CN109301461B - 一种小型化超宽带平面八木天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型化超宽带平面八木天线，包括介质基板，介质基板上设置有微带馈线、反射器、驱动器以及引向器，反射器包括设置在介质基板正面的顶层反射器以及设置在介质基板背面的底层反射器，顶层反射器与底层反射器耦合连接，顶层反射器、底层反射器均包括反射片以及垂直设置在反射片末端的反射金属条以分别在介质基板的正面、背面进行容性加载。本发明具有结构简单紧凑、成本低、能够实现小型化、易于集成，且天线的前后比高、方向性性能好等优点。

Description

一种小型化超宽带平面八木天线

技术领域

本发明涉及八木天线技术领域，尤其涉及一种小型化超宽带平面八木天线。

背景技术

随着无线电通信技术的发展，当前对天线也提出了更高的要求：小型化、超宽带、平面集成化，八木天线具有高增益、强定向性、集成度高等优点，在指向型天线领域中得到了广泛的应用。基于传统设计原理的八木天线，存在如窄带宽、大体积等问题，难以应用在微波频段以及更低频带内，实际通常在1GHz以下即难以应用，因此如何对八木天线实现小型化、超宽带已经成为当前亟待解决的问题。

有从业者提出通过在馈源阵子辐射端设置金属条的方式以实现容性加载，从而减小纵向、横向长度，实现八木天线的小型化，但是该类方案通常仅在天线基板的一面印刷各天线部分结构，再从天线板背部馈电，即为单面容性加载的天线结构，该类单面容性加载的天线结构会存在以下问题：

1、由于为单面天线结构，仅能够在一面进行容性加载，容性加载量有限，天线尺寸仍然较大，且天线后向辐射仍有较高的能量而减少了天线前方的能量，使得天线的前后比低、方向性差，天线的整体增益仍然不高，且后向辐射还会对人体造成干扰。

2、基于从天线板背部馈电的方式，该类天线与其它有源器件、无源器件连接则只能使用射频同轴电缆，同时由于左右有源阵子间隔很小而不易焊接， 因而不易与外部电路进行集成且焊接容易短路。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低、天线的前后比、方向性以及增益高且易于集成的小型化超宽带平面八木天线。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种小型化超宽带平面八木天线，包括介质基板，所述介质基板上设置有微带馈线、反射器、驱动器以及引向器，所述反射器包括设置在所述介质基板正面的顶层反射器以及设置在所述介质基板背面的底层反射器，所述顶层反射器与底层反射器耦合连接，所述顶层反射器、底层反射器均包括反射片以及垂直设置在所述反射片末端的反射金属条以分别在所述介质基板的正面、背面进行容性加载。

作为本发明的进一步改进：所述驱动器包括设置在所述介质基板正面的顶层辐射元、以及设置在所述介质基板背面的底层辐射元，所述顶层辐射元、底层辐射元对称布置在所述介质基板的左右两侧。

作为本发明的进一步改进：所述微带馈线包括设置在所述介质基板正面的顶层微带馈线、以及设置在所述介质基板背面的底层微带馈线，所述顶层辐射元通过所述顶层微带馈线馈电，所述底层辐射元通过所述底层微带馈线馈电。

作为本发明的进一步改进：所述顶层反射器的中部开有过线通道，所述顶层微带馈线从所述顶层辐射元端经所述过线通道延伸至所述介质基板边沿上的馈线端；所述底层微带馈线从所述底层辐射元端延伸至所述底层反射器端。

作为本发明的进一步改进：所述顶层辐射元和/或所述底层辐射元的边沿蚀刻有缝隙以实现电容加载，所述缝隙设置在远离馈源中心侧。

作为本发明的进一步改进：所述顶层辐射元、底层辐射元为领结型偶极子天线。

作为本发明的进一步改进：所述顶层反射器、底层反射器中一侧的反射金属条垂直指向所述顶层辐射元，所述顶层反射器、底层反射器中另一侧的反射金属条垂直指向所述底层辐射元。

作为本发明的进一步改进：所述顶层反射器与所述底层反射器通过金属化过孔耦合连接，以与所述微带馈线构成共面波导馈电网络。

作为本发明的进一步改进：所述反射片为椭圆形、梯形、三角形、抛物面型、方形中任意一种。

作为本发明的进一步改进：所述引向器包括一个以上的半领结型天线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明小型化超宽带平面八木天线，通过分别在天线的介质基板的正面、背面同时设置反射器，由顶层反射器与底层反射器进行耦合连接，顶层反射器与底层反射器中反射片的两端均垂直设置有反射金属条，电流可以沿着反射金属条继续流动，以由垂直方向的反射金属条来等同延长横向反射器的长度，在天线正面、背面同时进行实现了容性加载，能够大大减少整个天线的横向尺寸，实现天线小型化，同时基于双面容性加载的天线结构，能够减少天线后向辐射能量、提高天线前方的能量，减少辐射元之间的耦合，使得可以实现天线的强方向性和高前后比特性，形成具有良好电气特性的小型化超宽带平面八木天线。

2、本发明小型化超宽带平面八木天线，顶层反射器与底层反射器通过金属化过孔耦合连接，并与微带馈线构成共面波导馈电网络，相对于传统大接地板，减少了天线后向辐射能力、增强了前向辐射性能，能够有效提高天线的方向性、增加前后比，从而能够实现天线的强方向图和高前后比特性。

3、本发明小型化超宽带平面八木天线，顶层辐射元通过顶层微带馈线馈电，底层辐射元通过底层微带馈线馈电，可以实现天线的奇模激励，起到巴伦的作用，能够实现顶层辐射元与底层辐射元两臂上的电流反向，且通过使用 SMA 连接器的端馈式馈电，易于进行焊接，可以从天线侧面进行平插焊接，同时端馈式也易于与外部电路集成。

4、本发明小型化超宽带平面八木天线，顶层辐射元、底层辐射元采用领结型偶极子天线，相对于传统的半波偶极子天线，领结型渐变形状能够延长天线的表面电流，降低天线的谐振频率，且能展宽天线的阻抗带宽，获得小尺寸、宽带宽特性，结合各反射金属条均垂直指向辐射元，使得各金属条与领结型天线之间能够进一步进行强耦合，能够进一步实现天线的小型化、超宽带，最终天线除能获得主谐振频率以外，还能激励起贴片模式，从而获得更宽的带宽。

附图说明

图1是本实施例小型化超宽带平面八木天线的结构原理示意图。

图2是本实施例小型化超宽带平面八木天线中正面结构示意图。

图3是本实施例小型化超宽带平面八木天线中背面结构示意图。

图4是本发明小型化超宽带平面八木天线在具体实施例中得到的驻波系数仿真图；

图5是本发明小型化超宽带平面八木天线在具体实施例得到的H面仿真方向图。

图6是本发明小型化超宽带平面八木天线在具体实施例得到的E面仿真方向图。

图例说明：1、介质基板；2、微带馈线；21、顶层微带馈线；22、底层微带馈线；23、馈线端；31、顶层反射器；311、第一金属片；312、第一金属条；313、第二金属条；32、底层反射器；321、第二金属片；322、第三金属条；323、第四金属条；4、驱动器；41、顶层辐射元；42、底层辐射元；5、引向器；6、金属化过孔。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例小型化超宽带平面八木天线包括介质基板1，介质基板1上设置有微带馈线2、反射器、驱动器4以及引向器5，反射器包括设置在介质基板1正面的顶层反射器31以及设置在介质基板1背面的底层反射器32，顶层反射器31与底层反射器32耦合连接，顶层反射器31、底层反射器32均包括反射片以及垂直设置在反射片末端的反射金属条以分别在介质基板1的正面、背面进行容性加载。顶层反射器31与底层反射器32具体通过金属化过孔耦合连接，并与微带馈线2构成共面波导馈电网络。

本实施例通过分别在天线的介质基板1的正面、背面同时设置反射器，由顶层反射器31与底层反射器32进行耦合连接，顶层反射器31与底层反射器32中反射片的末端均垂直设置有反射金属条，电流可以沿着反射金属条继续流动，由于八木天线中反射器长度大于驱动器长度，驱动器长度大于引向器长度，通过在垂直面上增加反射器电流长度，能够减少了天线的横向长度，降低天线的谐振频率，即由垂直方向的反射金属条来等同延长横向反射器的长度，在天线正面、背面同时进行实现了容性加载，能够大大减少整个天线的横向尺寸，实现天线小型化，同时基于双面容性加载的天线结构，能够减少天线后向辐射能量、提高天线前方的能量，减少辐射元之间的耦合，使得可以实现天线的强方向性和高前后比特性，形成具有良好电气特性的小型化超宽带平面八木天线。

本实施例具体反射器还作为接地板，顶层反射器31、底层反射器32的反射片的两末端均设置有反射金属条，具体顶层反射器31包括第一金属片311、第一金属条312、第二金属条313，第一金属条312、第二金属条313分别垂直设置在第一金属片311的两侧末端边缘，即第一金属条312、第二金属条313与第一金属片311的两侧边缘呈90°垂直连接，流经第一金属片311的电流可以沿着第一金属条312、第二金属条313继续流动，实现天线正面容性加载；底层反射器32包括第二金属片321、第三金属条322、第四金属条323，第三金属条322、第四金属条323分别垂直设置在第二金属片321的两侧末端边缘，即第三金属条322、第四金属条323与第二金属片321两侧边缘呈90°垂直连接，流经第二金属片321的电流可以沿着第三金属条322、第四金属条323继续流动，实现天线背面容性加载。由于设置了第一金属条312、第二金属条313、第三金属条322及第四金属条323，等同于延长了整个反射器的长度，电流沿着金属条继续流动，同时进行了天线正面、背面的容性加载，大大减少了整个天线的横向尺寸，可以实现天线小型化，同时相对于传统大接地板，能够减少天线后向辐射能力，增强了前向辐射性能，从而有效提高了天线的方向性，增加了前后比。

上述反射金属条可以为│型、半方框型三角形或圆弧形等，具体可根据实际需求设定。

本实施例中金属片具体采用椭圆形金属片，椭圆形结构电流表面平滑且连续，当然还可以根据实际需求采用梯形、三角形、抛物面型或方形等形状金属片。

本实施例中，驱动器4包括设置在介质基板1正面的顶层辐射元41、以及设置在介质基板1背面的底层辐射元42，顶层辐射元41、底层辐射元42对称布置在介质基板1的左右两侧，通过在天线正、背面分别设置顶层辐射元41、底层辐射元42，可以提高天线前方的能量而减少天线后向辐射能量，从而提高天线的前后向比，同时可以减少辐射元之间的耦合，提高天线的方向性。

本实施例中，微带馈线2包括设置在介质基板1正面的顶层微带馈线21、以及设置在介质基板1背面的底层微带馈线22，顶层辐射元41通过顶层微带馈线21馈电，底层辐射元42通过底层微带馈线22馈电，可以实现天线的奇（差）模激励，起到巴伦的作用，能够实现顶层辐射元41与底层辐射元42两臂上的电流反向。

本实施例中，顶层反射器31的中部开有过线通道，顶层微带馈线21从顶层辐射元41端经过线通道延伸至所述介质基板1边沿上的馈线端23，顶层的顶层微带馈线21、顶层反射器31以及底层反射器32组成共面波导馈电网络，即正面的左右椭圆形反射器和中间微带馈线组成了共面波导馈电，能够实现天线的强方向图和高前后比特性；底层微带馈线22从所述底层辐射元42端延伸至底层反射器32端。

本实施例天线具体通过SMA连接器直接馈电，SMA连接器的内导体焊接在顶层微带馈线21上，上部两个外导体分别焊接在顶层微带馈线21两侧的椭圆形金属片上，底部外导体焊接在底层反射器32上，通过使用 SMA 连接器端馈式馈电，易于进行焊接，可以从天线侧面进行平插焊接，同时端馈式也易于与外部电路集成。本实施例具体天线端口采用50欧姆SMA连接器进行馈电，便于与其他无源组件及有源组件集成。

本实施例中，顶层辐射元41、底层辐射元42的边沿蚀刻有缝隙以实现电容加载，其中缝隙具体为条形状，通过条形缝隙可进一步实现容性加载。进一步缝隙的位置位于远离馈源中心端以避免扰乱表面电流，由于缝隙处于辐射元的末端，电流幅度已经较小，因此影响的辐射功率基本可以忽略。

电容加载值越高，获得的谐振频率越低，为了激励起更低的谐振频率及获得更小的体积，本实施例中反射器3末端垂直连接的4个金属条均朝向辐射元，顶层反射器31、底层反射器32中一侧的反射金属条垂直指向顶层辐射元41，顶层反射器31、底层反射器32中另一侧的反射金属条垂直指向底层辐射元42，具体顶层反射器31的第一金属条312和底层反射器32的第三金属条322均垂直指向顶层辐射元41，顶层反射器31的第二金属条313和底层反射器32的第四金属条323均垂直指向底层辐射元42，同时各金属条设置在对应的辐射元附近，使得金属条与辐射元之间能够进一步进行强耦合，获得更低的谐振频率，从而在同样的尺寸下，能够实现天线的小型化，超宽带特性。

本实施例中，顶层辐射元41、底层辐射元42具体采用领结型偶极子天线，即为领结型渐变偶极子天线。领结型渐变形式的结构具有阻抗变化的作用，相对于传统的半波偶极子天线，领结型渐变形状能够延长天线的表面电流，降低天线的谐振频率，且能展宽天线的阻抗带宽，获得小尺寸、宽带宽特性，同时各金属条均垂直指向辐射元，使得各金属条与领结型天线之间能够进一步进行强耦合，从而结合领结型渐变偶极子天线能够进一步实现天线的小型化、超宽带，最终天线除能获得主谐振频率以外，还能激励起贴片模式，从而获得更宽的带宽。通过调节领结型的开口角度可以进一步调节天线的性能。

八木天线中引向器个数越多，所获得的天线增益越高，天线的前后比越高，但引向器数量增加到一定的时候，天线增益增加的不明显，但造成的天线体积更大，本实施例中引向器5具体设置包括两个半领结型天线，以使得天线增益高同时避免天线体积增大，当然具体数量也可以根据实际需求进行设定。引向器5具体设置在辐射元附近以获得与辐射元更好的耦合能力。

在具体应用实施例中，介质基板1采用FR4环氧树脂板，介质厚度为1mm，介质的介电常数为4.4，中心频率设定在900MHz，在仿真软件中对各参数进行仿真优化，端口阻抗为50欧姆，最终总体天线的横向尺寸和纵向尺寸为0.33λ×0.38λ，λ为在自由空间的波长，而传统八木天线的尺寸约为0.5λ×0.65λ，即采用本发明上述平面八木天线能够有效减少天线尺寸，实现结构紧凑的小型化天线；如图4为在电磁仿真软件中对本发明上述平面八木天线仿真得到的端口驻波系数结果，从图上可知，在0.803GHz~1.03GHz频率范围内，端口驻波系数均小于2，相对带宽约为22%，相对于传统平面八木天线的相对带宽约8%，本发明平面八木天线能够展宽工作带宽；图5、图6分别为本发明平面八木天线得到的水平面和俯仰面的增益方向图，从图中可知，天线的最大增益约为6dB，前后比为14.5dB，相对于传统加载方式的八木天线前后比约为10dB，本发明具有更高的前后比。即采用本发明上述平面八木天线，能够减少天线后向辐射的能量减少、增加天线前方的能量，即使得天线方向性增加、增益增加，同时使得后向辐射对人体干扰性较小，可以有效提高天线的前后比。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种小型化超宽带平面八木天线，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)上设置有微带馈线(2)、反射器、驱动器(4)以及引向器(5)，其特征在于：所述反射器包括设置在所述介质基板(1)正面的顶层反射器(31)以及设置在所述介质基板(1)背面的底层反射器(32)，所述顶层反射器(31)与底层反射器(32)耦合连接，所述顶层反射器(31)、底层反射器(32)均包括反射片以及垂直设置在所述反射片末端的反射金属条以分别在所述介质基板(1)的正面、背面进行容性加载；

所述驱动器(4)包括设置在所述介质基板(1)正面的顶层辐射元(41)、以及设置在所述介质基板(1)背面的底层辐射元(42)，所述顶层辐射元(41)、底层辐射元(42)对称布置在所述介质基板(1)的左右两侧；

所述顶层反射器(31)、所述底层反射器(32)中一侧的反射金属条垂直指向所述顶层辐射元(41)，所述顶层反射器(31)、底层反射器(32)中另一侧的反射金属条垂直指向所述底层辐射元(42)。

2.根据权利要求1所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于，所述微带馈线(2)包括设置在所述介质基板(1)正面的顶层微带馈线(21)、以及设置在所述介质基板(1)背面的底层微带馈线(22)，所述顶层辐射元(41)通过所述顶层微带馈线(21)馈电，所述底层辐射元(42)通过所述底层微带馈线(22)馈电。

3.根据权利要求2所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于，所述顶层反射器(31)的中部开有过线通道，所述顶层微带馈线(21)从所述顶层辐射元(41)端经所述过线通道延伸至所述介质基板(1)边沿上的馈线端(23)；所述底层微带馈线(22)从所述底层辐射元(42)端延伸至所述底层反射器(32)端。

4.根据权利要求1或2或3所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于，所述顶层辐射元(41)和/或所述底层辐射元(42)的边沿蚀刻有缝隙以实现电容加载，所述缝隙设置在远离馈源中心侧。

5.根据权利要求1或2或3所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于，所述顶层辐射元(41)、底层辐射元(42)为领结型偶极子天线。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于：所述顶层反射器(31)与所述底层反射器(32)通过金属化过孔(6)耦合连接，以与所述微带馈线(2)构成共面波导馈电网络。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于：所述反射片为椭圆形、梯形、三角形、抛物面型、方形中任意一种。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的小型化超宽带平面八木天线，其特征在于：所述引向器(5)包括一个以上的半领结型天线。