CN105576378B - 一种双频天线、双极化双频天线及隔离元件制备方法 - Google Patents
一种双频天线、双极化双频天线及隔离元件制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种双频天线，包括依次电连接的馈电单元、传输线及辐射臂单元；所述辐射臂单元包括具有第一、第二高频辐射臂的内侧辐射单元和具有第一、第二低频辐射臂的外侧辐射单元及两个设于内侧、外侧辐射单元之间的隔离元件，内侧辐射单元的一端与传输线连接，内侧辐射单元的另一端与外侧辐射单元通过隔离元件电连接；所述每个隔离元件为一端开路或短路的平行双线结构，组成隔离元件的平行双线另一端的两个导体分别与相应的高频辐射臂和低频辐射臂连接。本发明的双频天线实现了传输的高准确性及生产的批量一致性，改善了现有技术方案的不足，同时具有体积轻小的优势。
Description
【技术领域】
本发明涉及天线设计领域，尤其涉及一种双频天线、双极化双频天线及隔离元件制备方法。
【背景技术】
不同通信系统需采用不同频带的发送/接收天线，因此，天线应能够接收多个频带的无线电信号以应用于多个通信系统。对于发送/接收多个频率的无线电信号，可以使用多个单频天线或在多个频率上工作的多频天线。然而，在提高通信系统空间利用率与可操作性方面，使用多频的发送/接收天线比使用多个单频发送/接收天线，对通信系统的集成化设计是更有利的。
专利文献CN00806915公开了一种多频共用天线的方案，通过在电介质基板的内侧辐射元件与外侧辐射元件的间隙连接两个辐射元件的电感线圈，从而实现双频共用甚至多频共用。
《电波科学学报》1990年第2期《展宽半波对称振子带宽的一种方法》提出了一种通过增加谐振回路展宽对称振子带宽的方法，当振子工作在低频时，对应其并联谐振回路呈短路状态。当振子工作在高频时，对应其并联谐振回路呈开路状态。这样对称振子实现双频甚至多频。
专利文献CN201180004411提出了一种紧凑多频天线，其天线元件配置在介质的一面，经过金属通孔并联另一面的电感器，并且与介质另一面的串联电容器形成电容器，经由这些电容器和串联电感器电连接到输入/输出端。通过适当地确定并联电感器的电感、串联电容器的电容和串联电感器的电感以创建多个预期频率附近的谐振点。
上述文献的方案如果应用于高频段(比如移动通信700MHz～2700MHz频段)，因为电感线圈在高频段会产生寄生旁路电容和等效串联电阻的综合效应，电容在高频段也存在寄生旁路电感及串联电阻效应，同时存在元件的焊接工艺差异，这些非理想的寄生效应及电阻效应将导致实际参数与理想参数的偏差，影响设计准确性，且难以保证产品的批量一致性。
专利文献CN201320047905提出了一种无源探测天线振子，主要包括连接块、U形支架、天线接收芯和挤压块以及左右天线接收端，左右天线接收端用圆形镀锡铝棒制作，两端连接并固定在U型支架上，提高了电磁波信号的接收面积，并有效地降低了信噪比，然而，该种探测天线只工作于单个频带，应用于多频系统时，需在单个测试系统安装多个探测天线，增大测试系统的复杂性。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种双频天线、双极化双频天线及隔离元件制备方法，该双频天线通过采用将平衡馈电部分、辐射臂部分以及隔离部件设置在介质板上，实现了传输的高准确性及生产的批量一致性，改善了现有技术方案的不足，同时具有体积轻小的优势。
为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
一种双频天线，包括依次电连接的馈电单元、传输线及辐射臂单元；所述辐射臂单元包括具有第一、第二高频辐射臂的内侧辐射单元和具有第一、第二低频辐射臂的外侧辐射单元和两个用于隔高频通低频的隔离元件，第一、第二高频辐射臂的一端与传输线连接，所述第一高频辐射臂的另一端和第一低频辐射臂通过一隔离元件电连接，所述第二高频辐射臂的另一端和第二低频辐射臂通过另一隔离元件电连接；所述每个隔离元件为一端开路或短路的平行双线结构，组成隔离元件的平行双线另一端的两个导体分别与相应的高频辐射臂和低频辐射臂连接。
进一步的，还包括介质板，所述馈电单元、传输线及辐射臂单元均蚀刻于该介质板上，每个隔离元件的两个导体分别蚀刻于介质板的正反两面。
优选的，所述馈电单元为巴伦平衡馈电单元，其包括在所述介质板的正面蚀刻出并依次连接的第一、第二和第三导体带，以及介质板的反面蚀刻出的接地带，并且，所述第一、第二导体带与接地带构成微带线结构，第三导体带与接地带构成平行双线结构。
具体的，所述第一、第二和第三导体带被设计成先阶梯型变细后再向外倾斜变粗并在第三导体带的末端形成平行双线，所述接地带被设计成向内倾斜变细并最终形成与第三导体带的平行双线配合的平行双线。
具体的，所述第一高频辐射臂和第二低频辐射臂设于介质板的正面，第二高频辐射臂和第一低频辐射臂设于介质板的反面，并且所述第一高频辐射臂和第二低频辐射臂与隔离元件位于介质板正面的导体连接，第二高频辐射臂和第一低频辐射臂与隔离元件位于介质板反面的导体连接。
所述内侧辐射单元与隔离元件之间串联有可变电阻。
进一步的，所述巴伦平衡馈电单元的末端与一端带有N型接头的同轴线焊接。
进一步的，该双频天线还包括安装板和用于固定该天线的支架，所述介质板通过安装板与支架连接。
本发明还涉及一种上述隔离元件的的制备方法，包括以下步骤：选择两条导体或传输线形成平行双线作为隔离元件的基体；将平行双线的一端进行开路或短路处理；测量并观察平行双线的输入端特性并判断其输入端特性是否阻高频通低频；当输入端特性满足阻高频通低频时提取其作为隔离元件；当输入特性不满足阻高频通低频时，改变平行双线的物理线长和特性阻抗，直到满足阻高频通低频的输入端特性要求。
本发明还涉及了一种双极化双频天线，包括两个上述双频天线，所述两个双频天线垂直相交，并且两个双频天线的对称轴相互重叠。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
内侧辐射单元与外侧辐射单元的间隙利用末端短路或者开路的平行双线连接，该平行双线形成隔离元件，对于高频段呈现为高阻抗线，起到隔离高频的作用，对于低频段呈现为低阻抗线，起到直通低频的作用，以实现双频段特性。所述隔离元件采用具有稳定参数的平行双线实现，使相关设计具有高的准确性及批量一致性，改善了现有技术方案的不足。
本发明可在内侧辐射单元串联电阻，通过改变电阻值来控制探测天线的接收电平，以满足实际测量的要求。
巴伦平衡馈电部分、传输线以及辐射臂部分皆设置在介质板上，反面的金属地与正面的导体带形成微带线结构，导体带与反面金属地形成平行双线结构，传输线也为平行双线结构，相比常规使用圆形镀锡铝棒制作的方案，本方案具有重量轻的优势。
【附图说明】
图1为本发明双频天线的电路原理图。
图2为图1所示双频天线的隔离元件的一个实施方式示意图。
图3为图1所示双频天线的隔离元件的另一个实施方式示意图。
图4为本发明双频天线的物理结构示意图，其中虚线示出了介质板反面的电路结构。
图5为图4所示双频天线巴伦平衡馈电单元的立体图。
图6为图4所示传输线的立体图。
图7为图4所示的辐射臂单元立体图，其中示出了辐射臂与隔离元件的连接关系。
图8为本发明的双极化双频天线的立体图，其由两个图4所示的双频天线垂直相交组成。
【具体实施方式】
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地描述，其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。
参考图1至8，图1为本发明的双频天线的电路原理图，图2和图3为图1中涉及的隔离元件的电路原理图，其中，图2所示的平行双线的一端被短路，图3所示的平行双线的一端为开路。
本发明的双频天线100包括依次电连接的馈电单元1、传输线2和辐射臂单元3。
所述馈电单元1具有馈点，用于与外部的馈电网络连接，以将馈电网络传输的电信号经由馈点传输到辐射臂单元3并由辐射臂单元3向空间发射或将辐射臂单元3接收到的信号经馈电单元1的馈点传输到外部的馈电网络中。
所述辐射臂单元3包括第一、第二高频辐射臂106、107和第一、第二低频辐射臂110、111，以及两个用以隔离高频通低频的隔离元件108、109。其中第一高频辐射臂106通过一个隔离元件108与第一低频辐射臂110电连接，第二高频辐射臂107通过另一个隔离元件109与第二低频辐射臂111电连接。
由图1可以看出，在辐射臂单元3中，信号从传输线2经高频辐射臂106、107传输到低频辐射臂110、111，也即，第一、第二高频辐射臂106、107无论从机械结构，还是信号传输上都比第一、第二低频辐射臂110、111更靠近传输线2。为了便于描述和理解，第一、第二高频辐射臂统称为内侧辐射单元，第一、第二低频辐射臂则统称为外侧辐射单元。
请结合图2和图3，两个隔离元件108、109的结构相同，以隔离元件108为例。所述隔离元件108为一端开路或短路的平行双线结构(即具有两根平行的导体1081、1082，平行双线的导体1081、1082一端与开路器或短路器连接)，所述隔离元件的另一端中，一个导体1081与内侧辐射单元连接，另一个导体1082则与外侧辐射单元连接。
具体地，隔离元件108、109采用物理长度为l(λ为波长)、特征阻抗为Z0的导体比如传输线。根据终端有载传输线的输入阻抗公式(其中Z0为传输线特征阻抗，ZL为负载阻抗，Zin为输入端阻抗，β既是相移常数，也是均匀无耗传输线的传播常数)可知：
当隔离元件的平行双线末端开路时，ZL＝∞，对于高频辐射臂，时，Zin＝∞，隔离元件表现为开路，实现辐射臂的断开；此时，对于低频辐射臂，时，Zin＝0，传输线表现为短路，实现辐射臂的直通。
当隔离元件的平行双线末端短路时，ZL＝0，对于高频辐射臂，时，Zin＝∞，隔离元件表现为开路，实现辐射臂的断开；此时对于低频辐射臂，时，传输线表现为感性，起到阻高频通低频的作用。
由此，本发明的双频天线中，内侧辐射单元与外侧辐射单元的间隙利用末端短路或开路的平行双线构成的隔离元件连接，该隔离元件对于高频段表现为高阻抗性、起到隔离高频的作用，对于低频段则表现为低阻抗性，起到直通低频的作用，从而实现了该天线的双频段特性。
隔离元件采用具有稳定参数的传输线来实现，使得相关设计具有较高的准确性及批量一致性。
图4-7共同示出了本发明的上述实施方式的双频天线的结构示意图。其中，虚线表征设在介质板反面402的电路结构。所述馈电单元1为巴伦平衡馈电单元1。
所述巴伦平衡馈电单元1、传输线2和辐射臂单元3一体化设置于一介质板4上。
所述巴伦平衡馈电单元1包括均蚀刻于介质板4正面401并依次连接的第一、第二和第三导体带101、102、103，以及蚀刻于介质板4反面402的接地带104。
巴伦平衡馈电单元1位于介质板4正面的导体带从第一导体带101到第三导体带103先以类似阶梯型逐步变细(即向其对称轴内缩)，再以拉斜线(向外倾斜)逐渐变粗并过渡到第三导体带103的末端为平行双线结构，介质板4反面402的接地带104被设计成向内倾斜变细并最终形成与第三导体带的平行双线配合的平行双线，从而使得介质板4正面401的第一、第二导体带101、102与反面的接地带104构成微带线结构，第三导体带103与接地带104构成平行双线结构。
传输线2与巴伦平衡馈电单元1和辐射臂单元3连接，并在介质板4的正面和反面以蚀刻工艺印制出类似“＝”的平行双线(参见图6)。该平行双线为特性阻抗是Z0，长度是L的平行双线，通过改变所述传输线的线宽和线长可以实现传输线与辐射臂单元之间的阻抗匹配。
请结合图7，如前文所述，隔离元件108、109为一端短路或开路的平行双线结构。所述隔离元件108、109在介质板4上表现为分别蚀刻于介质板4正、反两面的一对平行导体1081、1082。其中，平行双线的端部114和115为隔离元件108和109短路或开路的位置。
请结合图4和图7，所述辐射臂单元3在介质板4上以如下方式设置：所述第一高频辐射臂106和第二低频辐射臂111蚀刻于介质板4的正面，第二高频辐射臂107和第一低频辐射臂110蚀刻于介质板4的反面。隔离元件108的两个导体中，介质板4正面的导体与第一高频辐射臂106连接，介质板4反面的导体则与第一低频辐射臂110连接；隔离元件109的两个导体中，介质板4正面的导体与第二低频辐射臂111连接，介质板4反面的导体则与第二高频辐射臂107连接。
在该双频天线中，巴伦平衡馈电单元1、传输线2与辐射臂单元3一体化设计，并在介质板上采用蚀刻加工工艺制作，相对于常规使用圆形镀锡铝棒制作的方案，本发明的双频天线100具有重量轻的优势。
进一步的，内侧辐射单元106、107与隔离元件108、109之间串联有可变电阻112、113，以通过改变可变电阻112、113的电阻值来控制探测天线的接收电平，进而满足实际测量的要求。
进一步的，所述巴伦平衡馈电单元1的末端可与一端带有N型接头的同轴线(图未示)焊接，以方便使用矢量网络分析仪提取测量得到双频天线输出端口(即辐射臂单元)的网络参数。
进一步的，还包括安装板5和用于固定该天线100的支架，所述介质板4通过安装板5与支架连接。由于使用支架对天线进行固定，减少了该天线应用时的位置误差。
本发明中还涉及一种上述隔离元件的制备方法，包括以下步骤：
选择两条导体(或传输线)形成平行双线作为隔离元件的基体；
将平行双线的一端进行开路或短路处理，比如在该端连接开路器或短路器；
测量并观察平行双线的输入端特性并判断其输入端特性是否阻高频通低频；
当输入端特性满足阻高频通低频时提取其作为隔离元件；当输入特性不满足阻高频通低频时，改变平行双线的物理线长和特性阻抗，直到满足阻高频通低频的输入端特性要求。
参见图8，本发明还涉及一种双极化双频天线200，包括两个上述双频天线100，所述两个双频天线垂直相交，并且两个双频天线100的对称轴相互重叠。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种双频天线，包括依次电连接的馈电单元、传输线及辐射臂单元；其特征在于：
所述辐射臂单元包括具有第一、第二高频辐射臂的内侧辐射单元和具有第一、第二低频辐射臂的外侧辐射单元和两个用于隔高频通低频的隔离元件，第一、第二高频辐射臂的一端与传输线连接，所述第一高频辐射臂的另一端和第一低频辐射臂通过一隔离元件电连接，所述第二高频辐射臂的另一端和第二低频辐射臂通过另一隔离元件电连接；
所述一个隔离元件的一端开路或短路的平行双线结构，组成隔离元件的平行双线的另一端的两个导体分别与第一高频辐射臂和第一低频辐射臂电连接；所述另一个隔离元件的一端开路或短路的平行双线结构，组成隔离元件的平行双线的另一端的两个导体分别与第二高频辐射臂和第二低频辐射臂电连接。
2.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于：还包括介质板，所述馈电单元、传输线及辐射臂单元均蚀刻于该介质板上，每个隔离元件的两个导体分别蚀刻于介质板的正反两面。
3.根据权利要求2所述的双频天线，其特征在于：所述馈电单元为巴伦平衡馈电单元，其包括在所述介质板的正面蚀刻出并依次连接的第一、第二和第三导体带，以及介质板的反面蚀刻出的接地带，并且，所述第一、第二导体带与接地带构成微带线结构，第三导体带与接地带构成平行双线结构。
4.根据权利要求3所述的双频天线，其特征在于：所述第一、第二和第三导体带被设计成先阶梯型变细后再向外倾斜变粗并在第三导体带的末端形成平行双线，所述接地带被设计成向内倾斜变细并最终形成与第三导体带的平行双线配合的平行双线。
5.根据权利要求2所述的双频天线，其特征在于：所述第一高频辐射臂和第二低频辐射臂设于介质板的正面，第二高频辐射臂和第一低频辐射臂设于介质板的反面，并且所述第一高频辐射臂和第二低频辐射臂与隔离元件位于介质板正面的导体连接，第二高频辐射臂和第一低频辐射臂与隔离元件位于介质板反面的导体连接。
6.根据权利要求2所述的双频天线，其特征在于：还包括安装板和用于固定该天线的支架，所述介质板通过安装板与支架连接。
7.根据权利要求3所述的双频天线，其特征在于：所述巴伦平衡馈电单元的末端与一端带有N型接头的同轴线焊接。
8.根据权利要求1所述的双频天线，其特征在于：内侧辐射单元与所述隔离元件之间串接有可变电阻。
9.一种权利要求1至8任一项中的隔离元件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
选择两条导体或传输线形成平行双线作为隔离元件的基体；
将平行双线的一端进行开路或短路处理；
测量并观察平行双线的输入端特性并判断其输入端特性是否阻高频通低频；
当输入端特性满足阻高频通低频时提取其作为隔离元件；当输入特性不满足阻高频通低频时，改变平行双线的物理线长和特性阻抗，直到满足阻高频通低频的输入端特性要求。
10.一种双频双极化天线，其特征在于：包括两个权利要求1至8任一项所述的双频天线，所述两个双频天线垂直相交，并且两个双频天线的对称轴相互重叠。
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Legal Events
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