CN103825091B - 超宽带定向天线 - Google Patents

Abstract

超宽带定向天线，由介质基板和印刷在介质基板上的辐射单元、馈电网络和地板组成，还包括位于地板上的微带槽线转换结构；所述辐射单元包括一印刷偶极子和无源振子，所述印刷偶极子和馈电网络的对称轴重合，所述第一带线和第二带线均由直带线和连接在直带线一端的地板连接带线组成，所述直带线的另一端连接印刷偶极子的一个振臂的内侧末端，所述地板连接带线另一端连接地板，第一带线与第二带线的直带线相互平行，所述微带槽线转换结构的槽线起点位于两个地板连接带线与地板的连接点之间。本发明尺寸小巧，并且同时具有宽频带，高增益和较好的定向辐射能力。该天线结构简单紧凑、重量轻、易于加工，适用于通讯、电子导航等小型设备。

Description

超宽带定向天线

技术领域

本发明属于通信电子领域，涉及一种印刷天线，特别是一种超宽带定向天线。

背景技术

在目前的通信领域内，天线是无线通信系统中不可或缺的重要组成部分。在各类无线通信系统中，天线作为核心部件，其主要用途是在特定的方向上高效率的辐射和接收电磁波信号。

随着无线电系统的发展，对其中的重要组成成分之一的天线也提出了更高的要求，使之比传统天线的设计更具挑战性，主要表现在：1）、天线除了需要具有超宽的工作频带还要能够保持尺寸的紧凑，重量的轻薄，并且易于与平面大规模电路集成。2）、为解决现代无线通信系统的电磁兼容问题，定向辐射天线将是一种较好的解决手段。超宽带定向天线不仅需要满足阻抗带宽、天线尺寸和加工成本等基本要求，在其工作带宽内天线的增益和方向图特性也应尽量保持稳定，这使得宽频带、高增益、定向辐射的天线成为目前研究的热点课题之一。

在军事领域，随着通信、雷达、导航和电子战等系统的日益复杂，载体平台上的天线越来越多，电磁兼容问题异常突出，成为限制载体性能的主要瓶颈之一。为了有效地减少载体平台的天线数量, 用一副高性能的天线代替多副天线的通信、雷达、导航和电子战的功能成为未来机载天线的主要发展方向。天线定向辐射是解决电磁兼容问题的有效手段之一，这就要求天线具有多个倍频程的工作带宽的同时，还要求天线的方向图在其工作频带内应具有定向辐射的恒定波束，天线结构尺寸也应尽量小巧。

在现有实现天线宽带定向辐射特性的技术中，主要采用宽带定向辐射的天线，如喇叭天线，对数周期天线，渐变结构的天线。虽然这些天线都可实现宽频带定向工作的能力，但是天线的尺寸较大，而且实现宽频带的结构较为复杂，参数之间的影响较大，设计不够灵活。由于平面结构的天线易于设计和加工，因此，平面印刷天线成为天线设计的首选形式。同时，在同一平面实现宽带天线，且结构简单易于实现，参数天线易于调节是设计的实现目的。

八木天线是一种定向性很好的天线，已经得到了广泛的应用。但传统的八木天线的带宽较窄，并且八木天线是属于谐振天线，对时域的波形有较大的色散。平面印刷技术可以有效的展宽八木天线的带宽，但是展宽的天线带宽仍然有限。并且平面印刷八木天线需要较大的地板作为反射器来提高定向辐射特性。

发明内容

为克服现有技术印刷得到的八木天线带宽有限的问题，辐射焦点定向性差的技术缺陷，本发明公开了一种超宽带定向天线。

本发明所述超宽带定向天线，由介质基板和印刷在介质基板上的辐射单元、馈电网络和地板组成，还包括位于地板上的微带槽线转换结构；所述辐射单元包括一印刷偶极子，所述印刷偶极子由轴对称分布的第一振臂和第二振臂组成，所述馈电网络由轴对称分布的第一带线和第二带线组成，所述印刷偶极子和馈电网络的对称轴重合，所述第一带线和第二带线均由直带线和连接在直带线一端的地板连接带线组成，所述直带线的另一端连接印刷偶极子的一个振臂的内侧末端，所述地板连接带线另一端连接地板，第一带线与第二带线的直带线相互平行，所述微带槽线转换结构的槽线起点位于两个地板连接带线与地板的连接点之间。

具体的，所述辐射单元由印刷偶极子和无源振子组成，所述印刷偶极子的第一振臂和第二振臂位于同一平面上，且均平行于无源振子。

优选的，所述地板连接带线为弧形带线。

进一步的，所述弧形带线为圆心角90度的四分之一圆弧，圆弧的两个端点分别连接直带线和地板，与直带线连接的端点处圆弧切线走向与直带线走向平行。

优选的，所述微带槽线转换结构由微带馈线和槽线组成，所述微带馈线和槽线在末端耦合连接，且微带馈线和槽线在耦合点的走向互相垂直。

进一步的，所述微带馈线末端具有微带匹配扇形圆片，所述槽线末端具有槽线匹配扇形圆孔，所述微带匹配扇形圆片和槽线匹配扇形圆孔中轴线互相垂直，且所述微带匹配扇形圆片和槽线匹配扇形圆孔的圆心角均为90度。

进一步的，所述微带馈线的宽度从起点到末端逐渐递减。

本发明所述的超宽带定向天线结构简单，尺寸小巧，并且同时具有宽频带特性，高增益和较好定向辐射能力。该天线结构简单紧凑、体积小、重量轻、易于加工，适用于通讯、电子导航等小型设备。

附图说明

图1为本发明所述超宽带定向天线的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明小型超宽带定向天线工作带宽的仿真和测试结果；

图3是本发明小型超宽带定向天线增益的仿真和测试结果；

图4是本发明天线在5GHz的仿真和测试辐射方向图；

图5是本发明天线在7.5GHz的仿真和测试辐射方向图；

图6是本发明天线在10GHz的仿真和测试辐射方向图；

图7是本发明天线前后比的仿真和测试结果；

图中附图标记名称为：1-无源振子 2-第一振臂 3-第二振臂 4-第一直带线 5-第二直带线 6-第一圆弧带线 7-第二圆弧带线 8-槽线 9-槽线匹配扇形圆孔 10-微带匹配扇形圆片 11-微带馈线 12-介质基板 13-地板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例1

本发明所述超宽带定向天线，由介质基板12和印刷在介质基板12上的辐射单元、馈电网络和地板组成，还包括位于地板上的微带槽线转换结构；其特征在于，所述辐射单元包括一印刷偶极子，所述印刷偶极子由轴对称分布的第一振臂2和第二振臂3组成，所述馈电网络由轴对称分布的第一带线和第二带线组成，所述印刷偶极子和馈电网络的对称轴重合，所述第一带线和第二带线均由直带线和连接在直带线一端的地板连接带线组成，所述直带线的另一端连接印刷偶极子的一个振臂的内侧末端，所述地板连接带线另一端连接地板13，第一带线与第二带线的直带线相互平行，所述微带槽线转换结构的槽线起点位于两个地板连接带线与地板13的连接点之间。

介质基板为绝缘材料，介电常数根据天线收发信号的频率选择，辐射单元和馈电网络均为平面可印刷形式，地板是位于介质基板下方的导体材料，例如铜等导电性好的金属或合金，微带槽线转换结构包括微带馈线和槽线，馈线接收信号后将信号耦合到槽线，通过馈电网络传输给辐射单元。印刷偶极子通过第一带线和第二带线同时馈电，对不同信号频率，偶极子的辐射焦点会发生偏移，本发明中，只要改变两条互相平行的第一直带线4和第二直带线5之间的间距，可以改变馈电参数，使辐射焦点始终保持在两条平行带线的中轴线上，取得最大辐射功率，获得更宽的阻抗带宽。调整印刷使用的掩膜形状，可以方便的调节第一直带线4和第二直带线5间距，调节与第一直带线连接的第一圆弧带线6和与第二直带线连接的第二圆弧带线7的半径即可。

辐射单元的经典组成结构为采用印刷偶极子与无源振子按照如图1所示的方式构成，所述辐射单元由印刷偶极子和无源振子1组成，所述印刷偶极子的第一振臂2和第二振臂3位于同一平面上，且均平行于无源振子。无源振子和两个振臂均为导电材料印刷。无源振子1起到引向器的作用，可以增强的天线在+y 轴方向上的辐射能力。同时无源振子1对天线的阻抗匹配有较大的影响，因此，可以通过调节无源振子1来提高天线的阻抗匹配，增加天线的带宽。

实施例2

本实施例对实施例1中馈电网络的地板连接带线进行进一步限定，地板连接带线的作用是将信号从地板传输到馈电网络中的平行直带线，地板连接带线与直带线一样采用导电材料印刷在介质基板12，地板连接带线的形状优选的采用弧形形状，直带线的间距通常远大于地板连接带线与地板连接点之间的宽度，馈电网络在接收信号时，为保证信号保真度，槽线宽度通常较窄。地板连接带线采用弧线方式，有利于提高信号传输抗干扰能力。

更优选的地板带线实现方式为：所述弧形带线为圆心角90度的四分之一圆弧，圆弧的两个端点分别连接直带线和地板，与直带线连接的端点处圆弧切线走向与直带线走向平行，圆弧带线与直带线成切线方向连接，更利于信号传输，减小衰减。

实施例3

本实施例对实施例1中馈电网络的地板连接带线进行进一步限定，本实施例中，所述微带槽线转换结构由微带馈线11和槽线8组成，所述微带馈线垂直于槽线，即微带馈线和槽线在末端正交耦合形成微带槽线转换结构。采用上述互相垂直的正交耦合方式有利于更好的将微带线的传输模式转换成槽线传输模式，实现较好的信号匹配传输。

微带馈线的线宽从起点到末端的宽度可以设置为逐渐递减，例如如图1所示，分为宽度不等的三段，初始宽度宽，阻抗最小，在馈线末端宽度窄，利于提高馈线和槽线的耦合度。

为进一步提高微带馈线的传输模式和槽线的传输模式之间的模式耦合，在微带馈线末端具有微带匹配扇形圆片10，所述槽线末端具有槽线匹配扇形圆孔9，所述微带匹配扇形圆片10和槽线匹配扇形圆孔9中轴线互相垂直，且所述微带匹配扇形圆片和槽线匹配扇形圆片圆心角均为90度。

针对实施例3的仿真和测量曲线如图2至图7。

图2中仿真和测量的曲线表明本发明的所述的超宽带定向天线具有很宽的工作带宽，可以看出，天线的测量带宽可覆盖4.1-10.5 GHz的频段。图3中仿真和测量的曲线表明本发明的所述的超宽带定向天线可以在较宽的工作带宽实现较大增益，从图3中可以看出，在4-11GHz的频率范围内增益均大于4.5dBi。图4至图6体现本发明的可以获得良好的定向辐射的性能，可以看出，无论在5，7.5或10 GHz频率下，远场的辐射方向始终稳定在y轴方向，这是由于增加了第一直带线4和第二直带线5间距，使得天线辐射区域更集中在中轴线上，同时，无源振子1也增加了辐射方向的稳定性。由此可知，稳定的辐射方向是本发明的一大优势。图7所体现的本发明的具有良好的定向辐射的能力，在天线的工作频段，测量的前后比大于9.8 dB。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、本发明采用印刷偶极子和寄生单元作为天线辐射单元，通过调节印刷偶极子和寄生单元的尺寸参数可实现宽带特性。相比普通的印刷八木天线，本发明具有更宽的阻抗带宽。

2、本发明提出的馈电网络，结构简单紧凑、体积小、重量轻，易于加工制作、易于集成，可以降低天线结构的复杂性。

3、通过改进平行双线构成的馈电结构有效提高天线的阻抗匹配，从而展宽天线的带宽，增加定向性。与其他的方法相比，本发明的结构简单，易于实现。

4、本发明提出的基于改进平行双线构成的馈电结构有效降低地板对天线增益的影响，从而降低天线地板的尺寸来实现小型化

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.超宽带定向天线，由介质基板（12）和印刷在介质基板（12）上的辐射单元、馈电网络和地板（13）组成，还包括位于地板上的微带槽线转换结构；

其特征在于，所述辐射单元由印刷偶极子和无源振子（1）组成，所述印刷偶极子由轴对称分布的第一振臂（2）和第二振臂（3）组成，所述馈电网络由轴对称分布的第一带线和第二带线组成，所述印刷偶极子和馈电网络的对称轴重合，所述第一带线和第二带线均由直带线和连接在直带线一端的地板连接带线组成，所述直带线的另一端连接印刷偶极子的一个振臂的内侧末端，所述地板连接带线另一端连接地板（13），第一带线与第二带线的直带线相互平行，所述微带槽线转换结构的槽线起点位于两个地板连接带线与地板的连接点之间；

所述地板连接带线为弧形带线；

所述弧形带线为圆心角90度的四分之一圆弧，圆弧的两个端点分别连接直带线和地板，与直带线连接的端点处圆弧切线走向与直带线走向平行；

所述印刷偶极子的第一振臂（2）和第二振臂（3）位于同一平面上，且均平行于无源振子。

2.如权利要求1所述的超宽带定向天线，其特征在于，所述微带槽线转换结构由微带馈线（11）和槽线（8）组成，所述微带馈线（11）和槽线（8）在末端耦合连接，且微带馈线和槽线在耦合点的走向互相垂直。

3.如权利要求2所述的超宽带定向天线，其特征在于，所述微带馈线末端具有微带匹配扇形圆片（10），所述槽线末端具有槽线匹配扇形圆孔（9），所述微带匹配扇形圆片（10）和槽线匹配扇形圆孔（9）中轴线互相垂直，且所述微带匹配扇形圆片和槽线匹配扇形圆孔的圆心角均为90度。

4.如权利要求2所述的超宽带定向天线，其特征在于，所述微带馈线（11）的宽度从起点到末端逐渐递减。