CN111478037A - 一种s波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线,包括：天线基体；主辐射单元，主辐射单元设于所述天线基体上，用于辐射电磁波；寄生辐射单元，寄生辐射单元设于所述主辐射单元中，用于与主辐射单元耦合展宽所辐射电磁波的频带；馈电平衡单元，馈电平衡单元设于所述天线基体上，用于阻抗匹配；射频接插单元，射频接插单元设于所述天线基体上，所述馈电电缆射频接插单元与主辐射单元连接。本发明通过多重寄生加载与共面波导馈电的方法，有效的减小了天线的尺寸，拓展了天线的工作频带达到37.5％的超宽带有益效果。

Description

一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线。

背景技术

目前我国高速移动平台行业发展迅速，各类无人机、有人机、动车等在军用、民用工业、交通、农业及地质调查等等各行业及技术领域实现了大规模产业化快速增长，并且向着更加广泛的应用领域不断拓展。在这些应用中，随着各类需求的增加对于高速、中高速移动平台的需求越来越多，各类适用于上述移动平台的特种测控通信天线需求也逐渐增加，与各类移动平台共形集成安装满足平台气动结构布局、小型化、低成本化与可靠工作的测控通信天线被大量应用于各类系统中。常用的移动平台系统中的通信测控天线主要有偶极子天线、PIFA天线、“刀”型极子天线和法向模工作的螺旋天线等。在各类移动终端中，这些天线往往增益较低(0dB以下)、工作频带带宽较窄(小于2％)，同时天线波束受机体遮挡影响在很难满足水平面360°全向辐射覆盖的要求。对于半波长极子天线如“J”型偶极子天线，W.B.Freely最早在《A Two meter J Antenna》(W.B.Freely，A Two meter J Antenna[J]QST,April,1977)一文中提出了对该天线的设计。“J”型偶极子天线具有结构简单，容易调谐等特性，但是它往往工作频带带宽较窄(小于5％)，一般情况下为点频工作，通过普通的增加带宽措施难以起到效果，且改型天线尺寸较大，无法满足小型化安装要求。PIFA天线与“刀”型天线均属于单极子天线类型，如TOKIO TAGA等在文献中描述的(PerformanceAnalysis of a Built-In Planar Inverted F Antenna for 800MHz Band PortableRadio Unit[J]IEEE JOURNAL ON SELECED AREAS IN COMMUNICATIONS,VOL.SAC-5,NO.5,JUNE 1987,pp.921-929.)适用于便携设备的小型化PIFA天线及“刀”型天线，具有小型化特征明显，高集成度的优势，但是这类天线存在辐射方向图性能较差，无法满足高精度测控及共形化隐蔽安装要求。另外，当螺旋天线的螺旋直径小于0.18倍工作波长时就构成了各类法向模螺旋极子天线，其辐射方向图类似于偶极子方向图。Y.Hiroi与K.Fujimoto于上世纪七十年代末开展了对法向模螺旋天线的精确计算研究(Y.Hiroi，K.Fujimoto.Practicalusefulness of normal mode helical antenna,IEEE,AP-S International SymposiamJapan,1976,238-241.)。由于螺旋线的绕制压缩了天线本身的物理安装尺寸，降低了天线系统重量，极大程度简化了系统的安装要求。但是各类螺旋天线由于工作频带和辐射孔径的限制，天线纵向尺寸压缩的同时，展宽了系统横向尺寸，降低了天线系统的工作带宽，使天线本身呈现点频工作特征，为展宽系统工作频带，系统内部还需考虑增加一套较为复杂的LC宽带匹配网络，使设备的整体布局和研发成本相对较高。目前，各类高速、中高速移动终端系统终端天线，尤其是各类小型化、超小型化宽带测控天线正朝着低成本化、小型化、可紧凑与轻量化安装方向发展。尤其在无人机、有人机和高速车载等剧烈高速滚转、高速移动和空气动力学影响较大的安装情况下，天线的系统成本、安装位置、安装空间和重量，天线的辐射方向等要求严格，一般要求辐射方向图形状要求与理想半波振子天线类似的全向辐射，以便各类移动平台在工作过程中仍能稳定地传输/接收测控信号。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线，解决现有天线无法满足各类无人机、有人机及动车等高速移动隐蔽式安装环境的工作需求。

本发明提供一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线,包括：

天线基体；

射频接插单元，所述射频接插单元置于所述天线基体上，所述馈电电缆射频接插单元与主辐射单元连接，用于馈入天线射频信号；

主辐射单元，所述主辐射单元设于所述天线基体上，主辐射单元与射频接插单元连接，用于将天线射频信号变换为电磁波，并辐射电磁波；

寄生辐射单元，所述寄生辐射单元设于所述主辐射单元中，用于与主辐射单元耦合展宽所辐射电磁波的频带；

馈电平衡单元，所述馈电平衡单元设于所述天线基体上，用于阻抗匹配。

进一步地，所述天线基体包括第一基体面以及与第一基体面相对设置的第二基体面。

进一步地，所述馈电平衡单元包括第一馈电平衡单元、第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元和第四馈电平衡单元，所述第一馈电平衡单元和第二馈电平衡单元设于所述第一基体面上，所述第三馈电平衡单元和第四馈电平衡单元设于所述第二基体面上，并且第一馈电平衡单元、第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元和第四馈电平衡单元相互连接。

进一步地，所述主辐射单元设于所述第一基体面上，所述主辐射单元包括：馈电延长单元、馈电耦合单元、辐射单元和展宽单元；

所述馈电延长单元为矩形结构，矩形结构的馈电延长单元的下短边与所述射频接插单元连接，矩形结构的馈电延长单元上短边与所述馈电耦合单元连接，所述馈电延长单元用于将射频接插单元连接至馈电耦合单元；

所述馈电耦合单元为倒等腰梯形结构，所述倒等腰梯形结构的下底边与馈电延长单元的上短边连接，所述倒等腰梯形结构的上底边与所述辐射单元连接，所述馈电耦合单元用于扩展辐射电磁波的频带；

所述辐射单元为“Y”字型结构，“Y”字型结构的辐射单元的底部与馈电耦合单元的上底边连接，“Y”字型结构的辐射单元的顶部与展宽单元连接，“Y”字型结构的辐射单元包括两条辐射部，每条辐射部呈平行四边形结构，所述辐射单元用于辐射电磁波；

所述展频单元为口字型结构，所述口字型结构的下底边为开口状，所述口字型结构包括两条竖直部，所述两条竖直部的端部分别与“Y”字型结构的两条辐射部的端部连接，所述展频单元用于展宽辐射电磁波的频带。

进一步地，所述寄生辐射单元设于所述第一基体面上，所述寄生辐射单元为矩形结构，所述寄生辐射单元设于所述口字型结构的展宽单元中。

进一步地，还包括设于第一基体面上的寄生条用于展宽辐射电池波的频带，所述寄生条为下底边开口的口字型结构，所述寄生条围绕在所述展宽单元的外部。

进一步地，所述第一馈电平衡单元包括第一模块和第二模块，所述第一模块为矩形结构，矩形结构的第一模块的下长边与部分第一基体面的底边相切连接，所述第二模块为直角梯形结构，直角梯形结构的第二模块的下底边与矩形结构的第一模块的上长边相切连接，直角梯形结构的第二模块的斜腰线与“Y”字型结构的辐射单元对应侧的辐射部相切连接，并与倒等腰梯形结构的馈电耦合单元对应侧的腰线相切连接；

所述第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元、第四馈电平衡单元与第一馈电平衡单元的形状相同。

进一步地，所述倒等腰梯形结构的馈电耦合单元的两条腰线的外侧设有齿状条；

所述第二模块的斜腰线与倒等腰梯形结构的馈电耦合单元对应侧的腰线的外侧齿状条配合连接。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明充分考虑了无人机、有人机、车载及高铁等通信测控天线的安装环境和位置，通过设计天线的辐射单元尺寸，寄生辐射单元尺寸、寄生条尺寸以及馈电平衡单元尺寸等多种复合方法实现了S波段低成本、超宽带、小型化、便携化隐蔽安装，垂直极化的全向辐射,天线的半波功率角大于60°，同时天线增益>2dBi；并且通过多重寄生加载与共面波导馈电的方法，有效的减小了天线的尺寸，拓展了天线的工作频带达到37.5％的超宽带有益效果。

附图说明

图1是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的示意图；

图2是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的后视图；

图3是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的侧视图；

图4是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的底视图；

图5是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的S11参数曲线；

图6是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的E面方向图；

图7是本发明一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的H面方向图。

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。

请参考图1，图1为本发明提供的一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线的结构示意图,包括：天线基体10、主辐射单元20、寄生辐射单元30、馈电平衡单元40和视频接插单元50。

其中，天线基体10采用双面敷铜，介电常数在3.8-4.4之间，厚度为0.0088倍波长的FR4电路板加工制作，本实施例中天线基体10整体为矩形结构，底边长度为0.24倍波长，竖边长度为0.465倍波长。

在本实施例中，主辐射单元20、寄生辐射单元30、馈电平衡单元40均通过激光刻蚀工艺加工在FR4双面敷铜电路板上。

天线基体10包括第一基体面101以及与第一基体面101相对设置的第二基体面102，也就是天线基体10的正反两面。

射频接插单元50设于天线基体上，馈电电缆射频接插单元与主辐射单元连接，用于馈入天线射频信号。

本实施例中的主辐射单元20设于天线基体上，用于将天线射频信号变换为电磁波，并辐射电磁波。

请参考图2，主辐射单元20设于第一基体面101上，主辐射单元20包括：馈电延长单元201、馈电耦合单元202、辐射单元203和展宽单元204。

馈电延长单元201为矩形结构，矩形结构的馈电延长单201的下短边与射频接插单元50连接，矩形结构的馈电延长单元201上短边与馈电耦合单元202相切连接，馈电延长单元201用于将射频接插单元连接至馈电耦合单元。矩形结构的馈电延长单元201的短边长度为0.0154倍波长，长边为0.12倍波长。

馈电耦合单元202为倒等腰梯形结构，倒等腰梯形结构的下底边与馈电延长单元201的上短边连接，也就是倒等腰梯形结构的下底边与馈电延长单元201的上短边相切连接，且两者长度相同，倒等腰梯形结构的上底边与辐射单元203连接，馈电耦合单元用于扩展辐射电磁波的频带，也就是展宽天线的工作频带。倒等腰梯形结构的上底边(上边)长度为0.06倍波长，腰线与上底边的夹角为45°～70°，长度为0.033倍波长。此外，倒等腰梯形结构的馈电耦合单元202的两条腰线的外侧设有齿状条，具体为以倒等腰梯形的腰线为延伸方向顺次设置有三个相同，夹角为45°等腰直角三角形的齿状凸起，三角形的两个直角边长度为0.008倍波长。

辐射单元203为“Y”字型结构，“Y”字型结构的辐射单元203的底部与馈电耦合单元202的上底边连接，“Y”字型结构的辐射单元203的顶部与展宽单元204连接，“Y”字型结构的辐射单元包括两条辐射部(2031、2032)，每条辐射部呈平行四边形结构，辐射单元用于辐射电磁波。其中，每条辐射部的外侧长边外沿为各自相邻倒等腰梯形的腰线延伸形成，长度为0.106倍波长，每条辐射部的内侧外沿与外侧外沿间距保持在0.024倍波长。每条辐射部的底端与倒等腰梯形结构的上底边及各自相邻的腰线相切、端接，底端长度0.024倍波长，顶端边长也为0.024倍波长。

展频单元204为口字型结构，口字型结构的下底边为开口状，口字型结构包括两条竖直部(2041、2042)，两条竖直部的端部分别与“Y”字型结构的两条辐射部(2031、2032)的端部连接，展频单元204用于展宽辐射电磁波的频带。开口状的口字型结构展宽单元的两侧竖直部(竖边)，成长条矩形结构，该长条矩形结构的长边长度为0.1384倍波长，短边宽度为0.024倍波长，该长条矩形结构的下底边与各自相邻的“Y”字型结构辐射部的上底边相切端接在一起。开口状口字型结构展宽单元的顶部连接条2043为一个长为0.164倍波长，宽为0.024倍波长的矩形辐射条，该矩形辐射条与两侧竖边采用一个以内侧两条边交汇点为圆心，半径为0.024倍波长的90度半圆连接过渡。

寄生辐射单元30设于主辐射单元20中，用于与主辐射单元20耦合展宽所辐射电磁波的频带。

本实施例中的寄生辐射单元30设于第一基体面101上，寄生辐射单元20为矩形结构，寄生辐射单元20设于口字型结构的展宽单元204中。其与展宽单元204开口状的口字型结构的顶端矩形条内侧边相邻的边长度为0.113倍波长，与展宽单元204开口状的口字型结构两侧竖边内侧边相邻的边长度为0.1304倍波长。寄生辐射单元30矩形结构的各边与主辐射单元20相邻边间距保持在0.00176倍波长。

本实施例提供的天线还包括设于第一基体面101上的寄生条60，寄生条用于展宽辐射电池波的频带，寄生条60为下底边开口的口字型结构，寄生条60围绕在展宽单元204的外部。该口字型结构的寄生条的两个竖边(601、602)与展宽单元204的口字型结构两侧的竖边平行，口字型结构的寄生条竖边为矩形结构，其长边长度为0.2倍波长，宽度为0.016倍波长。该口字型结构的寄生条的矩形辐射条603与展宽单元204开口状的口字型结构顶端矩形条平行，寄生条的矩形辐射条603的长度为0.209倍波长，宽度也为0.016倍波长。寄生条的矩形辐射条与两侧竖边采用一个以主辐射单元内侧竖边与顶端矩形条两条边交汇点为圆心，外径为0.048倍波长，内径为0.032倍波长的90度半圆环连接过渡。寄生条口字型结构的内侧边沿与展宽单元204口字型结构的外侧边沿间距保持在0.0063倍波长。

馈电平衡单元40设于所述天线基体上，用于阻抗匹配。

馈电平衡单元40包括第一馈电平衡单元401、第二馈电平衡单元402、第三馈电平衡单元403和第四馈电平衡单元404，第一馈电平衡单元401和第二馈电平衡单元402设于第一基体面上，第三馈电平衡单元402和第四馈电平衡单元404设于第二基体面上，并且第一馈电平衡单元401、第二馈电平衡单元402、第三馈电平衡单元403和第四馈电平衡单元404相互连接。

第一馈电平衡单元401包括第一模块和第二模块，第一模块为矩形结构，矩形结构的第一模块的下长边与部分第一基体面的底边相切连接，矩形结构底边与天线基体底边相切重合，长度为0.109倍波长，竖边与天线基体竖边相切重合，长度为0.12倍波长，临近馈电延长单元201的长边的竖边与其平行，且间距为0.00328倍波长。第二模块为直角梯形结构，直角梯形结构的第二模块的下底边与矩形结构的第一模块的上长边相切连接，直角梯形结构的第二模块的斜腰线与“Y”字型结构的辐射单元对应侧的辐射部相切连接，并与倒等腰梯形结构的馈电耦合单元对应侧的腰线相切连接。直角梯形的下底边与第一模块矩形结构的上底边相切、重合、相等。直角梯形的上底边长度为0.068倍波长，直角边长度为0.0576倍波长，斜边腰线长度为0.071倍波长，斜边腰线与相邻的辐射单元“Y”字型结构长边外边缘平行且间距为0.00328倍波长。

第二模块的斜腰线与倒等腰梯形结构的馈电耦合单元对应侧的腰线的外侧齿状条配合连接。具体为:从直角梯形的斜边腰线与梯形底边交接处起，延斜边腰线方向延伸，依次向梯形内部凹进刻蚀三个与临近的主辐射阵子第二部分馈电耦合单元外凸“齿”状结构相对应耦合嵌入关系的45度等腰三角形凹槽，且保证凹槽各边与“齿”状凸起各边缘间距保持在0.00328倍波长。

第二馈电平衡单元402、第三馈电平衡单元403、第四馈电平衡单元404与第一馈电平衡单元401的形状相同。并且，第一馈电平衡单元401和第三馈电平衡单元403、第二馈电平衡单元402和第四馈电平衡单元404关于天线基体10厚度的垂直方向镜像对称分布。

在第一馈电平衡单元401与第三馈电平衡单元403之间从第一馈电平衡单元401底端边沿起，距离第一馈电平衡单元底端边沿0.024倍波长，距离第一馈电平衡单元最外侧长边0.008倍波长距离为起始中心向天线基体10顶端方向延伸间距0.016倍波长依次放置第一列7个金属化连接导通过孔，金属化连接导通过孔直径为1mm,沿第一馈电平衡单元401底端向内延伸方向，顺次放置第二、第三及第四排金属化连接导通过孔，保证各行各列过孔之间行间距与列间距相同均为0.016倍波长。其中，第二列与第一列放置形式及个数相同，第三列从天线基体底端起顺次放置5个过孔，第四列仅保留第三列的末尾及倒数第二个过孔。在馈电平衡地2与馈电平衡地4之间金属化连接导通过孔与在第一馈电平衡单元401与第三馈电平衡单元403之间金属化连接导通过孔大小、间距及排列位置相似，整体布局第二馈电平衡单元402与第四馈电平衡单元404之间金属化连接导通过孔与第一馈电平衡单元401与第三馈电平衡单元403之间金属化连接导通过孔关于天线基体长边中心轴线镜像对称分布。

请参考图3、图4本实施例中射频接插件为天线与后端电路能量传输转换的接口，采用标准市售sma-kfd27射频接插件，将其卡入天线基体低端，并保证其内导体与主辐射阵子第一部分馈电延长线平行、相切、相交并牢固锡焊。sma-kfd27射频接插件，接地的四个接地引脚分别与对应卡入的第一馈电平衡单元、第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元、第四馈电平衡单元牢固锡焊。

图5是本发明天线的S11参数曲线。图6是本发明天线的E面方向图。图7是本发明天线的H面方向图。从上述图中可以看出，实现了S波段低成本、超宽带、小型化、便携化隐蔽安装，垂直极化的全向辐射,天线的半波功率角大于60°，同时天线增益>2dBi；并且通过多重寄生加载与共面波导馈电的方法，有效的减小了天线的尺寸，拓展了天线的工作频带达到37.5％的超宽带有益效果。

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

Claims (8)

1.一种S波段小型化超宽带全向辐射垂直极化天线,其特征在于，包括：

天线基体；

射频接插单元，所述射频接插单元置于所述天线基体上，所述馈电电缆射频接插单元与主辐射单元连接，用于馈入天线射频信号；

主辐射单元，所述主辐射单元设于所述天线基体上，主辐射单元与射频接插单元连接，用于将天线射频信号变换为电磁波，并辐射电磁波；

寄生辐射单元，所述寄生辐射单元设于所述主辐射单元中，用于与主辐射单元耦合展宽所辐射电磁波的频带；

馈电平衡单元，所述馈电平衡单元设于所述天线基体上，用于阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线基体包括第一基体面以及与第一基体面相对设置的第二基体面。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述馈电平衡单元包括第一馈电平衡单元、第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元和第四馈电平衡单元，所述第一馈电平衡单元和第二馈电平衡单元设于所述第一基体面上，所述第三馈电平衡单元和第四馈电平衡单元设于所述第二基体面上，并且第一馈电平衡单元、第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元和第四馈电平衡单元相互连接。

4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述主辐射单元设于所述第一基体面上，所述主辐射单元包括：馈电延长单元、馈电耦合单元、辐射单元和展宽单元；

所述馈电延长单元为矩形结构，矩形结构的馈电延长单元的下短边与所述射频接插单元连接，矩形结构的馈电延长单元上短边与所述馈电耦合单元连接，所述馈电延长单元用于将射频接插单元连接至馈电耦合单元；

所述馈电耦合单元为倒等腰梯形结构，所述倒等腰梯形结构的下底边与馈电延长单元的上短边连接，所述倒等腰梯形结构的上底边与所述辐射单元连接，所述馈电耦合单元用于扩展辐射电磁波的频带；

所述辐射单元为“Y”字型结构，“Y”字型结构的辐射单元的底部与馈电耦合单元的上底边连接，“Y”字型结构的辐射单元的顶部与展宽单元连接，“Y”字型结构的辐射单元包括两条辐射部，每条辐射部呈平行四边形结构，所述辐射单元用于辐射电磁波；

所述展频单元为口字型结构，所述口字型结构的下底边为开口状，所述口字型结构包括两条竖直部，所述两条竖直部的端部分别与“Y”字型结构的两条辐射部的端部连接，所述展频单元用于展宽辐射电磁波的频带。

5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述寄生辐射单元设于所述第一基体面上，所述寄生辐射单元为矩形结构，所述寄生辐射单元设于所述口字型结构的展宽单元中。

6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，还包括设于第一基体面上的寄生条用于展宽辐射电池波的频带，所述寄生条为下底边开口的口字型结构，所述寄生条围绕在所述展宽单元的外部。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，所述第一馈电平衡单元包括第一模块和第二模块，所述第一模块为矩形结构，矩形结构的第一模块的下长边与部分第一基体面的底边相切连接，所述第二模块为直角梯形结构，直角梯形结构的第二模块的下底边与矩形结构的第一模块的上长边相切连接，直角梯形结构的第二模块的斜腰线与“Y”字型结构的辐射单元对应侧的辐射部相切连接，并与倒等腰梯形结构的馈电耦合单元对应侧的腰线相切连接；

所述第二馈电平衡单元、第三馈电平衡单元、第四馈电平衡单元与第一馈电平衡单元的形状相同。

8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述倒等腰梯形结构的馈电耦合单元的两条腰线的外侧设有齿状条；

所述第二模块的斜腰线与倒等腰梯形结构的馈电耦合单元对应侧的腰线的外侧齿状条配合连接。

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