CN107611593B - 带耦合枝节的多频宽带偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带耦合枝节的多频宽带偶极子天线，包括介质板、两个偶极子臂、两个耦合枝节和微带巴伦馈电线，两个偶极子臂和两个耦合枝节分别印制在介质板的两个面上，旋转同一个平面上的偶极子臂和耦合枝节180度后与另一平面上的偶极子臂和耦合枝节基于介质板对称；偶极子臂起拓宽频带作用，耦合枝节引入新的工作模式，增加天线的工作频带。偶极子臂中的半圆形部分和耦合枝节都采用分形的形式，在保证性能不变的情况下，缩小天线的面积。在阻抗匹配上，本发明引入小矩形增加天线的电感来抵消耦合带来的电容，在不需要复杂的外围匹配电路的情况下能使天线达到很好的匹配。

Description

带耦合枝节的多频宽带偶极子天线

技术领域

本发明涉及多频宽带偶极子天线的领域，更具体地，涉及一种带耦合枝节的多频宽带偶极子天线。

背景技术

随着移动通信向 5G 时代的迈进，偶极子天线以结构简单，制作成本低以及性能良好而被广泛应用在移动通信装置及微波能量收集和传输领域中。传统的偶极子天线由两根导体组成，在中心位置馈电，总长度约为半波长，是大多数天线的基本单元。偶极子天线在增益方向图性能方面较单极子天线有了一定的提高，能获得较为满意的方向图特性，且偶极子天线有良好的辐射特性，波长缩短效应和谐振特性。通过控制偶极子上的电流幅度、相位以及空间位置之间的关系，偶极子天线可以广泛应用于基站天线、圆极化天线、多输入多输出（MIMO）天线中。

作为无线通信眼睛的天线直接影响着通信的质量和效率，在海量数据传输的大数据时代，这对通信设备的宽带化和多频化提出了越来越高的要求，因此更需要相适应的宽带多频天线的支撑。而设备的越来越小型化，对天线尺寸的要求也越来越严格。随着现代通信系统多种通信标准或制式的同时存在，对天线的要求也随之向宽频多频化和小型化方向发展。

通过在天线上开槽线的传统宽频技术在实现引入多个谐振频率的同时，也有可能引入不需要的频率。而通过加载寄生单元的多频化技术，既带来了各枝节间的相互耦合，也增加的天线了的尺寸。因此设计一种尺寸小，多频带，宽带的偶极子天线是具有重大意义的。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种带耦合枝节的多频宽带偶极子天线，该天线把偶极子的优越性能与宽频技术及小型化技术相结合，耦合枝节实现低频的引入，科赫分形使天线尺寸更小。本发明舍去了开槽实现多频的复杂建模和加工程序，又能使天线的尺寸更小，结构更加简单。

为了解决上述问题，本发明所提供的技术方案为：

一种带耦合枝节的多频带宽带偶极子天线，包括介质板、两个偶极子臂、两个耦合枝节和微带巴伦馈电线，介质板的上表面印制一个偶极子臂和一个耦合枝节，介质板的下表面印制另一个偶极子臂和另一个耦合枝节；

微带巴伦馈电线位于介质板的上下两表面，在介质板的上下表面中心与对应面的偶极子臂相连接；位于介质板上下两表面中心处的微带巴伦馈电线同时向介质板的一个侧边引出；

其中两个偶极子臂的位置关系是：旋转一个偶极子臂180度后与另一偶极子臂基于介质板中心对称；偶极子臂前半部分由一个雪花分形状贴片或一个半圆状贴片组成，后半部分则由一个矩形贴片组成；

两个耦合枝节的位置关系是：耦合枝节靠近介质板侧边，与偶极子臂的宽边耦合，旋转一个耦合枝节180度后与另一耦合枝节基于介质板中心对称；耦合枝节呈矩形成条状，或呈科赫分形状。

偶极子臂中前半部分采用半圆形结构的作用是增加电流有效流动路径，拓宽频带。而后半部分采用矩形结构的作用在进一步增加电流的有效流动路径的同时，采用矩形宽边能增加偶极子臂与耦合枝节的有效接触长度，更有利于偶极子臂与外侧的耦合枝节进行耦合馈电。

进一步地将偶极子臂中的半圆部分采用雪花分形代替，其优点是进一步增加电流的有效流动路径，在保持一定带宽的前提下，尽可能缩小贴片的面积。耦合枝节同样采用分形的形式，更进一步地缩小天线的面积。在耦合枝节与偶极子臂耦合较强的地方依然保持矩形长条，目的是保持偶极子臂与耦合枝节之间的强耦合。

耦合枝节与偶极子臂的耦合会带来很大的电容值，影响天线的阻抗匹配，尤其在采用分形的情况下，分形之间的电容效应会更加明显。因此，为抵消耦合电容，在耦合枝节上引入小矩形增加天线的电感值，尤其在采用分形的情况下，由于耦合电容较大，此时需要在耦合枝节上增加更多、面积更小的小矩形来大幅度增加电感，从而抵消耦合电容，使天线达到更好的匹配。

为减小天线的面积，耦合枝节的末端枝节向介质板内侧延伸。耦合枝节有效地引起低频谐振，实现天线的多频，同时还能有效地改善天线的阻抗匹配。耦合枝节中采用矩形长条状作用是增加电流有效流动距离，引起天线低频部分的谐振，而耦合枝节中采用科赫分形的作用是在保持低频谐振的同时尽可能减小天线的尺寸。微带巴伦馈电线位于在介质板两面，在介质板中心分别与偶极子臂相连接。微带巴伦馈电线在介质板中心处两面同时向一侧引出，其中一面在末端呈现三角形状，以实现不平衡到平衡的转换。

偶极子臂主要增加和延长电流的有效流动路径，起拓宽频带作用，而耦合枝节主要引入新的工作模式，引起低频谐振，引入新频率，增加天线的频带。

天线采用侧馈形式。通过微带巴伦馈电线外接3.5mm的SMA头进行馈电。

优选的，为了使天线获得更好的匹配，所述位于介质板一个面的微带巴伦馈电线为三角形巴伦结构，其具体结构为矩形长条接三角形，三角形的一个边与介质板的一个边重合，矩形长条与三角形结构的一个顶角连接，位于介质板另一个面的微带巴伦馈电线为矩形长条，矩形长条的短边与介质板的一个边重合，通过三角形巴伦结构进行馈电可以将不平衡的电流转换成平衡的电流，且微带巴伦馈电线起到阻抗转换的作用，其作用相当于四分之一波长阻抗转换器，调节传输线的长度和三角形的大小，能够改变馈电面的输入阻抗，达到50Ω阻抗匹配的目的，其中传输线是指位于介质板上下表面重合的矩形长条。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明在常规平面印刷偶极子的基础上，将偶极子臂采用半圆形与矩形组合或雪花分形和矩形组合的两种组合形式大大增加偶极子的工作带宽。本发明中更具有创新性的是耦合枝节的引入，耦合枝节与偶极子臂的耦合引入了新的工作模式，从而增加了天线的工作频带，实现天线的多频化。采用分形理论的知识对天线进行改进，偶极子臂的半圆形部分和耦合枝节部分分别采用雪花分形和科赫分形进行代替，在进一步增加电流有效流动路径的同时，又进一步缩小了天线的尺寸。在阻抗匹配上，本发明富有创新性地引入小矩形增加天线的电感来抵消耦合带来的电容，在不需要复杂的外围匹配电路的情况下就能使天线达到很好的匹配。而且采用微带巴伦可以将不平衡的电流转换成平衡的电流，调整三角形巴伦的大小，很容易地改变馈电面的输入阻抗，达到更好的匹配。该天线是一种移动设备和环境微波能量传输与获取系统可用的多频带宽带偶极子天线。

附图说明

图1为带耦合枝节的半圆形与矩形组合的偶极子天线结构图；

图2为图1结构的爆炸图。

图3为带耦合枝节的半圆形与矩形组合的偶极子天线的反射系数S11图；

图4为带耦合枝节的雪花分形和矩形组合的偶极子天线结构图；

图5为带耦合枝节的雪花分形和矩形组合的偶极子天线的反射系数S11图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

1-耦合枝节、2-偶极子臂、3-微带巴伦馈电线。

实施例1

如图1所示，带耦合枝节的半圆形与矩形组合的偶极子天线结构图，偶极子天线的两个偶极子臂分别印制在介质板的上下两面，一个偶极子臂旋转180度后与另一偶极子臂基于介质板对称。偶极子臂中前半部分采用半圆形结构，后半部分接矩形结构，耦合枝节采用矩形长条，且在耦合枝节上附加小矩形增加天线的电感来抵消耦合带来的电容。偶极子臂起拓宽频带作用，耦合枝节引入新的工作模式，增加工作频带。微带巴伦馈电线在介质板中心分别与偶极子臂相连接，且可以起到阻抗转换的作用，其作用相当于四分之一波长阻抗转换器。天线馈电点所在位置位于介质板侧边的中心，通过外接3.5mm的SMA头进行馈电。

基于图2，对其中的微带巴伦馈电线进行简单说明，11-矩形长条、12-三角形结构、13-上下表面两部分组合成为微带巴伦馈电线。其中微带传输线部分指的是：除去三角形后，剩下的上下表面的矩形长条重合的部分。

在本实例中，该天线印刷在厚为2mm，介电系数为4.7，损耗角正切为0.01的FR-4环氧玻纤布介质基板上。介质基板规格为126mm * 105mm， 由半圆形与矩形组合的偶极子臂中，半圆形的半径为24.5mm，矩形的长和宽都为45mm，耦合枝节中垂直方向的长度为90mm，而两端水平内折部分同为25mm，耦合枝节上6个小矩形环的长和宽都为7mm，环的线宽为2mm，耦合枝节与偶极子臂之间的缝隙间距为1mm。微带巴伦馈电线的长度为52.5mm，线宽为3mm，巴伦结构中三角形的底长为12mm，高为20mm。

在本实例中，此天线的工作频段在低频部分频率从848MHz到988MHz，覆盖的带宽为149MHz，覆盖了GSM900，中国电信CDMA等移动通信频段。在高频部分天线的工作频率从1.66GHz到3.29GHz，工作带宽为1.63GHz，覆盖了DCS1800，GSM1800，TD-SCDMA，中国联通WCDMA，ISM 2.45G无线通信频段，全频覆盖LTE频段和3G频段。通过修改基板大小，调整相应天线贴片的参数，可以使天线的工作频段改变。

通过使用印刷电路板(PCB)技术，可制作出了此实例的带耦合枝节的半圆形与矩形组合的偶极子天线实物原型，使用普通3.5mm的SMA接头馈电。其中图3是天线反射系数S11图，可以看出天线具有较好的阻抗匹配效果，低频部分阻抗带宽大约从0.88GHz到1GHz，高频部分阻抗带宽大约从1.6GHz到3.3GHz，工作频段包含GSM900，GSM1800，3G、4G通信和ISM(Industrial Scientific Medical)等多个频段，即此种形式的天线的性能完全可以满足实际要求。

实施例2

如图4所示，带耦合枝节的雪花分形和矩形组合的偶极子天线结构,天线的结构与上述实施例1的天线相似，为了天线的良好特性和小型化，把实施例1中的半圆形和长矩形耦合枝节改进成分形的形式，半圆形采用三阶科赫雪花分形代替，矩形耦合枝节采用二阶科赫分形代替，在保持大体性能不变的情况下，将天线尺寸尽可能缩小。为了使偶极子臂与耦合枝节之间更好地进行耦合，在强耦合部分依然采取矩形长条以增大耦合枝节与偶极子臂的接触面积，使耦合效果达到最好。科赫雪花分形保持了天线的宽带特性，耦合枝节在引起低频谐振和天线的阻抗匹配上都起到重要的作用。由于耦合电容存在，特别是分形之间的电容效应大大增加了天线的电容值，为此，在耦合枝节上增加大量的小矩形环来增加天线的电感值，以抵消天线上的电容，使天线达到更好的匹配。

在本实例中，该天线印刷在厚为2mm，介电系数为4.7，损耗角正切为0.01的FR-4环氧玻纤布介质基板上。介质基板规格为88mm * 90mm，由三阶雪花分形与矩形组合的偶极子臂中，雪花分形中线长约为0.898mm，矩形的长和宽分别为30mm和10mm。耦合枝节中长矩形的长度为38mm，宽度为1.5mm。耦合枝节得科赫分形部分分形线长为3.56mm，线宽为1.5mm。耦合枝节与偶极子臂之间的缝隙间距为0.3mm。耦合枝节上多个小矩形环组成的大矩形长为38mm，宽为6mm，其中每个小矩形环的长和宽分别为1mm和0.25mm。微带巴伦馈电线的长度为44mm，线宽为1.5mm，巴伦结构中三角形的底长为8mm，高为25mm。

在本实例中，此天线的工作频段在低频部分频率从883MHz到909MHz，覆盖的带宽为26MHz，覆盖了GSM900移动通信频段。在高频部分天线的工作频率从1.66GHz到2.61GHz，工作带宽为0.95GHz，覆盖了DCS1800，GSM1800，TD-SCDMA,中国联通WCDMA，ISM 2.45G无线通信频段。通过修改基板大小，调整相应天线贴片的参数，可以使天线的工作频段改变。

同样通过使用印刷电路板(PCB)技术，也制作出了带耦合枝节的雪花分形和矩形组合的偶极子天线的实物原型。其中图5为此天线反射系数S11图，可以看出此种天线比上述实例天线多出GSM900的低频工作带宽，即此种形式的天线的性能完全可以满足实际要求。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带耦合枝节的多频带宽带偶极子天线，其特征在于，包括介质板、两个偶极子臂、两个耦合枝节和微带巴伦馈电线，介质板的上表面印制一个偶极子臂和一个耦合枝节，介质板的下表面印制另一个偶极子臂和另一个耦合枝节；微带巴伦馈电线位于介质板的上下两表面，在介质板的上下表面中心与对应面的偶极子臂相连接；位于介质板上下两表面中心处的微带巴伦馈电线同时向介质板的一个侧边引出；

其中两个偶极子臂的位置关系是：旋转一个偶极子臂180度后与另一偶极子臂基于介质板中心对称；偶极子臂前半部分由一个雪花分形状贴片或一个半圆状贴片组成，后半部分则由一个矩形贴片组成；

两个耦合枝节的位置关系是：耦合枝节靠近介质板侧边，与偶极子臂的宽边耦合，旋转一个耦合枝节180度后与另一耦合枝节基于介质板中心对称；耦合枝节呈矩形成条状，或呈科赫分形状；耦合枝节的末端枝节向介质板的内侧延伸。

2.根据权利要求1所述的一种带耦合枝节的多频带宽带偶极子天线，其特征在于，带耦合枝节的多频带宽带偶极子天线采用侧馈形式，通过微带巴伦馈电线外接3.5mm的SMA头进行馈电。

3.根据权利要求1所述的一种带耦合枝节的多频带宽带偶极子天线，其特征在于，所述位于介质板一个面的微带巴伦馈电线为三角形巴伦结构，其具体结构为矩形长条接三角形，三角形的一个边与介质板的一个边重合，矩形长条与三角形结构的一个顶角连接，位于介质板另一个面的微带巴伦馈电线为矩形长条，矩形长条的短边与介质板的一个边重合，通过三角形巴伦结构进行馈电可以将不平衡的电流转换成平衡的电流，且微带巴伦馈电线起到阻抗转换的作用，其作用相当于四分之一波长阻抗转换器，调节传输线的长度和三角

形的大小，能够改变馈电面的输入阻抗，达到50Ω阻抗匹配的目的，其中传输线是指位于介质板上下表面重合的矩形长条。