为弯折形状的边线。

频率引线位于辐射面100的第一侧边101和第二侧边102两侧并与该第一侧边101和第二侧边102分别耦接，该频率引线用于改变辐射面100的电流分布以拓宽天线的频率。

在进一步的实施例中，频率引线包括分别与第一侧边101和第二侧边102平行相对的第一引线201和第二引线202，第一引线201和第二引线202的第一端（2011、2021）与第一侧边101和第二侧边102的第一端在同一直线106，第一引线201和第二引线202的第二端（图未标）与辐射面100的直角边103在同一直线，第一引线201和第二引线202的第二端还分别与第一侧边101和第二侧边102耦接。第一引线201和第二引线202用作为频率牵引，其长度随第二侧边102的第一端在所在的直线106与直角边103的夹角A1而定，主要作用是使中间辐射面100上电流分布定量均匀，到达频率扩散功能。而夹角A1没有固定大小的角度，原则上是要求角度定可能的小。

第一侧边101和第二侧边102的第一端所在的直线106、直角边103和第二引线202形成一三角形S1，该三角形S1的于直角边103所在的边上的中点110为该天线的馈电点。

在优选的实施例中，第一引线201和第二引线202的第一端（2011、2021）形成斜线，该斜线与第一侧边101和第二侧边102的第一端所在的直线106在同一直线。即严格要求下，第一引线201和第二引线202的形状也为梯形，该梯形斜面依然遵从第二侧边102的第一端在所在的直线106与直角边103的夹角A1设定。进一步地，第一引线201和第一侧边101的距离小于第二引线202和第二侧边102的距离。

再有，在优选的实施例中，第一引线201和第二引线202的第一端（2011、2021）形成斜线，该斜线与第一侧边101和第二侧边102的第一端所在的直线在同一直线。

接地部300与辐射面100的直角边103相对，且两端与频率引线耦接。接地部300的区域可用于电路的布局，但并不影响天线性能。

进一步的实施例中，接地部300具有一长边302，，接地部300的长边302与辐射面100的直角边103以缝隙相隔平行，接地部300的长边302长度大于第一引线201和第二引线202之间的距离。本实施例中，接地部300为矩形；在其它实施例中，接地部300可以是梯形，接地部300的远离直角边下部分不做要求，可为任意形状，而且面积越大越好。

频率引线包括还包括第三引线203和第四引线204，第一引线201的第二端通过第三引线203耦接至第一侧边101和接地部300的一端，第二引线202的第二端通过第四引线204耦接至第二侧边102接地部300的另一端。优选地，第三引线203和第四引线204是耦接至接地部300靠近直角边103的长边302的两端。例如：结合上例，辐射面100的直角边103的长度为26mm，两端各通过一条线（第三引线203和第四引线204）连接至接地部300。本例中，所有引线宽度为2mm，具体宽度不做严格要求，不宜大于最高频率波长的1/10。

优选的实施例中，第三引线203和第四引线204与辐射面100的直角边103在同一直线上，即第一引线201通过第三引线203与第一侧边101垂直耦接，第二引线202通过第四引线204与第二侧边102垂直耦接。

结合图2至4可知，上述单极子天线的频率范围：800MHz-3000MHz，频率跨度达到三倍频程；全频段内VSWR（Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比）＜3.5；增益3dBi-5dBi，半功率角度最大达到60°。

上述的单极子天线针对组装与携带的难点而得出的一款基于PCB板或平板式的对数周期单极子天线。其将对数周期偶极子天线阵列中的负轴消除，同时将传统的对数周期单极子天线阵列中的阵列数目缩减至一个，即无需复杂的馈线交叉衔接，为了有足够的带宽和特征阻抗的特性，将阵列天线的单元采用梯形面状，并利用频率引线使辐射面100上电流分布定量均匀，到达频率扩散功能，即可在不同长度的边缘形成不同的电流从而保证频宽。

此外，还提供了一种包括上述的单极子天线的天线系统。该天线系统具有中的天线具有上述特点，且可以为系统提供更宽的频程且更节省系统空间。

Claims (11)

1.一种单极子天线，布设于基板或独立设置，其特征在于，包括：

辐射面，具有平行且相对设置的第一侧边和第二侧边、垂直耦接于所述第一侧边和第二侧边的第一端之间的直角边和耦接在所述第一侧边和第二侧边的第二端之间的第四边；

频率引线，位于所述辐射面的所述第一侧边和第二侧边两侧并与该第一侧边和第二侧边分别耦接，该频率引线改变所述辐射面的电流分布以拓宽频率；

接地部，与所述辐射面的直角边相对，且两端与所述频率引线耦接。

2.根据权利要求1所述的单极子天线，其特征在于，所述频率引线包括分别与所述第一侧边和第二侧边平行相对的第一引线和第二引线，所述第一引线和第二引线的第一端与所述第一侧边和第二侧边的第一端在同一直线，所述第一引线和第二引线的第二端与所述辐射面的直角边在同一直线，并分别与所述第一侧边和第二侧边耦接。

3.根据权利要求2所述的单极子天线，其特征在于，所述频率引线包括还包括第三引线和第四引线，所述第一引线的第二端通过所述第三引线耦接至所述第一侧边和所述接地部的一端，所述第二引线的第二端通过所述第四引线耦接至所述第二侧边所述接地部的另一端。

4.根据权利要求3所述的单极子天线，其特征在于，所述第三引线和第四引线与所述辐射面的直角边在同一直线上。

5.根据权利要求2、3或4所述的单极子天线，其特征在于，所述接地部具有一长边，该长边与所述辐射面的直角边以缝隙相隔平行，所述接地部的长边长度大于所述第一引线和第二引线之间的距离。

6.根据权利要求2、3或4所述的单极子天线，其特征在于，所述第一侧边的长度小于所述第二侧边的长度，所述第一引线和所述第一侧边的距离小于所述第二引线和所述第二侧边的距离。

7.根据权利要求6所述的单极子天线，其特征在于，所述第二侧边的长度对应所述单极子天线的最低频率的四分之一波长；所述第一侧边的长度对应所述单极子天线的最高频率的四分之一波长。

8.根据权利要求6所述的单极子天线，其特征在于，所述第一侧边和第二侧边的第一端所在的直线、直角边和所述第二引线形成一三角形，该三角形的于所述直角边所在的边上的中点为该天线的馈电点。

9.根据权利要求1至4任一项所述的单极子天线，其特征在于，所述第四边为多段直线或弧线首尾相接而成，或者是多段直线和弧线任意组合后首尾相接而成，或者是一段弧线；

所述第四边的上任一点的切线与所述直角边的夹角在0°至90°或90°至180°之间。

10.根据权利要求2、3或4所述的单极子天线，其特征在于，所述第一引线和所述第二引线的第一端形成斜线，该斜线与所述第一侧边和第二侧边的第一端所在的直线在同一直线。

11.一种天线系统，其特征在于，包括权利要求1至10任一项所述的单极子天线。

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