CN109888476A - 一种小型化单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化单极子天线，包括单极子天线辐射体、若干个电容柱、金属片、耦合馈电电容、金属接地平面板；所述小型化单极子天线外接同轴线馈电端口，同轴线馈电端口包括内导体、外导体；耦合馈电电容的中心处开设通孔；金属接地平面板的中心处开设通孔；耦合馈电电容设置在金属接地平面板的中心上，在耦合馈电电容的中心上设置单极子天线辐射体；所述若干个电容柱设置在金属接地平面板上；金属片分别与若干个电容柱连接，与单极子天线辐射体连接；所述外导体与金属接地平面板的底部连接，内导体从金属接地平面板的底部，穿过金属接地平面板的通孔、馈电耦合电容的通孔后与单极子天线辐射体的底部连接。

Description

一种小型化单极子天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体的，涉及一种小型化单极子天线。

背景技术

在不断发展的移动通信网络中，现代保密通信中的跳扩频技术的应用以及移动通信的快速发展，对全向辐射小型化的天线的需求越来越多，单极子天线在社会需求之下应运而生。单极子天线是一种具有全向辐射特性的天线，它由导电性能良好的金属组成，通常用同轴线馈电，同轴线的内导体和单极子天线导体的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属板相连接。单极子天线结构简单，在全向辐射的天线种类中居于引领地位，结构简单、紧凑，易与其他电路或元器件集成，增益高、辐射效率高。全向辐射的单极子即在单极子导体的方向没有功率辐射，垂直于单极子导体的水平面则有全向辐射。

随着科技水平的不断提高，通信系统中的天线系统的小型化、集成化已成为重中之重，在保证小型化的同时，必须要同时保证天线系统良好的工作性能，即高效率、高增益等等。单极子天线由于其结构简单，能辐射交叉极化较小的线极化波，被广泛应用于地面通信系统。传统的单极子天线尺寸需要接近其工作频点对应空气波长的四分之一。因此，如何提供一种能够实现小型化的用于短距离通信的单极子天线是本领域技术人员目前需要解决的问题。

中国专利号CN201711389018，公开了发明专利《一种弹载小型化单极子天线》，该专利技术的工作频率为433MHz，如图1、图2所示，该发明专利主要由设于弹体头端的锥形天线罩，套筒单极子天线，PCB电路板、金属底板和弹体组成。套筒单极子天线由金属套筒、陶瓷介质棒、馈电探针、支撑垫片组成；其中金属套筒包覆圆柱形陶瓷介质棒的侧面和底面，馈电探针穿过金属套筒的底面，固定在陶瓷介质棒上；金属套筒为上表面开口，底部密闭的桶形结构，在金属套筒的侧壁有螺旋形的缝隙。所述陶瓷介质棒2-1采用高介电常数的材质，所述陶瓷介质棒2-1材质为氧化锆，支撑垫片2-4材质为聚四氟乙烯。

该技术的工作原理为：结合图1，在套筒单极子天线2的内部填充陶瓷介质棒2-1，减小等效波长；进一步的，在金属套筒2-2的侧面挖去螺旋缝隙，延长电路路径，增大螺旋缝隙2-5的螺距和圈数可以降低天线的工作频点实现小型化，调整螺旋缝隙2-5的位置除了可以调节工作频点还能实现天线端口的阻抗匹配。

该技术实现的目标有：(1)高度尺寸只是真空波长的0.04倍；(2)最大增益为0.1dBi。但是这种技术的缺点为：(1)高度尺寸仍然很高，满足不了企业生产需求；(2)增益太低，不足1dBi，使得信号传输距离变短；(3)结构及其复杂，难以加工，成本高；(4)该技术采用高介电常数进行小型化设计，高介电常数的材料成本太高，不适合普遍化生产。

目前，现有技术还采用高介电常数的磁介质材料来减小单极子天线的尺寸，如图3所示，为一种基于磁介质材料的单极子天线，该天线结构1、3的材料为TTZ500，其ε_r为10.07、μ_r为10.74，结构2为单极子天线导体，通过在单极子的顶部，以及在单极子的底部进行高介电常数介质材料加载实现天线的小型化。

该技术存在的缺点如下：

(1)所选取的材料成本太高，增加了加工成本，不太适合用于大批量生产。

(2)该技术所实现的天线小型化程度不够高，该技术实现的天线的总高度为0.2λ。

发明内容

单极子天线的设计关键在于如何实现天线系统的小型化以及增益的最大化，同时还要求易于安装工艺、低成本、易于批量生产。而现有的技术小型化的程度有限，而且很多现有技术都是需要增加阻抗匹配网络，一方面上增加了天线的尺寸、提高了天线的复杂度。且现有技术设计的小型化单极子天线所实现的增益太低，不符合实际需求；现有技术的单极子天线在工程应用中很难进行加工，不易于大批量生产。

本发明的目的在于提供一种用于短距离、电台通信的小型化单极子天线，其成功解决了单极子尺寸过大的问题，同时工作性能优越，辐射效率高、增益高、结构简单，加工方便。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种小型化单极子天线，包括单极子天线辐射体，所述的小型化单极子天线外接同轴线馈电端口，所述同轴线馈电端口包括内导体、外导体；其特征在于：还包括若干个电容柱、与若干个电容柱连接的金属片、耦合馈电电容、金属接地平面板、同轴线馈电端口；所述的耦合馈电电容的中心处开设通孔；所述的金属接地平面板的中心处开设通孔；所述耦合馈电电容设置在金属接地平面板的中心上，在耦合馈电电容上设置单极子天线辐射体；所述耦合馈电电容的通孔、金属接地平面板的通孔、单极子天线辐射体三者在一条直线上；所述若干个电容柱设置在金属接地平面板上；所述的金属片分别与若干个电容柱的顶部连接，金属片并与单极子天线辐射体的顶部连接；所述同轴线馈电端口的外导体与金属接地平面板的底部连接，同轴线馈电端口的内导体从金属接地平面板的底部，穿过金属接地平面板、耦合馈电电容后与单极子天线辐射体的底部连接。在实际应用中所述的单极子天线设置在天线罩中，实现对单极子天线不受外界干扰，保证各种性能稳定。

优选地，所述耦合馈电电容为圆柱结构，并在圆心处开设通孔；所述金属接地平面板为圆形结构，并在圆心处开设通孔；单极子天线辐射体为圆柱结构；所述若干个电容柱以单极子天线辐射体为中心，等间距的设置在金属接地平面板上；所述耦合馈电电容位于若干个电容柱之间；所述金属片设置成相应的发射状，金属片的中心处与单极子天线辐射体的顶部连接，金属片的末端分别与电容柱连接。

进一步地，所述的耦合馈电电容包括介质层、设置在介质层顶部的金属板、设置在介质层底部的金属板；所述设置在介质层底部的金属板为金属接地平面板；所述同轴线馈电端口的内导体穿过金属接地平面板的通孔、耦合馈电电容的通孔后与单极子天线辐射体的底部连接；所述介质层的尺寸、设置在介质层顶部的金属板的尺寸均小于金属接地平面板的尺寸；所述耦合馈电电容的介电常数为4.4、损耗角为0.002；所述耦合馈电电容的厚度为0.7mm，耦合馈电电容的介质层的半径、设置在介质层顶部的金属板的半径均为34mm；所述的金属板均为铜结构。

再进一步地，所述的金属片的末端为圆形结构，其尺寸大小与电容柱的顶部的尺寸一致；所述金属片的末端与金属片进行连接的为金属过渡带，所述金属过渡带的宽度为10mm；所述金属片为铜结构。

再进一步地，所述金属接地平面板为铜结构，金属接地平面板的厚度为0.035mm，半径为75mm。

再进一步地，所述单极子天线辐射体为铜结构，单极子天线辐射体为圆柱结构；所述单极子天线辐射体的高度为10mm，半径为4.3mm。

再进一步地，所述单极子天线辐射体的输入阻抗为51.46+j*5.69欧姆。

再进一步地，所述电容柱为8个，所述电容柱的介电常数为4.4、损耗角为0.002；所述电容柱为圆柱结构。

再进一步地，所述电容柱的包括介质层、设置在介质层底部的金属板、设置在介质层顶部的金属板；所述设置在介质层底部的金属板为金属接地平面板；所述设置在介质层顶部的金属板为铜结构，设置在介质层顶部的金属板与金属片连接；所述电容柱的高度为10.735mm，电容柱的介质层的半径、设置在介质层顶部的金属板的半径均为14.5mm。

再进一步地，所述的同轴线馈电端口采用50欧姆的同轴线馈电端口。

本发明技术的电路原理图可以等效为图4，其中电容C1为耦合馈电电容，L1为单极子天线辐射体，C2为8个电容柱的等效电容值，从低频电路理论知识可以知道当提高电容C时，如果保持谐振频率f不变，那么电感值L就相对下降，所以可以通过减小单极子天线辐射体的高度来减小L的值，这样就达到了小型化的目的。

本发明的工作原理为：射频信号通过50欧姆同轴端口传输进来所述小型化单极子天线，同轴线馈电端口的内导体直接穿过金属接地平面板、耦合馈电电容后与单极子天线辐射体的底部连接，实现对单极子天线辐射体馈电，这部分相当于先在同轴线馈电端口并联一个耦合馈电电容，如图4中的电容C1，然后再向单极子天线辐射体传输信号，经过单极子天线辐射体之后，信号分为8路，经过8个电容柱耦合回流到金属接地平面板中去；本发明通过采用介电常数为4.4的电容柱、耦合馈电电容，可以明显减小单极子天线的尺寸，同时保持高效率、高增益辐射。

本发明的有益效果如下：

(1)现有技术所能实现的单极子天线的小型化程度仍然不够高，而本发明所设计的小型化单极子天线，满足全向辐射，同时可以将天线高度降低到真空波长的0.017倍。

(2)现有技术需要外加阻抗匹配网络、馈电复杂，这就又增加了系统的复杂程度和尺寸，而本发明不需要阻抗匹配网络，本发明的单极子天线的输入信号端口可以直接连接标准50欧姆同轴线，而且该结构输入阻抗为51.46+j*5.69欧姆，反射损耗极其小。

(3)在高度小型化的同时，本发明技术仍然可以保持高增益；同时本发明采用的加载电容的材料为TP-2，介电常数为4.4，而不需要加载高介电常数的材料，减小了加工的成本。

(4)本发明的单极子天线结构简单，不需要复杂的加工工艺，装配工艺简单。

附图说明

图1是现有技术一种弹载小型化单极子天线的结构图。

图2是图1中的单极子天线结构图。

图3是现有技术基于磁介质材料的单极子天线的结构图。

图4是本实施例电路原理等效的电路图。

图5是本实施例小型化单极子天线的结构解刨图。

图6是本实施例小型化单极子天线的组装图。

图7是本实施例的同轴线馈电端口的结构示意图。

图8是本实施例小型化单极子天线的S11图。

图9是本实施例小型化单极子天线的输入阻抗图。

图10是本实施例小型化单极子天线的天线驻波比。

图11是本实施例小型化单极子天线的3D方向图。

图12是本实施例小型化单极子天线的E平面、XY平面方向图。

图中，1-金属片，2-电容柱，3-单极子天线辐射体，4-耦合馈电电容，5-金属接地平面板，6-外导体，7-内导体，8-金属板，9-金属过渡带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

本实施例以单极子天线工作频率为460MHz，其真空波长为652mm，半波长为326mm，进行详细说明本发明的工作原理、工作性能。

如图5、图6所示，一种小型化单极子天线，包括单极子天线辐射体3，所述的小型化单极子天线外接同轴线馈电端口，所述同轴线馈电端口包括内导体7、外导体6；还包括8个电容柱2、与8个电容柱连接的金属片8、耦合馈电电容4、金属接地平面板5、同轴线馈电端口；所述的耦合馈电电容4为圆柱结构，所述金属接地平面板5为圆形结构，所述单极子天线辐射体3为圆柱结构。

本实施例所述的耦合馈电电容包括介质层、设置在介质层顶部的金属板8、设置在介质层底部的金属板；所述设置在介质层底部的金属板为金属接地平面板5；所述的金属接地平面板5的圆心处开设通孔；设置在介质层顶部的金属板8的中心处开设通孔；所述介质层的圆心处开设通孔，所述介质层的通孔、金属接地平面板5的通孔与设置在介质层顶部的金属板8的通孔在同一条直线上；所述耦合馈电电容的介电常数为4.4、损耗角为0.002；所述馈电耦合电容4的厚度为0.7mm，介质层、设置在介质层顶部的金属板8的均半径为34mm；所述的金属板8均为铜结构。

本实施例所述耦合馈电电容4设置在金属接地平面板5上，在耦合馈电电容4上设置单极子天线辐射体3；所述馈电耦合电容4的通孔、金属接地平面板5的通孔、单极子天线辐射体3三者在一条直线上。

所述8个电容柱2以单极子天线辐射体3为中心，等间距的设置在金属接地平面板5上；所述耦合馈电电容4位于8个电容柱2之间；所述金属片1设置成相应的发射状，金属片1的中心与单极子天线辐射体3的顶部连接，金属片1的末端分别与电容柱2连接。

如图7所示，所述同轴线馈电端口的外导体6与金属接地平面板5的底部连接，同轴线馈电端口的内导体7从金属接地平面板5的底部，穿过金属接地平面板5、耦合馈电电容4的通孔后与单极子天线馈电电容的底部3连接，对单极子天线辐射体3进行馈电。

本实施例所述的金属片1的末端为圆形结构，其尺寸大小与电容柱2的顶部的尺寸一致；所述金属片1的末端与金属片1进行连接的为金属过渡带9，所述金属过渡带9的宽度为10mm；所述金属片1为铜结构。

本实施例所述金属接地平面板5为铜结构，金属接地平面板5的厚度为0.035mm，半径为75mm。

本实施例所述单极子天线辐射体3为铜结构，单极子天线辐射体3的高度为10mm，半径为4.3mm。所述单极子天线辐射体3的输入阻抗为51.46+j*5.69欧姆；所述金属接地平面板的通孔、耦合馈电电容的通孔的半径均小于单极子天线辐射体的半径。

本实施例所述电容柱2的介电常数为4.4、损耗角为0.002；所述电容柱2的包括介质层、设置在介质层底部的金属板、设置在介质层顶部的金属板；所述设置在介质层底部的金属板为金属接地平面板5；所述设置在介质层顶部的金属板为铜结构，设置在介质层顶部的金属板与金属片1连接；所述电容柱2的高度为10.735mm，电容柱的介质层、设置在介质层顶部的金属板的半径均为14.5mm。

本实施例所述的同轴线馈电端口采用50欧姆的同轴线馈电端口。

本实施例技术的电路原理图可以等效为图4，其中电容C1为耦合馈电电容4，L1为单极子天线辐射体3，C2为8个电容柱2的等效电容值，从低频电路理论知识可以知道当提高电容C时，如果保持谐振频率f不变，那么电感值L就相对下降，所以可以通过减小单极子天线辐射体3的高度来减小L的值，这样就达到了小型化的目的。

本实施例的工作原理为：射频信号通过50欧姆同轴端口传输进来所述小型化单极子天线，同轴线馈电端口的内导体7直接穿过金属接地平面板5、耦合馈电电容4的通孔后与单极子天线辐射体的底部连接，实现对单极子天线辐射体3馈电，这部分相当于先在同轴线馈电端口并联一个耦合馈电电容，如图4中的电容C1，然后再向单极子天线辐射体3传输信号，经过单极子天线辐射体3之后，信号分为8路，经过8个电容柱2耦合回流到金属接地平面板5中去；本实施例通过采用介电常数为4.4的电容柱2、耦合馈电电容4，可以明显减小单极子天线辐射体3的尺寸，同时保持高效率、高增益辐射。

本实施例基于电容加载而实现单极子天线的小型化设计，耦合馈电电容4和8个电容柱2加载共同对小型化起作用，该单极子天线工作频率为460MHz，工作在特高频UHF频段，该结构在谐振频率点的极化方式为线极化，馈电方式为标准的50欧姆同轴线馈电方式。

通过以上步骤，本实施例实现了单极子天线高度仅为真空波长的0.017倍，在实际应用中，所述的小型化单极子天线设置在天线罩中，防止受外界干扰。

通过对本实施所述的小型化单极子天线进行仿真测试，所形成的S11参数，如图8所示，从图中可以看出，在谐振频率460MHz处，S11值为-24.763dB，回波损耗达到最小值，基本可以认为信道没有反射波，能量全部进入单极子天线结构。同样，如图9所示，可以得到单极子天线输入端口的输入阻抗为51.46+j*5.69欧姆，那么这个输入阻抗基本上认为单极子天线输入端可以直接与50欧姆的同轴线无反射连接。如图10所示，从图10中可以得到在谐振频率点460MHz处，天线系统的驻波比只有1.005dB。本实施例所述的小型化单极子天线实现的三维方向图，如图11所示，从图中可以看出天线在水平面上全向辐射，其中也可以看到辐射方向图的最大增益高达1.23dBi。为进一步验证工作模式，给出了E平面、XY平面的方向图，如图12所示。

本实施例解决了天线高度小型化、高增益、高辐射效率等存在的问题：(1)着重于使得螺旋线的高度尺寸做到15mm以下，优化后的最佳高度仅仅为真空波长的0.017倍；(2)解决了阻抗匹配网络问题：本实施例不需要外加阻抗变换器，天线端口的输入阻抗为51.46+j*5.69欧姆，即天线结构可以直接连接50欧姆同轴馈电线，减小了天线以外不必要的结构，也在一定程度上避免了匹配网络对辐射方向图造成的影响；(3)实施例实现的增益为1.23dBi，相对现有技术已经是一个相当高的值；(4)所述的电容柱、馈电耦合电容均采用的电介质材料为TP-2，介电常数为4.4，损耗为0.002，相对来说材料成本比较低；(5)本实施例所述的小型化单极子天线安装程度简单，易于装配。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化单极子天线，包括单极子天线辐射体(3)，所述的小型化单极子天线外接同轴线馈电端口，所述同轴线馈电端口包括内导体(7)、外导体(6)；其特征在于：还包括若干个电容柱(2)、与若干个电容柱(2)连接的金属片(1)、耦合馈电电容(4)、金属接地平面板(5)、同轴线馈电端口；所述的耦合馈电电容(4)的中心处开设通孔；所述的金属接地平面板(5)的中心处开设通孔；所述耦合馈电电容(4)设置在金属接地平面板(5)中心上，在耦合馈电电容(4)上设置单极子天线辐射体(3)；所述耦合馈电电容(4)的通孔、金属接地平面板(5)的通孔、单极子天线辐射体(3)三者在一条直线上；所述若干个电容柱(2)设置在金属接地平面板(5)上；所述的金属片(1)分别与若干个电容柱(2)的顶部连接，金属片(1)并与单极子天线辐射体(3)的顶部连接；所述同轴线馈电端口的外导体(6)与金属接地平面板(5)的底部连接，同轴线馈电端口的内导体(7)从金属接地平面板(5)的底部，穿过金属接地平面板(5)、耦合馈电电容(4)后与单极子天线辐射体的底部(3)连接。

2.根据权利要求1所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述耦合馈电电容(4)为圆柱结构，并在圆心处开设通孔；所述金属接地平面板(5)为圆形结构，并在圆心处开设通孔；单极子天线辐射体(3)为圆柱结构；所述若干个电容柱(2)以单极子天线辐射体(3)为中心，等间距的设置在金属接地平面板(5)上；所述耦合馈电电容(4)位于若干个电容柱(2)之间；所述金属片(1)设置成相应的发射状，金属片(1)与单极子天线辐射体(3)的顶部连接，金属片(1)的末端分别与电容柱(2)连接。

3.根据权利要求2所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述的耦合馈电电容(4)包括介质层、设置在介质层顶部的金属板(8)、设置在介质层底部的金属板；所述设置在介质层底部的金属板为金属接地平面板(5)；所述同轴线馈电端口的内导体(7)穿过金属接地平面板(5)的通孔、耦合馈电电容的通孔后与单极子天线辐射体的底部连接；所述耦合馈电电容(4)的介电常数为4.4、损耗角为0.002；所述耦合馈电电容(4)的厚度为0.7mm，耦合馈电电容(4)的介质层、设置在介质层顶部的金属板(8)的半径均为34mm；所述的金属板均为铜结构。

4.根据权利要求3所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述的金属片(1)的末端为圆形结构，其尺寸大小与电容柱(2)的顶部的尺寸一致；所述金属片(1)的末端与金属片(1)进行连接的为金属过渡带(9)，所述金属过渡带(9)的宽度为10mm；所述金属片(1)为铜结构。

5.根据权利要求4所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述金属接地平面板(5)为铜结构，金属接地平面板(5)的厚度为0.035mm，半径为75mm。

6.根据权利要求5所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述单极子天线辐射体(3)为铜结构，单极子天线辐射体(3)的高度为10mm，半径为4.3mm。

7.根据权利要求6所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述单极子天线辐射体(3)的输入阻抗为51.46+j*5.69欧姆。

8.根据权利要求7所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述电容柱(2)为8个，电容柱为圆柱结构；所述电容柱(2)的介电常数为4.4、损耗角为0.002。

9.根据权利要求8所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述电容柱(2)包括介质层、设置在介质层底部的金属板、设置在介质层顶部的金属板；所述设置在介质层底部的金属板为金属接地平面板(5)；所述设置在介质层顶部的金属板为铜结构，设置在介质层顶部的金属板与金属片(1)连接；所述电容柱(2)的高度为10.735mm，电容柱(2)的介质层、设置在介质层顶部的金属板的半径均为14.5mm。

10.根据权利要求9所述的小型化单极子天线，其特征在于：所述的同轴线馈电端口采用50欧姆的同轴线馈电端口。