CN108777355A - 一种低剖面宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带天线，涉及天线结构领域。包括介质基板(105)，设置在介质基板上的微带传输线(103)，第一偶极子辐射单元(102)，第二V形寄生辐射单元(104)，以及设置在介质基板背面的部分接地面(101)。第一偶极子辐射单元(102)由两臂弯折成S形(1021)以及反S形(1022)结构组成，第一偶极子辐射单元(102)与微带传输线(103)直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元(104)通过与第一偶极子辐射单元(102)之间的缝隙进行耦合馈电。微带传输线(103)与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面(101)连接。具有剖面低、尺寸小、易集成，且可以和电抗元件混合使用等特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种低剖面宽带天线
技术领域
本发明涉及天线结构领域，具体涉及一种低剖面宽带天线。
背景技术
伴随着电子科学技术的飞跃式发展，无线通信技术及其衍生品已经越来普及，电子设备所具有更多的功能，所要求的信号带宽也在不断提高，对于无线通信中必不可少的天线提出了更高的要求以及严格的参数指标。并且在当前的无线通信技术中，信息安全越来越受到人们的重视，为了保证通信的安全性，目前最普遍采用的措施有很多，例如多频段、多天线以及宽带跳频技术。在宽带跳频技术中，随着跳频速率越来越高，跳频的频率范围也随之越来越宽。有时候为了达到跳频的目的，在有效的空间内放置多副天线，但是由于天线之间存在严重的相互干扰，反而导致通信质量的下降。这就迫切要求单个的一副天线能够覆盖非常宽的工作频带，从而使电台之间可以在共用一副天线的条件下就可以实现在宽频段上完成跳频，同时为了保证无线通信质量，还要求天线具有高效率和高发射功率。同时在电子装备技术不断向前发展的今天，无论是民用无线通信装备还是军用的无线通信装备中，在通信高质量化的前提条件下，要求无线通信系统同时具有宽频带与小型化的性能，因此近些年来天线领域的研究热点一直聚焦于小型化宽带天线。偶极子天线作为在工程应用当中最常见的天线形式，在通信、广播、电视、雷达、导航、遥感测试等领域内，偶极子天线都有着其它天线不能代替的作用。尽管当前出现了各种天线设计的新思想，以及一些新型的材料应用到天线的设计当中，偶极子天线仍然以其简单的天线结构、低廉的造价成本、稳定的性能等优势在天线领域内仍有着举足轻重的低位。因为偶极子天线依然是天线工程师研究的热点，偶极子天线的应用领域仍旧在不断的扩展。平面偶极子天线可以视为偶极子天线平面化的结果。它将偶极子天线集成到印刷电路板上，采用微带线或者共面波导馈电，这样降低了天线的剖面，同时具有工艺简单、精度较高加工成本低等优点。平面偶极子天线展宽阻抗带宽可以通过改变馈电方式以及调节微带线长度实现，对偶极子天线的两臂进行反向馈电，可以实现定向性。同时，也可以通过组阵来进行全向的辐射覆盖。
HuaHuang等人在2015年提出一种宽带双极化偶极子天线，该天线由两对蝴蝶结形偶极子单元以及底部反射腔组成，偶极子单元由2mm厚的铜板制成，馈线与偶极子单元垂直，通过同轴馈线给两对偶极子单元馈电，通过调整底部反射腔可以获得不同的波束宽度。该天线与传统偶极子天线相比具有更宽的带宽，但是由于是3D天线，尺寸较大，难以集成，工程调试困难，一致性较差。Mingjian Li与Kwai-Man Luk两人于2015年提出一种宽带偶极子天线，该天线由四个金属板，四个矩形金属柱，两个正交的Γ形探针和一个盒形反射器组成。金属板、金属柱和反射器由铝板制成，探针底部与连接器相连，上端通过耦合对金属板馈电。该天线具有较宽的带宽和较好的定向特性，但是同样的，尺寸过大，难以集成。SonXuat Ta等人在2017年提出了一种宽带印刷偶极子天线，该天线由一个50Ω的微带线馈线，一个半覆盖接地面，一个平衡-不平衡转换器和一个印刷偶极子组成。馈线位于介质基板的上面，而偶极子和接地面位于介质基板的背面，该天线具有较好的带宽性能和较好的定向性，但是接地板的尺寸较大，不利于天线的小型化。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种低剖面宽带天线，采用微带传输线馈电，辐射单元采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，以及双辐射单元结合的一体化设计，实现天线的宽带化，低剖面的设计。
本发明的目的是这样实现的：
一种低剖面宽带天线，其特征在于，包括介质基板(105)，设置在介质基板上的微带传输线(103)，第一偶极子辐射单元(102)，第二V形寄生辐射单元(104)，以及设置在介质基板背面的部分接地面(101)；第一偶极子辐射单元(102)由两臂弯折成S形(1021)以及反S形(1022)结构组成，第一偶极子辐射单元(102)与微带传输线(103)直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元(104)通过与第一偶极子辐射单元(102)之间的缝隙进行耦合馈电；微带传输线(103)与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面(101)连接。
所述天线采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，第一偶极子辐射单元(102)与微带传输线(103)直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元(104)通过与第一偶极子辐射单元(102)之间的耦合缝隙进行耦合馈电。
所述第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元均采用弯折结构，第一偶极子辐射单元由S形以及反S形结构组成，且二者呈对称分布，第二V形寄生辐射单元(104)采用V形结构，直接和第一偶极子辐射单元形成的V形结构契合，有效的降低天线的纵向剖面高度。
所述第一偶极子辐射单元可以采用C形或者E形结构，以增加天线的带宽。
所述第二V形寄生辐射单元可以采用分形结构，或者电抗加载的方式实现，便于增加天线的阻抗带宽。
所述的天线采用第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元之间的耦合缝隙对第二V形寄生辐射单元进行馈电，通过在二者之间的缝隙上加载电抗元件实现小型化设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，以及双辐射单元结合的一体化设计，实现天线的宽带化，低剖面的设计，并且可以根据工程实际应用需求，结合本发明的第一辐射单元设计方式，采用灵活的结构进行宽带和多频带天线设计。由于本发明使用微带传输线对第一偶极子辐射单元进行直接馈电，并通过第一偶极子辐射单元对第二V形寄生辐射单元耦合馈电，通过调整各个辐射单元的尺寸，以及第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元之间的耦合缝隙，调整电容结构实现宽带匹配。同时可以根据实际工程需求，通过改变耦合缝隙的大小以及辐射单元的尺寸，实现多频带天线的设计，该天线剖面低，尺寸小，易于集成。
本发明采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，以及双辐射单元结合的一体化设计，通过调整第一偶极子辐射单元S形以及反S形结构的弯折角度，宽度和长度，调整天线的谐振频率，第二V形寄生辐射单元的弯折角度可以根据第一偶极子辐射单元S形以及反S形结构的弯折角度进行匹配，以实现紧耦合。通过调整每个辐射单元的尺寸，以及辐射单元之间的缝隙，可以使天线达到很好的匹配，满足宽带通信的需求。本发明所设计的一种低剖面宽带天线具有剖面低、尺寸小、易集成，且可以和电抗元件混合使用等特点，可以安装在移动通信系统等设备中，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为天线的俯视图；
图2为天线的侧视图；
图3为天线的第一偶极子辐射单元的结构示意图；
图4为天线的第二V形寄生辐射单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本发明的目的是这样实现的：包括介质基板105，设置在介质基板上的微带传输线103，第一偶极子辐射单元102，第二V形寄生辐射单元104，以及设置在介质基板背面的部分接地面101。第一偶极子辐射单元102由两臂弯折成S形1021以及反S形1022结构组成，第一偶极子辐射单元102与微带传输线103直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元104通过与第一偶极子辐射单元102之间的缝隙进行耦合馈电。微带传输线103与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面101连接。本发明还包括这样一些结构特征：
所述天线采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，第一偶极子辐射单元102与微带传输线103直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元104通过与第一偶极子辐射单元102之间的耦合缝隙进行耦合馈电。
所述第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元均采用弯折结构，第一偶极子辐射单元由S形以及反S形结构组成，且二者呈对称分布，第二V形寄生辐射单元104采用V形结构，直接和第一偶极子辐射单元形成的V形结构契合，有效的降低天线的纵向剖面高度。
所述第一偶极子辐射单元可以采用C形或者E形结构，以增加天线的带宽。
所述第二V形寄生辐射单元可以采用分形结构，或者电抗加载的方式实现，便于增加天线的阻抗带宽。
所述的天线采用第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元之间的耦合缝隙对第二V形寄生辐射单元进行馈电，可以在二者之间的缝隙上加载电抗元件进行小型化设计。
实施例2：
结合图1至图4，本发明设计了一种低剖面宽带天线，所设计的天线采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，以及双辐射单元结合的一体化设计，实现天线的纵向和横向低剖面设计，同时可以调整天线的结构尺寸，实现宽带化设计。
本发明所涉及的天线主要包括介质基板105，设置在介质基板上的微带传输线103，第一偶极子辐射单元102，第二V形寄生辐射单元104，以及设置在介质基板背面的部分接地面101。第一偶极子辐射单元102由两臂弯折成S形1021以及反S形1022结构组成，第一偶极子辐射单元102与微带传输线103直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元104通过与第一偶极子辐射单元102之间的缝隙进行耦合馈电。微带传输线103与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面101连接。通过调整第一偶极子辐射单元102，第二V形寄生辐射单元104的弯折角度，以及第一偶极子辐射单元102与第二V形寄生辐射单元104之间的耦合缝隙，该天线可以达到宽带匹配，满足宽带天线的设计需求。
所设计的天线采用微带传输线进行馈电，微带传输线103的下端与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面101连接。按照图1所示的结构印刷在介质基板105的上面，部分接地面101印刷在介质基板105的下方且接近微带传输线103的端口处。
本发明所设计天线的带宽和谐振频率由第一偶极子辐射单元102和第二V形寄生辐射单元104的尺寸，形状，弯折角度，第一偶极子辐射单元102和第二V形寄生辐射单元104之间的耦合长度，耦合缝隙，部分接地面的尺寸等共同决定。
本发明所设计天线的第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元均采用弯折结构，降低天线的剖面高度，且第一偶极子辐射单元弯折成为S形和反S形结构以降低横向尺寸，第二V形寄生辐射单元采用V形结构，降低天线的剖面纵深，减小天线的尺寸。
本发明设计的第一偶极子辐射单元102通过微带传输线直接馈电，且通过改变第一偶极子辐射单元1021和1022弯折的角度的不同可以实现多谐振，通过多谐振特性实现宽带的设计，并且辐射单元1021和1022可以更改为E形或C形等，通过弯折减小天线的尺寸来实现小型化。
本发明设计的第二V形寄生辐射单元104通过与第一偶极子辐射单元102之间的缝隙耦合进行馈电，且通过采用分形结构，或者电抗加载的方式实现小型化设计。
本发明设计的天线采用第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元之间的耦合缝隙对第二V形寄生辐射单元进行馈电，可以在二者之间的缝隙上加载电抗元件进行小型化设计。
综上，本发明天线采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，以及双辐射单元结合的一体化设计，实现天线的纵向和横向低剖面设计，同时可以调整天线的结构尺寸，实现宽带化设计。将第一偶极子辐射单元进行弯折设计，减小天线的尺寸，更改了辐射贴片中电流的流向，便于进行小型化以及宽带设计。该天线通过直接馈电与间接馈电相结合的方式，便与实现阻抗匹配和电抗加载。通过调节第一偶极子辐射单元与第二V形寄生辐射单元之间的耦合缝隙，可以调节天线的阻抗带宽和天线的匹配。第一偶极子辐射单元与第第二V形寄生辐射单元可以根据所需要的频带和带宽进行综合优化设计，以实现宽带设计。第一偶极子辐射单元中间还可以使用电容，电感，电阻等元器件集成在辐射单元之间，进一步缩小天线的尺寸，或进一步扩展带宽。本发明是一种低剖面宽带天线，所设计的天线采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，以及双辐射单元结合的一体化设计，实现天线的纵向和横向低剖面设计，同时可以调整天线的结构尺寸，实现宽带化设计，可以应用于多种移动通信系统中，满足各种需求，应用广泛。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低剖面宽带天线，其特征在于，包括介质基板(105)，设置在介质基板上的微带传输线(103)，第一偶极子辐射单元(102)，第二V形寄生辐射单元(104)，以及设置在介质基板背面的部分接地面(101)；第一偶极子辐射单元(102)由两臂弯折成S形(1021)以及反S形(1022)结构组成，第一偶极子辐射单元(102)与微带传输线(103)直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元(104)通过与第一偶极子辐射单元(102)之间的缝隙进行耦合馈电；微带传输线(103)与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与部分接地面(101)连接。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带天线，其特征在于，所述天线采用微带传输线直接馈电和寄生耦合间接馈电相结合的方式，第一偶极子辐射单元(102)与微带传输线(103)直接相连馈电，第二V形寄生辐射单元(104)通过与第一偶极子辐射单元(102)之间的耦合缝隙进行耦合馈电。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带天线，其特征在于，所述第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元均采用弯折结构，第一偶极子辐射单元由S形以及反S形结构组成，且二者呈对称分布，第二V形寄生辐射单元(104)采用V形结构，直接和第一偶极子辐射单元形成的V形结构契合，有效的降低天线的纵向剖面高度。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带天线，其特征在于，所述第一偶极子辐射单元采用C形或者E形结构，以增加天线的带宽。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带天线，其特征在于，所述第二V形寄生辐射单元采用分形结构，或者电抗加载的方式实现，便于增加天线的阻抗带宽。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带天线，其特征在于，所述的天线采用第一偶极子辐射单元和第二V形寄生辐射单元之间的耦合缝隙对第二V形寄生辐射单元进行馈电，通过在二者之间的缝隙上加载电抗元件实现小型化设计。
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