CN107611596A - 一种紧凑安装的vhf频段宽带垂直极化偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紧凑安装的VHF频段宽带垂直极化偶极子天线，涉及天线领域，本发明设计的VHF频段宽带垂直极化偶极子天线的天线介质板为双面覆铜PCB板，采用60度张角渐变分布和等比例空气电容加载在辐射振子和对称辐射振子上刻蚀槽孔，使用射频馈电线缆将辐射振子与对称辐射振子焊接在天线介质板上，并用线缆固定卡子固定，本发明由于采用渐变分布，等比例空气电容加载和电容加载技术，起到扩展工作带宽，控制天线辐射方向的作用，采用PCB板设计使得天线在纵向的安装尺寸要求较小，满足了隐蔽式、狭窄空间安装的要求，通过采用以上设计使得天线满足在VHF工作频段垂直极化、全向辐射要求。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其是一种偶极子天线。
背景技术
目前，便携式移动平台，机载、车载等高速移动平台上VHF频段通信天线多以“J”型偶极子天线、螺旋法向模天线、“刀”型单偶极子天线、“鞭”状天线以及变形阻容加载蝴蝶结型天线为主。“J”型偶极子天线以四分之三波长的主阵子为天线的基本辐射单元，通过主阵子旁边引入四分之一波长的匹配阵子结构完成整体系统与50欧姆馈电的匹配。根据普通偶极子匹配模式W.B.Freely最早在《A Two meter J Antenna》(W.B.Freely，A Two meter JAntenna[J]QST,April,1977)一文中提出了对该天线的设计。“J”型偶极子天线具有结构简单，容易调谐等特性，但是它往往工作频带带宽较窄(小于5％)，一般情况下为点频工作，通过普通的增加带宽措施难以起到效果，在VHF频段尤其无法满足宽带通信的要求。当螺旋天线的直径与工作波长之比远小于0.18倍的关系时就构成了螺旋法向模天线，这种天线在辐射方向上与单极子天线的辐射方向图及极化关系类似，但是由于采用螺旋线的形式使得在VHF频段工作的天线具有较小的物理尺寸。Y.Hiroi与K.Fujimoto于上世纪七十年代末开展了对法向模螺旋天线的精确计算研究(Y.Hiroi，K.Fujimoto.Practical usefulness ofnormal mode helical antenna,IEEE,AP-S International Symposiam Japan,1976,238-241.)。但是螺旋法向模天线由于采用细线螺旋结构并工作在法向模式，使得其工作带宽较窄，一般不超过5％，而且对于螺旋结构的加工与馈电匹配的调整都需要一定的专业技能，耗费大量的时间使得这种天线的设计、加工与调试都较为困难。“刀”型单偶极子天线或是“鞭”状天线都属于单极子天线的范畴，结构物理尺寸一般在二分之一波长或是四分之一波长左右，在VHF波段这样的物理尺寸很难满足紧凑安装或是隐蔽安装的要求。另外，单极子的工作方式使得天线本身的辐射特性与接地面或是安装平台的形式与结构紧密相关，更加制约了这种天线的使用方式。另一种VHF波段小型化天线采用简化的变形加载技术，周游(周游，潘锦，时域宽带天线的设计及其在系统中的应用.成都：电子科技大学，2005.)与Lestari A.A(Lestari A.A,Yarovoy A.G,Ligthart L.P.Capacitively-taperred howtieantenna.International Research Centre for Telecommunication-Transmission andradar,Delft University of Technology.Melcelueg4,2628CD.Delft.The Netherland,2005.)几乎同时提出一种基于蝴蝶结型偶极子及其变形结构的天线空气加载技术。该技术采用在蝴蝶结型偶极子天线末端，等间距周期性刻蚀空气加载槽孔，延长天线表面电流路径，向下拓展延伸了天线的工作频带，具有实现简单，效果明显的作用。但是，只在天线末端采用单一的空气槽孔加载，降低了天线的工作频带，其调谐方式和后期的工程调试也较为困难，无法保证精确调谐，可靠工作的要求。在有些移动测控通信领域中，VHF通信频率范围内，为扩展通信控制距离，除满足天线垂直极化辐射、宽频带通信要求，同时也必须满足隐蔽式、限制空间、小型化等特性，新的垂直极化、全向、宽频带，尤其是紧凑的限制空间安装的具有较高增益的移动测控通信天线的设计日趋重要。
发明内容
为了克服现有技术不能满足在VHF波段通信系统天线在移动平台上限制空间、小型化安装的要求，本发明提供一种紧凑安装的VHF频段宽带垂直极化偶极子天线，天线辐射阵子采用普通双面PCB覆铜板加工制作，采用正反向对称平衡馈电原理设计天线与50欧射频电缆的馈电端口，通过优化天线阵子结构，馈电端口的尺寸以及加载结构的尺寸达到了在VHF波段内天线与50欧射频电缆实现简单直连并宽频带工作的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是设计一种紧凑安装的VHF频段宽带垂直极化偶极子天线，包括天线介质板、辐射振子、对称辐射振子、射频馈电线缆、线缆固定卡子和射频连接件，所述的天线介质板为矩形，采用FR-4型号的双面覆铜PCB板制作而成，取天线介质板的一个短边为底边，在天线介质板长轴上距离底边5mm处，在长轴两侧左右各6mm处分别开有一个直径为2.5mm的固定安装通孔，在天线介质板的长轴上，距离天线介质板底边0.316倍波长处开有一个直径为1.1mm的穿线通孔；
天线整体辐射部分由辐射振子和对称辐射振子组成，辐射振子及对称辐射振子均采用PCB板工程刻蚀形成，辐射振子与对称辐射振子结构和尺寸均相同，且关于天线介质板的短轴中心对称，构成天线的镜像结构，并分布与天线介质板的两侧，其中对称辐射振子所在的天线介质板的一侧为上表面；
辐射振子分为三个结构部分，包括一个等边梯形结构、一个矩形结构和电容加载结构共同组成，其中等边梯形结构采用60度张角渐变分布，等边梯形结构和矩形结构均采用等比例空气电容加载，矩形结构的长边为0.107倍波长，短边为0.082倍波长，等边梯形结构的短底边为0.0049倍波长，长底边为0.107倍波长，梯形高度为0.049倍波长，矩形结构的一个长边和等边梯形结构的长边重合，等边梯形结构中轴线上距等边梯形结构短底边0.0018倍波长处开一个直径为1mm的通孔作为馈电通孔，在等边梯形结构中轴线距离短底边0.0039倍波长处，在等边梯形结构的一个斜边上，与等边梯形结构的中轴线垂直方向刻蚀一个初始加载槽孔，并依次交替在等边梯形结构的两个斜边上共刻蚀出8条宽度为0.0019倍波长的加载槽孔，8条加载槽孔的长度比例关系为：
1：1.623：2.067：2.333：2.798：2.973：3.36：3.56
其中，初始加载槽孔长度为0.005倍波长，在矩形结构的短边上依次交替共刻蚀出12条宽度为0.0019倍波长，长度为0.0294倍波长的加载槽孔；
辐射振子中矩形结构的两个远离等边梯形的顶点处，在矩形结构长边的外侧，以辐射振子矩形结构的短轴为对称轴，用覆铜线分别形成两个镜像对称的倒“L”型结构，倒“L”结构的L型短边为0.0052倍波长，L型长边为0.047倍波长，L型结构的宽度为0.0019倍波长，两个对称的倒“L”结构形成辐射振子的电容加载结构，辐射振子表面无馈线通孔，对称辐射振子与辐射振子的两个短底边之间的距离为0.0049倍波长；
射频馈电线缆为天线射频能量馈入器件，采用141型电缆加工制作而成，在对称辐射振子一侧，射频馈电线缆与对称辐射振子连接的一端须将外导体层、中间介质层和中心导体层逐层剥离形成阶梯型，且外导体层外漏长度为0.15倍波长，中间介质层外漏长度高出外导体层1mm，中心导体外漏长度为0.02倍波长，射频馈电线缆弯折90度角后依次穿过对称辐射振子上的馈电通孔和天线介质板上的穿线通孔，将外导体层边沿与辐射振子的等边梯形结构的短底边边沿相交固定后，沿天线介质板长轴方向将外导体层与对称辐射振子紧密锡焊；
所述的线缆固定卡子为特氟隆材质的长方体，长方体厚度为5mm，长方体的矩形平面的长边为0.02波长，宽边为0.008倍波长，在线缆固定卡子的矩形平面的长轴方向上，开两个直径为M2.5大小的通孔，两通孔的间距为12mm且关于线缆固定卡子的矩形平面的短轴方向对称，用线缆固定卡子的两个通孔对准天线介质板上的固定安装通孔，并将射频馈电线缆固定在天线介质板上；
所述的射频连接件为SMA-KB3射频连接件。
本发明的有益效果是由于采用渐变分布，等比例空气电容加载和电容加载技术，起到扩展工作带宽，控制天线辐射方向的作用，另外，采用PCB板设计使得天线在纵向的安装尺寸要求较小，满足了隐蔽式、狭窄空间安装的要求，通过采用以上设计使得天线满足在VHF工作频段垂直极化、全向辐射要求，天线增益达2dBi，天线3dB波束宽度为83.4°，驻波2以下频带宽度近17％。
附图说明
图1是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的示意图。
图2是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的顶视图。
图3是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的底视图。
图4是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的侧视图。
图5是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的组件装配图。
图6是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的S11参数图。
图7是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的E面方向图。
图8是本发明紧凑安装的VHF波段宽带垂直极化偶极子天线结构的H面方向图。
其中，1-天线介质基板，2-天线辐射振子，3-天线对称辐射振子，4-射频馈电线缆，5-线缆固定卡子，6-线缆固定卡子，7-射频连接件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
通过不断地优化、调整天线辐射部分的总高度、单节辐射结构中各结构部分高度与宽度以及各开槽部分的长度与宽度可以获得满足驻波及方向图要求的天线方案，具体实施方式如下：
图1是本发明天线结构的示意图，图2是天线结构的顶视图，图3是天线结构的底视图，图4是天线结构的侧视图。
本发明的紧凑安装的VHF频段宽带垂直极化偶极子天线包括天线介质板、辐射振子、对称辐射振子、射频馈电线缆、线缆固定卡子和射频连接件，天线介质板为矩形，采用FR-4型号的双面覆铜PCB板制作而成，取天线介质板的一个短边为底边，在天线介质板长轴上距离底边5mm处，在长轴两侧左右各6mm处分别开有一个直径为2.5mm的固定安装通孔，在天线介质板的长轴上，距离天线介质板底边0.316倍波长处开有一个直径为1.1mm的穿线通孔。
天线整体辐射部分由辐射振子和对称辐射振子组成，天线介质板为辐射振子和对称辐射振子的承载结构，辐射振子及对称辐射振子采用PCB板工程刻蚀工艺形成，辐射振子及对称辐射振子均采用PCB板工程刻蚀形成，辐射振子与对称辐射振子结构和尺寸均相同，且关于天线介质板的短轴中心对称，构成天线的镜像结构，并分布与天线介质板的两侧，其中对称辐射振子所在的天线介质板的一侧为上表面。
辐射振子分为三个结构部分，包括一个等边梯形结构、一个矩形结构和电容加载结构共同组成，其中等边梯形结构采用60度张角渐变分布，等边梯形结构和矩形结构均采用等比例空气电容加载，矩形结构的长边为0.107倍波长，短边为0.082倍波长，等边梯形结构的短底边为0.0049倍波长，长底边为0.107倍波长，梯形高度为0.049倍波长，矩形结构的一个长边和等边梯形结构的长边重合，等边梯形结构中轴线上距等边梯形结构短底边0.0018倍波长处开一个直径为1mm的通孔作为馈电通孔，在等边梯形结构中轴线距离短底边0.0039倍波长处，在等边梯形结构的一个斜边上，与等边梯形结构的中轴线垂直方向刻蚀一个初始加载槽孔，并依次交替在等边梯形结构的两个斜边上共刻蚀出8条宽度为0.0019倍波长的加载槽孔，8条加载槽孔的长度比例关系为：
1：1.623：2.067：2.333：2.798：2.973：3.36：3.56
其中，初始加载槽孔长度为0.005倍波长，在矩形结构的短边上依次交替共刻蚀出12条宽度为0.0019倍波长，长度为0.0294倍波长的加载槽孔；
辐射振子中矩形结构的两个远离等边梯形的顶点处，在矩形结构长边的外侧，以辐射振子矩形结构的短轴为对称轴，用覆铜线分别形成两个镜像对称的倒“L”型结构，倒“L”结构的L型短边为0.0052倍波长，L型长边为0.047倍波长，L型结构的宽度为0.0019倍波长，两个对称的倒“L”结构形成辐射振子的电容加载结构，辐射振子表面无馈线通孔，对称辐射振子与辐射振子的两个短底边之间的距离为0.0049倍波长。
射频馈电线缆为天线射频能量馈入器件，采用141型电缆加工制作而成，在对称辐射振子一侧，射频馈电线缆与对称辐射振子连接的一端须将外导体层、中间介质层和中心导体层逐层剥离形成阶梯型，且外导体层外漏长度为0.15倍波长，中间介质层外漏长度高出外导体层1mm，中心导体外漏长度为0.02倍波长，射频馈电线缆弯折90度角后依次穿过对称辐射振子上的馈电通孔和天线介质板上的穿线通孔，将外导体层边沿与辐射振子的等边梯形结构的短底边边沿相交固定后，沿天线介质板长轴方向将外导体层与对称辐射振子紧密锡焊。
所述的线缆固定卡子为特氟隆材质的长方体，长方体厚度为5mm，长方体的矩形平面的长边为0.02波长，宽边为0.008倍波长，在线缆固定卡子的矩形平面的长轴方向上，开两个直径为M2.5大小的通孔，两通孔的间距为12mm且关于线缆固定卡子的矩形平面的短轴方向对称，用线缆固定卡子的两个通孔对准天线介质板上的固定安装通孔，并将射频馈电线缆固定在天线介质板上。
所述的射频连接件为SMA-KB3射频连接件。
如图1所示，天线介质基板采用厚度为1.5mm，覆铜厚度为0.035mm，长为480mm，宽为120mm的双面FR4型号的覆铜PCB板。在天线介质基板底部距离底边5mm的地方沿天线介质基板长轴方向，对称开有两个直径为2.5mm的固定安装通孔，两个通孔间距为12mm。在天线介质基板的中轴线上，距离天线板底部边沿244.34mm处开有一个直径为1.1mm的穿线通孔。天线整体辐射部分由辐射振子和对称辐射振子组成，辐射振子与对称辐射振子的结构、尺寸与形式相同，且关于天线介质基板的短横轴镜像对称的两个结构体。它们由天线介质基板上的上下两层覆铜面按照设计要求采用工程刻蚀工艺形成。对称辐射振子位于天线介质基板的上表面，距梯形的下底边中轴线上为1.84mm处开有一个直径为1mm的通孔，作为馈电通孔。梯形下底边长为5mm，上底边边长为波长110mm，梯形高度为50.4mm。由梯形下底边开始间隔4mm的距离，在梯形的两个棱边上，向梯形上底边方向依次交替刻蚀出8条宽度为2mm的加载槽孔，初始槽孔长度为5mm，由下底边开始刻蚀的各槽孔的长度依次为5mm、8.115mm、10.335mm、11.665mm、13.99mm、14.865mm、16.8mm和17.8mm。对称辐射振子中间部分为一宽度为110mm,长度为84mm的矩形结构，在矩形结构的两个短边上连接梯形部分的槽孔顺序，间隔4mm距离，依次交替刻蚀出12条宽度为2mm、长度为30mm的槽孔。对称辐射振子中间部分上边沿的两个顶端位置用覆铜线以天线介质基板长轴为对称轴形成两个镜像对称的倒“L”型结构，构成一种电容加载结构。倒“L”结构的覆铜线宽度为2mm，短边长度为5mm，长边长度为48mm。两个对称的倒“L”结构形成了辐射部分的电容加载部分。辐射振子是对称辐射振子的镜像辐射结构，其形式及尺寸与对称辐射振子相同，且与对称辐射振子关于天线介质基板的短轴镜像对称，位于天线介质基板的下表面，构成天线的镜像地结构，其表面上无馈线通孔，对称辐射振子与辐射振子之间的距离为5mm。
图5为本发明天线结构的组件装配图。射频馈电线缆为天线射频能量馈入器件，采用市售标准141型电缆加工制作而成。在对称辐射振子一侧，射频馈电线缆与辐射振子连接端须将外导体层、中间介质层和中心导体逐层剥离出来使外导体层外漏长度为155mm，中间介质层外漏长度应高于外导体层1mm，中心导体外漏长度为21mm。外漏的中心导体应在不伤害外漏的中间介质层的情况下，向下呈90度角弯折后穿过天线介质板上的穿线通孔及对称辐射振子上的馈电通孔，与辐射振子紧密锡焊，将外导体层边沿与辐射振子梯形的短底边边沿相交固定后，沿天线介质板长轴方向将外导体层与对称辐射振子紧密锡焊。
射频连接件SMA-KB3为标准射频连接件，通过线缆固定卡子和安装螺栓组件固定安装在天线介质基板上。
线缆固定卡子为特氟隆材质的立方体，厚度为5mm，长度为20mm，宽度为8mm，在矩形平面上开有一个直径为M2.5大小的通孔，两通孔间距为两个通孔间距为12mm，通过天线介质板上的固定安装通孔，将射频馈电线缆固定安装。
图6是本发明天线结构的S11参数图，图7是天线结构的E面方向图，图8是天线结构的H面方向图。
Claims (1)
1.一种紧凑安装的VHF频段宽带垂直极化偶极子，天线介质板、辐射振子、对称辐射振子、射频馈电线缆、线缆固定卡子和射频连接件，其特征在于：
所述的天线介质板为矩形，采用FR-4型号的双面覆铜PCB板制作而成，取天线介质板的一个短边为底边，在天线介质板长轴上距离底边5mm处，在长轴两侧左右各6mm处分别开有一个直径为2.5mm的固定安装通孔，在天线介质板的长轴上，距离天线介质板底边0.316倍波长处开有一个直径为1.1mm的穿线通孔；
天线整体辐射部分由辐射振子和对称辐射振子组成，辐射振子及对称辐射振子均采用PCB板工程刻蚀形成，辐射振子与对称辐射振子结构和尺寸均相同，且关于天线介质板的短轴中心对称，构成天线的镜像结构，并分布与天线介质板的两侧，其中对称辐射振子所在的天线介质板的一侧为上表面；
辐射振子分为三个结构部分，包括一个等边梯形结构、一个矩形结构和电容加载结构共同组成，其中等边梯形结构采用60度张角渐变分布，等边梯形结构和矩形结构均采用等比例空气电容加载，矩形结构的长边为0.107倍波长，短边为0.082倍波长，等边梯形结构的短底边为0.0049倍波长，长底边为0.107倍波长，梯形高度为0.049倍波长，矩形结构的一个长边和等边梯形结构的长边重合，等边梯形结构中轴线上距等边梯形结构短底边0.0018倍波长处开一个直径为1mm的通孔作为馈电通孔，在等边梯形结构中轴线距离短底边0.0039倍波长处，在等边梯形结构的一个斜边上，与等边梯形结构的中轴线垂直方向刻蚀一个初始加载槽孔，并依次交替在等边梯形结构的两个斜边上共刻蚀出8条宽度为0.0019倍波长的加载槽孔，8条加载槽孔的长度比例关系为：
1：1.623：2.067：2.333：2.798：2.973：3.36：3.56
其中，初始加载槽孔长度为0.005倍波长，在矩形结构的短边上依次交替共刻蚀出12条宽度为0.0019倍波长，长度为0.0294倍波长的加载槽孔；
辐射振子中矩形结构的两个远离等边梯形的顶点处，在矩形结构长边的外侧，以辐射振子矩形结构的短轴为对称轴，用覆铜线分别形成两个镜像对称的倒“L”型结构，倒“L”结构的L型短边为0.0052倍波长，L型长边为0.047倍波长，L型结构的宽度为0.0019倍波长，两个对称的倒“L”结构形成辐射振子的电容加载结构，辐射振子表面无馈线通孔，对称辐射振子与辐射振子的两个短底边之间的距离为0.0049倍波长；
射频馈电线缆为天线射频能量馈入器件，采用141型电缆加工制作而成，在对称辐射振子一侧，射频馈电线缆与对称辐射振子连接的一端须将外导体层、中间介质层和中心导体层逐层剥离形成阶梯型，且外导体层外漏长度为0.15倍波长，中间介质层外漏长度高出外导体层1mm，中心导体外漏长度为0.02倍波长，射频馈电线缆弯折90度角后依次穿过对称辐射振子上的馈电通孔和天线介质板上的穿线通孔，将外导体层边沿与辐射振子的等边梯形结构的短底边边沿相交固定后，沿天线介质板长轴方向将外导体层与对称辐射振子紧密锡焊；
所述的线缆固定卡子为特氟隆材质的长方体，长方体厚度为5mm，长方体的矩形平面的长边为0.02波长，宽边为0.008倍波长，在线缆固定卡子的矩形平面的长轴方向上，开两个直径为M2.5大小的通孔，两通孔的间距为12mm且关于线缆固定卡子的矩形平面的短轴方向对称，用线缆固定卡子的两个通孔对准天线介质板上的固定安装通孔，并将射频馈电线缆固定在天线介质板上；
所述的射频连接件为SMA-KB3射频连接件。
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- 2017-07-24 CN CN201710604319.9A patent/CN107611596B/zh not_active Expired - Fee Related
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