CN111313147A - 一种超宽带偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超宽带偶极子天线，包括介质板、耦合枝节结构和两个形状相同的偶极子臂，偶极子臂为中空的曲面壳体，并以介质板为中心面对称设置，以作为偶极子天线的宽带馈源。其中每个偶极子臂的曲面包括椭球曲面和弧形曲面。耦合枝节结构包括四个耦合枝节，对称设置在两个偶极子臂的四周，以作为偶极子天线的多频带源，其中每个耦合枝节为带状金属弯折的折线结构，由于采用曲线锥作为馈电的宽带馈电策略，使一副偶极子天线即可满足较宽的频率范围，解决了使用普通偶极子天线尺寸大且需要多分段设计的技术问题，以满足各种场合的需求。

Description

一种超宽带偶极子天线

技术领域

本申请涉及多频宽带偶极子天线技术领域，具体涉及一种超宽带偶极子天 线。

背景技术

偶极子天线以结构简单，制作成本低以及性能良好而被广泛应用在移动通 信装置及微波能量收集和传输领域中。传统的偶极子天线由两根导体组成，在中 心位置馈电，总长度约为半波长，是大多数天线的基本单元。偶极子天线在增 益方向图性能方面较单极子天线有了一定的提高，能获得较为满意的方向图特 性，且偶极子天线有良好的辐射特性，波长缩短效应和谐振特性。通过控制偶极 子上的电流幅度、相位以及空间位置之间的关系，偶极子天线可以广泛应用于基 站天线、圆极化天线、多输入多输出(MIMO)天线中。作为无线通信眼睛的天 线直接影响着通信的质量和效率，在海量数据传输的大数据时代，这对通信设备 的宽带化和多频化提出了越来越高的要求，因此更需要相适应的宽带多频天线 的支撑。而设备的越来越小型化，对天线尺寸的要求也越来越严格。随着现代通 信系统多种通信标准或制式的同时存在，对天线的要求也随之向宽频多频化和 小型化方向发展。为了实现宽频多频化，一般采用在天线上开槽线和加载寄生单 元。采用开槽线方式在实现引入多个谐振频率的同时，也有可能引入不需要的频 率。而采用加载寄生单元的方式虽实现了多频化，也会带来各枝节间的相互耦合， 同时增加了天线的尺寸。因此设计一种尺寸小，多频带，宽带的偶极子天线是无 线通讯领域的迫切需求。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是现有技术中宽带偶极子天线尺寸大且频带窄 的技术问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种超宽带偶极子天线，包括介质板、耦 合枝节结构和两个形状相同的偶极子臂；

两个所述偶极子臂对称设置在所述介质板的两边，所述介质板的两面分别 对称贴装有两个偶极子臂连接点，用于分别电连接两个所述偶极子臂；

所述偶极子臂为中空的曲面壳体，包括顶点和底面；所述偶极子臂外表面包 括椭球曲面和弧形曲面，所述椭球曲面是将一椭球面沿长轴线垂直面截取的一 部分，其椭球面的顶点作为所述偶极子臂的顶点；所述弧形曲面为轴对称曲面， 由一曲线沿椭球面长轴旋转一周形成的曲面，所述弧形曲面包括第一边沿和第 二边沿，所述第一边沿与所述椭球面的截面重合，所述第二边沿所在平面作为所 述偶极子臂的底面；

两个所述偶极子臂的顶点分别与所述介质板上的两个偶极子臂连接点连接， 用于将两个所述偶极子臂作为所述超宽带偶极子天线的宽带馈源；

所述耦合枝节结构包括四个耦合枝节，对称设置在两个所述偶极子臂的底 面围成的圆柱面上，每个所述耦合枝节的两端分别与两个所述偶极子臂的底面 连接，由带状金属弯折的折线结构，用于作为所述超宽带偶极子天线的多频带源。

进一步，所述弧形曲面第二边沿围成的圆形直径大于所述椭球曲面的短轴 长度。

进一步，每个所述耦合枝节还包括两个枝节电阻，分别串联在所述耦合枝节 的中部。

进一步，所述枝节电阻的阻值为65欧姆。

进一步，两个所述偶极子臂的端口阻值为75欧姆。

进一步，还包括射频变压器，贴装设置在所述介质板的一个面上；所述射频 变压器包括一个输入端和一个输出端，所述射频变压器的输入端用于与所述偶 极子臂连接点电连接，所述射频变压器的输出端作为所述超宽带偶极子天线的 输出端，用于连接同轴电缆，以将所述同轴电缆的阻抗与所述偶极子的阻抗转换 进行匹配。

进一步，两个所述偶极子臂的顶点间距离是6毫米。

进一步，在每个所述偶极子臂的顶点与所述偶极子臂连接点之间设置有连 接垫，用于电连接所述偶极子臂的顶点与所述偶极子臂连接点。

进一步，每个所述偶极子臂的底面边缘都设置有金属环结构，所述金属环结 构的内沿与所述偶极子臂的底面边沿重合，每个所述耦合枝节的两端分别与两 个所述金属环接触连接。

进一步，所述金属环的宽度为5毫米。

依据上述实施例的超宽带偶极子天线，包括介质板、耦合枝节结构和两个形 状相同的偶极子臂，偶极子臂为中空的曲面壳体，并以介质板为中心面对称设置， 以作为偶极子天线的宽带馈源。其中每个偶极子臂的曲面包括椭球曲面和弧形 曲面。耦合枝节结构包括四个耦合枝节，对称设置在两个偶极子臂的四周，以作 为偶极子天线的多频带源，其中每个耦合枝节为带状金属弯折的折线结构。本申 请公开的超宽带偶极子天线应用于低频段，以解决普通偶极子天线在使用中存 在安装尺寸大且需多分段设计的技术问题。

附图说明

图1为一种实施例中超宽带偶极子天线的结构示意图；

图2为一种实施例中超宽带偶极子天线的结构示意图；

图3为一种实施例中偶极子臂的结构示意图；

图4为一种实施例中介质板的结构示意图；

图5为一种实施例中超宽带偶极子天线仿真实测比较图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实 施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多 细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费 力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、 材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显 示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领 域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描 述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形 成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人 员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序 只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中 某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的 对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说 明，均包括直接和间接连接(联接)。

偶极子天线(Dipole antenna或doublet)是在无线电通信中，使用最早、 结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成，导体相互 靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时，电信号从天线中心馈入导体； 用作接收天线时，也在天线中心从导体中获取接收信号。常见的偶极子天线由两 根共轴的直导线构成，这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的，并且在理论上 能够严格求解。偶极子天线是共振天线，理论分析表明，细长偶极子天线内的电 流分布具有驻波的形式，驻波的波长正好是天线产生或接收的电磁波的波长。因 而制作偶极子天线时，会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线 是半波天线，它的总长度近似为工作波长的一半。除了直导线构成的半波天线， 有时也会使用其他种类的偶极子天线，例如直导线构成全波天线、短天线，以及 形状更为复杂的笼形天线、蝙蝠翼天线等。一般偶极子天线带宽较窄，要实现宽 频带无线电信号的接收，通常的方法是分频段设计多付偶极子，以满足不同的频 段，然后再将其组合起来使用以达到覆盖宽频率范围。这样的结果就会导致天线 结构复杂，安装尺寸较大，限制了天线的使用场合。一般而言，采用普通偶极子 天线，要覆盖75MHz-500MHz频率范围并取得较好的接收效果，安装尺寸预估 要达到2米左右，且至少分2段设计。

在本申请实施例中，超宽带偶极子天线包括介质板、耦合枝节结构和两个形 状相同的偶极子臂，偶极子臂为中空的曲面壳体，并以介质板为中心面对称设置， 以作为偶极子天线的宽带馈源。其中每个偶极子臂的曲面包括椭球曲面和弧形 曲面。耦合枝节结构包括四个耦合枝节，对称设置在两个偶极子臂的四周，以作 为偶极子天线的多频带源，其中每个耦合枝节为带状金属弯折的折线结构。本申 请公开的超宽带偶极子天线应用于低频段，以解决普通偶极子天线在使用中存 在安装尺寸大且需多分段设计的技术问题。

实施例一

请参考图1，为一种实施例中超宽带偶极子天线的结构示意图，超宽带偶极 子天线包括两个形状相同的偶极子臂1、介质板2和耦合枝节结构3。

请参考图2，为一种实施例中超宽带偶极子天线的结构示意图，图2(a)为 偶极子臂1和介质板2连接示意图，图2(b)为耦合枝节结构3结构示意图， 两个偶极子臂1对称设置在介质板2的两边，介质板2的两面分别对称贴装有 两个偶极子臂连接点，用于分别电连接两个偶极子臂1。耦合枝节结构3包括四 个耦合枝节31，对称设置在两个偶极子臂1的底面围成的圆柱面上，每个耦合 枝节31的两端分别与两个偶极子臂1的底面连接，由带状金属弯折的折线结构， 用于作为超宽带偶极子天线的多频带源。一实施例中，每个耦合枝节31还包括 两个枝节电阻32，分别串联在耦合枝节31的中部。一实施例中，枝节电阻的阻 值为65欧姆。一实施例中，每个偶极子臂1的底面边缘都设置有金属环结构4， 金属环结构4的内沿与偶极子臂1的底面边沿重合，每个耦合枝节31的两端分 别与两个金属环4接触连接。一实施例中，金属环4的宽度为5毫米，金属环 的外沿直径为150毫米，内沿直径为140毫米。

请参考图3，为一种实施例中偶极子臂的结构示意图，偶极子臂1为中空的 曲面壳体，包括顶点12和底面11。偶极子臂1外表面包括椭球曲面和弧形曲 面，椭球曲面是将一椭球面沿长轴线垂直面截取的一部分，其椭球面的顶点作为 偶极子臂的顶点12。弧形曲面为轴对称曲面，由一曲线沿椭球面长轴旋转一周 形成的曲面，弧形曲面包括第一边沿和第二边沿，第一边沿与椭球面的截面重合， 第二边沿所在平面作为偶极子臂的底面11。两个偶极子臂1的顶点12分别与介 质板2上的两个偶极子臂连接点连接，用于将两个偶极子臂1作为超宽带偶极 子天线的宽带馈源。一实施例中，弧形曲面第二边沿围成的圆形直径大于椭球曲 面的短轴长度。一实施例中，在每个偶极子臂1的顶点12与偶极子臂连接点之 间设置有连接垫13，用于电连接偶极子臂的顶点12与偶极子臂连接点。一实施 例中，两个偶极子臂的顶点12间距离是6毫米。一实施例中，两个偶极子臂1 的端口阻值为75欧姆。一实施例中，两个偶极子臂1的底面之间距离为500毫 米。

请参考图4，为一种实施例中介质板的结构示意图，介质板的厚度为6毫米， 以保证两个偶极子臂的顶点12间距离是6毫米，介质板每个面上设置有偶极子 臂连接点21。一实施例中，超宽带偶极子天线还包括射频变压器22，贴装设置 在介质板2的一个面上，射频变压器22包括一个输入端和一个输出端，射频变 压器22的输入端用于与偶极子臂连接点21电连接，射频变压器的输出端作为 超宽带偶极子天线的输出端23，用于连接同轴电缆，以将同轴电缆的阻抗与偶 极子的阻抗转换进行匹配。

本申请公开的超宽带偶极子天线由宽带馈电、顶部金属环连接到底部金属 环的弯曲线和八个电阻组成。偶极子的端口阻抗为75Ω,使用一个介质板表面贴 装的射频变压器进行阻抗匹配，即采用射频变压器作为电缆到天线馈电的巴伦。 一实施例中，射频变压器的型号为TT1.5-1-KK81，其具有较低的插入损耗，这 个射频变压器转换同轴线的50Ω阻抗转换到偶极子的75Ω，频率范围为0.075- 500MHz。本申请实施例中，采用曲线锥作为馈电的宽带馈电策略，使一副偶极 子天线即可满足较宽的频率范围，解决了使用普通偶极子天线所带来的问题，适 应各种场合的应用需求。与现有技术中的普通偶极子天线相比，最大尺寸只有 0.5米，应用于低频段，工作频率范围在75MHz-500MHz，驻波比小于2.5:1，80MHz时增益为-20dBi。

请参考图5，为一种实施例中超宽带偶极子天线仿真实测比较图，图5(a) 为VSWR的仿真和实测结果比较图,横坐标为重复率，单位是GHz，仿真结果在 77.8-500MHz范围内，VSWR为2.5:1，实测结果在80-600MHz范围内，VSWR 为3:1。偶极子直径为0.04λfmin、高0.13λfmin实测结果,其中λfmin为最低工 作频率信号在自由空间中的波长。图5(b)为增益仿真结果，纵坐标为增益， 单位是dBi,横坐标为重复率，单位是GHz，仿真工具为CST MicrowaveStudio。

以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用 以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可 以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种超宽带偶极子天线，其特征在于，包括介质板、耦合枝节结构和两个形状相同的偶极子臂；

两个所述偶极子臂对称设置在所述介质板的两边，所述介质板的两面分别对称贴装有两个偶极子臂连接点，用于分别电连接两个所述偶极子臂；

所述偶极子臂为中空的曲面壳体，包括顶点和底面；所述偶极子臂外表面包括椭球曲面和弧形曲面，所述椭球曲面是将一椭球面沿长轴线垂直面截取的一部分，其椭球面的顶点作为所述偶极子臂的顶点；所述弧形曲面为轴对称曲面，由一曲线沿椭球面长轴旋转一周形成的曲面，所述弧形曲面包括第一边沿和第二边沿，所述第一边沿与所述椭球面的截面重合，所述第二边沿所在平面作为所述偶极子臂的底面；

两个所述偶极子臂的顶点分别与所述介质板上的两个偶极子臂连接点连接，用于将两个所述偶极子臂作为所述超宽带偶极子天线的宽带馈源；

所述耦合枝节结构包括四个耦合枝节，对称设置在两个所述偶极子臂的底面围成的圆柱面上，每个所述耦合枝节的两端分别与两个所述偶极子臂的底面连接，由带状金属弯折的折线结构，用于作为所述超宽带偶极子天线的多频带源。

2.如权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，所述弧形曲面第二边沿围成的圆形直径大于所述椭球曲面的短轴长度。

3.如权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，每个所述耦合枝节还包括两个枝节电阻，分别串联在所述耦合枝节的中部。

4.如权利要求3所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，所述枝节电阻的阻值为65欧姆。

5.如权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，两个所述偶极子臂的端口阻值为75欧姆。

6.如权利要求5所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，还包括射频变压器，贴装设置在所述介质板的一个面上；所述射频变压器包括一个输入端和一个输出端，所述射频变压器的输入端用于与所述偶极子臂连接点电连接，所述射频变压器的输出端作为所述超宽带偶极子天线的输出端，用于连接同轴电缆，以将所述同轴电缆的阻抗与所述偶极子的阻抗转换进行匹配。

7.如权利要求6所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，两个所述偶极子臂的顶点间距离是6毫米。

8.如权利要求7所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，在每个所述偶极子臂的顶点与所述偶极子臂连接点之间设置有连接垫，用于电连接所述偶极子臂的顶点与所述偶极子臂连接点。

9.如权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，每个所述偶极子臂的底面边缘都设置有金属环结构，所述金属环结构的内沿与所述偶极子臂的底面边沿重合，每个所述耦合枝节的两端分别与两个所述金属环接触连接。

10.如权利要求1所述的超宽带偶极子天线，其特征在于，所述金属环的宽度为5毫米。

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