CN104134859A - 一种宽带高效率高方向性电小天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带高效率高方向性电小天线，属于天线技术领域。该天线包括激励单元、上寄生单元、下寄生单元、两薄圆柱体形介质板、同轴馈线；所述两薄圆柱体形介质板半径相同，中心对准，上下平行放置；激励单元、上寄生单元分别设置于上薄圆柱体形介质板底面和顶面，下寄生单元设置于下薄圆柱体形介质板顶面；同轴馈线的内、外导体分别连接激励单元的两块金属片；同轴馈线的馈电端穿过下薄圆柱体形介质板延向其下侧一段距离，与50Ω信号源相接。本天线设计简单，结构紧凑，易于制造，可应用于工作频率在1GHz附近的宽带无线通信系统中。

Description

一种宽带高效率高方向性电小天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽带高效率高方向性电小天线。

背景技术

随着无线通信射频前端设备朝着小型化、紧凑化、集成化、多功能方向不断的推进，对电小天线的设计提出了越来越苛刻的要求。近年来，随着研究不断地深入，天线工作者尝试性地尽量降低天线的整体电尺寸，以至于达到物理结构设计极限水平，并保持良好的辐射性能，取得了一定的研究成果。首先，在实现天线小型化、多功能设计方面，目前较为流行的技术有：自身物理结构的改进与优化，如开槽、弯折天线；加载技术，如在天线单元上加载容性或感性元件；使用人工电磁特异材料结构作为近场寄生谐振单元，如负介电常数介质材料、近场寄生谐振器等；可重构技术，如通过加载PIN开关、变容二极管等集总元件扩展天线可利用的频率范围。其次，在提高天线定向辐射性能方面，如方向性、增益、效率、前后比等，目前所使用的技术包括：通过构造由基本电小电偶极子和磁偶极子组成的惠更斯源；在激励单元的近场区域加载容性或感性分布元件；集成具有电磁带隙结构的谐振反射板以及其它结构形式的接地板等。

本质上，依据电小天线设计理论，电小天线的电尺寸、效率、工作带宽等性能指标存在着相互制约，使得它们在实际的研制开发中面临设计极限，如“Chu极限”理论所述。可见，同时具有电小、宽带、高效率、定向辐射的天线设计具有异常艰巨的挑战性。由此可见，它的成功设计在实际的工程应用中具有非常重要的应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带高效率高方向性电小天线，该天线能够在天线电尺寸较小的前提下，满足宽带高增益的需求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种宽带高效率高方向性电小天线，该天线包括激励单元、上寄生单元、下寄生单元、两薄圆柱体形介质板、同轴馈线；所述两薄圆柱体形介质板半径相同，中心对准，上下平行放置；激励单元、上寄生单元分别设置于上薄圆柱体形介质板底面和顶面，下寄生单元设置于下薄圆柱体形介质板顶面；同轴馈线的内、外导体分别连接激励单元的两块金属片；同轴馈线的馈电端穿过下薄圆柱体形介质板延向其下侧一段距离，与50Ω信号源相接，如此长的同轴馈线设计是为了考虑存在于天线系统近场的馈线对天线整体的工作性能的影响。

进一步，所述激励单元的金属片组成战斧形状，该战斧形金属片由直条金属臂连接两块弧形金属片组成，两块金属片中的一块连接同轴馈线内导体，另一边对称设置的金属片连接同轴馈线外导体。

进一步，所述上寄生单元由两战斧形金属片合并而成，呈一条形金属臂连接顶端两弧形金属片结构，在受激励情况下，与底面战斧形激励单元耦合，实现LC谐振，产生一个谐振模式。上寄生单元与战斧形激励单元合成辐射场形式与传统电偶极子辐射场形式相似，两者组成战斧形电偶极子。

进一步，所述下寄生单元的中心为一环形金属片，环形金属片的两边连接由直条金属臂与弧形金属片组合形成的战斧形金属片，环形金属片与同轴馈线没有接触；加载这种结构的寄生单元具有类似八木天线反射器的作用，使电小天线总的辐射场朝向正上方向，以利于良好实现边射特性。下寄生单元与战斧形激励单元、上寄生单元发生LC谐振，产生新的临近谐振模式，从而进一步展宽了天线工作频带。

进一步，所述上、下薄圆柱体形介质板的材料为RogersDuroid6010，电介质常数10.2，相对磁导率为1.0，损耗正切角值0.0023，半径为30-34mm，厚度为1.20-1.33mm，表面敷铜的厚度为0.016-0.019mm。两介质板中心距离为27-30mm。

进一步，所述激励单元两战斧形金属臂宽度为2.56-2.83mm，臂长度为19-21mm，弧形部分外半径为25-27mm，弧宽度为5.5-6.5mm，两弧间隙为31-33mm。

进一步，所述上寄生单元中间金属臂宽度为4.1-4.7mm，臂长度为47-49mm，顶端弧形外半径为31-33mm，弧宽度为7.5-8.5mm，两弧间隙为31-33mm。

进一步，所述下寄生单元中心环形金属片内半径为2.4-2.7mm，外半径为5.3-5.9mm，直条金属片长度为17.5-19.5mm，宽度为3.5-6.9mm，顶端弧形外半径为31-33mm，宽度为7.5-8.5mm，两弧间隙为27-30mm。

进一步，所述同轴馈线内导体呈实圆柱体形，半径为0.5-0.7mm，长度为50-55mm，外导体呈薄壁空心圆柱体形，半径为1.5-1.7mm，长度为50-55mm，内外导体之间填充绝缘层，以满足50欧姆特性阻抗；上、下薄圆柱体形介质板之间的同轴馈线外导体的半边被削去。

本发明的有益效果在于：本技术方案中，同轴馈线直接连接战斧形激励单元，使激励部分尺寸较小从而与50Ω信号源进行良好匹配；战斧形激励单元与上寄生单元组成战斧形电偶极子形式，近似构成八木天线的受激单元，它们之间的耦合谐振使天线在保持电小尺寸的同时，具有很高的辐射效率。设计战斧形下寄生单元构成八木天线的反射器，使天线总的辐射方向朝天线正上方，提高了天线的方向性。同时，上寄生单元和下寄生单元的工作频段相互重叠，明显扩展了天线的工作带宽。本发明提供的天线设计简单，结构紧凑，易于制造，可应用于工作频率在1GHz附近的宽带无线通信系统中。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的电小天线的整体结构图；

图2为本发明所述的电小天线的主视图；

图3为本发明所述的电小天线的俯视图；

图4为本发明所述的电小天线的侧视图；

图5为仿真本发明所述的电小天线的S参数曲线图；

图6为仿真本发明所述的电小天线的E平面辐射场方向图；

图7为仿真本发明所述的电小天线的H平面辐射场方向图；

图中标识1为上薄圆柱体形介质板，2为下薄圆柱体形介质板，3为同轴传输线内导体，4为同轴传输线外导体，5为上寄生单元，6为激励单元，7为战斧形金属片金属臂部分，8为下寄生单元，9为下寄生单元中圆环部分。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明所述的宽带高效率高方向性电小天线的整体结构图、主视图、俯视图、侧视图分别如图1、图2、图3、图4所示。该天线包括激励单元6、上寄生单元5、下寄生单元8、上薄圆柱体形介质板1、下薄圆柱体形介质板2、同轴馈线内导体3、同轴馈线外导体4。两薄圆柱体形介质板厚度表示为H1，采用材料RogersDuroid6010，其介电常数为10.2，相对磁导率1.0，损耗正切值为0.0023。激励单元、上寄生单元、下寄生单元金属片的的厚度均相同。仿真得到天线的最优尺寸如表1所示,组成的电小天线电尺寸较小，ka＝0.696(其中k＝2л/λ_r，k表示自由空间波数，λ_r为谐振频率f_r＝0.94GHz处自由空间波长，a为包围整个天线球体的最小半径)。

激励单元6由对称放置的战斧形金属片组成，其位置、结构如图1、图3所示，处于上介质板1底面。战斧形金属片中间金属臂7长L1，宽度W1，其顶端连接的金属弧弯形结构外半径R1，宽度W2，两弧间隙L2。同轴馈线外导体4与左边战斧形金属片相连，内导体3连接右边战斧形金属片。天线馈电时，左、右战斧形金属片同时被激励，产生表面激励电流而生成辐射场。两战斧形金属片结构对称，中间金属臂未相连而相隔一间隙，在天线等效电路分析中等效为电容，与加载的感性单元实现LC谐振。战斧形激励单元这种结构比较紧凑，与之耦合的寄生单元同样具有紧凑的结构，使整个天线的电尺寸较小，以利于保证天线小型化的设计。

上寄生单元5结构如图1、图3所示，处于上介质板1顶面，由两战斧形金属片合并而成，中间金属臂长L3，宽度W3，顶端弧形金属结构宽度W4，弧外半径R2，两弧间隙L4。上寄生单元在激励单元的近场产生耦合谐振。理论上，该单元加载可以等效于引入负介电常数介质覆盖在天线的周围实现天线的小型化、高效率、以及良好匹配。当信号源激励时，上寄生单元弧形金属部分在等效电路中表现出感性，中间直金属臂缝隙部分表现为容性，与底面容性战斧形激励单元实现低频处的LC谐振模式，产生高效辐射场。上寄生单元与战斧形激励单元形状相似、距离很近而具有很好的阻抗匹配。当战斧形激励单元近场耦合激励时，上寄生单元中间金属臂上产生强度较大的感应电流，其幅度较战斧形激励单元上的电流大，是所设计电小天线主要的辐射单元。上寄生单元与激励源距离非常近，两者组成一战斧形电偶极子，所产生的辐射场与电偶极子辐射场的形式相似，在该等效八木天线中充当了受激单元。上寄生单元、战斧形激励单元、下寄生单元相互耦合，与同轴馈线一起共同匹配50Ω信号源。

下寄生单元8结构如图1、图3所示，位于下介质板顶面，形状与上寄生单元5相似。中心圆环9内半径R3，外半径R4，圆环9连接的金属臂宽W5，长度L5，顶端弧形结构尺寸与上寄生单元5相同，两弧间隙L6。同轴馈线与下寄生单元8没有接触。下寄生单元结构与战斧形激励单元、上寄生单元结构相似，具有很好的匹配度，受激励时，表面产生极化方向相互平行的感应电流。在作用辐射场方面，该寄生单元与激励单元形状相近，位于其底部。该放置方式可以使下寄生单元与上面的激励单元和上寄生单元间具有适宜的相位差和空间距离。这样能够使下寄生单元扮演着类似八木天线中的反射器角色，使所设计电小天线总的辐射场方向朝向正上方向，明显提高该天线系统的方向性。该单元未与同轴馈线内、外导体相连，距离激励单元较近，具有近场谐振器的作用，与战斧形激励源的耦合产生新的谐振模式，使电小天线在新的更低谐振频率点附近工作，从而展宽了电小天线的工作频带。

同轴馈线结构如图1、图2、图4所示，内导体3呈实圆柱体形，半径R5，长度L7，外导体4呈薄壁空心圆柱体形，半径R6，长度L7。在上介质板1与下介质板2区间段，长度L8外导体被削去右半边，这样便于使馈线内、外导体分别与右、左战斧形金属片连接，减小外导体表面电流对天线辐射特性的影响。外导体与下介质薄圆柱体底面有接触，内、外导体与下寄生单元金属均没有接触。

使用高频电磁仿真软件HFSS13.0对上述建立的天线结构模型进行仿真实验，得出电小天线结构尺寸最优值如表1所示。

表1 HFSS13.0仿真得电小天线最优尺寸

表中H2为激励单元、上寄生单元、下寄生单元覆铜的厚度。

在本实施例中，使用HFSS13.0仿真了天线性能参数，分别对天线S参数、方向图进行仿真分析。

图5为仿真得到的天线S参数曲线图。如图所示，所设计的电小天线有两个谐振频率点，分别为0.94GHz、0.99GHz，-10dB的带宽范围为0.93-1.03GHz，工作频带宽度为100MHz。谐振频率点0.99GHz的反射损耗值-47.8dB低于谐振频率点0.94GHz的反射损耗值-11.3dB。两个谐振频率分别主要由引入的上、下两寄生谐振单元产生。在电小天线等效电路中，寄生单元等效为电容和电感串联，战斧形激励单元将为等效电路提供相应的等效电容，两者形成LC谐振，使得天线能够在较低频点良好工作。由于上寄生单元与战斧形激励单元距离很近，形状相似而能够较好的电耦合，谐振产生辐射场辐射效率高。相比而言上寄生单元的总体极化电流路径较短，使其作用产生的谐振频率高。下寄生单元的总体极化电流路径较长，使其作用产生的谐振频率低。

图6-7为仿真得到频率点0.94GHz、0.96GHz、1.00GHz的天线辐射场E面、H面方向图，从图中可以观察到，电小天线E、H面辐射场具有朝天线正上方的辐射方向，H面辐射场具有近似于全向辐射的特性，E面辐射场呈不对称的“8”字形。在频率点0.94GHz，电小天线的E、H面辐射场的最大增益值为4.38dBi，朝着边射方向。随着频率的升高，E、H面辐射场正上方向增益值减小。E面辐射场的方向图的后向辐射存在一定的不对称性(尤其在低频段)，主要原因为天线采用同轴线缆的不平衡结构的直接馈电方式。在频率较低时，朝天线正上方辐射场增益较大，其原因是在低频段时，主要由于下寄生单元与战斧形激励单元间的耦合谐振，它们间的相位差和空间距离使得辐射方向图呈边射形式。相对而言，在高频段时，主要由于上寄生单元与战斧形激励单元间的耦合谐振，它们在极其近的距离时，所形成的方向图呈传统偶极子形式。因为两个谐振频段相互重叠，使得天线在高频处也表现为一定的边射特性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：包括激励单元、上寄生单元、下寄生单元、两薄圆柱体形介质板、同轴馈线；

所述两薄圆柱体形介质板半径相同，中心对准，上下平行放置；激励单元、上寄生单元分别设置于上薄圆柱体形介质板底面和顶面，下寄生单元设置于下薄圆柱体形介质板顶面；同轴馈线的内、外导体分别连接激励单元的两块金属片；同轴馈线的馈电端穿过下薄圆柱体形介质板延向其下侧一段距离，与50Ω信号源相接。

2.根据权利要求1所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述激励单元的金属片组成战斧形状，该战斧形金属片由直条金属臂连接两块弧形金属片组成，两块金属片中的一块连接同轴馈线内导体，另一边对称设置的金属片连接同轴馈线外导体。

3.根据权利要求1所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述上寄生单元由两战斧形金属片合并而成，呈一条形金属臂连接顶端两弧形金属片结构，在受激励情况下，与底面战斧形激励单元耦合，实现LC谐振，产生一个谐振模式。

4.根据权利要求1所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述下寄生单元的中心为一环形金属片，环形金属片的两边连接由直条金属臂与弧形金属片组合形成的战斧形金属片，环形金属片与同轴馈线没有接触；下寄生单元与战斧形激励单元、上寄生单元发生LC谐振，产生新的谐振模式。

5.根据权利要求1所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述上、下薄圆柱体形介质板的材料为RogersDuroid6010，电介质常数10.2，相对磁导率为1.0，损耗正切角值0.0023，半径为30-34mm，厚度为1.20-1.33mm，表面敷铜的厚度为0.016-0.019mm。两介质板中心距离为27-30mm。

6.根据权利要求2所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述激励单元两战斧形金属臂宽度为2.56-2.83mm，臂长度为19-21mm，弧形部分外半径为25-27mm，弧宽度为5.5-6.5mm，两弧间隙为31-33mm。

7.根据权利要求3所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述上寄生单元中间金属臂宽度为4.1-4.7mm，臂长度为47-49mm，顶端弧形外半径为31-33mm，弧宽度为7.5-8.5mm，两弧间隙为31-33mm。

8.根据权利要求4所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述下寄生单元中心环形金属片内半径为2.4-2.7mm，外半径为5.3-5.9mm，直条金属片长度为17.5-19.5mm，宽度为3.5-6.9mm，顶端弧形外半径为31-33mm，宽度为7.5-8.5mm，两弧间隙为27-30mm。

9.根据权利要求1所述的一种宽带高效率高方向性电小天线，其特征在于：所述同轴馈线内导体呈实圆柱体形，半径为0.5-0.7mm，长度为50-55mm，外导体呈薄壁空心圆柱体形，半径为1.5-1.7mm，长度为50-55mm，内外导体之间填充绝缘层，以满足50欧姆特性阻抗；上、下薄圆柱体形介质板之间的同轴馈线外导体的半边被削去。