CN104157959A

CN104157959A - 双频宽带电小天线

Info

Publication number: CN104157959A
Application number: CN201410387927.5A
Authority: CN
Inventors: 肖绍球; 但冬梅; 王秉中
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2014-11-19

Abstract

本发明提供双频宽带电小天线，包括锥体结构、接地金属柱、圆形地板结构和同轴馈电线，锥体结构包括圆锥体部、锥体末端水平展开部和弧形顶；锥体末端水平展开部形成于圆锥体部的末端，弧形顶加载于锥体末端水平展开部的与圆锥体部相对的一侧；锥体结构通过锥体末端水平展开部与接地金属柱的一端相连，接地金属柱位于锥体末端水平展开部的与圆锥体部相同的一侧，接地金属柱的另一端与圆形地板结构相连；接地金属柱上具有一截断缝隙，在截断缝隙间加载有集总电路，其中，集总电路包括串联的电阻和电感；圆形地板结构的中央具有第一通孔，同轴馈电线穿过所述第一通孔与圆锥体部的顶端接触，以进行馈电。适合在天线领域推广应用。

Description

双频宽带电小天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及双频宽带电小天线。

背景技术

无线通信设备的天线尺寸一般与其工作频段所对应的波长相关。若采用的是单极子类天线，则至少需要1/4波长的天线长度才能产生谐振，因此单极子类天线的尺寸通常较大。在实际中，通常会同时放置多个天线，而，当设置天线的空间有限时，单极子类天线之间的电磁干扰将会影响通信质量。

在现有技术中，小型化天线能够克服上述缺陷，如电小天线，其中，当天线的电尺寸T小于1时，则可称之为电小天线，电小天线是天线小型化的极限。其中，天线的电尺寸T＝ka，k为自由空间波数，a为天线的最大几何尺寸。但是，由于电小天线的辐射电阻远小于电抗，其相当于仅有少量辐射的电容器或电感器，因此，电小天线与常用的特性阻抗为50Ω的同轴馈电线匹配困难。另外，根据Chu理论，电小天线的电尺寸T越小，则品质因数Q越大，天线的带宽也越窄，从而天线的整体性能也会变差。

发明内容

本发明为解决现有技术中电小天线存在的匹配困难和带宽窄的技术问题，提供一种双频宽带电小天线。

本申请的双频宽带电小天线，包括锥体结构、接地金属柱、圆形地板结构和同轴馈电线，锥体结构通过接地金属柱与圆形地板结构相连，锥体结构包括圆锥体部、锥体末端水平展开部和弧形顶；其中，

锥体末端水平展开部形成于圆锥体部的末端，弧形顶加载于锥体末端水平展开部的与圆锥体部相对的一侧；

锥体结构通过锥体末端水平展开部与接地金属柱的一端相连，接地金属柱位于锥体末端水平展开部的与圆锥体部相同的一侧，接地金属柱的另一端与圆形地板结构相连；

接地金属柱上具有一截断缝隙，在截断缝隙间加载有集总电路，其中，集总电路包括串联的电阻和电感；

圆形地板结构的中央具有第一通孔，同轴馈电线穿过所述第一通孔与圆锥体部的顶端接触，以进行馈电。

进一步的，所述锥体末端水平展开部呈圆盘状，且锥体末端水平展开部的直径与所述圆形地板结构的直径相同。

进一步的，所述圆锥体部的顶端具有一圆形截面，圆形截面内具有第二通孔，同轴馈电线通过所述第二通孔插入圆锥体部的顶端。

进一步的，所述第一通孔的直径与所述同轴馈电线的外径相等。

进一步的，所述锥体结构、所述接地金属柱和所述圆形地板结构的材料为铜。

进一步的，所述同轴馈电线具体为特性阻抗为50Ω的标准同轴馈线。

本发明的有益效果是：通过包括圆锥体部的锥体结构和圆形地板结构，本申请的双频宽带电小天线实质上是一个带有地板的单锥天线，在具有与双锥天线相同的宽带特性时，其高度为双锥天线的一般，因此，解决了双锥天线横、纵向尺寸较大的技术问题，降低了天线的尺寸，还具有与双锥天线相同的良好宽带特性；

进一步的，通过锥体末端水平展开部2实现了在不增加天线总体尺寸的情况下延长天线的电长度，其等效于实现了天线的小型化；

进一步的，通过弧形顶构成的渐变结构，可以改善锥体末端水平展开部的不连续性，减小了天线的反射，从而使得天线能够以小尺寸实现优良的辐射性能和较宽的频带；

又，通过接地金属柱，可以补偿工作频率低的天线输入阻抗的较大电容值，改善天线的阻抗特性，展宽带宽，使得双频宽带电小天线实现覆盖184MHz-6GHz的超宽频带；

又，通过接地金属柱上的截断缝隙和缝隙间加载的集总电路，使得双频宽带电小天线产生谐振点，能够在很宽的频段范围内获得理想的阻抗特性，实现1MHz-38.8MHz频段的覆盖，进一步的，通过改变集总电路中的电阻值和电感值还实现工作频段的移动；

又，为便于同轴馈电线的同轴探针馈电，将圆锥体部的顶端削平，形成一圆形截面，在圆形截面内打第二通孔，同轴探针通过第二通孔插入圆锥体部的内部，从而同轴探针能够与圆锥体部紧密接触。

附图说明

图1是本发明的双频宽带电小天线的结构示意图；

图2是本发明的双频宽带电小天线的仿真反射系数图；

图3a-e是本发明的双频宽带电小天线分别在38MHz、184MHz、1.3GHz、2.5GHz、6GHz的二维仿真方向图；

其中，1为圆锥体部，2为锥体末端水平展开部，3为弧形顶，4为接地金属柱，41为截断缝隙，5为圆形地板结构，51为第一通孔，6为同轴馈电线。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请的技术方案进行详细描述。

本申请的双频宽带电小天线，包括锥体结构、接地金属柱4、圆形地板结构5和同轴馈电线6，锥体结构通过接地金属柱4与圆形地板结构5相连，锥体结构包括圆锥体部1、锥体末端水平展开部2和弧形顶3；其中，锥体末端水平展开部2形成于圆锥体部1的末端，弧形顶3加载于锥体末端水平展开部2的与圆锥体部1相对的一侧；锥体结构通过锥体末端水平展开部2与接地金属柱4的一端相连，接地金属柱4位于锥体末端水平展开部2的与圆锥体部1相同的一侧，接地金属柱4的另一端与圆形地板结构5相连；接地金属柱4上具有一截断缝隙41，在截断缝隙41间加载有集总电路，其中，集总电路包括串联的电阻和电感；圆形地板结构5的中央具有第一通孔51，同轴馈电线6穿过所述第一通孔51与圆锥体部1的顶端接触，以进行馈电。

通过包括圆锥体部1的锥体结构和圆形地板结构5，本申请的双频宽带电小天线实质上是一个带有地板的单锥天线，在具有与双锥天线相同的宽带特性时，其高度为双锥天线的一般，因此，解决了双锥天线横、纵向尺寸较大的技术问题，降低了天线的尺寸，还具有与双锥天线相同的良好宽带特性；进一步的，通过锥体末端水平展开部2实现了在不增加天线总体尺寸的情况下延长天线的电长度，其等效于实现了天线的小型化；进一步的，通过弧形顶3构成的渐变结构，可以改善锥体末端水平展开部2的不连续性，减小了天线的反射，从而使得天线能够以小尺寸实现优良的辐射性能和较宽的频带；又，通过接地金属柱4，可以补偿工作频率低的天线输入阻抗的较大电容值，改善天线的阻抗特性，展宽带宽，使得双频宽带电小天线实现覆盖184MHz-6GHz的超宽频带；又，通过接地金属柱4上的截断缝隙41和缝隙间加载的集总电路，使得双频宽带电小天线产生谐振点，能够在很宽的频段范围内获得理想的阻抗特性，实现1MHz-38.8MHz频段的覆盖。

在本申请中，如图1所示，双频宽带电小天线，包括锥体结构，其中，锥体结构包括圆锥体部1、锥体末端水平展开部2和弧形顶3。所述双频宽带电小天线还包括接地金属柱4、圆形地板结构5和同轴馈电线6。锥体结构通过接地金属柱4与圆形地板结构5相连。具体的，锥体结构通过锥体末端水平展开部2与接地金属柱4的一端相连，接地金属柱4的另一端与圆形地板结构5相连。在具体实施过程中，锥体结构、接地金属柱4、圆形地板结构5和同轴馈电线6的材料均采用金属铜。

在本申请中，锥体末端水平展开部2形成于圆锥体部1的末端，所述锥体末端水平展开部2呈圆盘状，具体的，在圆锥体部1的末端向外水平展开并且延伸，从而形成圆盘状的锥体末端水平展开部2。且，锥体末端水平展开部2的直径与圆形地板结构5的直径相同，即在圆锥体部1的末端向外水平展开并延伸到与圆形地板结构5的尺寸相同的长度。通过锥体末端水平展开部2实现了在不增加天线总体尺寸的情况下延长天线的电长度，其等效于实现了天线的小型化。

在本申请中，弧形顶3加载于锥体末端水平展开部2的与圆锥体部1相对的一侧，具体的，在形成锥体末端水平展开部2之后，在锥体末端水平展开部2上加载一弧形顶3，从而形成一个渐变结构。通过该渐变结构，可以改善锥体末端水平展开部2的不连续性，减小了天线的反射，从而使得天线能够以小尺寸实现优良的辐射性能和较宽的频带。

在具体实施过程中，圆锥体部1的厚度为2mm、高度h₁为215mm、底端直径为d₁为250mm、锥角θ为60°。锥体末端水平展开部2的外直径d₂为300mm、厚度为2mm。弧形顶3的高度h₂为87mm、厚度为2mm。

具体的，在本申请中，接地金属柱4位于锥体末端水平展开部2的与圆锥体部1相同的一侧，又接地金属柱4设置于锥体末端水平展开部2的边缘，由于接地金属柱4呈感性，因此，可以补偿工作频率低的天线输入阻抗的较大电容值，改善天线的阻抗特性，展宽带宽，使得双频宽带电小天线实现覆盖184MHz-6GHz的超宽频带。

优选的，在本申请中，接地金属柱4上具有一截断缝隙41，在截断缝隙41间加载有集总电路，具体的，先将接地金属柱4截断，再在截断处加载集总电路，其中，集总电路包括串联的电阻R和电感L，从而使得双频宽带电小天线产生谐振点，能够在很宽的频段范围内获得理想的阻抗特性。在具体实施过程中，接地金属柱4的直径d₃为12mm，将接地金属柱4在与圆形地板结构5相距h₃高度处截断，并加载集总电路，h₃为180mm，其中，截断处缝隙41的高度为2mm，R的电阻值为33Ω，L的电感值为80Nh,从而使得天线在1MHz处产生一个谐振点，实现1MHz-38.8MHz频段的覆盖，进一步的，通过改变电阻和电感值还实现工作频段的移动。

在本申请中，圆形地板结构5的中央具有第一通孔51，同轴馈电线6穿过所述第一通孔51与圆锥体部1的顶端接触，以进行馈电。具体的，第一通孔51的直径与同轴馈电线6的外径相等，同轴馈电线6的同轴探针穿过第一通孔51进行馈电。在具体实施过程中，圆形地板结构5的厚度为2mm、直径d₄为300mm。同轴馈电线6具体为特性阻抗为50Ω的标准同轴馈线，其内导体直径为1.3mm，外导体直径为3mm。

优选的，在本申请中，圆锥体部1的顶端具有一圆形截面，圆形截面内具有第二通孔，同轴馈电线6通过第二通孔插入圆锥体部1的顶端。具体的，为便于同轴馈电线6的同轴探针馈电，将圆锥体部1的顶端削平，形成一圆形截面，在圆形截面内打第二通孔，第二通孔为圆柱形，同轴探针通过第二通孔插入圆锥体部1的内部，从而同轴探针能够与圆锥体部1紧密接触。在具体实施过程中，形成一直径为4mm的圆形截面，第二通孔的直径为1.3mm，高度为2mm。

本申请的双频宽带电小天线以300mm×300mm×306m的总体尺寸实现了1MHz-38.8MHz和184MHz-6GHz双频段的宽频工作范围。

通过CST软件仿真本申请的双频宽带电小天线得到的反射系数如图2所示，进一步的，该双频宽带电小天线在38MHz、184MHz、1.3GHz、2.5GHz、6GHz这五个频点处的仿真辐射方向图分别如图3a-e所示。从图中可以看出，随着频率的升高，E面(xoz面)方向图由类似倒“8”字的形状逐渐发生畸变，H面(xoy面)方向图由类似圆形逐渐发生畸变，方向图具有全向性。

Claims

1.双频宽带电小天线，其特征在于，包括锥体结构、接地金属柱(4)、圆形地板结构(5)和同轴馈电线(6)，锥体结构通过接地金属柱(4)与圆形地板结构(5)相连，锥体结构包括圆锥体部(1)、锥体末端水平展开部(2)和弧形顶(3)；

其中，锥体末端水平展开部(2)形成于圆锥体部(1)的末端，弧形顶(3)加载于锥体末端水平展开部(2)的与圆锥体部(1)相对的一侧；

锥体结构通过锥体末端水平展开部(2)与接地金属柱(4)的一端相连，接地金属柱(4)位于锥体末端水平展开部(2)的与圆锥体部(1)相同的一侧，接地金属柱(4)的另一端与圆形地板结构(5)相连；

接地金属柱(4)上具有一截断缝隙(41)，在截断缝隙(41)间加载有集总电路，其中，集总电路包括串联的电阻和电感；

圆形地板结构(5)的中央具有第一通孔(51)，同轴馈电线(6)穿过所述第一通孔(51)与圆锥体部(1)的顶端接触，以进行馈电。

2.如权利要求1所述的双频宽带小天线，其特征在于，所述锥体末端水平展开部(2)呈圆盘状，且锥体末端水平展开部(2)的直径与所述圆形地板结构(5)的直径相同。

3.如权利要求1所述的双频宽带小天线，其特征在于，所述圆锥体部(1)的顶端具有一圆形截面，圆形截面内具有第二通孔，同轴馈电线(6)通过所述第二通孔插入圆锥体部(1)的顶端。

4.如权利要求1所述的双频宽带小天线，其特征在于，所述第一通孔(51)的直径与所述同轴馈电线(6)的外径相等。

5.如权利要求1所述的双频宽带小天线，其特征在于，所述锥体结构、所述接地金属柱(4)和所述圆形地板结构(5)的材料为铜。

6.如权利要求1所述的双频宽带小天线，其特征在于，所述同轴馈电线(6)具体为特性阻抗为50Ω的标准同轴馈线。