CN113964510B - 一种宽带印刷偶极子天线及天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了天线工程技术领域内的一种宽带印刷偶极子天线及天线阵列。该偶极子天线包括介质板，介质板一面设置有偶极子单元，另一面设置有微带线馈电巴伦，偶极子单元上开设有匹配槽，偶极子单元在匹配槽的两侧分别延伸出偶极子臂，偶极子臂沿远离匹配槽的方向宽度逐渐增大，微带线馈电巴伦包括有依次连接的馈电微带线、耦合微带线和开路线。该偶极子天线的蝴蝶形偶极子臂带来了不同工作频率下相同的电流分布路径和辐射特性，有效扩展了偶极子天线的相对带宽，且具有结构简单、成本低廉的优点。

Description

一种宽带印刷偶极子天线及天线阵列
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，特别涉及一种宽带印刷偶极子天线及天线阵列。
背景技术
偶极子天线是指由两根共轴的直导体构成，在导体相互靠近的两端分别与馈电传输线相连，是一种能产生与基本电偶极子辐射波瓣相似的天线，总长度约为电磁波工作频率f对应波长λ(，c为真空中光速)的一半。以结构简单，制作成本低以及性能良好而被广泛应用。印刷偶极子天线是偶极子天线的一种形式，由一块介质板组成，将偶极子天线的两根共轴直导体变成贴片形式印刷在介质板的一面，将天线的馈电和巴伦结构变为微带线印刷在介质板另一面。印刷偶极子天线将原先的偶极子天线从三维结构转换成二维结构，通过在介质板正反两面上光刻加工出相应的图形即可完成制作，具有剖面低、重量轻、制作简单、结构可靠、电性能稳定、成本低廉等多种优点。
一般印刷偶极子天线可用的相对带宽
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有15％～20％，为获得更宽的工作频率范围，现有技术中公开了申请号为CN202010046362.X、主题名称为适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列的发明专利。虽然在上述发明专利中提供的方法或结构可以有效的扩展天线的相对工作频率带宽，但其天线结构形式复杂，需要较大的金属反射结构和同轴馈线，偶极子天线除需要一定的高度外还需要较大的平面尺寸，破坏了印刷偶极子近似两维的结构形式，不能做到天线尺寸的小型化。
发明内容
本申请通过提供一种宽带印刷偶极子天线及天线阵列，有效扩展了偶极子天线的相对带宽，同时兼具结构简单、成本低廉的优点。
本申请实施例提供了一种宽带印刷偶极子天线，包括介质板，所述介质板一面设置有偶极子单元，另一面设置有微带线馈电巴伦，所述偶极子单元上开设有匹配槽，所述偶极子单元在所述匹配槽的两侧分别延伸出偶极子臂，所述偶极子臂沿远离所述匹配槽的方向宽度逐渐增大，所述微带线馈电巴伦包括有依次连接的馈电微带线、耦合微带线和开路线。
上述实施例的有益效果在于：极子臂上的电流沿着偶极子两臂径向分布，而普通偶极子臂的图形固定，其电流分布特性和辐射特性随着工作频率变化而发生变化。当工作频率远离天线设计的中心频率时，其电流特性和辐射特性就会恶化，直至天线不能使用。该偶极子天线的偶极子臂沿远离所述匹配槽的方向宽度逐渐增大类似蝴蝶形，当偶极子臂采用蝴蝶形后，从中心匹配槽线馈电处来看，偶极子天线工作的不同频率电磁波所需要的距离λ/2，在蝴蝶形偶极子臂的扇形结构中都能找到对应的长度相拟合。蝴蝶形偶极子臂带来了不同工作频率下相同的电流分布路径和辐射特性，有效扩展了偶极子天线的相对带宽，且具有结构简单、成本低廉的优点。尤其是当偶极子臂的扇形张角θ＝900时，其对于所有频率上的阻抗理论上保持不变。
在上述实施例基础上，本申请可进一步改进，具体如下：
在本申请其中一个实施例中，所述馈电微带线与所述耦合微带线连接的一端的宽度沿朝向所述耦合微带线的方向逐渐减小。天线的两臂长度L限定了工作的最低频率，并且没有截止工作最高频率，但是由于一般的印刷偶极子天线采用的馈电形式大都为常规的λ4阻抗变换平衡器对耦合槽线进行平衡耦合馈电，由于这种馈电形式其本身有限的工作带宽限制了整个天线的工作带宽，使蝴蝶形偶极子臂没有截止高频频率的特性未能有效地体现。因此将常规的馈电微带线变换成微带渐变线，使微带线的宽度不再随着阻抗要求而突变，而是逐渐变化成所需的宽度，这样可以有效的拓展阻抗变换的工作频率。
在本申请其中一个实施例中，所述开路线呈扇形，所述开路线的宽度沿远离所述耦合微带线的方向逐渐增大。开路线常规设计是一段长度为工作波长λ的四分之一的微带线，将开路线的图形从普通的线型变成扇形，不同工作频率的电磁波对应的波长，在扇形的开路线中都能找到对应的长度相拟合，当扇形张角越大时，可以扩展的工作频率范围就越宽。
在本申请其中一个实施例中，所述匹配槽末端呈圆形。原先天线的直线状匹配槽，其长度一般为导波长的四分之一，以此实现在偶极子臂在馈电处的开路特性。这种直线槽工作频率范围较窄，故将其变成开路端使用圆形槽线谐振腔结构来调节匹配阻抗，相比直线槽的工作特性，可以有效的扩展匹配槽的工作频率范围。通过以上设计，就规避了常规偶极子天线中λ4波长阻抗变换线和匹配槽线对频率的依赖性，有效地拓展天线的工作带宽。
在本申请其中一个实施例中，所述宽带印刷偶极子天线还包括金属板和SMA射频接头，所述介质板设置于所述金属板的中心，所述SMA射频接头固接于所述金属板，所述SMA射频接头的内导体与所述馈电微带线连接。
本申请还提供了一种天线阵列，该天线阵列包括多个所述宽带印刷偶极子天线。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、蝴蝶形偶极子臂带来了不同工作频率下相同的电流分布路径和辐射特性，有效扩展了偶极子天线的相对带宽，且具有结构简单、成本低廉的优点；
2、馈电微带线的宽度不再随着阻抗要求而突变，而是逐渐变化成所需的宽度，利用微带渐变线的特征阻抗随位置分布是连续的特点使阻抗变换时可以做到宽带匹配特性，避免了常规设计时阻抗变换器是突变的而引起工作频率带宽较窄的缺点，有效的拓展阻抗变换的工作频率；
3、不同工作频率的所需的长度，在扇形开路线中都能找到对应的长度相拟合，当扇形张角越大时，可以扩展的工作频率范围就越宽，因此使天线馈电巴伦的工作频率范围得到扩展；
4、匹配槽末端使用圆形槽线谐振腔结构来调节匹配阻抗，相比直线槽的工作特性，可以有效的扩展匹配槽的工作频率范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一种宽带印刷偶极子天线的结构示意图；
图2为实施例1中介质板的正面(a)、反面(b)结构示意图；
图3为实施例2中介质板的正面(a)、反面(b)结构示意图；
图4为实施例2中宽带印刷偶极子天线的电压驻波比测试图；
图5为实施例2中宽带印刷偶极子天线2GHz时的天线方向图；
图6为实施例2中宽带印刷偶极子天线3GHz时的天线方向图；
图7为实施例2中宽带印刷偶极子天线4GHz时的天线方向图。
其中，1.介质板、2.金属板、3.SMA射频接头、4.偶极子单元、41.匹配槽、42.偶极子臂、5.微带线馈电巴伦、51.馈电微带线、52.耦合微带线、53.开路线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
实施例1：
如图1-2所示，一种宽带印刷偶极子天线，包括介质板1、金属板2和SMA射频接头3，介质板1设置于金属板2的中心，SMA射频接头3固接于金属板2；介质板1一面设置有偶极子单元4，另一面设置有微带线馈电巴伦5，偶极子单元4中心上部开设有匹配槽41，匹配槽41末端呈圆形，偶极子单元4在匹配槽41的两侧分别延伸出相互对称的偶极子臂42，偶极子臂42沿远离匹配槽41的方向宽度逐渐增大，微带线馈电巴伦5包括有依次连接的馈电微带线51、耦合微带线52和开路线53，馈电微带线51与耦合微带线52连接的一端的宽度沿朝向耦合微带线52的方向逐渐减小，开路线53呈扇形，开路线53的宽度沿远离耦合微带线52的方向逐渐增大；SMA射频接头3的内导体与馈电微带线51连接。
实施例2：
一种宽带印刷偶极子天线，其金属板长130mm，宽40mm，其介质板如图3所示，图中L1＝54mm，L2＝42mm，L3＝20mm，L4＝1mm，L5＝9.9mm，L6＝3mm，h1＝57mm，h2＝33mm，h3＝17mm，h4＝7mm，h5＝15.5mm，h6＝22mm，h7＝0.9mm，θ1＝85°，θ2＝21°，R1＝4mm，R2＝15.2，介质板的厚度为1mm，介电常数为2.6。
该宽带印刷偶极子天线工作频率覆盖了2GHz～4GHz，达到了一个倍频程，相对带宽达到了66％以上，经过实际测试，其电压驻波比如图4所示，可以看出在频率范围内最大只有为1.77，其工作频率范围内的方向图如图5～7所示，可以看出该宽带印刷偶极子天线性能良好，有效的扩展了工作频率范围。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
1、蝴蝶形偶极子臂带来了不同工作频率下相同的电流分布路径和辐射特性，有效扩展了偶极子天线的相对带宽，且具有结构简单、成本低廉的优点；
2、馈电微带线的宽度不再随着阻抗要求而突变，而是逐渐变化成所需的宽度，利用微带渐变线的特征阻抗随位置分布是连续的特点使阻抗变换时可以做到宽带匹配特性，避免了常规设计时阻抗变换器是突变的而引起工作频率带宽较窄的缺点，有效的拓展阻抗变换的工作频率；
3、不同工作频率的所需的长度，在扇形开路线中都能找到对应的长度相拟合，当扇形张角越大时，可以扩展的工作频率范围就越宽，因此使天线馈电巴伦的工作频率范围得到扩展；
4、匹配槽末端使用圆形槽线谐振腔结构来调节匹配阻抗，相比直线槽的工作特性，可以有效的扩展匹配槽的工作频率范围。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种宽带印刷偶极子天线，其特征在于：包括介质板，所述介质板一面设置有偶极子单元，另一面设置有微带线馈电巴伦，所述偶极子单元上开设有匹配槽，所述匹配槽末端呈圆形，所述偶极子单元在所述匹配槽的两侧分别延伸出偶极子臂，所述偶极子臂沿远离所述匹配槽的方向宽度逐渐增大，所述微带线馈电巴伦包括有依次连接的馈电微带线、耦合微带线和开路线，所述开路线呈扇形，所述开路线的宽度沿远离所述耦合微带线的方向逐渐增大，所述馈电微带线与所述耦合微带线连接的一端的宽度沿朝向所述耦合微带线的方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的宽带印刷偶极子天线，其特征在于：所述宽带印刷偶极子天线还包括金属板和SMA射频接头，所述介质板设置于所述金属板的中心，所述SMA射频接头固接于所述金属板，所述SMA射频接头的内导体与所述馈电微带线连接。
3.一种天线阵列，其特征在于：包括多个如权利要求1-2任一所述的宽带印刷偶极子天线。
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