CN107611578A - 一种高效率的宽带全向鞭状天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，公开了一种高效率的宽带全向鞭状天线，包括：介质基板，介质基板位于天线的中间层位置；上辐射振子印刷刻蚀在介质基板正面的上部；宽带调节枝节印刷刻蚀在上辐射振子中间；下辐射振子印刷刻蚀在介质基板正面的下部；馈电传输线印刷刻蚀在介质基板的正反两面，并位于下辐射振子的中间，其下端延伸到馈电接头，上端延伸到宽带调节枝节；馈电接头位于天线的最下方，与馈电传输线连接；上辐射振子、宽带调节枝节、下辐射振子、馈电传输线通过印刷电路工艺刻蚀在介质基板的正反面上。本发明实现了全向鞭状天线的宽频带及高效率特性，天线结构简单、加工方便，适用于超短波全向通信应用。

Description

一种高效率的宽带全向鞭状天线

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种高效率的宽带全向鞭状天线。

背景技术

全向通信是目前应用最为广泛的通信方式，用于实现一定覆盖范围内移动目标的无线通信。为了实现全方向电磁波的发射和接收，通常采用全向天线作为发射天线和接收天线。全向天线相对于参考地面为垂直极化，其E面方向图类似于倒放的“8”字形，H面方向图在理想情况下为均匀的圆形，H面即对应通信时的方位面，因此，H面内的增益以及方向图的均匀程度决定了全向天线的全向辐射特性。常用全向天线形式包括半波振子天线和单极子天线，半波振子天线由一对对称的细振子构成，它可以得到典型的全向辐射特性。单极子天线的长度是半波振子的一半，并在底端增加一个等效地板，可以得到类似于半波振子的特性。通常，在较低的工作频段，如超短波频段，这些全向天线的直径远小于其长度，例如天线长度与直径的比大于50，这类全向天线的外形是细长条结构，像细长的鞭子，因此也称为鞭状天线。鞭状天线由于直径小，天线带宽都很窄，工作带宽通常小于5％。高性能无线通信系统对鞭状天线的工作带宽也有很高的要求，宽带鞭状天线具有增加无线系统通信容量、提高抗干扰性能等优点。因此，增加鞭状天线工作带宽是目前全向天线技术中的关键问题。目前，增加鞭状天线带宽的方法主要有两类：一类是低损耗的，比如在鞭状天线的外围增加套筒或寄生结构使天线输入阻抗变的平缓，从而增加带宽。这类方法增加带宽是以增加天线直径为代价的，它牺牲了鞭状天线轻巧灵便的优点。当天线工作频率较高，天线直径不是主要问题时，该方法是较好的选择，同时这类天线没有引入有耗元件，因此，效率高损耗小，但是对于超短波波段，工作波长长，造成天线直径过大。另一类方法是有耗的，通常在鞭状天线的辐射体上或者馈电网络中增加有耗元件，如电阻，通过吸收天线上的反射能量，达到增加带宽的作用，但天线的辐射效率会明显降低，尤其在宽频带内。目前还没有实现具有高效率的宽带鞭状天线。两类方法都没能从根本上解决鞭状天线的问题，这是由于当前的方法都是以牺牲鞭状天线的某些性能指标为代价的，比如增加了天线尺寸或者降低了天线效率。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的鞭状天线存在工作波长长，造成天线直径过大；天线辐射效率明显降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效率的宽带全向鞭状天线。

本发明是这样实现的，一种高效率的宽带全向鞭状天线，所述高效率的宽带全向鞭状天线包括：

一个介质基板，所述介质基板位于天线的中间层位置；

一个上辐射振子，所述上辐射振子位于天线的上部；

一个宽带调节枝节，所述宽带调节枝节位于上辐射振子中间；

一个下辐射振子，所述下辐射振子位于天线的下部，与上辐射振子位于同一个平面；

一个馈电传输线，所述馈电传输线位于下辐射振子中间

一个馈电接头，所述馈电接头位于天线的最下方，与所述馈电传输线连接；

进一步，所述介质基板为印刷电路板基材，对天线起到支撑和作为印刷电路刻蚀基材的作用；所述介质基板的宽度小于0.01工作波长，长度为0.5～1工作波长。

进一步，所述上辐射振子印刷刻蚀在所述介质基板正面的上部，形状是一细长U形。

进一步，所述宽带调节枝节印刷刻蚀在上辐射振子中间，其下端与上辐射振子的下端相连。

进一步，所述下辐射振子印刷刻蚀在所述介质基板正面的下部，其形状是一倒置的细长U形。

进一步，所述馈电传输线印刷刻蚀在所述介质基板的正反两面，并位于所述下辐射振子的中间，其下端延伸到所述馈电接头，上端延伸到所述宽带调节枝节。

进一步，所述馈电传输线的正面是一均匀微带线，其背面的下端是一微带三角馈电巴伦。

进一步，所述馈电接头的内芯与位于正面的馈电传输线连接，其外皮与位于反面的三角馈电巴伦连接。

进一步，所述上辐射振子，宽带调节枝节，下辐射振子，馈电传输线都为金属薄层，通过印刷电路工艺刻蚀在所述介质基板的正反面上。

本发明的优点及积极效果为：采用轻薄的平面印刷结构，天线重量轻、易加工。传统鞭状天线大多为杆状结构，天线的重量大、实现宽带工作结构复杂。本发明的上辐射振子和下辐射振子位于同一表面上，并分别采用细长的U形结构，使得天线在极细的直径下具有实现宽带的可能性。同时，在U形辐射振子内部还集成了宽带调节枝节和馈电传输线，使得天线结构紧凑而轻便。本发明天线的直径小于0.01λ，长度为0.5λ，其长度直径比大于50，属于细振子天线，也称为鞭状天线。细振子天线由于直径的限制，输入阻抗随频率变化起伏剧烈，带宽很窄。

本发明天线采用电磁耦合馈电方法有效增加了细振子天线带宽，天线的上辐射振子和下辐射振子位于介质基板的一面，耦合馈电线位于介质基板的另一面。馈电接头通过馈电传输线传输射频电流时，下辐射振子直接获得来自馈电接头内芯的电流，而上辐射振子的通过其背面的耦合馈电线获得射频接头外皮的耦合电流。采用该电磁耦合结构可以使天线的输入阻抗平缓，从而明显增加细振子天线的工作带宽。

此外，宽带调节枝节等效为在天线上辐射振子处串联一无耗的分布式加载电抗，该电抗可以反相抵消天线本身的输入电抗，起到改善阻抗匹配的作用，可使天线在宽频带内实现良好的阻抗匹配。通过改变宽带调节枝节的长度，可以使工作频带内的不同位置取得最佳匹配，方便实现频带调节。同时，天线底部采用了三角渐变巴伦，对改善阻抗匹配也有帮助。与现有技术对比，发明天线在实现宽带的同时，依然具有细振子天线优点，同时天线还具有高效率低能耗的优点。本发明天线采用印刷电路工艺制造，天线结构易于加工，天线性能的稳定性和一致性好，易于大批量生产和推广。

综上所述，由于本发明天线采用了共面的辐射振子、电磁耦合馈电、以及宽带调节枝节，使得本发明天线同时实现了全向鞭状天线的宽频带、高效率的优点，解决了传统鞭状天线的技术难题。解决鞭状天线的问题，可应用于超短波频段的全向通信，可以提高全向通信质量，增强信号传输强度，降低系统能耗，提高系统抗干扰性能，可促进通信行业的有力发展，替代以往落后的产品和技术。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线三维结构示意图。

图2是本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线二维侧视图。

图3是本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线的电压驻波比曲线图。

图4是本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线的E面方向图。

图5是本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线的H面方向图。

图6是本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线的增益曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高效率的宽带全向鞭状天线包括：介质基板1，介质基板1位于天线的中间层位置，介质基板为1采用印刷电路工艺实现，对天线起到支撑和作为印刷电路刻蚀基材的作用，其介电常数根据需要确定，介质基板的宽度为0.0075工作波长，长度为0.5工作波长，天线的长度直径比为66.7，属于细振子天线；上辐射振子2，上辐射振子2印刷刻蚀在介质基板1正面的上部，其形状是一细长U形；宽带调节枝节3，宽带调节枝节3印刷刻蚀在上辐射振子2中间，其下端与上辐射振子2的下端相连；下辐射振子4，下辐射振子4印刷刻蚀在所述介质基板1正面的下部，其形状是一倒置的细长U形；所述下辐射振子位于天线的下部；馈电传输线5，馈电传输线5印刷刻蚀在所述介质基板1的正反两面，并位于所述下辐射振子4的中间，其下端延伸到所述馈电接头6，上端延伸到所述宽带调节枝节3，并且馈电传输线的正面是一均匀微带线501，其背面的上端是宽带调节枝节的一面502，下端是一微带三角馈电巴伦503；馈电接头6，馈电接头6位于天线的最下方，与馈电传输线5连接，馈电接头6的内芯与位于正面的馈电传输线501连接，其外皮与位于反面的三角馈电巴伦503连接；上述上辐射振子2，宽带调节枝节3，下辐射振子4，馈电传输线5都为金属敷铜薄层，通过印刷电路工艺刻蚀在介质基板1的正反面上。

当高频电流送入馈电接头6时，在接头的内芯和外皮上形成等幅反相的高频电流，接头内芯上的电流流入馈电传输线5正面的微带线501，接头外皮上的电流流入三角馈电巴伦503，通过三角馈电巴伦的渐变特性转变为微带线。介质基板1正面的微带线501上的电流进一步流入下辐射振子4，三角馈电巴伦503上的电流流入介质基板1反面的微带线502，微带线502通过电磁耦合的方式将高频电流耦合到宽带调节枝节3；电流从宽带调节枝节下端流入上辐射振子2，这一电磁耦合馈电结构可使天线输入阻抗更为平坦，显著增加天线的工作带宽。最终，在上辐射振子2和下辐射振子4上形成同方向电流，向外进行全向辐射。

多项技术共同实施，可使鞭状天线在直径为0.0075λ的情况下实现宽带工作，同时天线还具有高效率的优点。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真内容

如图3-图6所示，利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、方向图和增益进行了仿真。

2、仿真结果

图3是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。可以看到，电压驻波比小于2的频带范围可以覆盖136～167MHz，中心频率为151MHz，绝对带宽31MHz，相对带宽达到20.5％；如果进一步提高阻抗匹配要求，电压驻波比小于1.5的范围可覆盖138～163MHz，绝对带宽25MHz，相对带宽也可以达到16.7％。计算结果表明本发明天线在20％以上的相对带宽内良好匹配，这对于无耗的细振子型鞭状天线是很难实现的，即使提高对电压驻波比的要求，相对带宽依然可以达到16.7％。本发明实施例的天线直径仅为0.0075λ，如果适当增加天线直径至0.01λ，天线带宽可以进一步增加。

图4、图5是对实施例天线仿真得到的E面方向图和H面方向图。从图上可以看出，实施例天线表现出良好的全向辐射特性，E面方向图表明增益最大辐射方向在水平方向，H面方向图表明天线获得非常小的辐射不圆度，增益的不圆度小于仅有0.06dB。此外，图中还给出了交叉极化方向图，在全方向上，交叉极化电平均小于-50dB。因此，天线的良好增益全向性可以保证天线在全空间均匀的覆盖特性，低交叉极化可以保证天线的高效辐射，减小正交极化的辐射影响。

图6是对实施例天线仿真得到的增益曲线。从图上可以看到，在有效工作频带内，天线增益均高于2dB，最大增益达到2.5dB。作为对比，理想半波振子天线增益仅为2.15dB，因此，本发明天线具有更高的增益以及增益带宽，这可以明显改善无线通信的距离以及接收信号强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述高效率的宽带全向鞭状天线包括：

一个介质基板，所述介质基板位于天线的中间层位置；

一个上辐射振子，所述上辐射振子位于天线的上部；

一个宽带调节枝节，所述宽带调节枝节位于上辐射振子中间；

一个下辐射振子，所述下辐射振子位于天线的下部，与上辐射振子位于同一个平面；

一个馈电传输线，所述馈电传输线位于下辐射振子中间

一个馈电接头，所述馈电接头位于天线的最下方，与所述馈电传输线连接。

2.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述介质基板为印刷电路板基材，对天线起到支撑和作为印刷电路刻蚀基材的作用；所述介质基板的宽度小于0.01工作波长，长度为0.5～1工作波长。

3.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述上辐射振子印刷刻蚀在所述介质基板正面的上部，形状是一细长U形。

4.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述宽带调节枝节印刷刻蚀在上辐射振子中间，其下端与上辐射振子的下端相连。

5.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述下辐射振子印刷刻蚀在所述介质基板正面的下部，其形状是一倒置的细长U形。

6.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述馈电传输线印刷刻蚀在所述介质基板的正反两面，并位于所述下辐射振子的中间，其下端延伸到所述馈电接头，上端延伸到所述宽带调节枝节。

7.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述馈电传输线的正面是一均匀微带线，其背面的下端是一微带三角馈电巴伦。

8.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述馈电接头的内芯与位于正面的馈电传输线连接，其外皮与位于反面的三角馈电巴伦连接。

9.如权利要求1所述的高效率的宽带全向鞭状天线，其特征在于，所述上辐射振子，宽带调节枝节，下辐射振子，馈电传输线都为金属薄层，通过印刷电路工艺刻蚀在所述介质基板的正反面上。