CN112713396A

CN112713396A - 一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线

Info

Publication number: CN112713396A
Application number: CN202011532977.XA
Authority: CN
Inventors: 陈志新; 王瑞; 贾永涛; 戴全辉
Original assignee: Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology
Current assignee: Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: CN112713396B

Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线。该双频小型化偶极子包括介质基板；在介质基板上下表面印制的天线辐射结构；位于介质基板下方与天线相连的金属附加结构、背腔及以及馈电结构(5)；背腔包裹金属附加结构且位于介质基板下方；馈电结构穿过背腔底板和金属附加结构，与天线辐射结构相连；所述天线辐射结构由第一异形偶极子和第二异形偶极子构成；所述金属附加结构由M个金属柱、N个准三角形金属贴片和平板金属件构成，其中M≥2，N≥1。本发明通过加载金属背腔与金属附加结构，利用耦合、延长电流路径等手段，在保证天线辐射性能的前提下实现了天线的小型化设计。

Description

一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种偶极子天线，具体涉及一种基于小型化双频偶极子天线。

背景技术

在通信领域中，信号发射和接收系统是整个通信平台中最重要的组成部分之一，天线是该系统中核心的部分，而辐射特性是衡量天线优劣的主要指标。移动通信系统中，天线作为发射源与自由空间电磁波信号的转换器，是信息的出入口，其性能影响整个移动网络的性能。

在移动通信装置及微波能量传输领域中，偶极子天线得到了广泛的应用。偶极子天线具有结构简单、制作成本低以及性能良好的特点，因而广泛应用到移动通信领域和微波能量采集领域中。相对于单极子天线，偶极子天线在增益方向性能方面有较高的优势，有较好的方向特性，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。

传统的多频天线技术，常应用在天线上开槽线的方法引入多个谐振频率，以实现多频段工作，但可能引入不需要的工作频率。加载寄生单元也是常用的多频技术，通过寄生单元与枝节的耦合作用，增加新的工作频段。

例如，北京纪凯知识产权代理有限公司，在其申请的名称为“一种串联结构宽带双频偶极子基站天线”(申请号201810551453.1，申请公布号CN 108777357A)的专利申请文件中，公开了一种双频偶极子天线。包括介质基板、低频段寄生贴片、由上向下依次间隔设置在介质基板上的低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子；其中，低频段带状振子、第一、第二高频段带状振子通过平行微带线串联连接，并通过设置在介质基板最下端的矩形微带实现同轴线馈电；低频段带状振子、第一、第二高频段带状振子采用对称双边结构，各带状阵子的两臂分别以各带状阵子的中心点为对称点分刻在介质基板两面。提出的天线具有较大尺寸，基于低频的电尺寸接近0.39λ，无金属背腔。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术存在的缺陷，提出了一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，旨在保证良好的辐射特性同时，减小天线尺寸。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，包括介质基板；在介质基板上下表面印制的天线辐射结构；位于介质基板下方与天线相连的金属附加结构；背腔包裹金属附加结构且位于介质基板下方；馈电结构穿过背腔底板与金属附加结构，和天线辐射结构相连；所述天线辐射结构由第一异形偶极子和第二异形偶极子构成；所述金属附加结构由M个金属柱、N个准三角形金属贴片和平板金属件构成，其中M≥2，N≥1。

所述第一异形偶极子与第二异形偶极子形状相同，第一异形偶极子馈电点的投影与第二异形偶极子的馈电点重合，第一异形偶极子与第二异形偶极子相互正交，且异形偶极子的两振子臂均呈梯形且相互正交。

所述准三角形金属贴片印制在介质基板下表面，且位于异形偶极子两振子臂之间，金属柱连接准三角形金属贴片与平板金属件。

所述平板金属件通过其下方的金属柱和背腔的地板连接。

所述的介质基板1上设置有用于馈电结构5通过的1个盲孔，用于安装金属柱3.1的M个通孔和用于连接金属背腔的多个通孔。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明引入了金属附加结构用于降低天线的尺寸，在介质板下表面，偶极子的四个振子臂之间印制准三角形结构，用于增强振子之间的耦合，从而降低天线的谐振频率，通过调整背腔内平板金属件距离腔体底板的高度及其形状，能够有效调节天线谐振频率，准三角形金属贴片通过金属柱和平板金属件连接，延长了电流路径，从而进一步降低了天线的谐振频率，有效的实现天线的小型化。在保证天线有效工作在440MHz及1000MHz频段时，实现电尺寸仅相当于最低工作频率的0.23λ×0.23λ×0.1λ，有效的缩小了天线的尺寸。

引入金属天线背腔使得天线能够有效工作在多种实际情况中，如飞行器翼体等，极大增强了天线的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明天线的整体结构示意图；

图2是本发明金属附加结构的结构示意图；

图3是本发明天线辐射体的结构示意图；

图4是本发明天线的仰视图；

图5是本发明天线中金属附加结构的俯视图；

图6是本发明天线S参数仿真结果；

图7是本发明天线表面电流分布仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

参照图1、图2、图3、图4及图5。

本发明包括介质基板1；在介质基板1上下表面印制的天线辐射结构2；位于介质基板1下方与天线相连的金属附加结构3；背腔4包裹金属附加结构3且位于介质基板1下方；馈电结构5穿过背腔4底板与金属附加结构3，和天线辐射结构2相连；所述天线辐射结构2由两对第一异形偶极子2.1和第二异形偶极子2.2构成；所述金属附加结构3由M个金属柱3.1、N个准三角形金属贴片3.2和平板金属件3.3构成，其中M≥2，N≥1。

所述第一异形偶极子2.1与第二异形偶极子2.2形状相同，第一异形偶极子2.1馈电点的投影与第二异形偶极子2.2的馈电点重合，第一异形偶极子2.1与第二异形偶极子2.2相互正交，且异形偶极子的两振子臂均呈梯形且相互正交。

所述准三角形金属贴片3.2印制在介质基板1下表面，且位于异形偶极子两振子臂之间，金属柱3.1连接准三角形金属贴片3.2与平板金属件3.3。

所述平板金属件3.3通过其下方的金属柱和背腔4的地板连接。

所述介质基板1的尺寸为a×b×c，相对介电常数为3.5，其中长度a＝160mm，宽度b＝160mm，厚度c＝1mm，该介质基板1上设置有用于馈电结构5通过的1个盲孔，用于安装金属柱3.1的8个通孔和用于连接金属背腔的8个通孔。

本实施例中的两对异形偶极子天线，分别印制在1mm厚度Arlon AD350介质板的上下表面，介质基板尺寸为a×b×c，其中长度a＝160mm，宽度b＝160mm，厚度c＝1mm，介质基板上开有8个用于与连接背腔4与介质基板1的通孔，及一个用于同轴线馈电的盲孔。

金属背腔4尺寸为h×x×y,其中长度x＝160mm，宽度y＝160mm，厚度h＝68mm,其中包裹的金属柱3.1、4个准三角形金属贴片3.2，三角形边长为d＝50mm,连接准三角形金属贴片与平板金属件的金属柱8个，高度为h1＝38.5mm,平板金属件3.3尺寸如图2所示，p1＝51mm，p2＝27.5mm，p3＝70mm，p4＝30mm，p5＝11.6mm。

所述异形偶极子天线2.1及2.2，如图3所示振子臂末端长为l1，l1＝12.2mm,振子臂总长为l2，l2＝42mm，梯形贴片，斜边边长为t，t＝27mm。

介质基板1下表面上两对偶极子的四个振子臂之间印制的准三角形结构3.2用于增强振子之间的耦合，从而降低天线的谐振频率。背腔4内平板金属件3.3距离腔体底板的高度及其形状用以调节天线的谐振频率，准三角形耦合贴片3.2通过8个矩形柱和平板金属件3.3连接，进一步降低了天线的谐振频率，从而实现天线的小型化。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

第一异形偶极子2.1及第二异形偶极子2.2,中，振子臂末端长为l1，l1＝10.4mm,振子臂总长为l2，l2＝38mm，连接准三角形金属贴片与平板金属件的金属高度为h1＝33.5mm。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

第一异形偶极子2.1及第二异形偶极子2.2,中，振子臂末端长为l1，l1＝16.2mm,振子臂总长为l2，l2＝46mm，连接准三角形金属贴片与平板金属件的金属柱高度为h1＝43.5mm。

本发明的技术效果可通过仿真实验进一步说明：

1、仿真内容：

1.1利用商业仿真软件HFSS_16.0对上述实施例在0.4GHz～1.2GHZ处的S参数进行仿真计算，结果如图6所示，其中，图6(a)为实施例阵列天线在l1发生变化时S参数仿真结果图，图6(b)为实施例阵列天线在l2发生变化时S参数仿真结果图，图6(c)为实施例阵列天线在h1发生变化时S参数仿真结果图。

1.2利用商业仿真软件HFSS_16.0对上述实施例1在440MHz和1000MHz频点的表面电流分布进行仿真计算，结果如图7所示，其中：图7(a)为实施例阵列天线在440MHz处天线表面电流模拟图，图7(b)为实施例阵列天线在1000MHz处天线表面电流模拟图。

2、仿真结果分析：

参照图6，图6(a)为实施例阵列天线在l1发生变化时S参数仿真结果图，图6(b)为实施例阵列天线在l2发生变化时S参数仿真结果图，图6(c)为实施例阵列天线在h1发生变化时S参数仿真结果图。从图中可以看出，随着l1增大，天线在低频(440MHz)谐振频率越低，但其在高频段(800MHz-1200MHz)随着l1增大谐振频率向高频移动；天线辐射振子臂末端宽度l2长度越长，天线在低频段和高频段的谐振频率皆向低频移动，天线在高频段谐振变差，无法覆盖1200MHz；天线背腔内金属柱高度h1决定了天线辐射振子臂距离平板金属件的高度，随着h1的增大(即天线振子臂距离平板金属件的高度越大)天线的低频段谐振频率向低频移动，高频段的谐振频率向高频引动。

参照图7，图7(a)为实施例阵列天线在440MHz处天线表面电流模拟图，图7(b)为实施例阵列天线在1000MHz处天线表面电流模拟图。从图中可以看出，在低频段电流流经天线辐射振子臂、准三角形耦合贴片、金属柱和平板金属件，从而延长了电流路径，以上结构均参与辐射；在高频段，电流主要分布在天年振子臂上，少量耦合到准三角形耦合贴片上，所提出的手段能够有效减小天线尺寸。

以上仿真结果说明，本发明具有良好的辐射特性，同时所使用的技术能够在保证天线辐射特性的前提下有效的缩减天线尺寸。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，其特征在于，包括介质基板(1)；在介质基板(1)上下表面印制的天线辐射结构(2)；位于介质基板(1)下方与天线相连的金属附加结构(3)、背腔(4)以及馈电结构(5)；背腔(4)包裹金属附加结构(3)且位于介质基板(1)下方；馈电结构(5)穿过背腔(4)底板和金属附加结构(3)，与天线辐射结构(2)相连；所述天线辐射结构(2)由两对第一异形偶极子(2.1)和第二异形偶极子(2.2)构成；所述金属附加结构(3)由M个金属柱(3.1)、N个准三角形金属贴片(3.2)和平板金属件(3.3)构成，其中M≥2，N≥1。

2.根据权利要求1所述的一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，其特征在于，所述第一异形偶极子(2.1)与第二异形偶极子(2.2)形状相同，第一异形偶极子(2.1)馈电点的投影与第二异形偶极子(2.2)的馈电点重合，第一异形偶极子(2.1)与第二异形偶极子(2.2)相互正交，且异形偶极子的两振子臂均呈梯形且相互正交。

3.根据权利要求1所述的一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，其特征在于，所述准三角形金属贴片(3.2)印制在介质基板(1)下表面，且位于异形偶极子两振子臂之间，金属柱(3.1)连接准三角形金属贴片(3.2)与平板金属件(3.3)。

4.根据权利要求1所述的一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，其特征在于，所述平板金属件(3.3)通过其下方的金属柱(3.1)和背腔(4)的地板连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种具有矩形背腔的双频小型化偶极子天线，其特征在于，介质基板1上设置有用于馈电结构5通过的1个盲孔，用于安装金属柱3.1的M个通孔和用于连接金属背腔的多个通孔。