CN104836020A - 一种共面全向水平极化分形偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共面全向水平极化分形偶极子天线，其特征在于，它包括介质基板、天线振子和馈电同轴线，天线振子以印刷电路板工艺印制到介质基板上，采用三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线，在水平方向和垂直方向进行不等尺度缩放后，进行水平镜像复制以获得对称两臂，形成一条周期性分形曲线，在两侧镜像之间设置有平行于其对称轴的共面带线巴伦，在共面带线巴伦左右两侧构造有一对对称的寄生条带，在对称轴位置开一馈电间隙，馈电同轴线焊接在天线振子的馈电间隙处。本发明实现了1.5·λ偶极子共面全向水平极化辐射，带内良好阻抗匹配，小型化，低成本，覆盖了2.4GHz的WLAN+ISM频段，增益为2.2dBi-2.5dBi，不圆度小于5.6dB，效率ηA大于62％。
Description
技术领域
本发明涉及一种短距无线通信终端天线设备与技术，特别是涉及一种共面全向水平极化分形偶极子天线。
背景技术
随着互联网和移动通信技术的不断发展，目前人类已普遍进入信息社会。信息已成为人们日常生活不可或缺的基本需求。信息技术作为推动人类社会进步的驱动器，未来必将继续深入发展，最终实现人与人、人与物、物与物之间的高度信息互通。信息化、智能化、网络化、物联网蓬勃兴起，使得诸如蓝牙(Bluetooth)、无线WiFi、无线局域网(WLAN)、WiMAX、超宽带通信(UWB)的短距高速无线通信技术得到了广泛应用，因而对小型化低剖面全向天线的需求变得日益强烈。由于接收终端的可移动性，为了保证它在位于固定发射台周围任意方位时都能有效接收到信号，发射台天线必须水平全向辐射。再者，若要接收机能接收周围任意方位的来波信号，也必须采用水平全向天线。综上分析，短距无线通信的固定发射台和移动接收机都必须使用水平全向天线。目前，最常用的全向天线是单偶极子天线，但无论低增益还是高增益、窄带还是宽带、单频还是多频、单极化还是多极化，欲在水平方向获得全向辐射，该型天线必须需要竖直放置，如飞机背部的刀片状宽带单极子天线。若要在水平面获得更高增益，天线需要沿竖直方向进行共轴组阵。这会使得阵列长度或高度很大，如室外全向玻璃钢基站天线。然而，对于某些不能突出载体表面或内部安装空间受限的场合，单偶极子天线显然不是合适的方案。这时，平面化或低剖面的水平全向辐射天线才能满足要求。但是，到目前为止，关于这种天线的研究探索还相当少。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种平面化、小型化、全向性、线极化、低成本的终端天线，并为小型化高增益全向阵列天线设计提供新的解决方案。
本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种共面全向水平极化分形偶极子天线，其特征在于，它包括介质基板、天线振子和馈电同轴线，天线振子以印刷电路板工艺印制到介质基板上，采用三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线，在水平方向和垂直方向进行不等尺度缩放后，进行水平镜像复制以获得对称两臂，形成一条周期性分形曲线，在两侧镜像之间设置有平行于其对称轴的共面带线巴伦，在共面带线巴伦左右两侧构造有一对对称的寄生条带，在对称轴位置开一馈电间隙，馈电同轴线焊接在天线振子的馈电间隙处。
作为上述方案的进一步说明，所述馈电同轴线从上往下沿共面带线巴伦一侧导体平行放置，最下端与馈电间隙焊接后，其后方裸露的外导体部分与正下方的巴伦导体焊接以便更好固定。
一种共面全向水平极化分形偶极子天线的设计方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一，选用一条三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线(Sierpinski Curve)，在XOY平面内对其进行尺度变换，水平方向(X轴)和垂直方向(Y轴)的缩放因子分别为δ1和δ2(一般地，δ1≠δ2)；
步骤二，将步骤一缩放后的分形曲线沿X轴镜像对称复制，然后将两者合并为一条周期性分形曲线；
步骤三，将步骤二合并后的周期性分形曲线变成宽度为WS的条带；
步骤四，在步骤三的分形条带中间构造一个与对称轴平行的共面带线巴伦；
步骤五，在步骤四的共面带线巴伦左右两侧构造一对对称的寄生条带；
步骤六，在步骤三的周期性分形条带中心对称轴位置开一馈电间隙；
步骤七，采用印刷电路板工艺，将以上各步骤中的天线图案印制到一单面介质基板；
步骤八，在印制天线馈电间隙处焊接一根50Ω标准同轴线，另一端则接同轴连接器以方便使用。
优选地，所述不等尺度缩放的三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线进行水平镜像复制以获得偶极子的对称两臂。
优选地，所述三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线处处等宽(WS)。
所述介质基板选用介电常数εr＝3～5的基材。
优选地，所述同轴线连接头为50Ω的SMA、BNC、TNC、N型等常见接头。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
1、本发明采用三次迭代塞尔宾斯基分形曲线，实现了共面全向、水平极化的新型1.5·λ偶极子，这是常规欧式形状单偶极子和其他分形偶极子所不具备的新奇辐射模式；采用共面带线印制巴伦，显著改善了带内阻抗匹配(|S11|min＝-38.5dB)；采用振子两臂近旁对称附设寄生弯折导体，实现了天线尺寸进一步小型化；采用印刷电路工艺，实现了天线制作的高品质和低成本。
2、本发明的天线覆盖了2.4GHz-2.5GHz频段(WLAN+ISM)，增益约为2.3dBi，H面半功率波束宽度约为106°，不圆度小于5.6dB，效率ηA>62％，整体尺寸为65mm(0.53·λc)×19mm(0.155·λc)×1.5mm(0.012·λc)，非常适合用作移动终端内置天线。
附图说明
图1为天线模型所采用的平面直角坐标系定义的示意图；
图2(a)表示初始体或零次迭代I0，图2(b)表示一次迭代I1，图2(c)表示二次迭代I2，图2(d)表示三次迭代I3，图2(e)表示四次迭代I4，图2(f)表示次五迭代I5；
图3(a)表示尺度缩放操作，图3(b)表示镜像对称操作，图3(c)表示曲线加宽操作；
图4(a)表示偶极子中间附加与对称轴平行的共面带线巴伦，图4(b)表示偶极子两臂内侧对称附加寄生导体段，4(c)表示偶极子中心对称轴处开馈电间隙；
图5(a)表示天线基板的顶面图(俯视图)，图5(b)表示天线焊接馈电轴线，图5(c)表示天线基板的左视图(或右视图)；
图6为共面全向水平极化分形偶极子天线的输入阻抗Zin特性曲线；其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是输入阻抗Zin，单位为Ω；实线表示实部Rin，虚线表示虚部Xin；由图知，fr＝2.4487GHz为谐振点，其阻抗值Zin＝Rin＝48.6Ω；
图7为共面全向水平极化分形偶极子天线的反射系数|S11|特性曲线；其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是S11的幅度|S11|，单位为dB；由图知，谐振点fr＝2.4487GHz的|S11|＝-38.54dB；fL＝2.4GHz和fH＝2.5GHz匹配稍差一些，|S11|分别为-5.46dB、-5.94dB；-10dB带宽为2.45％；
图8为共面全向水平极化分形偶极子天线在fL＝2.40GHz的2D实增益方向图(G＝2.31dBi，不圆度小于5.48dB)；其中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；粗黑线表示H-面(XOZ平面)；细灰线表示E-面(XOY平面)；
图9为共面全向水平极化分形偶极子天线在fC＝2.45GHz的2D实增益方向图(G＝2.42dBi，不圆度小于5.58dB)；其中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；粗黑线表示H-面(XOZ平面)；细灰线表示E-面(XOY平面)；
图10为共面全向水平极化分形偶极子天线在fL＝2.50GHz的2D实增益方向图(G＝2.531dBi，不圆度小于5.70dB)；其中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；粗黑线表示H-面(XOZ平面)；细灰线表示E-面(XOY平面)；
图11为共面全向水平极化分形偶极子天线在fC＝2.45GHz的3D方向图与天线模型叠合图；
图12为共面全向水平极化分形偶极子天线的增益G随频率f变化曲线；其中，黑线表示+X/-X轴方向，灰线表示+Y轴方向，虚线表示-Y轴方向；由图知，X轴增益最大，-Y轴增益最小，带内不圆度小于5.7dB；
图13为共面全向水平极化分形偶极子天线H面半功率波束宽度θHPBW随频率f变化关系曲线；由图知，带内θHPBW取值在105.5°-107.5°之间，远大于半波振子E面的78°；
图14为共面全向水平极化分形偶极子天线的效率ηA随频率f变化曲线(62％≤ηA≤88％)；
图15为共面全向水平极化分形偶极子天线谐振点fr＝2.4487GHz的表面电流分布；显然，天线谐振时的电尺度为1.5倍波长(即1.5·λr)。
附图标记说明：1、介质基板 2、天线振子 3、馈电同轴线 4、寄生条带。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
这里，将基于三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线(Sierpinski Curve)来设计共面全向水平极化分形偶极子天线，并给出相应附图对本发明进行详细说明。其中，图2(a)-图2(f)为各次迭代塞尔宾斯基分形曲线(SierpinskiCurve)的示意图；图3(a)-图3(c)为三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线(Sierpinski Curve)进行尺度缩放、镜像对称和加宽操作的示意图；图图4(a)-图4(c)为共面全向水平极化分形偶极子天线附设共面带线巴伦、寄生导体和馈电间隙的示意图；图5(a)-图5(c)为共面全向水平极化分形偶极子天线印制于介质基板的示意图。
如图1-图5(c)所示，本发明是一种共面全向水平极化分形偶极子天线，它包括介质基板1、天线振子2和馈电同轴线3，天线振子以印刷电路板工艺印制到介质基板上，采用三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线，在水平方向和垂直方向进行不等尺度缩放后，进行水平镜像复制以获得对称两臂，形成一条周期性分形曲线，在两侧镜像之间设置有平行于其对称轴的共面带线巴伦，在共面带线巴伦左右两侧构造有一对对称的寄生条带4，在对称轴位置开一馈电间隙，馈电同轴线焊接在天线振子的馈电间隙处。馈电同轴线从上往下沿共面带线巴伦一侧导体平行放置，最下端与馈电间隙焊接后，其后方裸露的外导体部分与正下方的巴伦导体焊接以便更好固定。
以下是全向水平极化分形偶极子天线的设计方法，它包括以下步骤：步骤一，建立天线所在平面的直角坐标系，如图1所示；步骤二，演示各次迭代In塞尔宾斯基分形曲线的构造过程，如图2(a)-(f)所示；步骤三，选择三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线(Sierpinski Curve)作为设计方案，在XOY平面内对其进行尺度变换，沿水平方向(X轴)和垂直方向(Y轴)的缩放因子分别为δ1和δ2(一般地，δ1≠δ2)，如图3(a)所示；步骤四，将步骤三缩放后的分形曲线沿X轴镜像对称复制，然后将两者合并为一条周期性分形曲线，如图3(b)所示；步骤五，将步骤四合并后的周期性分形曲线变成宽度为WS的条带，如图3(c)所示；步骤六，在步骤五的分形条带中间沿+Y轴构造一个平行于对称轴的共面带线巴伦，如图4(a)所示；步骤七，在步骤六的共面带线巴伦左右两侧构造一对对称的寄生条带，如图4(b)所示；步骤八，在步骤四的周期性分形条带中心对称轴位置开一馈电间隙，如图4(c)所示；步骤九，采用印刷电路板工艺，将以上各步骤中的天线图案印制到一单面FR4介质基板(介电常数εr＝4.4，损耗角正切tanδ＝0.02，厚度为1.5mm)，如图5(a)所示；步骤十，将一根50Ω标准同轴线从上往下沿巴伦一侧导体平行放置，最下端与馈电间隙焊接后，其后方裸露的外导体部分与正下方的巴伦导体焊接以同轴线更好地固定于基板，如图5(b)-(c)所示。
本发明采用三次迭代塞尔宾斯基分形曲线，实现了1.5·λ偶极子共面全向水平极化辐射；采用共面带线巴伦，实现了带内良好阻抗匹配(|S11|min＝-38.5dB)；采用对称寄生弯折导体段，实现了天线尺寸小型化；采用印刷电路工艺，实现了天线加工的低成本。该天线覆盖了2.4GHz的WLAN+ISM频段(2.4GHz-2.5GHz)，增益为2.2dBi-2.5dBi，不圆度小于5.6dB，效率ηA大于62％，整体尺寸为长L×宽W×厚T＝65mm(0.53·λc)×19mm(0.155·λc)×1.5mm(0.012·λc)。
所述三次迭代I3塞尔宾斯基分形偶极子天线导线宽度均匀(WS)；同轴线连接头为SMA、BNC、TNC、N型等50Ω的接头。
本发明的积极进步效果在于：一、采用三次迭代塞尔宾斯基分形曲线，实现了共面全向、水平极化的新型1.5·λ偶极子，这是常规欧式形状单偶极子和其他分形偶极子所不具备的新奇辐射模式；采用共面带线印制巴伦，显著改善了带内阻抗匹配(|S11|min＝-38.5dB)；采用振子两臂近旁对称附设寄生弯折导体，实现了天线尺寸进一步小型化；采用印刷电路工艺，实现了天线制作的高品质和低成本。该天线覆盖了2.4GHz-2.5GHz频段(WLAN+ISM)，增益约为2.3dBi，H面半功率波束宽度约为106°，不圆度小于5.6dB，效率ηA>62％，整体尺寸为65mm(0.53·λc)×19mm(0.155·λc)×1.5mm(0.012·λc)，非常适合用作移动终端内置天线。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种共面全向水平极化分形偶极子天线，其特征在于，它包括介质基板、天线振子和馈电同轴线，天线振子以印刷电路板工艺印制到介质基板上，采用三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线，在水平方向和垂直方向进行不等尺度缩放后，进行水平镜像复制以获得对称两臂，形成一条周期性分形曲线，在两侧镜像之间设置有平行于其对称轴的共面带线巴伦，在共面带线巴伦左右两侧构造有一对对称的寄生条带，在对称轴位置开一馈电间隙，馈电同轴线焊接在天线振子的馈电间隙处。
2.根据权利要求1所述的一种共面全向水平极化分形偶极子天线，其特征在于，所述馈电同轴线从上往下沿共面带线巴伦一侧导体平行放置，最下端与馈电间隙焊接后，其后方裸露的外导体部分与正下方的巴伦导体焊接。
3.一种如权利要求1或2所述的共面全向水平极化分形偶极子天线的设计方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一，选用一条三次迭代I3塞尔宾斯基分形曲线，在XOY平面内对其进行尺度变换，以X轴和Y轴方向进行缩放，缩放因子分别为δ1和δ2，δ1≠δ2；
步骤二，将步骤一缩放后的分形曲线沿X轴镜像对称复制，然后将两者合并为一条周期性分形曲线；
步骤三，将步骤二合并后的周期性分形曲线变成宽度均匀的条带；
步骤四，在步骤三的分形条带中间构造一个与对称轴平行的共面带线巴伦；
步骤五，在步骤四的共面带线巴伦左右两侧构造一对对称的寄生条带；
步骤六，在步骤三的周期性分形条带中心对称轴位置开一馈电间隙；
步骤七，采用印刷电路板工艺，将以上各步骤中的天线图案印制到一单面介质基板；
步骤八，在印制天线馈电间隙处焊接一根50Ω标准同轴线，另一端则接同轴连接器。
4.根据权利要求3所述的共面全向水平极化分形偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述同轴线连接头为50Ω的SMA、BNC、TNC或N型接头。
5.根据权利要求3所述的共面全向水平极化分形偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述介质基板选用介电常数εr＝3～5的基材。
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