CN110690551A - 全频段双层梯形数字电视发射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全频段双层梯形数字电视发射天线，包括天线单元、连接器和反射板，所述连接器为所述天线单元供电，所述连接器和所述天线单元固定于所述反射板上；所述天线单元包括两组双层梯形偶极子单元、可调绝缘螺丝、第一馈电金属带条、第二馈电金属带条、阶梯型线性阻抗变换器、巴伦结构和支撑结构；所述阶梯型线性阻抗变换器包括顺次相连的垂直线性阻抗变换器、水平阶梯阻抗变换器、和补偿型复阻抗连接器本发明能够覆盖数字电视的全频段带宽、承受功率大、电压驻波比低、成本低、增益高、易于调试。

Description

全频段双层梯形数字电视发射天线
技术领域
本发明涉及数字电视发射天线，尤其涉及一种全频段双层梯形数字电视发射天线。
背景技术
地面数字电视广播作为提供广播电视公共服务的一种基本手段和重要方式，已被发达国家看作是对人类社会信息发展具有极其重要意义的“战略技术”。相比于传统模拟电视，数字电视具有信号传输质量高、频谱资源使用率高、设备利用率高等优势，能为人们提供更多交互式的电视服务。其中，发射天线作为数字广播电视系统重要组成部分，对广播电视信号的传播能力起到决定性作用。高质量的天线可以拓宽信号覆盖范围并提高播出信号质量，也可以有效地利用发射机的功率并降低对接收机的要求。
随着全球电视数字化和移动化步伐的不断加快，我国近几年数字电视发展迅速，地面数字电视市场已全面启动，中国产业调研网发布的《2018-2025年中国数字电视行业发展现状调研与市场前景预测报告》认为，有线数字电视是我国占据主导地位的电视方式，在这场广播、电视数字化和移动化的革命中，研究开发适应高性能数字电视的发射天线是提高地面数字电视覆盖率的重要环节。
在当前社会高速发展下，为了提升受众规模，积极迎接新媒体强势崛起带来的挑战，加强UHF波段地面数字电视发射天线的发展是必然选择。目前，用于我国地面数字电视系统的发射天线有圆环天线、缝隙天线、蝙蝠翼天线等。然而，一般数字电视发射天线因频带窄、低增益、电压驻波比高、组阵不灵活等缺点增加了天线的生产成本并限制了天线的普遍适用性。
发明内容
本发明提供一种全频段双层梯形数字电视发射天线，以克服上述问题。
本发明，包括天线单元、连接器和反射板，所述连接器为所述天线单元供电，所述连接器和所述天线单元固定于所述反射板上；
所述天线单元包括两组双层梯形偶极子单元、可调绝缘螺丝、第一馈电金属带条、第二馈电金属带条、阶梯型线性阻抗变换器、巴伦结构和支撑结构；
所述阶梯型线性阻抗变换器包括顺次相连的水平阶梯阻抗变换器、垂直线性阻抗变换器、和补偿型复阻抗连接器；
所述双层梯形偶极子单元包括上层梯形偶极子单元和下层梯形偶极子单元，所述上层梯形偶极子单元为两个相同等腰梯形板的上底相对设置的结构，所述下层梯形偶极子单元为两个相同等腰梯形板的上底相对设置的结构；
所述上层梯形偶极子单元通过多个可调绝缘螺丝与下层梯形偶极子单元进行固定，多个所述双层梯形偶极子单元共轴线排列；
所述两组双层梯形偶极子单元相邻的下层梯形偶极子单元分别通过所述第一馈电金属带条、第二馈电金属带条相连；
所述第一馈电金属带条的中心与所述补偿型复阻抗连接器的外导体相连，所述第二馈电金属带条的中心与补偿型复阻抗连接器内导体及所述巴伦结构的一端相连，所述巴伦结构的另一端与水平阶梯阻抗变换器外导体相连，所述水平阶梯阻抗变换器与所述输入连接器相连，所述输入连接器对所述阶梯型线性阻抗变换器进行大功率馈电；
所述支撑结构固定于所述下层梯形偶极子单元与所述反射板间。
进一步地，所述天线单元为多组，所述多组天线单元共轴线设置。
进一步地，所述可调绝缘螺丝高度为0.07λ0～0.09λ0，其中λ0为中心频率所对应的波长。
进一步地，所述第一馈电金属带条和第二馈电金属带条的间距为0.01λ0～0.02λ0。
进一步地，所述垂直线性阻抗变换器的长度为λ0/4，所述补偿型复阻抗连接器的长度为0.08λ0。
进一步地，其特征在于，
所述下层梯形偶极子单元的高线长度为0.25λ0，
所述巴伦结构为L型平衡变换器，长度为0.25λ0；
所述反射板材质为铝，所述反射板宽度为λ0；
所述输入连接器为L27型输入连接器，λ0为中心频率所对应的波长。
本发明能够覆盖数字电视的全频段带宽、承受功率大、电压驻波比低、成本低、增益高、易于调试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线整体结构示意图；
图2为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线俯视图；
图3为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线A向视图；
图4为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线图2中A的放大图；
图5为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线B向视图；
图6为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线电压驻波比实测图；
图7为本发明全频段双层梯形数字电视发射天线辐射特性图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域普通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。
具体而言，本发明可实现的技术指标如下：
频率范围：470MHz～860MHz；
工作带宽：470MHz～860MHz；
极化方式：水平极化；
VSWR：≤1.13∶1；
输入功率：≤1.0Kw；
天线增益：≥13.0dBi；
前后比：≥20.0dB；
半功率波束宽度：水平面66°，垂直面22°。
如图1-图3所示，本发明包括天线单元11、连接器8和反射板7，所述连接器8为所述天线单元11供电，所述连接器8和所述天线单元11固定于所述反射板7上；
所述天线单元11包括两组双层梯形偶极子单元1、可调绝缘螺丝2、第一馈电金属带条3、第二馈电金属带条3’、阶梯型线性阻抗变换器4、巴伦结构6和支撑结构5；
所述阶梯型线性阻抗变换器4包括顺次相连的水平阶梯阻抗变换器4-1、垂直线性阻抗变换器4-2、和补偿型复阻抗连接器4-3；其中所述补偿型复阻抗连接器4-3作为所述阶梯型线性阻抗变换器4的输出端，所述水平阶梯阻抗变换器4-1作为所述阶梯型线性阻抗变换器4的输入端；所述垂直线性阻抗变换器4-2的长度为λ0/4，通过结合补偿型复阻抗连接器4-3能够有效补偿天线单元11内部电阻的虚部电抗，实现等幅同相馈电，使天线在很宽的频带内保持增益的稳定性；所述垂直线性阻抗变换器4-2、水平阶梯阻抗变换器4-1、和补偿型复阻抗连接器4-3的内外导体之间由聚四氟乙烯环10支撑，各内外导体长度与直径均可调节，所述补偿型复阻抗连接器4-3的长度为0.08λ0，其中λ0为中心频率所对应的波长，即
其中c为光速，f为中心频率；
所述双层梯形偶极子单元1包括上层梯形偶极子单元1-1和下层梯形偶极子单元1-2，所述上层梯形偶极子单元1-1为两个相同等腰梯形板的上底相对设置的结构，所述下层梯形偶极子单元1-2为两个相同等腰梯形板的上底相对设置的结构；
所述上层梯形偶极子单元1-1和下层梯形偶极子单元1-2进行模式调谐，共同构成多模式辐射单元，实现频率范围可调，可以产生更多的工作模式，有效拓宽天线相对带宽，由此覆盖数字电视全频段发射范围，四组所述双层梯形偶极子单元1共轴线排列；所述双层梯形偶极子单元1包括上层梯形偶极子单元1-1和下层梯形偶极子单元1-2，所述上层梯形偶极子单元1-1通过两个粗细不同、高度连续可调的绝缘螺丝2与下层梯形偶极子单元1-2进行固定；多个所述双层梯形偶极子单元1共轴线排列；
所述两组双层梯形偶极子单元1相邻的下层梯形偶极子单元1-2分别通过所述第一馈电金属带条3、第二馈电金属带条3’相连；
如图4所示，所述第一馈电金属带条3和第二馈电金属带条3’平行设置，二者均为线馈电结构，用于给所述下层梯形偶极子单元1-2馈电；所述第一馈电金属带条3和第二馈电金属带条3’的自由端分别与所述下层梯形偶极子单元1-2相连，所述第一馈电金属带条3的中心与补偿型复阻抗连接器外导体4-3-2相连，所述第二馈电金属带条3’的中心与补偿型复阻抗连接器内导体4-3-1及所述巴伦结构6的一端相连，所述巴伦结构6的另一端与水平阶梯阻抗变换器外导体4-1-1相连，所述水平阶梯阻抗变换器4-1与所述输入连接器8相连，所述输入连接器8对所述阶梯型线性阻抗变换器4进行大功率馈电；如图5所示所述第一馈电金属带条3和第二馈电金属带条3’间设置有一定硬度且绝缘的聚四氟乙烯垫圈9，通过调节聚四氟乙烯垫圈9的厚度来控制所述第一馈电金属带条3和第二馈电金属带条3’的间距在0.01λ0～0.02λ0范围内，全频段范围内，天线电压驻波比显著降低可降低天线全频段的驻波比，进而减小回波损耗，提高天线的发射效率。
用于限定所述下层梯形偶极子单元1-2与所述反射板7距离的所述支撑结构5，所述支撑结构5为高密度环氧棒，所述支撑结构5一端固定于所述下层梯形偶极子单元1-2底部，另一端固定于所述反射板7上；
多组所述天线单元11并联后与所述输入连接器8进行连接。
所述天线单元11为两组，所述两组天线单元11镜像设置，并通过所述连接器8进行连接；所述天线单元11包括两组双层梯形偶极子单元1。
进一步地，为了使所述上层梯形偶极子单元1-1与所述梯形偶极子单元1-2的间距可调，所述可调绝缘螺丝2高度为0.07λ0～0.09λ0。
进一步地，所述上层梯形偶极子单元1-1和下层梯形偶极子单元1-2为不同尺寸的相似等腰梯形，所述下层梯形偶极子单元1-2的高线长度为0.25λ0，λ0为中心频率所对应的波长。
进一步地，所述巴伦结构6为L型平衡变换器，长度为0.25λ0，适用于同轴结构，起到了进一步支撑作用；
为了减少天线的整体质量、达到降低成本的目的及达到较好的反射电波的效果，所述反射板7材质为铝，所述反射板7宽度为λ0；
为了使所述输入连接器8实现大功率馈电，所述输入连接器8为L27型输入连接器，λ0为中心频率所对应的波长。
本实施例以工作频带为470MHz～860MHz进行说明，如图6所示，是本实施例的电压驻波比实测图；其中纵轴VSWR表示电压驻波比；横轴f表示频率，单位为MHz；在470MHz～860MHz的全频段内，所述水平阶梯阻抗变换器4-1的输入端电压驻波比小于1.13，说明输入端匹配特性良好；通过调节阶梯型线性阻抗变换器4的补偿型复阻抗连接器4-3长度以及上层梯形偶极子单元1-1和下层梯形偶极子单元1-2的间距，可以明显的改善驻波比特性。
如图7所示，是本实施例的辐射特性图；其中竖轴方向表示增益(Gain)，其单位为dBi，图中实线表示H面方向图，虚线表示E面方向图；本发明在水平方向的半功率波瓣宽度为66°，在垂直方向的半功率波瓣宽度为22°，最大增益为13dBi，前后比达到了20dB。
本发明由于采用了可调单元1、平行带状线馈电结构即第一馈电金属带条3、第二馈电金属带条3’及阶梯型线性阻抗变换器4匹配设计，使得本发明在470MHz-860MHz的全频段范围内具有电压驻波比小、承受功率大、增益高、成本低、加工简单、调试方便等特点，适合于UHF波段的地面数字电视发射系统的应用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种全频段双层梯形数字电视发射天线，其特征在于，包括天线单元(11)、连接器(8)和反射板(7)，所述连接器(8)为所述天线单元(11)供电，所述连接器(8)和所述天线单元(11)固定于所述反射板(7)上；
所述天线单元(11)包括两组双层梯形偶极子单元(1)、可调绝缘螺丝(2)、第一馈电金属带条(3)、第二馈电金属带条(3’)、阶梯型线性阻抗变换器(4)、巴伦结构(6)和支撑结构(5)；
所述阶梯型线性阻抗变换器(4)包括顺次相连的水平阶梯阻抗变换器(4-1)、垂直线性阻抗变换器(4-2)和补偿型复阻抗连接器(4-3)；
所述双层梯形偶极子单元(1)包括上层梯形偶极子单元(1-1)和下层梯形偶极子单元(1-2)，所述上层梯形偶极子单元(1-1)为两个相同等腰梯形板的上底相对设置的结构，所述下层梯形偶极子单元(1-2)为两个相同等腰梯形板的上底相对设置的结构；
所述上层梯形偶极子单元(1-1)通过多个可调绝缘螺丝(2)与下层梯形偶极子单元(1-2)进行固定，多个所述双层梯形偶极子单元(1)共轴线排列；
所述两组双层梯形偶极子单元(1)相邻的下层梯形偶极子单元(1-2)分别通过所述第一馈电金属带条(3)、第二馈电金属带条(3’)相连；
所述第一馈电金属带条(3)的中心与所述补偿型复阻抗连接器(4-3)的外导体(4-3-2)相连，所述第二馈电金属带条(3’)的中心与补偿型复阻抗连接器内导体(4-3-1)及所述巴伦结构(6)的一端相连，所述巴伦结构(6)的另一端与水平阶梯阻抗变换器外导体(4-1-1)相连，所述水平阶梯阻抗变换器(4-1)与所述输入连接器(8)相连，所述输入连接器(8)对所述阶梯型线性阻抗变换器(4)进行大功率馈电；
所述支撑结构(5)固定于所述下层梯形偶极子单元(1-2)与所述反射板(7)间。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线单元(11)为多组，所述多组天线单元(11)共轴线设置。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述可调绝缘螺丝(2)高度为0.07λ0～0.09λ0，其中λ0为中心频率所对应的波长。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一馈电金属带条(3)和第二馈电金属带条(3’)的间距为0.01λ0～0.02λ0。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述垂直线性阻抗变换器的长度(4-2)为λ0/4，所述补偿型复阻抗连接器(4-3)的长度为0.08λ0。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，
所述下层梯形偶极子单元(1-2)的高线长度为0.25λ0；
所述巴伦结构(6)为L型平衡变换器，长度为0.25λ0；
所述反射板(7)材质为铝，所述反射板(7)宽度为λ0；
所述输入连接器(8)为L27型输入连接器，λ0为中心频率所对应的波长。
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