CN107994330B - 一种uhf/vhf宽带平面印刷天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UHF/VHF宽带平面印刷天线，具有平面多谐振结构，主要包括介质基板、辐射单元、阻抗匹配单元和底座；所述辐射单元和阻抗匹配单元附着在介质基板的正表面上，两者之间采用缝隙进行隔离；辐射单元底端采用阶梯状边缘结构；介质基板带有阻抗匹配单元的一端安装在天线底座上。本发明通过采用平面多谐振结构，在不增加天线体积和重量的同时实现了VHF/UHF波段天线的宽频带设计。

Description

一种UHF/VHF宽带平面印刷天线

技术领域

本发明属于无线通信天线技术领域，具体涉及一种UHF/VHF宽带平面印刷天线。

背景技术

VHF(甚高频)/UHF(特高频)车载和便携无线通信系统作为军事通信和应急通信领域中的末端指挥通信枢纽，是解决“最后一公里”无线网络覆盖问题的有效手段。但是由于受电磁波波长限制，目前系统所用天线通常存在体积大、频带宽度和辐射性能难以同时兼顾等缺点，为通信车和便携无线通信系统的电磁兼容设计和综合集成带来不小难度，同时在一定程度上增加了设计和生产成本。

套筒天线、双锥天线、平面印刷单(偶)极天线、低剖面单极天线是在VHF/UHF波段常用的宽带天线形式。

为确保天线具有良好的宽频带和水平全向辐射性能，考虑到粗振子因具备较低阻抗特性而容易实现宽频带工作，VHF/UHF天线通常被设计为套筒或双锥结构，辅以合适的宽带阻抗匹配网络(结构)达到特定使用目的。套筒天线的阻抗性能受地板大小影响较大，地板尺寸通常在一个波长以上，不利用便携场合使用，且存在工作频段较宽时高频段辐射方向图出现裂瓣的不足。双锥天线通常采用立体旋转金属结构，重量和体积都相对较大，不适用安装空间受限场合。

相对于上述两种三维立体结构，平面印刷天线可在保证电性能的同时兼顾重量轻和体积小，因而在VHF/UHF波段被广泛采用，通常此类天线被设计为平面印刷单极或偶极子结构。虽然此类天线可利用微带线或共面波导二维地面结构降低三维地板对天线阻抗特性的影响，但是平面印刷单(偶)极天线的振子长宽比较小，当天线频带进一步拓展时，振子表面电流的分布随频率变化较为剧烈，天线辐射方向图在整个频段内都不太稳定，特别是存在高频段反向电流引起的辐射方向图裂瓣问题。

此外，通过在单极天线顶部采用金属平板和短路销钉加载技术，构造低剖面宽频带全向辐射结构，也是一种实现VHF/UHF波段宽频带天线的常见方式。值得提出的是，此类天线可大幅缩减天线高度，但需要至少1个波长(最低工作频率)的地板尺寸，因此该类天线更适合于安装平台横向尺寸较大的应用场合，且为获得较宽的工作带宽需要在天线结构中引入大量的谐振单元和短路销钉，天线结构也较为复杂，制作加工存在一定难度。

发明内容

本发明的目的正是为了克服现有技术的不足，采用多谐振叠加方式实现VHF/UHF天线的宽频带设计，实现了VHF/UHF平面印刷天线结构的体积小、质量轻、频带宽、高频端电流稳定、地板尺寸小等。

本发明提供了一种UHF/VHF宽带平面印刷天线，具有多谐振交叠模式结构，主要包括介质基板、辐射单元、阻抗匹配单元和底座；

所述辐射单元和阻抗匹配单元附着在介质基板的正表面上，两者之间采用缝隙进行隔离；辐射单元底端采用阶梯状边缘结构；

介质基板带有阻抗匹配单元的一端安装在天线底座上。

进一步地，所述天线还包括嵌入辐射单元中的临近谐振交叠模式结构，所述临近谐振交叠模式结构包括沿辐射单元两侧长边分别开设的缝隙组一和缝隙组二。

进一步地，缝隙组一和缝隙组二分别由在辐射单元中嵌入多个倒“L”形缝隙进行构造；每个缝隙组内，“L”形缝隙的一端自所述辐射单元的同一侧长边开始，另一端延伸至辐射单元内并朝向辐射单元的底部。

进一步地，还包括共面波导中心导带，辐射单元底端采用带状线与共面波导中心导带进行馈电连接。

进一步地，带状线的一端连接在辐射单元底端、阶梯状边缘结构顶端中心位置。

作为一种优选，辐射单元的底端采用矩形开口一和矩形开口二形成两节矩形阶梯边缘结构。

进一步地，共面波导中心导带采用多级阶梯状结构，包括呈阶梯状串联的若干中心导带。

进一步地，阻抗匹配单元为多节共面波导，与所述共面波导中心导带之间实现阻抗匹配。

作为进一步地优选手段，天线底座为金属结构，由底盘和卡接板构成，其中底盘两端为半径为R的圆弧，另外两侧为对称直边。

本发明通过采用平面多谐振结构，在不增加天线体积和重量的同时实现了VHF/UHF波段天线的宽频带设计，同时具有如下优点：

一是与套筒、双锥等主要通过立体结构拓宽天线频段的技术相比，本发明设计的天线体积小、重量轻、便携性高；

二是本发明采用倒“L”形缝隙阵列加载技术，在辐射器中构造出尺寸渐变的窄带谐振器阵列，改善了辐射器表面的电流分布，解决常规宽带辐射器在高频端辐射方向图裂瓣的问题；

三是本发明采用多节级联共面波导构造出小型化阻抗变换器，充分利用共面波导地面最大缩减地板对天线电性能的影响，解决了常规技术中全向天线地板过大的问题，进一步提升了天线对安装环境的适应性。

附图说明

图1是本发明的天线正面结构示意图；

图2是本发明的天线背面结构示意图；

图3是本发明中临近谐振交叠模式的基本原理图；

图4是本发明的天线测试驻波比曲线图。

附图标记说明：

1、介质基板；2、辐射单元；3、阻抗匹配单元；4、底座；5、矩形开口一；6、矩形开口二；7、带状线；8、中心导带一；9、中心导带二；10、中心导带三；11、中心导带四；12、中心导带五；13、缝隙一；14、缝隙二；15、缝隙三；16、缝隙四；17、缝隙五；18、底座卡接板；19、圆孔；20、电缆接头；L、缝隙组一；R、缝隙组二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如附图1所示，本发明的一种UHF/VHF宽带平面印刷天线，主要包括一块介质基板1、辐射单元2、阻抗匹配单元3、底座4；所述辐射单元2、阻抗变匹配单元3设置在介质基板1的同一侧，介质基板1安装在底座4上。

介质基板1具有低介电常数特征，介电常数在1-7之间，最优选的材料为FR4(玻璃纤维环氧树脂覆铜板)，其长度、宽度和厚度范围分别优选为455-465mm、75-85mm和0.5-2.0mm。

所述辐射单元2的主体结构为附着在介质基板1的正向表面上的矩形印刷贴片，其长、宽比大于4.1,长度和宽度范围分别优选为285-295mm和65-75mm，其中一条短边(上端)与介质基板1的短边平齐，两侧长边与介质基板1的两侧长边留有一定距离。

辐射单元2底端采用阶梯状边缘结构，用于改善馈电部分边缘电流分布，拓宽天线阻抗带宽。阶梯状边缘结构的节数不小于2，尺寸由天线馈电线端口输入阻抗的匹配情况择优设定。图1示出了一个较佳的实施例，辐射单元2的底端采用矩形开口一5和矩形开口二6形成两节矩形阶梯边缘结构。所述矩形开口一5的长度和宽度范围分别优选为13-18mm和10-14mm，所述矩形开口二6的长度和宽度范围分别优选为35-45mm和8-12mm。

辐射单元2和阻抗匹配单元3优选采用铜质贴片印刷(或采用光刻腐蚀)在介质基板的同一侧(正面)，两者之间采用宽度范围优选为8-12mm的缝隙进行隔离。

辐射单元2底端采用宽度范围优选为1-3mm、长度范围优选为30-38mm的带状线7与共面波导中心导带进行馈电连接，带状线7的一端连接在辐射单元底部、阶梯状边缘结构顶端中心位置。

共面波导中心导带采用多级阶梯状结构，包括呈阶梯状串联的若干中心导带，实现辐射单元与馈电线之间的阻抗变换，各段中心导带的宽度及其与共面波导之间的缝隙宽度根据阻抗匹配情况进行优选设置。如图1所示的较佳实施例中，共面波导中心导带采用多级递减的阶梯状结构，级数优选为五级，包括中心导带一8、中心导带二9、中心导带三10、中心导带四11、中心导带五12。上述各中心导带8-12的长度范围依次分别优选为13-17mm、21-25mm、25-29mm、12-16mm和8-12mm，宽度范围依次分别优选为10-12mm、8.5-10mm、4-6mm、0.5-1.5mm和0.8-1.2mm。

阻抗匹配单元3整体上呈矩形，长度和宽度范围分别优选为85-95mm和75-85mm，在较佳实施例中阻抗匹配单元3是由左右对称的两片贴片组成的多节共面波导，实现与前述共面波导中心导带之间的阻抗匹配。在此实施例中，前述的共面波导中心导带与所述共面波导之间形成缝隙一13、缝隙二14、缝隙三15、缝隙四16、缝隙五17，各缝隙的宽度范围分别优选为1.8-2.6mm、2.5-3.5mm、1-2mm、0.5-1.5mm和1.5-2.5mm。

天线底座4为金属结构，由底盘和卡接板18构成，其中底盘两端为半径为R的圆弧，另外两侧为对称直边。圆弧的半径范围优选为60-70mm，弧度范围优选为50°-52°。底座卡接板18的宽度范围优选为35-50mm。

底座4中心位置开设圆孔19，同轴馈电接头通过此圆孔19为共面波导馈电，具体可采用N型接头的同轴电缆作为馈电线。介质基板1带有阻抗匹配单元3的一端(共面波导的底端)通过卡接板18安装在天线底座4上。

本发明的天线还包括嵌入辐射单元2中的临近谐振交叠模式结构。所述临近谐振交叠模式结构包括缝隙组一L和缝隙组二R，分别由在辐射单元2中嵌入多个倒“L”形缝隙进行构造，该两个缝隙组结构同时可改变辐射单元2在高频段时的表面电流分布，克服高频段辐射方向图裂瓣问题。

所述倒“L”型缝隙嵌入到辐射单元2矩形贴片长边的两侧(即沿辐射单元2的长边分别开设倒“L”形缝隙组一L1……Lm和倒“L”形缝隙组二R1……Rn)。所述倒“L”形缝隙组一的一端自所述辐射单元2的一长边侧开始，另一端延伸至辐射单元2内并朝向辐射单元2的底部。所述倒“L”形缝隙组二的一端自所述辐射单元2的另一长边侧开始，其另一端延伸至辐射单元2内并朝向辐射单元2的底部。

上述缝隙的数量由天线工作带宽择优设定，所述缝隙的长度和间距由构造出临近谐振交叠模式的需要进行择优设定。如图1所示，所述倒“L”形缝隙组一的缝隙宽度范围优选为0.5-1.2mm，各缝隙相互之间的间隔范围优选为3.8-4.5mm。所述倒“L”形缝隙组二的缝隙宽度范围优选为0.5-1.2mm，缝隙相互之间的间隔范围优选为1.8-2.5mm。

所述临近谐振交叠模式的基本原理如图3所示。假定某两个谐振器分别由独立馈电端口进行馈电，不失一般性，其端口输入阻抗和回波损耗随频率的变化曲线可用图3(a)和(c)进行图示化表示；当采用同一个馈电端口对上述两个谐振器进行馈电时，两者之间由于存在能量耦合，其谐振模式与独立工作方式相比将会发生变化，假定两个谐振器的谐振频率可以进行调整，那么就有可能获得两个在频率上相互临近的谐振，在馈电端等效于通过谐振交叠实现了频带拓展或双频设计。所述双谐振交叠模式的产生机理可采用图3(b)和(d)进行图示化说明。

本发明天线产品实际测试驻波曲线如图4所示，在225-840MHz频段范围内驻波比小于2.0，相对带宽高达115％。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种UHF/VHF宽带平面印刷天线，具有平面多谐振结构，其特征在于：主要包括介质基板、辐射单元、阻抗匹配单元和底座；

所述辐射单元和阻抗匹配单元附着在介质基板的正表面上，两者之间采用缝隙进行隔离；

辐射单元底端采用阶梯状边缘结构，用于改善馈电部分边缘电流分布，拓宽天线阻抗带宽；所述阶梯状边缘结构采用由所述辐射单元底端向所述辐射单元内部逐级凹陷的结构，且所述阶梯状边缘结构的节数不小于2；

介质基板带有阻抗匹配单元的一端安装在天线底座上；

所述天线还包括嵌入辐射单元中的临近谐振交叠模式结构；

所述临近谐振交叠模式结构包括沿辐射单元两侧长边分别开设的缝隙组一和缝隙组二；

缝隙组一和缝隙组二分别由在辐射单元中嵌入多个倒“L”形缝隙进行构造；

所述倒“L”形缝隙组一的一端自所述辐射单元的一长边侧开始，另一端延伸至辐射单元内并朝向辐射单元的底部；

所述倒“L”形缝隙组二的一端自所述辐射单元的另一长边侧开始，其另一端延伸至辐射单元内并朝向辐射单元的底部；

所述天线还包括共面波导中心导带，辐射单元底端的所述阶梯状边缘结构凹陷的最末一级阶梯中部采用带状线与所述共面波导中心导带进行馈电连接。

2.根据权利要求1所述的宽带平面印刷天线，其特征在于：

所述带状线的一端连接在所述辐射单元底端、所述阶梯状边缘结构顶端中心位置。

3.根据权利要求1所述的宽带平面印刷天线，其特征在于：

所述共面波导中心导带采用多级阶梯状结构，包括呈阶梯状串联的若干中心导带。

4.根据权利要求1所述的宽带平面印刷天线，其特征在于：

所述阻抗匹配单元为多节共面波导，与所述共面波导中心导带之间实现阻抗匹配。

5.根据权利要求1-4任一项所述的宽带平面印刷天线，其特征在于：

所述天线底座为金属结构，由底盘和卡接板构成，其中所述底盘两端为半径为R的圆弧，另外两侧为对称直边。

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