CN113823902B - 基于孔径融合的vhf/uhf频段天线 - Google Patents

基于孔径融合的vhf/uhf频段天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，用于解决现有技术中存在的带宽窄、尺寸大的问题，包括VHF/UHF频段天线、孔径融合环和VHF频段天线，VHF/UHF频段天线包括第一介质体、平衡馈电端口、复合阶梯套筒和关于平衡馈电端口对踵排布的上下振子臂，孔径融合环包括第二介质套筒和第二金属套筒，VHF频段天线包括第一金属体、第二金属体和第三金属体，第一金属体与第二金属体通过第二介质体连接，加载有集总加载元件，第二金属体与第三金属体之间通过第三介质体连接，加载有金属螺旋体，第三金属体与同轴馈线连接且嵌套有金属锥形套筒，孔径融合环的两端分别与两频段天线连接，实现对两频段天线的融合。

Description

基于孔径融合的VHF/UHF频段天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种VHF/UHF频段天线，具体涉及一种融合30-88MHz(相对带宽98％)频段和108-700MHz(相对带宽146％)频段的小型化VHF/UHF频段天线，可用于车载移动通信。
背景技术
天线作为接收器的始端、发射器的终端，在无线通信系统中扮演着重要的角色。VHF/UHF频段常用于车载移动通信，VHF频段为30-300MHz，UHF频段为300-3000MHz，VHF-UHF频段波长范围为0.1m-10m，由于该频段的波长较长，天线尺寸结构较大，难以满足车载移动通信小型化的要求，因此，VHF/UHF频段车载天线应在满足通信性能的前提下，实现小型化设计。
常规VHF/UHF频段天线广泛采用振子天线形式，如偶极子或单极子天线。振子的长度决定了其工作频率，而宽度影响其工作带宽。振子剖面越宽，则振子带宽越宽，但是由于其是谐振式天线，其阻抗带宽很小，通常只有十几兆赫兹甚至几兆赫兹，很难满足电台广播通信设备宽频带的需求。由于VHF/UHF频段天线结构通常为“细长”结构，而实现宽带特性主要采用集总元件加载的方法，然而单一采用集总元件加载的方法，通常可以实现3倍频以上的阻抗带宽，然而增益带宽相较于阻抗带宽较窄，且增益随频率变化较为剧烈。
口径复用天线是指两副或两副以上天线，共用同一物理口径，从而实现小型化多频段性能，口径复用设计的关键是降低多天线间的相互干扰，使各天线能够独立工作。例如，李佳明2020年6月在知网上发表了一本题目为“VHF/UHF宽带车载天线研究”的毕业论文，文章中公开了一种UHF车载双频口径复用天线，设计了一副具有新型馈电网络的套筒-盘锥轴向组合结构天线，套筒天线采用加载套筒的单极子天线，盘锥天线的半径与套筒天线的半径相同，套筒天线与盘锥天线轴向排布，套筒天线与盘锥天线口径复用，两个天线间用扼流结构相连接，套筒天线负责低频辐射，盘锥天线负责高频辐射，工作频带范围可以覆盖300-800MHz(相对带宽91％)，1200-2000MHz(相对带宽50％)，但其为延长电流路径增加带宽使得轴向电尺寸为0.4个最低频率自由空间波长，底部套筒天线套筒半径是单极子天线半径的3.7倍，为减小两个天线之间的相互干扰两天线间距较大，馈电结构复杂，小型化程度不高，且阻抗带宽较窄。
口径复用天线的问题在于其小型化程度有限，且多天线通过口径复用并不能带来性能提升。孔径融合天线与口径复用天线的不同之处在于，两副或多副天线辐射孔径相互融合，互为基础，通过天线间孔径融合，不但显著降低天线结构尺寸，同时提升天线宽频带性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，旨在拓宽双频天线的阻抗带宽，并实现小型化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：VHF/UHF频段天线1、孔径融合环2和VHF频段天线3，其中：
所述VHF/UHF频段天线1包括第一介质体11、平衡馈电端口12和复合阶梯套筒13；所述第一介质体11采用圆柱形筒状结构；所述平衡馈电端口12采用板状结构，径向固定在第一介质体11的内腔中；所述第一介质体11的外表面印制有关于平衡馈电端口12对踵排布的上振子臂14和下振子臂15，该两个振子臂均采用展开形状为由矩形和梯形金属贴片组合的贴片结构，所述上振子臂14靠近第一介质体11上端的位置附近蚀刻有一个或多个矩形缝隙；所述复合阶梯套筒13包括第一介质阶梯套筒131和附着在第一介质阶梯套筒131外表面的第一金属阶梯套筒132，该复合阶梯套筒13嵌套在第一介质体11两个振子臂之间；
所述孔径融合环2，包括第二介质套筒21和附着在第二介质套筒21外表面的第二金属套筒22，所述第二金属套筒22上端口设置有螺旋缝隙；
所述VHF频段天线3包括自上而下排列的圆柱形筒状第一金属体31、第二金属体32和第三金属体33，第一金属体31与第二金属体32通过第二介质体34连接，且该两个金属体之间加载有集总加载元件35，第二金属体32与第三金属体33之间通过第三介质体36连接，且该两个金属体之间加载有金属螺旋体37，所述第三金属体33的自由端嵌套有金属锥形套筒38，该金属锥形套筒38内设置有与第三金属体33连接的同轴馈线39；
所述孔径融合环2设置有螺旋缝隙的一端VHF/UHF频段天线1的底端连接，另一端与VHF频段天线3的顶端连接，实现对VHF/UHF频段天线1与VHF频段天线3的融合。
上述基于孔径融合的小型化VHF/UHF频段天线，所述第一介质体11、复合阶梯套筒13、第一金属体31、第二金属体32、第三金属体33、金属螺旋体37同轴。
上述基于孔径融合的小型化VHF/UHF频段天线，所述平衡馈电端口12，包括介质板121以及印制在该介质板上下表面的金属微带线122。
上述基于孔径融合的小型化VHF/UHF频段天线，所述上振子臂14，其梯形金属贴片的高度尺寸大于下振子臂15的尺寸，该上振子臂14靠近第一介质体11上端的位置附近蚀刻的矩形缝隙为多个，所述多个矩形缝隙围绕介质体11圆柱面均匀分布，且与第一介质体11的中心轴线平行。
上述基于孔径融合的小型化VHF/UHF频段天线，所述复合阶梯套筒13，由圆柱形套筒及两端各延伸出的弧形条带组成。
上述基于孔径融合的小型化VHF/UHF频段天线，所述复合阶梯套筒13，其圆柱形套筒高度上的中分线与平衡馈电端口12平齐。
上述基于孔径融合的小型化VHF/UHF频段天线，所述第二金属套筒22，其靠近下端口的位置设置有沿周向布置的矩形缝隙，且该矩形缝隙与孔径融合环2的中心轴线垂直。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明VHF频段天线的第二金属体与第三金属体之间加载有金属螺旋体，采用金属螺旋体等效延长了天线电流路径展宽了VHF频段天线阻抗带宽；VHF频段天线第三金属体自由端金属锥形套筒结构等效为加粗VHF频段天线半径，展宽了VHF频段天线阻抗带宽；VHF频段天线的第一金属体与第二金属体金属体之间加载集总加载元件，展宽了VHF频段天线阻抗带宽；VHF/UHF频段天线上下振子臂等效为双锥，且振子臂上开矩形缝隙，延长了天线的电流路径，展宽了VHF/UHF频段天线阻抗带宽；VHF/UHF频段天线复合阶梯金属套筒降低天线中高频输入阻抗的虚部感抗，展宽了VHF/UHF天线阻抗带宽。
2、本发明采用孔径融合环将VHF/UHF天线的电流通过孔径融合环传递至第一VHF/UHF天线振子臂上，两天线的孔径融合延长了电流路径展宽了VHF/UHF天线与VHF天线阻抗带宽，在天线总高度不变的情况下实现了VHF/UHF频段天线的小型化。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的VHF/UHF频段天线结构示意图；
图3为本发明实施例的两个振子臂与平衡馈电端口的位置关系图；
图4为本发明实施例的孔径融合环结构示意图；
图5为本发明实施例的VHF频段天线结构示意图；
图6为本发明实施例在30-88MHz频段的电压驻波比VSWR图；
图7为本发明实施例在108-700MHz频段的电压驻波比VSWR图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括VHF/UHF频段天线1、孔径融合环2和第二VHF/UHF频段天线3。
所述VHF/UHF频段天线1，其结构如图2所示，包括第一介质体11、平衡馈电端口12和复合阶梯套筒13；本实施例第一介质体11采用圆柱形筒状结构，介质体11的电常数为2.7，高568mm，半径为31mm；本实施例平衡馈电端口12采用板状结构，采用同轴馈电，介质板141为半径29mm，高度2mm，介电常数2.7的圆柱体，介质板上下表面有宽度为9mm的金属微带线，同轴内芯通过介质板上表面金属微带线与上振子臂14连接，同轴外皮通过介质板下表面金属微带线与下振子臂15连接；加载金属套筒从电路模型分析相当于与VHF/UHF频段天线1并联一个电容，从而有利于抵消VHF/UHF频段天线1中高频输入阻抗的虚部感抗，改善天线中高频段匹配，在圆柱形套筒的两端各延伸弧形条带，形成阶梯形套筒结构，进一步改善天线中高频段增益性能，复合阶梯型套筒13位于两个振子臂中间，圆柱形套筒高度上的中分线与平衡馈电端口12平齐，复合阶梯套筒13包括第一介质阶梯套筒131和附着在第一介质阶梯套筒131外表面的第一金属阶梯套筒132，第一介质套筒131为介电常数1，高度为200mm，外径为32mm，内径为31mm的空心圆柱体，第一金属阶梯套筒132的总高度为200mm，半径为32mm，上下两端的弧形条带长度相等，为65mm。
所述第一介质体11的外表面印制有关于平衡馈电端口12对踵排布的上振子臂14和下振子臂15，其结构如图3所示，双锥天线是一种非频变超宽带天线，通过两个振子臂展开形状为由矩形和梯形金属贴片组合的贴片结构，等效为双锥天线展宽了VHF/UHF频段天线阻抗带宽，本实施例上振子臂121长度为275mm，下振子臂长度270mm,上振子臂121梯形金属贴片的上底为6mm，下底为187mm，矩形金属贴片的长与梯形金属的下底相同，矩形金属贴片的宽为105mm，下振子臂122梯形金属贴片的上底为6mm，下底为187mm，矩形金属贴片的长与梯形金属的下底相同，矩形金属贴片的宽为105mm，上下振子臂振子锥角为53°，上下振子臂共形在第一介质体11上，两个振子臂上的梯形金属贴片共形在第一介质体11上后形成了宽度为2mm的矩形缝隙，通过优化，上下振子臂长度相差5mm；为了延长天线的电流路径展宽阻抗带宽，上振子臂14靠近第一介质体11上端的位置附近蚀刻3个大小相同的缝隙，每个缝隙的长度为75mm，宽度为2mm，3个矩形缝隙与上振子臂梯形金属贴片共形在第一介质体11上后形成的矩形缝隙围绕介质体11圆柱面两两呈90°分布，且与该介质体11的中心轴线平行；为了提高VHF/UHF频段天线的极化适应性，降低天线倾斜时的极化失配影响，需要设计天线具有一定的水平极化收发能力，为此改进VHF/UHF频段天线上下振子臂的排布方式，采用对踵设计。
所述孔径融合环2，其结构如图4所示，包括第二介质套筒21和附着在第二介质套筒21外表面的第二金属套筒22，第二金属套筒22上端口设置有螺旋缝隙；本实施例第二介质套筒21的高度大于或等于第二金属套筒22的高度，第二介质套筒21为介电常数1，高度315mm，外径为33mm，内径为31mm的空心圆柱体，第二金属套筒22长度为267.5mm，半径为33mm，第二介质套筒21与第二金属套筒22的高度中心线位置相同，位于VHF频段天线顶端向下33mm处；本实施例第二金属套筒22靠近下端口的位置设置有沿周向布置的矩形缝隙，且该矩形缝隙与孔径融合环2的中心轴线垂直，孔径融合环与VHF频段天线3之间等效串联为电容，为实现能量在VHF/UHF频段天线1低频段传递要求较低的容抗展宽天线的阻抗带宽，因此该串联电容足需设计足够大，为此需要减小矩形缝隙宽度并增加融合环的长度，矩形缝隙的宽度为5mm，孔径融合环2的螺旋结构等效为电感，通过融合方式与VHF/UHF频段天线1传递能量，当VHF/UHF频段天线1工作在低频端时，此时经过螺旋的感抗较小，且由于天线在低频呈现容性，能够与螺旋上的感性相匹配，电流能够通过螺旋传递至VHF频段天线3，从而实现孔径融合，上段螺旋缝隙螺距为25mm，长度为100mm，半径为33mm；
所述VHF频段天线3，其结构如图5所示，包括包括自上而下排列的圆柱形筒状第一金属体31、第二金属体32和第三金属体33，本实施例第一金属体31、第二金属体32和第三金属体33同轴且第一金属体31和第二金属体32材料为铝，外径为30mm，内径为27mm，第一金属体31高249.5mm，本实施例第二金属体32高305.5mm，第三金属体33为金属锥体，锥体顶部为3mm，底部为30mm，高度为55mm；实现宽带特性主要采用集总元件加载的方法，本实施例第一金属体31与第二金属体32之间有高度为7mm的矩形槽，用来放置集总元件35，集总加载元件由100Ω电阻片与300nH电感片并联组成，电阻片与电感片高7mm，长3mm，对称放置在矩形槽的两侧与圆柱槽的上下端连接，第一金属体31与第二金属体32通过第二介质体34连接，第二介质体34为介电常数1，半径27mm,高度为100mm的圆柱体，其中点位于矩形槽的中点处；采用金属螺旋体可以延长天线电流路径展宽了天线的阻抗带宽，第二金属体32与第三金属体33之间通过第三介质体36连接，且该两个金属体之间载有金属螺旋体37，第三介质体36为介电常数1，半径27mm,高度为135mm的圆柱体，其中点位于金属螺旋的中点处，金属螺旋的长度为90mm，螺距为25mm，螺旋直径为50mm，上端与第二金属体32底端连接，底端第三金属体33的顶端连接；套筒结构可以等效为加粗天线半径，通常线天线的输入阻抗随着振子变粗而变小，特别是虚部变化更为明显，并且还可以获得随频率较为平缓的阻抗曲线，使其更容易获得宽频带特性；本实施例第三金属体33的自由端嵌套有优化后的金属锥形套筒38，锥形套筒相比圆柱形套筒能进一步展宽天线阻抗带宽，本实施例金属锥形套筒38为圆台形，圆台上底半径为33mm，下底半径为10mm，高度为260mm；该金属锥形套筒38内设置有与第三金属体33连接的同轴馈线39，本实施例同轴馈线39的高度为200mm，半径为3mm,与第三金属体33底部的金属椎体中心相连接。
所述孔径融合环2设置有螺旋缝隙的一端与VHF/UHF频段天线1的底端连接，另一端与VHF频段天线3的顶端连接，实现对VHF/UHF频段天线1与VHF频段天线3的融合。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1.仿真条件与内容：
利用商业仿真软件HFSS_20.0对上述实施例的电尺寸及电压驻波比VSWR进行仿真计算，结果如图1、图6和图7所示，其中：图1为本发明实施例的整体结构示意图，图6为本发明实施例在30-88MHz频段的电压驻波比VSWR图，图7为本发明实施例在108-700MHz频段的电压驻波比VSWR图。
2.仿真结果分析：
参照图1，本发明实施例的电尺寸为0.16个最低频率自由空间波长，低于现有技术的电尺寸，实现了小型化。
参照图6，横坐标为频率，纵坐标为电压驻波比VSWR，以VSWR≤3.5为标准，本发明实施例的阻抗带宽为30MHz-88MHz(相对带宽101％)，高于现有技术的阻抗带宽。
参照图7，横坐标为频率，纵坐标为电压驻波比VSWR，以VSWR≤3.5为标准，本发明实施例的阻抗带宽为108MHz-700MGHz(相对带宽68％)，高于现有技术的阻抗带宽。
以上仿真结果表明，本发明实施例在30MHz-88MHz、108MHz-700MGHz频段内具有良好的小型化及宽频带性能，符合设计需求。
以上描述仅是本发明的具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不悖离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但这些基于本发明的修正和改变仍在本发明权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，包括VHF/UHF频段天线(1)、孔径融合环(2)和VHF频段天线(3)，其中：
所述VHF/UHF频段天线(1)包括第一介质体(11)、平衡馈电端口(12)和复合阶梯套筒(13)；所述第一介质体(11)采用圆柱形筒状结构；所述平衡馈电端口(12)采用板状结构，径向固定在第一介质体(11)的内腔中；所述第一介质体(11)的外表面印制有关于平衡馈电端口(12)对踵排布的上振子臂(14)和下振子臂(15)，该两个振子臂均采用展开形状为由矩形和梯形金属贴片组合的贴片结构，所述上振子臂(14)靠近第一介质体(11)上端的位置附近蚀刻有一个或多个矩形缝隙；所述复合阶梯套筒(13)包括第一介质阶梯套筒(131)和附着在第一介质阶梯套筒(131)外表面的第一金属阶梯套筒(132)，该复合阶梯套筒(13)嵌套在第一介质体(11)两个振子臂之间；
所述孔径融合环(2)，包括第二介质套筒(21)和附着在第二介质套筒(21)外表面的第二金属套筒(22)，所述第二金属套筒(22)上端口设置有螺旋缝隙；
所述VHF频段天线(3)包括自上而下排列的圆柱形筒状第一金属体(31)、第二金属体(32)和第三金属体(33)，第一金属体(31)与第二金属体(32)通过第二介质体(34)连接，且该两个金属体之间加载有集总加载元件(35)，第二金属体(32)与第三金属体(33)之间通过第三介质体(36)连接，且该两个金属体之间加载有金属螺旋体(37)，所述第三金属体(33)的自由端嵌套有金属锥形套筒(38)，该金属锥形套筒(38)内设置有与第三金属体(33)连接的同轴馈线(39)；
所述孔径融合环(2)设置有螺旋缝隙的一端与VHF/UHF频段天线(1)的底端连接，另一端与VHF频段天线(3)的顶端连接，实现对VHF/UHF频段天线(1)与VHF频段天线(3)的融合。
2.根据权利要求1所述的基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，所述第一介质体(11)、复合阶梯套筒(13)、第一金属体(31)、第二金属体(32)、第三金属体(33)、金属螺旋体(37)同轴。
3.根据权利要求1所述的基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，所述平衡馈电端口(12)，包括介质板(121)以及印制在该介质板上下表面的金属微带线(122)。
4.根据权利要求1所述的基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，所述上振子臂(14)，其梯形金属贴片的高度尺寸大于下振子臂(15)梯形金属贴片的高度尺寸，该上振子臂(14)靠近第一介质体(11)上端的位置附近蚀刻的矩形缝隙为多个，所述多个矩形缝隙围绕第一介质体(11)圆柱面分布，且与第一介质体(11)的中心轴线平行。
5.根据权利要求1所述的基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，所述第一金属阶梯套筒(132)，由金属圆柱形套筒及两端各延伸出的弧形条带组成。
6.根据权利要求5所述的基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，所述第一金属阶梯套筒(132)，其金属圆柱形套筒高度上的中分线与平衡馈电端口(12)平齐。
7.根据权利要求1所述的基于孔径融合的VHF/UHF频段天线，其特征在于，所述第二金属套筒(22)，其靠近下端口的位置设置有沿周向布置的矩形缝隙，且该矩形缝隙与孔径融合环(2)的中心轴线垂直。
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