CN111313151A - 一种小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,包括顶层阶梯梳形结构印制线及其端部的顶层三角形印制线、中间微波介质材料层、底层阶梯梳形结构印制线及其端部的底层三角形印制线;顶层阶梯梳形结构印制线和底层阶梯梳形结构印制线在结构上为异面镜像对称,构成阵列天线的异面偶极子;通过在异面偶极子的基础上线性增加或减少不同臂长的偶极子对数,可以调节整个天线的工作带宽并保持辐射方向图的一致性;阵列天线的辐射方向图与天线轴向平行。该天线采用了常用的PCB板介质材料,可以较为方便加工制作,再加上该天线具有体积小、频率可调、整个工作频段内方向图一致性好以及辐射方向沿轴向方向等特性,显示出其具有较为广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统中的宽带天线领域,具体涉及一种小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展,通信系统对天线的带宽和频段要求也逐渐提高,近年来逐渐兴起的超宽带(Ultm-WideBandwidth,UWB)天线具有频带宽、功率谱密度低、传输速率高等特性,逐渐进入人们的视野,超宽带天线中涉及到的阵列天线必须具有宽频带的工作性能,其带宽往往达到GHz。贴片天线作为一种直接在射频PCB板上印制的微波器件,具有较高的整合度,同时又比较方便调试,近年来也越来越多的受到人们的关注。目前国内外的期刊和专利上对超宽带贴片天线有介绍,但大多数都存在增益低、整个工作频段内辐射方向图一致性差、尺寸大、不易整合到微波链路中等问题,限制了其推广应用。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种,本发明提供了一种小尺寸,高增益,频率可调,辐射方向图一致性好的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,该天线采用了常用的PCB板介质材料,可以较为方便制作,再加上该天线具有频率可调、整个工作频段内方向图一致性好以及辐射方向沿轴向方向等特性,显示出其具有较为广阔的应用前景。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:包括顶层结构、中间微波介质材料层、底层结构;所述顶层结构、底层结构均为辐射贴片;
所述顶层结构包括顶层阶梯梳形结构印制线及其端部的顶层三角形印制线;
所述底层结构包括底层阶梯梳形结构印制线及其端部的底层三角形印制线;
所述顶层阶梯梳形结构印制线、底层阶梯梳形结构印制线在结构上为异面镜像对称,构成阵列天线的异面偶极子;通过在异面偶极子的基础上线性增加或减少不同臂长的偶极子对数,调节整个天线的工作带宽并保持辐射方向图的一致性;所述阵列天线的辐射方向图与天线轴向平行;
所述顶层三角形印制线、底层三角形印制线分别作为顶层和底层梳形辐射阵的馈电线。
优选地,所述顶层阶梯梳形结构印制线、底层阶梯梳形结构印制线的相对馈电线的另一端呈线性倾斜状。
优选地,所述顶层阶梯梳形结构印制线、底层阶梯梳形结构印制线上相邻偶极子辐射臂之间的距离保持不变。
优选地,所述顶层三角形印制线、底层三角形印制线的越尖端,所述顶层阶梯梳形结构印制线、底层阶梯梳形结构印制线的偶极子臂长越短;反之则越长。
优选地,所述中间微波介质材料层介电常数为3.48,厚度为0.508mm。
优选地,所述顶层结构、底层结构的金属印制线均为敷铜,厚度在0.018~0.035mm之间。
优选地,所述顶层三角形印制线、底层三角形印制线在结构上为上下对称。
优选地,所述顶层三角形印制线、底层三角形印制线的特性阻抗均为50欧姆。
优选地,所述阵列天线长度在28.5mm~31.5mm之间,宽度在14.5mm~16.5mm之间,高度在0.45mm~0.60mm之间。
优选地,所述天线的工作频段为3.7GHz-11GHz,相对带宽为49.6%,在工作频段内的增益范围为6.2dBi~8.8dBi。上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
1.制作简单。该天线利用常见的PCB板介质材料,其制作工艺与常用的微波射频PCB印制板制作工艺相同,顶层和底层的金属印制线均为敷铜,厚度为0.035mm;
2.体积小。该滤波器尺寸为30*16*0.578mm3,与大多数超宽带天线相比,该天线尺寸缩小50%左右,更有利于整合到射频前端系统中,减小射频前端的体积;
3.天线辐射方向图为天线的轴线方向,可满足某些雷达要求天线垂直安装,且方向图与天线轴线平行的需求;
4.天线辐射方向图一致性好。该天线在整个工作频段内的辐射方向图均沿着天线的轴线方向,具有较强的一致性。
5.频率可调。可通过线性增加天线底部和顶部的梳形结构印制线,调节天线的工作频率。
附图说明
图1是本发明实施例的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线的顶面示意图;
图2是本发明实施例的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线的底面示意图;
图3是本发明实施例的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线的侧视图;
图4是本发明实施例的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线的S11参数图;
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
作为本发明的一种较佳实施方式,如图1-3所示,本发明提供一种小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:包括顶层结构、中间微波介质材料层2、底层结构;所述顶层结构、底层结构均为辐射贴片。
所述中间微波介质材料层2采用罗杰斯ROGERS4350B,也可采用国产微波介质材料江苏旺灵F4BM350,这两种介质材料均为常用的微波介质材料,其介电常数为3.48,厚度为0.508,介质顶层和底层敷铜厚度均为0.035mm,采用这两种材质,可以保证微带印制线宽在1.1mm以内。
如图1-3所示,所述顶层结构包括顶层阶梯梳形结构印制线1及其端部的顶层三角形印制线3;所述底层结构包括底层阶梯梳形结构印制线4及其端部的底层三角形印制线5。所述顶层结构、底层结构的金属印制线均为敷铜,厚度在0.018~0.035mm之间。
如图1-3所示,所述顶层阶梯梳形结构印制线1、底层阶梯梳形结构印制线4在结构上为异面镜像对称,构成阵列天线的异面偶极子;通过在异面偶极子的基础上线性增加或减少不同臂长的偶极子对数,调节整个天线的工作带宽并保持辐射方向图的一致性;所述阵列天线的辐射方向图与天线轴向平行。所述顶层阶梯梳形结构印制线1、底层阶梯梳形结构印制线4的相对馈电线的另一端呈线性倾斜状。所述顶层阶梯梳形结构印制线1、底层阶梯梳形结构印制线4上相邻偶极子辐射臂之间的距离保持不变。
根据偶极子天线辐射臂长度L(mm)与工作频率F(GHz)之间的理论公式:2L=C/F(其中C为光速:3*108m/s),可知本发明所述的天线最长的辐射臂对应该天线最低的工作频率,最短的辐射臂对应该天线最长的工作频率。为防止本发明专利所述的超宽带天线在整个工作频段出现不连续工作频点,通过在电磁仿真软件CST中仿真优化,得出相邻辐射臂之间的距离在0.4mm~0.6mm之间时,可以保证整个天线在工作频段之内的连续性。根据上述理论分析和仿真优化可知,通过线性增加或较少顶层阶梯梳形结构印制线1、底层阶梯梳形结构印制线4,可以拓宽或者缩小天线的工作频带。
拉长的顶层三角形印制线3、底层三角形印制线5分别作为顶层和底层梳形辐射阵的馈电线。所述顶层三角形印制线3、底层三角形印制线5的越尖端,所述顶层阶梯梳形结构印制线1、底层阶梯梳形结构印制线4的偶极子臂长越短;反之则越长。所述顶层三角形印制线3、底层三角形印制线5在结构上为上下对称。所述顶层三角形印制线3、底层三角形印制线5的特性阻抗均为50欧姆。该馈电线结构是通过专业电磁仿真软件CST仿真优化所得,其工作原理等同于微带巴伦,可以实现两种不同阻抗之间的良好匹配,保证整个天线与50欧姆连接器和射频电缆具有较好的阻抗匹配效果。
利用电磁仿真软件CST对该天线进行仿真计算,验证设计的正确性,其仿真的S11参数如图4所示,其-8dB带宽为7.3GHz(3.7GHz-11GHz),在整个工作频段内的方向图增益为4.6dBi~8.8dBi。该频率可覆盖S、C、X大部分工作频段。通过上述分析可知,通过线性增加梳形辐射臂,可进一步拓宽该天线的工作频段,使其满足所需的工作频段,体现出该天线具有较强的适用性。该天线采用成熟的印制板制作工艺进行制作,较传统的超宽带角锥喇叭天线,Vavaldi天线,正弦天线等,结构更加简单紧凑,且易加工制作,可以满足多种场合的微波通信需求。该天线另外一个特点是,与传统的贴片天线辐射方向图垂直天线表面不同,该天线的辐射方向图与天线轴向平行,可满足某些要求天线垂直安装以节约水平空间的特定场合,如某些对空雷达天线等。
所述阵列天线长度在28.5mm~31.5mm之间,宽度在14.5mm~16.5mm之间,高度在0.45mm~0.60mm之间;与大多数用微带线制作的天线相比,该天线辐射方向沿天线轴向方向,尺寸减小60%左右,更有利于整合到射频前端系统中,减小前端的体积和重量。
所述天线的工作频段为3.7GHz-11GHz,相对带宽为49.6%,在工作频段内的增益范围为6.2dBi~8.8dBi。
综上所述,按照本发明的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,采用常用的射频板材ROGERS4350B作为介质基板进行制作,顶层和底层的敷铜厚度为0.035mm,天线的制作工艺与常用的微波射频板制作工艺相同,具有低成本特性。同时通过线性增加或减少天线顶部和底部的梳形辐射印制线,可以调节天线的工作带宽。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:包括顶层结构、中间微波介质材料层(2)、底层结构;所述顶层结构、底层结构均为辐射贴片;
所述顶层结构包括顶层阶梯梳形结构印制线(1)及其端部的顶层三角形印制线(3);
所述底层结构包括底层阶梯梳形结构印制线(4)及其端部的底层三角形印制线(5);
所述顶层阶梯梳形结构印制线(1)、底层阶梯梳形结构印制线(4)在结构上为异面镜像对称,构成阵列天线的异面偶极子;通过在异面偶极子的基础上线性增加或减少不同臂长的偶极子对数,调节整个天线的工作带宽并保持辐射方向图的一致性;所述阵列天线的辐射方向图与天线轴向平行;
所述顶层三角形印制线(3)、底层三角形印制线(5)分别作为顶层和底层梳形辐射阵的馈电线。
2.如权利要求1所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述顶层阶梯梳形结构印制线(1)、底层阶梯梳形结构印制线(4)的相对馈电线的另一端呈线性倾斜状。
3.如权利要求2所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述顶层阶梯梳形结构印制线(1)、底层阶梯梳形结构印制线(4)上相邻偶极子辐射臂之间的距离保持不变。
4.如权利要求2所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述顶层三角形印制线(3)、底层三角形印制线(5)的越尖端,所述顶层阶梯梳形结构印制线(1)、底层阶梯梳形结构印制线(4)的偶极子臂长越短;反之则越长。
5.如权利要求1所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述中间微波介质材料层(2)介电常数为3.48,厚度为0.508mm。
6.如权利要求1所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述顶层结构、底层结构的金属印制线均为敷铜,厚度在0.018~0.035mm之间。
7.如权利要求1所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述顶层三角形印制线(3)、底层三角形印制线(5)在结构上为上下对称。
8.如权利要求7所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述顶层三角形印制线(3)、底层三角形印制线(5)的特性阻抗均为50欧姆。
9.如权利要求1所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述阵列天线长度在28.5mm~31.5mm之间,宽度在14.5mm~16.5mm之间,高度在0.45mm~0.60mm之间。
10.如权利要求1所述的小型超宽带异面镜像偶极子阵列天线,其特征在于:
所述天线的工作频段为3.7GHz-11GHz,相对带宽为49.6%,在工作频段内的增益范围为6.2dBi~8.8dBi。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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