CN106785401A - 一种基于容性加载的小型化准八木天线 - Google Patents

一种基于容性加载的小型化准八木天线 Download PDF

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Abstract

一种基于容性加载的小型化准八木天线，包括介质基板、天线馈线、平衡巴伦、差模馈电电路、共面带线、馈源振子、引向器和接地片；该天线馈线一端连接天线端口，另一端连接平衡巴伦一端；该平衡巴伦另一端与差模馈电电路一端相连，该天线馈线和平衡巴伦布置于该介质基板一端的一侧；该差模馈电电路另一端与共面带线一端相连，且该差模馈电电路水平布置于介质基板该端的另一侧；馈源振子的源端与共面带线另一端相连，馈源振子两辐射端还分别设有第一金属条和第二金属条；该引向器水平地布置于该介质基板另一端。本发明通过减小纵向和横向长度，从而实现八木天线的小型化，使得天线结构更为紧凑，还能确保良好的电气性能特性。

Description

一种基于容性加载的小型化准八木天线
技术领域
本发明涉及八木天线领域，特别是一种基于容性加载的小型化准八木天线。
背景技术
八木天线(Yagi-Uda Antenna)是一种常规天线，它有很好的方向性，较偶极天线有高的增益，可适用于测向、远距离通信等领域。但由于传统的八木天线是一种立体性天线，体积较庞大，与微波电路集成较为困难。1998年，加利福尼亚大学洛杉矶分校的Itoh教授领导的科研小组巧妙地将八木天线技术引用至印刷电路板(PCB)上，并利用印刷振子和接地板实现了引向器，馈电振子和反射器功能，减小了传统八木天线的尺寸。同时在天线结构上采用1/4波长转换器，平衡巴伦，差模馈电等技术，解决了传统八木天线中的窄带问题，一时成为国际上的研究热点，并将这种天线命名为准八木天线(Quasi Yagi-UdaAntenna)。随后的工作主要围绕进一步展宽带宽实现宽频，多频以及针对准八木天线阵列展开，并取得了不错的研究成果。
如图1所示，传统的准八木天线由反射器，馈源振子和引向器构成，从横向尺寸看馈源振子全长度Ldri约为(0.45～0.48)λ0，λ0为辐射信号自由空间波长，反射器长度Lref略长于馈源振子，引向器略短于馈源振子，因而横向长度应略大于0.5λ0；从纵向长度分析，反射器和馈源振子间距Sref约为0.2λ0，馈源振子与引向器间距Sdir为0.2λ0，因而传统三元八木天线的大小约为0.5λ0*0.4λ0。
将上述结论置于微带八木天线，如图2所示，由于介质作用，馈源振子等单元横向尺寸会有一定的缩小，但是由于存在介质-空气边界对电磁信号的影响，天线末端仍需与介质边缘有一定间距，故而一般仍采用的0.5λ0的选择尺寸；纵向方面，馈源振子与共面带线、差模馈电电路、巴伦相连，后者具有稳定带宽的作用，长度约为0.25λ0。同时考虑到天线微带馈线的长度，纵向尺寸整体算来，也约为0.5λ0，天线基片的尺寸一般略大于0.5λ0。为实现高增益时，如增加引向器数目尺寸会变得更大。
可知，该三元准八木天线的尺寸大小为0.5λ0*0.5λ0。采用该纵向布局，天线尺寸纵向长度有相当一部分被平衡巴伦占用,使得从准八木天线的整体结构来看，布局较为松散，整个天线结构显得体积较大。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种分别从纵向和横向尺寸上进行缩减，并能确保良好的电气性能特性的基于容性加载的小型化准八木天线。
本发明采用如下技术方案：
一种基于容性加载的小型化准八木天线，包括介质基板，设置于该介质基板正面的天线馈线、平衡巴伦、差模馈电电路、共面带线、馈源振子和引向器，及设置于该介质基板反面的接地片；其特征在于：该天线馈线一端连接天线端口，另一端连接平衡巴伦一端；该平衡巴伦另一端与差模馈电电路一端相连，该天线馈线和平衡巴伦水平并列地布置于该介质基板一端的一侧；该差模馈电电路另一端与共面带线一端相连，且该差模馈电电路水平布置于介质基板该端的另一侧；该馈源振子水平布置于该介质基板中部，馈源振子的源端与共面带线另一端相连，馈源振子两辐射端还分别设有第一金属条和第二金属条以实现容性加载；该引向器水平地布置于该介质基板另一端。
优选的，所述接地片还作为反射器，且其两侧分别连接有第三金属条和第四金属条以实现容性加载。
优选的，所述接地片位于与所述差模馈电电路相对应一端，该第三金属条和第四金属条长度为0.069λ-0.077λ，该λ为辐射信号自由空间波长。
优选的，所述第一金属条和第二金属条为“丨”字型、“匚”字型或三角形或圆弧形。
优选的，所述接地片长度为0.34λ-0.39λ。
优选的，所述介质基板的相对介质常数的范围为3-6.5。
优选的，所述馈源振子长度为0.30λ-0.33λ。
优选的，所述第一金属条和第二金属条长度为0.003λ-0.049λ。
优选的，所述介质基板的长度为0.34λ-0.39λ，宽度为0.36λ-0.43λ。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的八木天线，将平衡巴伦和天线馈线横置以减小纵向长度；并在接地片两侧方便引出金属条，即对反射器进行容性加载，减小横向长度，从而实现小型化，使得天线结构更为紧凑，还能确保良好的电气性能特性。
2、本发明的八木天线，在馈源振子两端分别连接第一金属条和第二金属条，即对馈源振子进行容性加载，进一步减小横向长度，且该第一金属条和第二金属条的形状可为“丨”字型、“匚”字型或三角形或圆弧形或其他多边形等。
3、本发明的八木天线，采用介点常数较高的介质基板，可以有效地减少引向器，馈源振子和反射器的长度。
附图说明
图1为现有八木天线示意图；
图2为现有微带八木天线示意图；
图3为本发明八木天线结构图(正面)；
图4为本发明八木天线结构图(反面)；
图5为本发明八木天线结构图(侧面)；
图6为本发明八木天线结构图；
图7为本发明八木天线尺寸图；
图8为本发明馈源振子电流分布图；
图9为本发明仿真图(驻波系数)；
图10为本发明仿真增益图(H平面)；
图11为本发明仿真增益图(E平面)；
其中：10、介质基板，11、接地片，12、第三金属条，13、第四金属条，20、引向器，30、馈源振子，31、第一金属条、32、第二金属条，40、共面带线，50、差模馈电电路，60、平衡巴伦，70、天线馈线。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参照图3至图8，一种基于容性加载的小型化准八木天线，包括介质基板10，设置于该介质基板10正面的天线馈线70、平衡巴伦60、差模馈电电路50、共面带线40、馈源振子30和引向器20，及设置于该介质基板10反面的接地片11，该介质基板的长度为0.34λ-0.39λ，宽度为0.36λ-0.43λ，介质基板的相对介质常数的范围为3-6.5。该天线馈线70为微带线，其一端连接天线端口，另一端连接平衡巴伦60一端。该平衡巴伦60为微带线，其另一端与差模馈电电路50一端相连，该天线馈线70和平衡巴伦60水平并列地布置于该介质基板10一端的一侧；该差模馈电电路50另一端与共面带线40一端相连，且该差模馈电电路50水平布置于介质基板10该端的另一侧，该差模馈电电路50为微带线。即若该差模馈电电路50位于介质基板10右侧，则天线馈线70和平衡巴伦60位于左侧；差模馈电电路50位于介质基板10左侧，则天线馈线70和平衡巴伦60位于介质基板10右侧。该平衡巴伦60的长度为导波波长的1/4。为了保证输入信号的稳定性，天线馈线70的长度约保留0.1λ，电阻为50Ω0
该馈源振子10为印刷振子，其水平布置于该介质基板中部，馈源振子30源端与共面带线40另一端相连，馈源振子30两辐射端分别设有第一金属条31和第二金属条32以实现容性加载。该馈源振子的长度为0.30λ-0.33λ，第一金属条31和第二金属条长度为0.003λ-0.049λ，λ为辐射信号自由空间波长。该第一金属条31和第二金属条32关于介质基板10中心对称，其末端与介质基板10边缘有一定间距，第一金属条31和第二金属条32形状可为“丨”字型、“匚”字型或三角形或圆弧形或其他多边形，参照图6，其第一金属条31和第二金属条32为“匚”字型。容性加载原理如下：参照图8为馈源振子30的电流分布图，由于设置了第一金属条31、第二金属条32，延长了馈源振子30的末端，电流可沿着馈源振子30末端继续流动；即使b1b2不足0.5λ，由于这b1、b2两点并不处于馈源振子末端，电流可以继续沿c1b1，c2b1，b2d1和b2d2流动，这几部分等同于延长馈源振子30的长度，实现容性加载。另外，因加载部分c1b1和c2b1，b2d1和b2d2上电流流向相反，该部分电流辐射场在空间几乎被抵消。然而由于这部分电流处于振子的末端，电流幅度本身较小，抵消的辐射功率非常有限，因此，能确保辐射效率高。
本发明的引向器为印刷振子，其水平地布置于该介质基板另一端。该引向器20与介质基板10边缘之间有留白。引向器20的长度小于馈源振子30的长度。
介质基板10反面接地片11还可作为反射器，该接地片11位于与差模馈电电路50相对应一端，其长度为0.34λ-0.39λ。该接地片11两侧边缘分别连接有第三金属条12和第四金属条13以实现容性加载，其容性加载原理与第一金属条31和第二金属条32相似。该第三金属条12和第四金属条13也关于介质基板10中心对称，其长度为0.069λ-0.077λ。
针对在902MHZ-928MHZ的频段内做样品测试，以中心频点915MHZ进行设计，引向器20、馈源振子30、馈源振子馈线50、差模馈电电路50、平衡巴伦60、天线馈线70、第一金属条31、第二金属条32等相关尺寸大小及相互位置关系的距离大小参照图3所示，尺寸范围如下：接地片11的长度aa为105mm-120mm，馈源振子长度为91.85mm-101.15mm，第一金属条和第二金属条长度dri.y为1mm-15mm，介质基板的长度aa为105mm-120mm，宽度bb为110mm-130mm。其中最终优化参数如下：
介质基板10的材质为环氧树脂或聚四氟乙烯，其基片介电常数为6.15，损耗角正切为0.0028，厚度h＝1.27mm。其余尺寸参照图7，如下：
w1＝1.92mm,w2＝3.47mm,w3＝1.8mm,s＝0.65mm；S.dir＝30mm,L.dir＝80mm；ref.x＝2mm,ref.y＝22.4mm；dri.x＝W1＝1.92mm,dri.y＝14.12mm；Lx1＝14.455mm,Lx2＝35.8mm,Lx3＝35.4mm,Lx4＝48mm；Ly1＝1mm,Ly2＝3mm,Ly3＝5mm,Ly4＝67mm，D＝1mm。
本发明的小型化的准八木天线的大小尺寸分别为aa＝105mm,bb＝110mm，约为915MHZ自由空间波长的1/3。相比于原有的准八木天线的尺寸，缩减了近1/3尺寸。
利用HFSS软件对模型进行仿真，测试结果显示，在902MHZ-928MHZ频段内，具有较为优秀的电气性能，参照图9，为驻波系数与频率的关系图；参照图10、图11，为增益与角度的关系图。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种基于容性加载的小型化准八木天线，包括介质基板，设置于该介质基板正面的天线馈线、平衡巴伦、差模馈电电路、共面带线、馈源振子和引向器，及设置于该介质基板反面的接地片；其特征在于：该天线馈线一端连接天线端口，另一端连接平衡巴伦一端；该平衡巴伦另一端与差模馈电电路一端相连，该天线馈线和平衡巴伦水平并列地布置于该介质基板一端的一侧；该差模馈电电路另一端与共面带线一端相连，且该差模馈电电路水平布置于介质基板该端的另一侧；该馈源振子水平布置于该介质基板中部，馈源振子的源端与共面带线另一端相连，馈源振子两辐射端还分别设有第一金属条和第二金属条以实现容性加载；该引向器水平地布置于该介质基板另一端。
2.如权利要求1所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述接地片还作为反射器，且其两侧分别连接有第三金属条和第四金属条以实现容性加载。
3.如权利要求2所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述接地片位于与所述差模馈电电路相对应一端，该第三金属条和第四金属条长度为0.069λ-0.077λ，该λ为辐射信号自由空间波长。
4.如权利要求2所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述第一金属条和第二金属条为“丨”字型、“匚”字型或三角形或圆弧形。
5.如权利要求1所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述接地片长度为0.34λ-0.39λ。
6.如权利要求1所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述介质基板的相对介质常数的范围为3-6.5。
7.如权利要求1所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述馈源振子长度为0.30λ-0.33λ。
8.如权利要求1所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述第一金属条和第二金属条长度为0.003λ-0.049λ。
9.如权利要求1所述的一种基于容性加载的小型化准八木天线，其特征在于：所述介质基板的长度为0.34λ-0.39λ，宽度为0.36λ-0.43λ。
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