CN109980337A - 一种低频小型化m形超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明披露一种低频小型化M形超宽带天线，其包括一辐射器和两个低频扩展折臂，其中所述辐射器和所述两个低频扩展折臂的侧面构成一M形状；所述辐射器为一对第一金属片，且两个第一金属片之间的距离为逐渐增加；每一所述低频扩展折臂的一端与所述辐射器的一端相连。所述天线能够有效地解决低频段超宽带天线小型化问题，以实现辐射效率较高，易于制造，并且有效工作频率范围超过30倍程，可与窄脉冲超宽带系统较好的匹配工作。

Description

一种低频小型化M形超宽带天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种低频小型化M形超宽带天线。
背景技术
超宽带天线是指一种可以高效率发射或接收超宽带电磁波的天线，其大量应用于通信、成像雷达等方面。超宽带天线设计的其中一个难点是在保持天线效率的前提下如何实现小型化，尤其是在低频电磁波波长较大的情况下，例如典型的对数周期振子、双脊喇叭等超宽带天线，在VHF(Very high frequency，甚高频)波段的尺寸通常达到1m以上。
目前，小型化超宽带天线研究较多的是PCB平面印制型天线，例如A公司提出了一种平面印制超宽带单极子天线(专利申请号2015105492030)；B公司提出了一种平面印制的包含寄生单元双臂超宽带天线(专利申请号2015102361193)；C公司提出了一种包含辐射器、阻抗匹配馈线的超宽带天线(专利申请号2014800399946)。由于受到PCB印制尺寸和形变的影响，这些平面印制型超宽带天线的工作频段较高，在VHF等低频段辐射效率较低，无法达到所需要求。
另外，在公开发表的论文方面，虽然有人提出了一种具有陷波特性的改进型Vivaldi超宽带天线(《微波学报》、2016年第6期)；或一种小型化平面椭圆单极子超宽带天线(《微波学报》、2012年第6期)；或一种包含4个圆片单极天线及金属反射面的超宽带天线(《现代雷达》、2008年第7期)，而上述论文中超宽带天线的设计频段也较高，但是目前未披露有低频段相关的超宽带天线论文。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种低频小型化M形超宽带天线，其能够有效地解决低频段超宽带天线小型化问题，以实现辐射效率较高，易于制造，并且有效工作频率范围超过30倍程，可与窄脉冲超宽带系统较好的匹配工作。
根据本发明的一方面，本发明提供一种低频小型化M形超宽带天线，其包括一辐射器和两个低频扩展折臂，其中所述辐射器和所述两个低频扩展折臂的侧面构成一M形状；所述辐射器为一对第一金属片，且两个第一金属片之间的距离为逐渐增加；每一所述低频扩展折臂的一端与所述辐射器的一端相连。
在本发明的一实施例中，在所述一对第一金属片的另一端设置一同轴连接器；所述同轴连接器的芯线与所述一对第一金属片中的其中一第一金属片相连，所述同轴连接器的外壳与所述一对第一金属片中的另一第一金属片相连；其中同轴连接器用于传输信号的电缆连接。
在本发明的一实施例中，所述两个低频扩展折臂为两个长方形或梯形的第二金属片。
在本发明的一实施例中，所述两个低频扩展折臂为相互平行设置或向外侧拓展设置。
在本发明的一实施例中，所述低频小型化M形超宽带天线还包括两个低频吸收负载；每一所述低频吸收负载分别相应地设置在每一所述低频扩展折臂的另一端。
在本发明的一实施例中，所述低频吸收负载为两条第三金属片。
在本发明的一实施例中，每一所述第三金属片分成两段，且通过负载电阻进行连接。
在本发明的一实施例中，所述两个第一金属片之间的距离呈线性增加，其中所述两个第一金属片之间的距离为d，d＝d0+az,d0为所述两个第一金属片的起始间距，a为系数，z为所述辐射器高度方向的位置。
在本发明的一实施例中，所述两个第一金属片之间的距离呈二次曲线增加，其中所述两个第一金属片之间的距离为d，d＝d0+az2,d0为所述两个第一金属片的起始间距，a为系数，z为所述辐射器高度方向的位置。
在本发明的一实施例中，所述一对第一金属片为宽度渐变的金属片。
本发明的优点在于，本发明所述低频小型化M形超宽带天线能够有效地解决低频段超宽带天线小型化问题，以实现辐射效率较高，易于制造，并且有效工作频率范围超过30倍程，可与窄脉冲超宽带系统较好的匹配工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例中的低频小型化M形超宽带天线的结构示意图；
图2是本发明第二实施例中的低频小型化M形超宽带天线未使用低频吸收负载时的对射测试波形示意图。
图3是本发明第三实施例中的低频小型化M形超宽带天线未使用低频吸收负载且所述两个第二金属片之间距离为3cm时的对射测试波形示意图。
图4是本发明第四实施例中的低频小型化M形超宽带天线使用低频吸收负载时的对射测试波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本专利文档中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。将详细说明示例性实施方式，在附图中示出了这些实施方式的实例。此外，将参考附图详细描述根据示例性实施例的终端。附图中的相同附图标号指代相同的元件。
本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本发明说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本发明说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
本发明实施例提供一种低频小型化M形超宽带天线。以下将分别进行详细说明。
图1是本发明第一实施例中的低频小型化M形超宽带天线的结构示意图。
参阅图1，本发明提供一种低频小型化M形超宽带天线，其包括一辐射器10和两个低频扩展折臂20，其中所述辐射器10和所述两个低频扩展折臂20的侧面构成一M形状。
所述辐射器10为一对第一金属片11，且两个第一金属片11之间的距离为逐渐增加。其中，所述两个第一金属片11之间的距离呈线性增加，所述两个第一金属片11之间的距离为d，d＝d0+az,d0为所述两个第一金属片11的起始间距，a为系数，z为所述辐射器10高度方向的位置。或者，所述两个第一金属片11之间的距离呈二次曲线增加，其中所述两个第一金属片11之间的距离为d，d＝d0+az2,d0为所述两个第一金属片11的起始间距，a为系数，z为所述辐射器10高度方向的位置。优选地，所述两个第一金属片11之间的距离呈二次曲线增加。
所述辐射器10用于将一定带宽约束于小空间内的电磁场能量转换成自由空间内电磁波的能量，因此，超宽带辐射器实现形式需符合由辐射器的馈电点(如下文所述的同轴连接器30)处的小空间逐渐过渡至敞开空间的形式。在本实施例中，所述辐射器10的特点是采用了一种特定的对称立体过渡结构(如图1所示的M型结构)，区别于现有超宽带天线的平面过渡结构，其具有更高的辐射效率。
另外，在本实施例中，所述一对第一金属片11为宽度渐变的金属片，具体地，所述一对第一金属片11为沿低频扩展折臂20的高度方向呈现上宽下窄的宽度渐变的金属片。
每一所述低频扩展折臂20的一端与所述辐射器10的一端相连。所述两个低频扩展折臂20为两个长方形或梯形的第二金属片。在本实施例中，所述两个低频扩展折臂20为两个长方形的第二金属片。
进一步，所述两个低频扩展折臂20为相互平行设置或向外侧拓展设置。在本实施例中，所述两个低频扩展折臂20为相互平行设置。
所述低频扩展臂20的作用是增加了辐射器10中电流的延伸路径长度，所述辐射器10的辐射电磁波的最低频率取决于从馈电点(如下文所述的同轴连接器)流出电流的最大延伸路径长度，所述低频扩展臂20将大幅增加该最大延伸路径长度，从而实现以较小的天线尺寸辐射更低频率电磁波。
在本实施例中，在所述一对第一金属片11的另一端设置一同轴连接器30。所述同轴连接器30的芯线31与所述一对第一金属片11中的其中一第一金属片11相连，所述同轴连接器30的外壳(图中未标注)与所述一对第一金属片11中的另一第一金属片11相连。所述同轴连接器30即为馈电点。
另外，所述低频小型化M形超宽带天线还包括两个低频吸收负载40；每一所述低频吸收负载40分别相应地设置在每一所述低频扩展折臂20的另一端。其中，所述低频吸收负载40为两条第三金属片。所述第三金属片为窄条状。每一所述第三金属片分成两段，且通过负载电阻41进行连接。例如，在本实施例中，第三金属片均分成两段，且通过负载电阻41进行连接。
如此设计的低频小型化M形超宽带天线，通过天线臂复合折叠的结构(辐射器和所述两个低频扩展折臂的侧面构成一M形状)，从而实现了空间利用的集约化，有效地解决低频段超宽带天线小型化问题，同时保证低频的较高辐射效率，易于制造，并且有效工作频率范围超过30倍程，可与窄脉冲超宽带系统较好的匹配工作。
图2是本发明第二实施例中的低频小型化M形超宽带天线未使用低频吸收负载40时的对射测试波形示意图。图3是本发明第三实施例中的低频小型化M形超宽带天线未使用低频吸收负载40且所述两个第二金属片之间距离为3cm时的对射测试波形示意图。图4是本发明第四实施例中的低频小型化M形超宽带天线使用低频吸收负载40时的对射测试波形示意图。其中，纵轴刻度-5dB以下对应的频率范围即表示有限工作区间。
参阅图2所示，在第二实施例中，所述低频小型化M形超宽带天线包括辐射器10、两个低频扩展折臂20以及同轴连接器30，且不包括低频吸收负载40。其中，该天线的长度设置为0.34米，高度设置为0.4米，宽度设置为0.28米。所述辐射器10的两个第一金属片之间的距离呈二次曲线增加，第一金属片的另一端(如图1所示的底部)之间的距离为6毫米，第一金属片的一端(如图1所示的顶部)之间的距离为0.34米，所述两个第一金属片之间的距离为d，其中系数a为1.04。
仿真的参数S11(输入反射系数，即输入回波损耗)随频率变化而变化，如图2所示，按不大于-5dB取，该低频小型化M形超宽带天线的低端工作频率达到200M赫兹，高端工作频率超过3.5G赫兹。
图3是本发明第三实施例中的低频小型化M形超宽带天线未使用低频吸收负载40且所述两个第二金属片之间距离为3cm时的频率示意图。
参见图3所示，在第三实施例中，所述低频小型化M形超宽带天线包括辐射器10、两个低频扩展折臂20以及同轴连接器30，且不包括低频吸收负载40。其中，第二金属片之间的距离为3米。该天线的对射测试波形如图3所示，根据图3所示，该天线可以较好地匹配超宽带窄脉冲信号。另外，根据图3所示的波形能够直接表明该天线匹配超宽带窄脉冲信号良好，否则波形会发生改变。
参见图4所示，在第四实施例中，所述低频小型化M形超宽带天线包括辐射器10、两个低频扩展折臂20以及同轴连接器30，且包括低频吸收负载40。其中该天线的长度设置为0.34米，高度设置为0.4米，宽度设置为0.28米。所述辐射器10的两个第一金属片之间的距离呈二次曲线增加，第一金属片的另一端(如图1所示的底部)之间的距离为6毫米，第一金属片的一端(如图1所示的顶部)之间的距离为0.34米，所述两个第一金属片之间的距离为d，其中系数a为1.04。另外，作为低频吸收负载40的低频吸收负载金属片其宽度设置为0.01米，在所述低频吸收负载金属片的中央设置300欧姆的电阻。
仿真的参数S11随频率变化而变化，如图4所示，按不大于-5dB取，该低频小型化M形超宽带天线的有效低端工作频可扩展至100M赫兹。
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，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 (10)

1.一种低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，包括一辐射器和两个低频扩展折臂，其中所述辐射器和所述两个低频扩展折臂的侧面构成一M形状；所述辐射器为一对第一金属片，且两个第一金属片之间的距离为逐渐增加；每一所述低频扩展折臂的一端与所述辐射器的一端相连。
2.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，在所述一对第一金属片的另一端设置一同轴连接器；所述同轴连接器的芯线与所述一对第一金属片中的其中一第一金属片相连，所述同轴连接器的外壳与所述一对第一金属片中的另一第一金属片相连；其中同轴连接器用于传输信号的电缆连接。
3.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述两个低频扩展折臂为两个长方形或梯形的第二金属片。
4.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述两个低频扩展折臂为相互平行设置或向外侧拓展设置。
5.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述低频小型化M形超宽带天线还包括两个低频吸收负载；每一所述低频吸收负载分别相应地设置在每一所述低频扩展折臂的另一端。
6.根据权利要求5所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述低频吸收负载为两条第三金属片。
7.根据权利要求6所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，每一所述第三金属片分成两段，且通过负载电阻进行连接。
8.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述两个第一金属片之间的距离呈线性增加，其中所述两个第一金属片之间的距离为d，d＝d0+az,d0为所述两个第一金属片的起始间距，a为系数，z为所述辐射器高度方向的位置。
9.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述两个第一金属片之间的距离呈二次曲线增加，其中所述两个第一金属片之间的距离为d，d＝d0+az2,d0为所述两个第一金属片的起始间距，a为系数，z为所述辐射器高度方向的位置。
10.根据权利要求1所述的低频小型化M形超宽带天线，其特征在于，所述一对第一金属片为宽度渐变的金属片。
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