CN110676569A - 一种环状全向天线 - Google Patents

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卢飞宇
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Abstract

本发明公开了一种环状全向天线，属于宽带无线通信系统技术领域。其包括具有双面敷铜结构的印制板，正面辐射层包括开口环、寄生环、微带馈线和加载框，开口环两端之间的夹角为270±10度，且开口环的一端与微带馈线的延伸末端重合并馈接，寄生环位于开口环内，寄生环上具有两个相对于所述圆心呈中心对称的开口，加载框为一个具有三个分段的折线，背面金属地层包括矩形子区域和等腰梯形子区域，寄生环位于等腰梯形子区域范围之外并与等腰梯形子区域的上底相切，上底的长度小于寄生环的内径。本发明结构简单、紧凑，易于加工，加工精度较高，能够满足电小尺寸要求，可应用在宽带无线通信系统中。

Description

一种环状全向天线
技术领域
本发明涉及宽带无线通信系统和宽带测控平台系统技术领域，特别是指一种环状全向天线。
背景技术
超宽带技术具有低功耗和高传输速率的特点，在无线通信领域中极具竞争力和发展前景。作为超宽带系统的重要组成部分，新型宽带全向天线成为近年来国际学者、工程师研究的热点。
全向天线的特点是可以实现全方位360°无死角均匀辐射接收、发射信号，其对移动不目标的跟踪具有较高的可靠性，无需跟踪伺服系统，因此该类型天线得到了广泛的应用。
目前，经典的全向天线形式主要有：半波振子天线、单极天线等等。具体来说：
1）半波振子天线的方向图呈“苹果”状，可满足全向辐射，方向图辐射特性优良，但受结构形式所限，其带宽较窄，无法满足宽频带辐射的要求，同时，其馈电需采用巴伦平衡馈电技术，馈电结构较为复杂，不适用于S波段以上工作频段。
2）单极天线的方向图呈”锥状“辐射，方向图辐射特性优良，工作带宽可满足倍频，辐射电长度需要满足1/4波长，但是，这种天线的尺寸往往过大，不适用于安装在较小的辐射平台上。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种环状全向天线，其结构紧凑、简单，易于加工，具有良好的辐射方向特性。
基于上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种环状全向天线，其包括具有双面敷铜结构的印制板，所述双面敷铜结构包括位于同一矩形区域内的正面辐射层和背面金属地层；所述正面辐射层包括开口环、寄生环、微带馈线和加载框，所述微带馈线从所述矩形区域第一短边的正中起始沿短边上的中轴线延伸至矩形区域内部，所述开口环和寄生环的圆心重合，且该圆心位于微带馈线的延长线上，所述开口环两端之间的夹角为270±10度，且开口环的一端与微带馈线的延伸末端重合并馈接，寄生环位于开口环内，寄生环上具有两个相对于所述圆心呈中心对称的开口，过两开口的直线与所述开口环空缺部分的圆周相交，所述加载框为一个具有三个分段的折线，其中，中部的分段覆盖所述矩形区域的第二短边，两头的分段分别从第二短边的两端沿该端的长边延伸相同距离；所述背面金属地层包括矩形子区域和等腰梯形子区域，所述矩形子区域的外侧长边与所述矩形区域的第一短边重合且等长，所述等腰梯形子区域的下底与所述矩形子区域的内侧长边重合且等长，所述寄生环位于等腰梯形子区域范围之外并与等腰梯形子区域的上底相切，所述上底的长度小于寄生环的内径。
进一步地，所述背面金属地层中还设有两个平行的矩形缝隙，所述矩形区域短边上的中轴线恰好构成两个矩形缝隙的中垂线，靠近所述第一短边的矩形缝隙长度较长，所述矩形缝隙用于在不同频点上产生驻波谐振。
进一步地，所述微带馈线为50欧传输线结构。
进一步地，所述矩形区域的短边长度为0.85λ0，长边长度为1.5λ0，所述开口环的外径为0.75λ0，所述寄生环的内径为0.55λ0，所述加载框中两头分段的延伸长度为开口环外径的1.15倍，所述寄生环两开口的连线与所述第一短边所成的锐角为45±10度，所述两个矩形缝隙中靠近所述第一短边的矩形缝隙的长度为1.1λ0，另一矩形缝隙的长度为0.45λ0，所述等腰梯形子区域上底的长度为0.25λ0，所述等腰梯形子区域的高度为0.35λ0；所述λ0为天线中心频率的对应波长。
进一步地，还包括设于所述微带馈线延伸起始端处的射频接插件。
从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
1、本发明为印刷天线结构形式，其通过正面辐射层和背面金属地层构成辐射体，能在宽频带内产生高质量的360°全向波束，可满足3GHz~10GHz的宽频带辐射要求，频带内驻波可小于2。
2、本发明天线利用微带线馈电技术，无需反射金属大地，此外，通过在微带线背面金属地上加载平行的矩形缝隙对儿，能够增加天线的匹配谐振点的数量，从而进一步改善天线的阻抗匹配带宽。
3、本发明采用平面印刷电路板结构，这种结构为片状形式，结构简单、紧凑，易于加工，加工精度较高，能够满足电小尺寸要求，可应用在宽带无线通信系统中。
总之，本发明天线阻抗带宽较宽，其结构简单、紧凑，成本低，可实现馈电结构与辐射贴片一体化设计，并可实现天线全方位360°宽角辐射，具有良好的辐射方向特性，应用前景广泛。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。
图1是本发明实施例中天线正面覆铜结构的示意图；
图2是本发明实施例中天线背面覆铜结构的示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种环状全向天线，其包括具有双面敷铜结构的印制板，所述双面敷铜结构包括位于同一矩形区域内的正面辐射层和背面金属地层；所述正面辐射层如图1所示，包括开口环1、寄生环2、微带馈线3和加载框4，所述微带馈线3从所述矩形区域第一短边的中点s起始沿短边上的中轴线延伸至矩形区域内部的p点，所述开口环1和寄生环2的圆心重合，且该圆心位于微带馈线的延长线上，开口环的一端与微带馈线的延伸末端重合并馈接，开口环两端p、q之间的夹角为270±10度，寄生环2位于开口环1内，寄生环2上具有两个相对于所述圆心呈中心对称的开口5，过两开口的直线与所述开口环空缺部分的圆周相交，所述加载框4为一个具有三个分段的折线，其中，中部的分段覆盖所述矩形区域的第二短边，两头的分段分别从第二短边的两端沿该端的长边延伸相同距离；所述背面金属地层如图2所示，包括矩形子区域和等腰梯形子区域，所述矩形子区域的外侧长边与所述矩形区域的第一短边重合且等长，所述等腰梯形子区域的下底与所述矩形子区域的内侧长边重合且等长，两个区域共同构成区域6，仍见图1，所述寄生环2位于等腰梯形子区域范围之外并与等腰梯形子区域的上底相切，所述上底的长度W5小于寄生环的内径D2。
该天线为一种锥波束全向天线，其针对天线设计中实现宽频带、圆极化辐射、阻抗带宽小型化等技术难题，提出了一种新型的全向辐射天线形式，此种天线较适合应用于宽带无线通信、导航、测控系统中。
更具体的，仍见图1和2，一种环状全向天线，其物理结构为一个矩形印刷电路板结构，宽W1，长H1，板材型号为FR4，厚度1mm，介电常数4.4，其上、下表面设置有敷铜图形，分别为正面辐射层、背面金属地层。其中：
正面辐射层由开口环1、寄生环2、微带馈线3和U型加载框4组成。
微带馈线3为50欧传输线结构，其起点s位于介质板下边缘中点，该位置用于馈接射频接插件，另一端的延伸方向与印刷电路板长边方向平行，且几何中心线的延长线通过开口圆环1的圆心；开口环1的外径为D1，微带线的末端馈接在开口环1的起始端p；
开口环1包围着寄生环2，寄生环的内径为D2，寄生环为非闭合圆环结构，其具有两个开口，这两个开口分别位于第一、三象限区域并关于圆心呈180°旋转对称，两开口的连线与横向的夹角为θ，开口的尺寸可优化仿真得到；
U型加载框4设置在开口环1的正上方，其沿着印刷电路板外边缘呈半封闭结构，纵向高度为H2，加载框的线宽可通过优化设计得到；
背面金属地层6设置在印刷电路板的背面，其下边长为W1，上边长为W5，矩形子区域高为L3，梯形子区域高为L2；
背面金属地层6上设置有两个与微带馈线3延伸方向垂直的矩形缝隙7和矩形缝隙8，缝隙长分别为W3和W4，该缝隙结构可实现在预想的频点上实现驻波的谐振，从而增加阻抗匹配带宽。
该天线结构的主要电磁参数为：W1=0.85λ0，H1=1.5λ0，H2=1.15 D1，D1=0.75λ0，D2=0.55λ0，θ=45°±10°，W3=1.1λ0，W4=0.45λ0，W5=0.25λ0，L2=0.35λ0；λ0为天线中心频率的对应波长。
本发明工作原理如下：
当天线发射信号时，发射机发射信号，输入射频接插件，经由微带馈线3输送到开口环1，开口环1的电长度满足信号的强谐振条件，借助加载寄生环的耦合，提高了天线的辐射带宽，阻抗带宽满足电磁波强辐射的边界条件，最终辐射到自由空间。
此外，该天线还具有谐振设计，即，背面金属地层上设置有两个金属缝隙，在微带馈线延伸方向的不同位置加载，根据传输线原理，可实现阻抗在不同的频点上产生谐振，达到展宽阻抗带宽的目的。
总之，本天线采用平面印刷电路板结构，加工精度高，其为片状形式，结构紧凑，此外，利用微带线馈电技术，无需反射金属大地。本天线在微带线背面金属地上加载呈平行的矩形缝隙对儿，增加了天线的匹配谐振点的数量，改善了天线的阻抗匹配带宽。总之，该天线具有良好的辐射方向特性，极具应用价值。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种环状全向天线，其特征在于，包括具有双面敷铜结构的印制板，所述双面敷铜结构包括位于同一矩形区域内的正面辐射层和背面金属地层；所述正面辐射层包括开口环、寄生环、微带馈线和加载框，所述微带馈线从所述矩形区域第一短边的正中起始沿短边上的中轴线延伸至矩形区域内部，所述开口环和寄生环的圆心重合，且该圆心位于微带馈线的延长线上，所述开口环两端之间的夹角为270±10度，且开口环的一端与微带馈线的延伸末端重合并馈接，寄生环位于开口环内，寄生环上具有两个相对于所述圆心呈中心对称的开口，过两开口的直线与所述开口环空缺部分的圆周相交，所述加载框为一个具有三个分段的折线，其中，中部的分段覆盖所述矩形区域的第二短边，两头的分段分别从第二短边的两端沿该端的长边延伸相同距离；所述背面金属地层包括矩形子区域和等腰梯形子区域，所述矩形子区域的外侧长边与所述矩形区域的第一短边重合且等长，所述等腰梯形子区域的下底与所述矩形子区域的内侧长边重合且等长，所述寄生环位于等腰梯形子区域范围之外并与等腰梯形子区域的上底相切，所述上底的长度小于寄生环的内径。
2.根据权利要求1所述的环状全向天线，其特征在于，所述背面金属地层中还设有两个平行的矩形缝隙，所述矩形区域短边上的中轴线恰好构成两个矩形缝隙的中垂线，靠近所述第一短边的矩形缝隙长度较长，所述矩形缝隙用于在不同频点上产生驻波谐振。
3.根据权利要求1所述的环状全向天线，其特征在于，所述微带馈线为50欧传输线结构。
4.根据权利要求2所述的环状全向天线，其特征在于，所述矩形区域的短边长度为0.85λ0，长边长度为1.5λ0，所述开口环的外径为0.75λ0，所述寄生环的内径为0.55λ0，所述加载框中两头分段的延伸长度为开口环外径的1.15倍，所述寄生环两开口的连线与所述第一短边所成的锐角为45±10度，所述两个矩形缝隙中靠近所述第一短边的矩形缝隙的长度为1.1λ0，另一矩形缝隙的长度为0.45λ0，所述等腰梯形子区域上底的长度为0.25λ0，所述等腰梯形子区域的高度为0.35λ0；所述λ0为天线中心频率的对应波长。
5.根据权利要求1所述的环状全向天线，其特征在于，还包括设于所述微带馈线延伸起始端处的射频接插件。
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