CN106450781B - 宽频带缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频带缝隙天线，包括U形波导腔体，于U形波导腔体的开口一侧设有至少一个矩形的缝隙；与每个缝隙对应设有两个耦合馈电及两个馈电点。本发明的有益效果在于：天线采用U形辐射腔结构起到反射作用，同时支撑天线主体部分，整体结构设计紧凑。此外有别于常规缝隙天线单个馈电点构造，采用双点馈电，不仅达到同相馈电要求，实现方向图指标，且可实现阻抗宽频要求。实验仿真结果看出，两个馈电点引起两个谐振频率。此外，采用微带耦合馈电，可实现阻抗宽频要求。而耦合馈电的导带分布在腔体内部，则满足结构简单要求。

Description

宽频带缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种广播电视通信系统发射天线，尤其是指一种宽频带缝隙天线。

背景技术

近十年来，由于通信技术的发展与逐渐成熟，有线电视系统不断地被人们赋予更多的新内涵要求。光纤传输技术、数字技术、双向传输技术、因特网互联技术等的采用，使得有线电视网所能传输的电视节目更远更快，传输的节目频道数更多，传输的节目质量更好。更为有意义的是，实现了电视节目、数据信息的双向交互式传送，建立了一个大容量的综合信息传输网。有线电视网将把千家万户连结起来，把通信、计算机、广播电视节目传输都纳入这个综合信息服务网中。有线电视作为我国发展最快的网络之一，信号传输由模拟信号发展到今天的数字信号。发射站点功率降低，实现节能环保，降低工程造价和维护成本。从80年代末到今天有线电视经历了由闭路电视系统发展成为各省市甚至全国联网的第二大公用网络。

有线电视系统主要由信号源、前端、干线传输和用户分配网络组成。信号源接收部分的主要任务是向前端提供系统欲传输的各种信号。它一般包括开路电视接收信号、调频广播、地面卫星、微波以及有线电视台自办节目等信号。系统的前端部分的主要任务是将信号源送来的各种信号进行滤波、变频、放大、调制、混合等，使其适用于在干线传输系统中进行传输。

天线设备作为系统的前端部分的关键设备，天线的基本功能就是将发射机经传输线送来的高频电流能量转变为无线电波并发送到空间；在接收端就是将空间传来的无线电波能量转变成向接收机传送的高频电流能量。因此可以说天线是一个能量转换器件。

缝隙天线在电视网络通信系统中主要做重点区域的补充覆盖。天线极化属水平极化，水平极化多用于短波广播、地面电视网络等的网络传输。有效规避了地面环境对信号传输的制约，增大覆盖范围。缝隙天线就是在导体面上开缝形成的天线，也称为开槽天线。典型的缝隙形状是长条形的，长度约为半个波长。缝隙可用跨接在它窄边上的传输线馈电，也可由波导或谐振腔馈电。这时，缝隙上激励有射频电磁场，并向空间辐射电磁波。在电视UHF频段，天线频率范围：13-68CH内任选频道，天线带宽：10-20MHZ，功率容量：10KW，增益：四缝隙9.5db，方向图全向不均匀度小于3db，垂直波束截面宽度14度。在天线的带宽内驻波小于1.1。缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形等诸多特点，广泛应用在广播电视通信网络中。

有线电视目前的大容量、高速率等特点直接要求天线具备较宽的频带，满足多频道信号传输需求。天线系统因为受传输回波损耗指标制约，实际现有天线带宽很难满足新的系统需求。特别是单个天线。在电视系统中按照标准GY/T 5051-1994《电视和调频广播发射天线馈线系统技术指标》及GY/T 5052-1994《电视和调频广播发射天线馈线系统技术指标测量方法》要求，天馈系统驻波比在工作频道内小于1.1。在新的通信需求方面天线不再是满足一两个频道，而是要满足多个频道，为网络升级和增加带宽提供余量。单从产品的成本及产品种类考虑，也需要这么要求。所以天线的带宽要实现宽频带。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种带宽宽、支持多频道且满足天馈系统驻波比的宽频带缝隙天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种宽频带缝隙天线，包括U形波导腔体，于U形波导腔体的开口一侧设有至少一个矩形的缝隙；与每个缝隙对应设有两个耦合馈电及两个馈电点；

所述耦合馈电包括相连的微带贴片及导带；所述微带贴片与缝隙处于同一平面上，微带贴片与导带相连处靠近缝隙的侧边，导带与缝隙侧边间隔形成空气微带结构；所述两个耦合馈电的激励馈电方向相反；

所述两个馈电点对应每个矩形缝隙中心的两边设置，两个馈电点串联连接且馈电相位相差180度。

上述中，所述U形波导腔体由导体弯折而成。

上述中，所述U形波导腔体的截面宽度及截面高度均为中心频率的波长的1/4，所述缝隙的长度等于中心频率的波长。

上述中，所述两个馈电点间距为中心频率的波长的1/2。

上述中，所述耦合馈电的微带贴片呈圆形、椭圆、锥形或三角形中的一种。

上述中，所述耦合馈电的导带的长度为中心频率的波长的1/4。

上述中，于U形波导腔体的背面设有硬同轴结构的一分二功分器。

上述中，所述U形波导腔体的开口一侧设有2个矩形的缝隙，相邻缝隙之间通过连接于U形波导腔体的短路片间隔，相邻缝隙中设置的两个耦合馈电及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙中的两个馈电点之间并联连接。

上述中，所述U形波导腔体的开口一侧设有4个矩形的缝隙，相邻缝隙之间通过连接于U形波导腔体的短路片间隔，相邻缝隙中设置的两个耦合馈电及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙中的两个馈电点之间并联连接。

上述中，所述U形波导腔体的开口一侧设有6或8个矩形的缝隙，相邻缝隙之间通过连接于U形波导腔体的短路片间隔，相邻缝隙中设置的两个耦合馈电及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙中的两个馈电点之间并联连接。

本发明的有益效果在于：天线采用U形辐射腔结构起到反射作用，同时支撑天线主体部分，整体结构设计紧凑。此外有别于常规缝隙天线单个馈电点构造，采用双点馈电，不仅达到同相馈电要求，实现方向图指标，且可实现阻抗宽频要求。实验仿真结果看出，两个馈电点引起两个谐振频率。此外，采用微带耦合馈电，可实现阻抗宽频要求。而耦合馈电的导带分布在腔体内部，则满足结构简单要求。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的实施例1-6俯视结构图；

图3为本发明的实施例7立体结构图；

图4为本发明的实施例8立体结构图；

图5为本发明的天线水平方向图。

1-导体；11-U形波导腔体；12-缝隙；

2-耦合馈电；21、23-微带贴片；22、24-导带

3、4-馈电点；

A-U形波导腔体的截面宽度；B-U形波导腔体的截面高度；C-缝隙的长度。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

缝隙天线就是在导体面上开缝形成的天线，也称为开槽天线。典型的缝隙形状是长条形的，长度约为半个波长。缝隙可用跨接在它窄边上的传输线馈电，也可由波导或谐振腔馈电。因为缝隙上激励有射频电磁场，所以沿着开缝方向，向空间辐射电磁波。

无限大的理想导电平面上的缝隙称为理想缝隙。缝隙上的电场与缝隙的长边垂直，其振幅在缝隙的两端下降为零。所以当缝隙长边轴线与地面垂直时，天线呈现水平极化波。所以，水平极化天线，采用缝隙设计方案是首选。这一电场分布与具有相同尺寸的导体振子(称为互补振子)上的磁场分布(即电流分布)完全一样。根据电磁场的对偶性可知，理想缝隙所辐射的电磁场与互补振子产生的电磁场具有相同的结构，只是振子的电场矢量对应于缝隙的磁场矢量，振子的磁场矢量对应于缝隙的电场矢量而已。对于有限导体平面或曲面上的实际缝隙，只要导体面尺寸比波长大得多，特别是缝隙窄边方向的尺寸较大，曲率较小，则其基本特性便近似于理想缝隙。

普通的平面缝隙辐射场呈现双向椭圆形状，当在缝隙一侧增加反射结构时，方向成单一方向，随着反射结构的增加，方向图越趋向于定向辐射。

请参阅图1以及图2，本专利提供了一种宽频带缝隙天线，包括U形波导腔体11，于U形波导腔体11的开口一侧设有至少一个矩形的缝隙12。与每个缝隙12对应设有两个耦合馈电2及两个馈电点3、4。

常规缝隙天线的馈电采用同轴线直接中心馈电，或采用探针中心馈电的但馈电点构造，这回导致因缝隙激励口径尺寸有区别，所以缝隙长度方向上每一点的阻抗有差异。每一点的阻抗特性直接决定了匹配的谐振频率，随着谐振频率增加，天线的阻抗带宽变得越宽。按照目前单馈电的阻抗带宽按照驻波2标准，带宽只能做到10﹪左右。为了克服上述问题，本专利天线在馈电设计上采用了双馈电点。

所述耦合馈电2包括相连的微带贴片21、23及导带22、24；所述微带贴片21、23与缝隙12处于同一平面上，微带贴片21、23与导带22、24相连处靠近缝隙12的侧边，导带22、24与缝隙12侧边间隔形成空气微带结构；所述两个耦合馈电2的激励馈电方向相反。

所述两个馈电点3、4对应每个矩形缝隙12中心的两边设置，两个馈电点3、4串联连接且馈电相位相差180度。

两个馈电点可以是同相位激励馈电，但本专利设计中考虑到缝隙要组阵，为了便于两个馈电点串联馈电和组阵，所以两个馈电激励端相位差180度反相，激励相位反向馈电，可以补偿馈电两边腔体的电流平衡，防止天线主方向出现“偏头”问题。同时，相位差异性避免谐振频率阻抗虚部叠加，进而达到展宽阻抗频带的目的。

综上，本发明的有益效果在于：天线采用U形辐射腔结构起到反射作用，同时支撑天线主体部分，整体结构设计紧凑。此外有别于常规缝隙天线单个馈电点构造，采用双点馈电，不仅达到同相馈电要求，实现方向图指标，且可实现阻抗宽频要求。实验仿真结果看出，两个馈电点引起两个谐振频率。此外，采用微带耦合馈电，可实现阻抗宽频要求。而耦合馈电的导带分布在腔体内部，则满足结构简单要求。

实施例1

上述中，所述U形波导腔体11由导体1弯折而成。

常见缝隙天线就是在导体面上开缝形成的天线，也称为开槽天线。本结构中，通过将导体1弯折形成诸如长条形盒状天线主体，一侧表面开放形成缝隙，内部形成反射腔。

实施例2

上述中，所述U形波导腔体的截面宽度A及U形波导腔体的截面高度B均为中心频率的波长的1/4，所述缝隙的长度C等于中心频率的波长。

即取天线设计频率的中点值得到中心频率的波长λ，则A＝1/4λ，B＝1/4λ，C＝1λ。由此可设计满足频率谐振阻抗匹配要求。

由于反射腔体的尺寸受限于天线设计的带宽和方向图指标。阻抗带宽越宽，相应腔体尺寸越大，但相应反射面越大其天线的后向辐射变弱，越倾向于定向。所以腔体尺寸受阻抗带宽和方向图带宽影响制约。本发明设计指标上，天线全向性小于3db，因此天线腔体尺寸不能过大，采用A＝1/4λ，B＝1/4λ最为适宜。

缝隙的长度C也可以是1/2λ，由于缝隙天线的阻抗表示成其互补偶极子的阻抗来推导。若已知对应偶极子的阻抗，就可以确定缝隙的阻抗。C＝1/2λ谐振式缝隙阻抗约530欧姆，C＝λ全波缝隙阻抗约50欧姆。本发明中最优采用全波缝隙，即C＝λ，从而天线便于匹配，且全波缝隙增益较半波缝隙高。

实施例3

上述中，所述两个馈电点间距为中心频率的波长的1/2。

在本专利天线中，通过调整馈电点中心偏移位置，其谐振频率有变化，偏移越多，其阻抗展宽，最佳的两个馈电点分别相对中心等距离，且两点间相距优选1/2λ。

实施例4

上述中，所述耦合馈电2的微带贴片21、23呈圆形、椭圆、锥形或三角形中的一种。

实验表明，微带贴片21、23的形状可以是各种形状，如圆形、椭圆、锥形或三角形等。本设计优选三角形。三角形的微带贴片21、23顶端靠近缝隙12的侧边，缝隙12的侧边与导带22、24形成空气微带结构，微带形成有间距，微带的导带沿着辐射腔体内表面，与腔体共性。

实施例5

上述中，所述耦合馈电2的导带的长度为中心频率的波长的1/4。

经大量实验发现，微带导带长度约1/4λ，形成阻抗匹配长度，便于端口匹配。

实施例6

上述中，于U形波导腔体11的背面设有硬同轴结构的一分二功分器。根据需要通过本实施例中合理的设置功分器，从而可满足天线大功率的需求。

实施例7

上述中，所述U形波导腔体11的开口一侧设有2个矩形的缝隙12，相邻缝隙12之间通过连接于U形波导腔体11的短路片间隔，相邻缝隙12中设置的两个耦合馈电2及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙12中的两个馈电点之间并联连接。

如图3所示，本实施例提供的是一种双缝隙的宽频带缝隙天线，矩形腔体通过短路片分割成两个缝隙，对应每个缝隙设置有两个耦合馈电2及两个馈电点。

对应两个缝隙的分别有微带贴片21、23和微带贴片25、27，且微带贴片21、23与微带贴片25、27相对中心对称。P1到P3示意两个缝隙馈电网络部分。馈电点3和馈电点4串联馈电，馈电点5和馈电点6串联馈电，两边网络并联合路到中间部位。缝隙中，中间部位到馈电点3与中间部位到馈电点4的馈电传输线距离等同于两馈电点距离，相差1/2λ，所以两者馈电相位差180度，耦合激励馈电相位差180度，合成后达到同相馈电效果，实现方向图的叠加。馈电点3、4和馈电点5、6并联馈电，方便组阵馈电，便于相位和幅度控制，实现方向图的零点填充和电子倾角及宽带目标。馈电网络部分传输线分布在腔体内表面或外表面。

实施例8

如图4所示，上述中，所述U形波导腔体11的开口一侧设有4个矩形的缝隙12，相邻缝隙12之间通过连接于U形波导腔体11的短路片间隔，相邻缝隙12中设置的两个耦合馈电2及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙12中的两个馈电点之间并联连接。

本实施例提供的是一种带有反射腔体的四缝隙天线，矩形腔体通过短路片分割成四个缝隙，达到增益和瓣宽要求，对应每个缝隙设置有两个耦合馈电2及两个馈电点。

相邻缝隙采用并联馈电，方便实现多缝隙组阵，最终达到增益指标要求。在辐射腔体外表面设计馈电功分器。功分器满足大功率要求和结构稳定性要求，优选空气硬同轴结构形式。

结合本专利结构特征最终设计的天线可达到频带覆盖470-860MHZ，增益9.5db，天线驻波小于1.5的带宽大于200MHZ，小于1.1带宽约100MHZ，天线满足增益要求，达到宽频带需求。

参见图5的天线水平面方向图可见，在整个带宽内辐射场强均匀，具备宽带特性。天线方向图主波束左右两边对称性好，主方向无偏移。单馈电点容易造成辐射腔体侧壁电流不均，故而方向图主波束出现不对称，方向偏移。

实施例9

上述中，所述U形波导腔体11的开口一侧设有6或8个矩形的缝隙12，相邻缝隙12之间通过连接于U形波导腔体11的短路片间隔，相邻缝隙12中设置的两个耦合馈电2及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙12中的两个馈电点之间并联连接。

本实施例提供的是一种带有反射腔体的6缝隙、8缝隙天线，矩形腔体通过短路片分割成四个缝隙，达到增益和瓣宽要求，对应每个缝隙设置有两个耦合馈电2及两个馈电点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽频带缝隙天线，其特征在于：包括U形波导腔体，所述U形波导腔体的开口一侧设有偶数个矩形的缝隙，每个缝隙对应设有两个耦合馈电及两个馈电点；

所述耦合馈电包括相连的微带贴片及导带；所述微带贴片与缝隙处于同一平面上，微带贴片与导带相连处靠近缝隙的侧边，导带与缝隙侧边间隔形成空气微带结构；所述两个耦合馈电的激励馈电方向相反；

所述两个馈电点对应每个矩形缝隙中心的两边设置，两个馈电点串联连接且馈电相位相差180度；

所述相邻缝隙之间通过连接于U形波导腔体的短路片间隔。

2.如权利要求1所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述U形波导腔体由导体弯折而成。

3.如权利要求1所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述U形波导腔体的截面宽度及截面高度均为中心频率的波长的1/4，所述缝隙的长度等于中心频率的波长。

4.如权利要求3所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述两个馈电点间距为中心频率的波长的1/2。

5.如权利要求1所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述耦合馈电的微带贴片呈圆形、椭圆、锥形或三角形中的一种。

6.如权利要求1所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述耦合馈电的导带的长度为中心频率的波长的1/4。

7.如权利要求1所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：于U形波导腔体的背面设有硬同轴结构的一分二功分器。

8.如权利要求1-7任意一项所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述U形波导腔体的开口一侧设有2个矩形的缝隙，相邻缝隙中设置的两个耦合馈电及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙中的两个馈电点之间并联连接。

9.如权利要求1-7任意一项所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述U形波导腔体的开口一侧设有4个矩形的缝隙，相邻缝隙中设置的两个耦合馈电及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙中的两个馈电点之间并联连接。

10.如权利要求1-7任意一项所述的宽频带缝隙天线，其特征在于：所述U形波导腔体的开口一侧设有6或8个矩形的缝隙，相邻缝隙中设置的两个耦合馈电及两个馈电点相对于短路片中心对称设置，相邻缝隙中的两个馈电点之间并联连接。