CN108767433A - 一种小型化三频段单向辐射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种小型化三频段单向辐射天线。所述天线的准L形金属板(1)底部与金属地板(3)相连，准L形金属板(1)的水平部分两侧向内弯折、垂直部分中部向内凹陷、垂直部分下部两侧向内弯折，金属弯折单极子(2)位于准L形金属板(1)下方并垂直设置在金属地板(3)上，金属弯折单极子(2)的下部为三角形阻抗匹配部分(2a)，金属弯折单极子(2)上刻有一个三维U形槽(2b)，同轴波导馈电线(4)位于金属地板(3)底部的圆孔处，同轴波导馈电线(4)的内导体与金属弯折单极子(2)底部相连。利用本发明的结构，可以实现具有高辐射效率的小型化三频段单向辐射天线，其中，最低的工作频段是一个相对带宽可达4：1的超宽频带。

Description

一种小型化三频段单向辐射天线
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种小型化三频段单向辐射天线，支持6GHz以下几乎所有无线通信服务，适用于机场高速通信、宽带多模式软件无线电通信、第五代移动通信、车载通信等领域。
背景技术
随着民航技术的成熟和航空服务业的普及，越来越多的人将乘坐飞机作为中远距出行的首选。为了飞机飞行的安全性，当飞机降落在空港后到下一次起飞之间，机场控制中心与飞机需要进行大量的数据交互，包括飞机在飞行过程中记录的技术数据，以及航空公司需要传给飞机的下段飞行的导航信息、旅客信息以及娱乐影院等相关数据。对于大型空港，每天的航空吞吐量巨大，而且，多数民航客机在机场中的停留时间较短暂，在某些情况下甚至仅有45分钟左右，这就要求飞机与机场控制中心之间的数据互传必须在很短的时间内完成。
目前，这类数据的传递主要依靠飞行人员或地勤人员在飞机停靠后将飞行数据存储盘人工带至机场内，然后，在起飞之前，再将存储着下段飞行所需的数据用数据存储盘带上飞机。这种方法效率低，且人工成本较高，将无法满足未来巨型空港的需求。此外，因为候机楼的停机位有限，许多飞机必须停靠在远机位，这将大大增加人工传递数据的时间成本，可导致飞机行程的延误。因此，飞机与机场控制中心之间的数据交换必须以可靠的高速无线通信的方式来解决。
一个较有希望的解决方案是在每个飞机内配置一套可携带的多模式软件无线电设备，利用机场本身配备的商用无线服务(如GSM、Wifi、WiMAX、3G、4G/LTE、5G等等)与机场控制中心互连，进行数据的上传和下载。然而，当机场人流较大时，这些商用无线通道将变得拥挤不堪，此时，飞机上所配备的多模式软件无线电设备必须还能被切换到其它频段进行数据互传，包括0.7–2.7GHz之间的非商用频段、以及最近颁布的位于5.12–5.13GHz的AeroMacs频段。这就要求此软件无线电设备必须携带可以覆盖0.7–2.7GHz、3.3–3.6GHz、以及5.1–6GHz频段的小型化天线。同时，由于机场的基站或热点位于飞机外部，此天线还需要在这些频段内具有单向辐射方向图。虽然定向多频天线和定向宽带/超宽带天线被大量研究，目前却没有一款天线可以对上述含有一个超宽带的多个频段进行覆盖，且同时具有紧凑的电尺寸和单向辐射特性。
发明内容
技术问题：为了解决多模式软件无线电设备所需的天线问题，本发明提供一种小型化三频段单向辐射天线。该天线由一个准L形金属板和一个位于其下方的金属弯折单极子组成，总的电尺寸不超过0.12λ×0.16λ×0.09λ，体积非常紧凑。其可以同时覆盖0.7–2.7GHz、3.3–3.6GHz、以及5.1–6GHz这三个频段，以支持6GHz以下几乎所有的无线通信服务，并且在这三个工作频段内具有较好的单向辐射特性。
技术方案：本发明一种小型化三频段单向辐射天线包括一个准L形金属板、金属弯折单极子、金属地板、以及同轴波导馈电线；其中，准L形金属板垂直部分的底部与金属地板相连，垂直部分的中部向内凹陷、垂直部分的下部两侧向内弯折；准L形金属板的水平部分两侧向内弯折；金属弯折单极子位于准L形金属板水平部分的下方并垂直设置在金属地板上，金属弯折单极子的下部为三角形阻抗匹配部分，金属弯折单极子上刻有一个三维U形槽；同轴波导馈电线位于金属地板底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线的内导体与金属弯折单极子底部相连。
其中，所述准L形金属板水平部分的长为Lp、宽为Wp、垂直部分的高为Hp，Lp的取值小于0.12λ，Wp的取值小于0.16λ，Hp的取值小于0.09λ，λ为天线最低工作频点的真空波长。
所述准L形金属板的水平部分两侧向内弯折，弯折部分宽度为Hs，Hs的取值小于0.01λ。
所述准L形金属板的垂直部分中部向内凹陷，凹陷深度Wf，凹陷部分长度Hf，Wf的取值范围为0.01λ─0.04λ，Hf的取值范围为0.01λ─0.08λ。
所述准L形金属板的垂直部分下部两侧向内弯折，弯折部分高度为Hb，弯折部分宽度为Wb，Hb的取值范围为0.01λ─0.04λ，Wb的取值范围为0.01λ─0.04λ。
所述金属弯折单极子的高度为Hm，上部宽度为Wm，Hm取值必须小于Hp，Wm取值必须小于Wp，即金属弯折单极子与准L形金属板没有电连接。
所述金属弯折单极子上刻有一个三维U形槽，三维U形槽总长度为Lu，三维U形槽槽宽为Wu。
所述准L形金属板与金属弯折单极子的水平间距为D，D的取值范围为0.05λ─0.08λ。
所述同轴波导馈电线为50欧姆同轴波导。
所述金属地板尺寸应大于0.16λ2，地板形状可以是方形、圆形、或其他形状。
该天线最低的工作频段是一个相对带宽达4：1的超宽频带。
该天线通过在准L形金属板和金属弯折单极子上刻槽，可以在三个工作频段内形成阻带，且通过增加有源器件，可以实现可调的阻带。
有益效果：本发明提供的一种小型化三频段单向辐射天线，与现有技术相比，其优势在于：
(1)具有三个工作频段，且第一个工作频段是一个相对带宽可达4：1的超宽频带。所述天线可以同时覆盖0.7–2.7GHz、3.3–3.6GHz、以及5.1–6GHz，因此支持6GHz以下频段几乎所有的无线通信服务。与之前的双频/三频天线相比，本天线的多个工作频段跨度大、带宽宽。与之前的宽带/超宽带天线相比，本天线在拥有一个超宽带的基础上，还额外提供两个工作频段。
(2)具有紧凑的电尺寸。由于采用了小型化技术，通过对准L形金属板的水品部分两侧进行向内弯折、垂直部分中部向内凹陷、以及垂直部分下部两侧向内弯折，有效地增加了电流路径长度和做为辐射部分的金属板的电宽度。此外，对既作为馈源又作为辐射部分的金属单极子进行了弯折，在保持低剖面的情况下有效增加了其电高度。
(3)此天线在具有紧凑的电尺寸、含超宽带的三工作频段的情况下，还具有单向辐射。由于多模式软件无线电设备拟放置于飞机驾驶舱挡风玻璃处，单向辐射可以减少因驾驶舱金属墙壁的反射而造成的多径信号衰减。虽然小型化超宽带天线已有很多，但基本上都是基于单极子天线，因此是在H面为全向辐射。
(4)由于天线用金属薄板制成，损耗很低，在其工作频段内辐射效率均高于98％。
附图说明
图1给出了本发明天线的三维结构图；
图2给出了本发明天线的侧视图；
图3给出了所述小型化三频段单向辐射天线的仿真和实测反射系数；
图4给出了所述小型化三频段单向辐射天线的仿真和实测x-z面内归一化远场辐射方向图；其中a是0.7GHz方向图，b是1.7GHz方向图，c是2.7GHz方向图，d是3.5GHz方向图，e是5.1GHz方向图，f是5.8GHz方向图；
图5给出了所述小型化三频段单向辐射天线的仿真和实测增益曲线。
图中有：
1–准L形金属板 2–金属弯折单极子 2a–三角形阻抗匹配部分
2b–三维U形槽 3–金属地板 4–同轴波导馈电线
Lp–准L形金属板的长度 Wp–准L形金属板的宽度
Hp–准L形金属板的高度 Hs–准L形金属板水平部分两侧向内弯折的宽度
Wf–准L形金属板垂直部分中部向内凹陷部分的深度
Hf–准L形金属板垂直部分中部向内凹陷部分的长度
Wb–准L形金属板垂直部分下部两侧向内弯折部分的宽度
Hb–准L形金属板垂直部分下部两侧向内弯折部分的高度
Hm–金属弯折单极子的高度 Wm–金属弯折单极子的宽度
D–准L形金属板与金属弯折单极子的水平间距
Lu–三维U形槽的总长度 Wu–三维U形槽的槽宽
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的一种小型化三频段单向辐射天线，包括一个准L形金属板1和一个金属弯折单极子2。准L形金属板1底部与金属地板3电连接，金属弯折单极子2位于准L形金属板1下方、且被垂直设置在金属地板3上。本天线采用传统同轴波导馈电方式，特征阻抗为50欧姆，从金属地板3底部给金属弯折单极子2馈电，同轴波导馈电线4内导体与金属弯折单极子2底部相连。
在设计中，准L形金属板1的长度Lp和高度Hp决定天线的最低工作频率，此时天线的工作模式与一个感性探针馈电的短路贴片天线类似，Lp+Hp应当约为四分之一波长，此时天线仅可以在0.75GHz附近一个带宽约为5％的窄带进行工作。通过利用金属弯折单极子2与准L形金属板1电磁耦合的馈电方式，并增加Hp和减小Lp，可以将带宽拓宽至约20％。同时，金属弯折单极子2在高频可以有效辐射，进而增加一个工作频段，可覆盖5.1–6GHz，从而实现双频段天线。通过将金属弯折单极子2弯折以增加其有效高度Hm，并调节金属弯折单极子2的宽度Wm，可以拓展第一个工作频段的带宽，将带宽从20％拓宽至约90％，覆盖0.7–2.7GHz。在第一个工作频段的低频部分(0.7–1.0GHz)，准L形金属板1负责辐射，此时，金属弯折单极子2只是一个馈电部分，而在第一个工作频段的高频部分(1.0–2.7GHz)，金属弯折单极子2成为主要辐射源，准L形金属板1变为一个反射器，进而提高天线的定向性。为了增加第三个工作频段(3.3–3.6GHz)以支持WiMAX和5G通信，在金属弯折单极子2上刻一个三维U形槽2b，可以在波长为其总长度Lu的两倍的频率附近形成谐振，实现良好的阻抗匹配。同样，在这个频段，准L形金属板1主要作为反射器，提高天线的定向性。此频段的带宽可以通过改变三维U形槽2b的槽宽Wu来控制，带宽随Wu的增加而变宽。除了U形槽，具有其它几何形状的半波长谐振结构也可以使用。为了实现天线的小型化，对准L形金属板1的水品部分两侧进行向内进行弯折，弯折宽度为Hs，Hs的取值小于0.02λ；对准L形金属板1的垂直部分中部向内进行凹陷，凹陷深度Wf，凹陷部分长度Lf，Wf的取值范围为0.01λ–0.04λ，Lf的取值范围为0.01λ–0.08λ；此外，对准L形金属板1的垂直部分下部两侧向内进行弯折，弯折部分高度为Hb，弯折部分宽度为Wb，Hb的取值范围为0.01λ–0.04λ，Wb的取值范围为0.01λ–0.04λ；这些方法有效地增加了电流路径长度和做为辐射部分的金属板的电宽度，可以减小20％–30％的体积。金属地板3尺寸应大于0.16λ2，地板形状可以是方形、圆形、或其他形状。由于天线全部由金属薄板制成，可以是铜、铝、或其它金属，所以损耗很低，辐射效率很高。此外，通过在准L形金属板1和金属弯折单极子2上刻槽，可以在三个工作频段内形成阻带，且通过增加有源器件，可以实现可调的阻带。
图1、图2给出了所述小型化三频段单向辐射天线的示意图，天线的体积不超过0.12λ×0.16λ×0.09λ，非常紧凑，λ为天线最低工作频点的真空波长。
图3给出了所述小型化三频段单向辐射天线的仿真和实测反射系数。可以看出，仿真和实验的结果非常吻合。此天线在0.71–2.87GHz、3.27–3.62GHz、以及5.04–5.92GHz三个频段范围内反射系数均小于-10dB，其中频率最低的第一个频段相对带宽超过4:1，证明了此天线在目标频段内很好的实现了阻抗匹配。
图4给出了所述小型化三频段单向辐射天线的y-z面仿真和实测归一化远场辐射方向图。由图可以看到，在最低频端，由于天线的电尺寸远小于波长，天线覆盖几乎上半空间，下半空间辐射很弱。在1.0GHz以上频段，天线的辐射方向图覆盖从-y到+z这四分之一部分空间，往下半空间和+y方向的辐射很弱，具有较好的单向辐射特性。同时，天线在三个工作频带内交叉极化小于-18dB。
图5给出了所述小型化三频段单向辐射天线的仿真和实测增益曲线。由图可以看到，仿真和实验的结果非常吻合。所述小型化三频段单向辐射天线在0.71–2.87GHz、3.27–3.62GHz、以及5.04–5.92GHz这三个频段的绝大多数频率范围内增益大于4.0dBi，最大可达增长到7.1dBi，且辐射效率大于98％。
综上所述，本发明提供了一种小型化三频段单向辐射天线，具有三个工作频段，且其中第一个频段为超宽频，此外，所述天线具有交叉极化低、体积小、单向辐射、成本低、辐射效率高等优点，在机场高速通信、宽带多模式软件无线电通信、第五代移动通信、车载通信等领域有着重要的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种小型化三频段单向辐射天线，其特征在于所述天线包括一个准L形金属板(1)、金属弯折单极子(2)、金属地板(3)、以及同轴波导馈电线(4)；其中，准L形金属板(1)垂直部分的底部与金属地板(3)相连，垂直部分的中部向内凹陷、垂直部分的下部两侧向内弯折；准L形金属板(1)的水平部分两侧向内弯折；金属弯折单极子(2)位于准L形金属板(1)水平部分的下方并垂直设置在金属地板(3)上，金属弯折单极子(2)的下部为三角形阻抗匹配部分(2a)，金属弯折单极子(2)上刻有一个三维U形槽(2b)；同轴波导馈电线(4)位于金属地板(3)底部的中间圆孔处，同轴波导馈电线(4)的内导体与金属弯折单极子(2)底部相连。
2.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述准L形金属板(1)水平部分的长为Lp、宽为Wp、垂直部分的高为Hp，Lp的取值小于0.12λ，Wp的取值小于0.16λ，Hp的取值小于0.09λ，λ为天线最低工作频点的真空波长。
3.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述准L形金属板(1)的水平部分两侧向内弯折，弯折部分宽度为Hs，Hs的取值小于0.01λ。
4.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述准L形金属板(1)的垂直部分中部向内凹陷，凹陷深度Wf，凹陷部分长度Hf，Wf的取值范围为0.01λ─0.04λ，Hf的取值范围为0.01λ─0.08λ。
5.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述准L形金属板(1)的垂直部分下部两侧向内弯折，弯折部分高度为Hb，弯折部分宽度为Wb，Hb的取值范围为0.01λ─0.04λ，Wb的取值范围为0.01λ─0.04λ。
6.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述金属弯折单极子(2)的高度为Hm，上部宽度为Wm，Hm取值必须小于Hp，Wm取值必须小于Wp，即金属弯折单极子(2)与准L形金属板(1)没有电连接。
7.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述金属弯折单极子(2)上刻有一个三维U形槽(2b)，三维U形槽(2b)总长度为Lu，三维U形槽(2b)槽宽为Wu。
8.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述准L形金属板(1)与金属弯折单极子(2)的水平间距为D，D的取值范围为0.05λ─0.08λ。
9.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，所述的同轴波导馈电线(4)为50欧姆同轴波导。
10.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，该天线金属地板(3)尺寸应大于0.16λ2，地板形状是方形或圆形。
11.根据权利要求1所述小型化三频段单向辐射天线，其特征在于，该天线在准L形金属板(1)和金属弯折单极子(2)上刻有槽，槽的形状为弯折线、U形、L形、或弧形槽的总长度取值范围为0.06λ─0.5λ。
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