CN114447592B - 一种振子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及宽带无线通信系统和宽带测控平台系统技术领域，该天线为扁平化外形结构一种振子天线，具有端射特性的天线具有其独特的应用场景，其可贴敷在载体上，可沿着载体表面切向辐射，例如贴敷在飞行器表面上，不影响其气动性，其具有较低的轮廓，薄片结构，可实现嵌入式设计，其作为一种小型化定向天线可应用在特殊通信平台上的无线通信系统中。本发明结构简单、紧凑，易于加工，加工精度较高，能够满足电小尺寸要求，可应用在宽带无线通信系统中。

Description

一种振子天线
技术领域
本发明涉及宽带无线通信系统和宽带测控平台系统技术领域，该天线为扁平化外形结构特别是指一种振子天线，其作为一种小型化定向天线可应用在特殊通信平台上的无线通信系统中。
背景技术
无线通信技术具有低功耗和高传输速率的特点，小型化共形天线可作为作为超宽带系统的重要组成部分，近几年，具有端射功能的小型化天线技术天线成为国际学者、工程师研究的热点。
具有端射特性的天线具有其独特的应用场景，其可贴敷在载体上，可沿着载体表面切向辐射，例如贴敷在飞行器表面上，不影响其气动性，其具有较低的轮廓，薄片结构，可实现嵌入式设计。
端射天线主要特点是增益高、成本低、结构简单且具有良好的端向辐射特性。无论是在无线局域网(WLAN)还是在军用设备上,甚至在医学领域中,如一些微波热疗和肿瘤的手术都有应用的前景,端射天线已成为天线领域的一个研究热点
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种振子天线，其结构紧凑、简单，易于加工，具有良好的定向辐射特性。
基于上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种振子天线，其为具有双面覆铜结构的矩形结构微波介质板，微波介质长边与天线的辐射方向一致；
所述双面覆铜结构设置在介质的上、下表面矩形区域内的即：正面辐射层和背面金属地层；
所述正面辐射层包括辐射振子1、微带馈线2、反射单元3、引向单元4、所述微带馈线2从矩形区域第一短边的中心点起始沿短边上的中轴线延伸至矩形区域内部；终端位置与背面金属地层上设置的U形缝隙5位置相关。
所述反射单元3，其由两组敷铜线结构组成，分别位于微带馈线2起始端两侧，关于微带馈线2延伸方向几何中心线镜像对称；
反射单元3设置在微带馈线2左、右两侧的两条覆铜线组成；
每组覆铜线由两段金属条带构成，第一段：起始点位于矩形区域第一短边上，延伸方向与微带馈线2的延伸方向平行并保持一定间隔，距离为H2＝0.08λ0，其长度为L7＝0.08λ0；
第二段：起始点为第一段金属条带的末端，延伸方向与微带馈线2的延伸方向所呈角度为Φ＝120°，其长度为L6；
U形缝隙5设置在背面金属地层，其位置由微带馈线2的延伸终端位置决定，U形缝隙由三段贯通的缝隙组成：
第一部分：与微带馈线2延伸方向垂直的横缝，缝隙宽度0.02λ0(λ0天线工作中心频率对应的波长)，长度为L8
第二部分：关于微带馈线2延伸方向的几何中心线镜像对称的两段纵缝且与之平行，长度为L9；
辐射振子1设置在正面辐射层，其由一对Z形金属条带组成，且二者关于微带馈线2的延伸方向的几何中心线对称；
以其中一条Z形金属条带为例说明其结构组成，其由三部分金属条带构成；
条带T1：延伸方向平行于微带介质板短边，起点设置在微带馈线2与U形槽纵缝在正面辐射层投影之间区域，U形槽纵缝为微带介质板长边临近一侧的纵缝；条带T1与纵缝在正面辐射层投影交叉，交叉点与U形槽横缝距离为S4；
条带T2：起点为条带T1末端，与其所呈夹角为锐角а，长度为L4；
条带T3：其延伸条带T3与条带T1平行，延伸方向指向临近微波介质板长边方向，长度为L3；
引向单元4设置在辐射振子1上端，其由三段金属条带构成，分别是金属条带Y1，金属条带Y2，金属条带Y3；其中，金属条带Y1延伸方向与微波介质板的短边平行，与Z形的辐射振子1的条带T3垂直距离为H1，长度为L1；
金属条带Y2、Y3设置在金属条带Y1两侧并与之相连，并与之呈夹角β，靠近辐射振子1，三条金属条带关于微波介质板正面辐射层的几何中心线镜像对称，该几何中心线的延伸方向与微波介质板长边平行；
进一步地，还包括设置于所述微带馈线2延伸起始端处的射频接插件。
从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
1、本发明为印刷天线结构形式，其通过正面辐射层和背面金属地层构成辐射体，能在宽频带内产生高质量的定向波束，可满足1GHz～1.5GHz的宽频带辐射要求，频带内驻波可小于2。
2、本发明天线利用微带线馈电缝隙技术，无需对振子进行焊接操作，可实现量产设计另外，其扁平的外形结构形式，可试用用于各类飞行载体上，实现共形设计
总之，本发明天线阻抗带宽较宽，其结构简单、紧凑，成本低，可实现馈电结构与辐射贴片一体化设计，并可实现天线的定向辐射，具有良好的辐射方向特性，应用前景广泛。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。
图1是本发明实施例中天线整体结构示意图；
图2是本发明实施例中天线正面辐射层各主体结构分解示意图；
图3是本发明实施例中天线正面辐射层各主体结构电尺寸示意图；
图4是本发明实施例中天线背面金属地层结构示意图；
图5是本发明实施例中天线背面金属地层结构与正面辐射层结构相对位置关系示意图；
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种振子天线，其为具有双面覆铜呈矩形结构微波介质板，采用PCB加工制造工艺，长边与天线的辐射方向一致平行；
更具体的，见图1和图2，一种振子天线，其物理结构为一个矩形印刷电路板结构，板材型号为TLY-5A，厚度1mm，介电常数2.2，其上、下表面设置有覆铜图形，分别为正面辐射层、背面金属地层。
所述正面辐射层包括辐射振子1、微带馈线2、反射单元3、引向单元4、所述微带馈线2从所述矩形区域一侧短边短边的中心点起始沿短边上的中轴线延伸至矩形区域内部，并经过U型缝隙5的横缝7在微波介质板正面投影区域，超出部分为S1＝0.05λ0(天线工作中心频率对应的波长)，其线宽满足馈线为50欧姆阻抗相应的尺寸。
所述反射单元3，其由两组金属条带结构组成，分别位于微带馈线2起始端两侧，关于微带馈线2延伸方向几何中心线镜像对称；
其由两段金属条带构成，第一段：起始点位于矩形区域第一短边上，延伸方向与微带馈线2的延伸方向平行并保持一定间隔，间隔距离为H2＝0.09λ0，长度L7＝0.14λ0；
第二段：起始点为第一段金属条带的末端，延伸方向与微带馈线2的延伸方向所呈角度为Φ＝60°，其长度为L6＝0.16λ0；
辐射振子1设置在正面辐射层，其由一组Z形金属条带组成，且二者关于微带馈线2的延伸方向的几何中心线镜像对称；
以其中一条Z形金属条带为例说明其结构组成，其由三部分金属条带构成，分别为条带T1，条带T2，条带T3
条带T1：延伸方向垂直于微带介质板的长边延伸方向，起点设置在微带馈线2与U形缝隙5在正面辐射层投影所围绕区域内，条带T1与同侧纵缝9在正面辐射层投影的相交，交叉点与U形槽横缝垂直距离为S4＝0.1λ0，延伸长度为L5＝0.12λ0,
条带T2：以条带T1末端为起始点，与条带T1所呈夹角为а＝45°，长度L4＝0.1λ0；
条带T3：条带T3与条带T1平行，延伸方向垂直于微波介质板长边，长度L3＝0.1λ0；
引向单元4设置在辐射振子1上端，其由三段金属条带构成，分别是金属条带Y1，金属条带Y2，金属条带Y3；其中，金属条带Y1延伸方向与微波介质板的短边平行，距离条带T3距离为H1＝0.04λ0，长度为L1＝0.3λ0；
金属条带Y2、Y3设置在金属条带Y1两侧并与之相连，并与之呈夹角β＝30°，靠近辐射振子1，三条金属条带关于微波介质板正面辐射层的几何中心线镜像对称，该几何中心线的延伸方向与微波介质板长边平行，其长度L2＝0.07λ0；
进一步地，所述背面金属地层为表面全覆铜设计，同时在其表面设置有U型缝隙5，其由横缝7和两条纵缝9组成，横缝7延伸方向平行于微波介质板短边，长度为L8＝0.12λ0，两条纵缝设置在横缝7的两端，两条纵横9和横缝隙7关于微带馈线沿着微波介质板长边延伸方向的几何中心线镜像对称；
所述辐射振子1的条带T1与纵缝9在正面辐射层投影的交叉点与U形槽横缝垂直距离为S4＝0.1λ0，距离纵缝另一端点距离为S3＝0.02λ0，条带T1超出交叉点的长度为S2＝0.01λ0
该天线为一种定向天线，其针对天线设计中实现宽频带、阻抗带宽小型化等技术难题，提出了一种新型的定向端射天线形式，此种天线较适合应用于宽带无线通信、导航、测控系统中。
本发明工作原理如下：
当天线发射信号时，信号输入射频接插件，经由微带馈线2输送到U型缝隙5横缝结构处，在此缝隙区域激励强谐振电流，并分别向两纵向缝隙9输送功率，且两二者电场相位相反，同时两纵向缝隙将信号再次耦合到辐射振子1的一对金属条带T1,引两金属金属条带T1作为振子结构的一部分，与金属条带T2、金属条带T3构成了整体的半波振子对，最终在金属条带T3实现波腹电流分布，利用反射单元3和引向单元4提高了增益，改善了辐射天线的辐射带、阻抗带宽满，最终辐射到自由空间。
总之，本天线采用平面印刷电路板结构，加工精度高，其为片状形式，结构紧凑，此外，利用微带线馈电技术，免去传统振子与电缆之间的焊接工序，提高了天线的加工装配调试效率。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种振子天线，其特征在于：包括具有双面敷铜结构的矩形印制板，所述双面敷铜结构包括位于同一矩形区域内的正面辐射层和背面金属地层；所述正面辐射层包括辐射振子(1)、微带馈线(2)、反射单元(3)、引向单元(4)；其中辐射振子(1)为镜像对称“Z形”金属条带构成；作为馈电激励装置微带馈线(2)正交切割设置在金属地层U型缝隙(5)的横缝在正面辐射层的投影，辐射振子(1)两“Z形”金属条带正交切割缝隙设置在金属地层U型缝隙(5)的纵缝在正面辐射层的投影，该结构设置可实现信号的激励与耦合；正面辐射层各结构由上至下排列顺序是：引向单元(4)、辐射振子(1)、微带馈线(2)、反射单元(3)，其中辐射振子(1)和反射单元(3)可实现矩形印制板延伸方向端射辐射，引向单元(4)进一步提高端射方向的定向性。
2.根据权利要求1所述的振子天线，所述微带馈线(2)的特征在于其从所述矩形区域第一短边的中心点起始沿短边上的中轴线延伸至矩形区域内部。
3.根据权利要求1所述的振子天线，所述反射单元(3)的特征在于其由两组覆铜线结构组成，分别位于微带馈线(2)起始端两侧，关于微带馈线(2)延伸方向几何中心线镜像对称。
4.根据权利要求1所述的振子天线，所述反射单元(3)的特征在于每组覆铜线由两段金属条带构成，第一段：起始点位于矩形区域第一短边上，延伸方向与微带馈线(2)的延伸方向平行并保持一定间隔，间隔距离为H2＝0.08λ0，其长度为L7＝0.08λ0；第二段：起始点为第一段金属馈线的末端，延伸方向与微带馈线(2)的延伸方向所呈角度为Φ＝120°，其长度为L6＝0.16λ0。
5.根据权利要求1所述的振子天线,所述背面金属地层设置有U形缝隙(5)的特征在于其由三段贯通的缝隙组成：第一部分：与微带馈线(2)延伸方向垂直的横缝(7)，缝隙宽度0.02λ，长度为L8＝0.12λ0；第二部分：关于微带馈线(2)延伸方向的几何中心线镜像对称的两段纵缝(9)且与之平行，长度为L9＝0.12λ0。
6.根据权利要求1所述的振子天线,所述辐射振子(1)的特征在于其设置在正面辐射层，其由一对Z形金属条带组成，且二者关于微带馈线(2)的延伸方向的几何中心线镜像对称。
7.根据权利要求1所述的振子天线，所述Z形金属条特征在于其由三部分金属条带构成，分别是:条带(T1)：延伸方向垂直于微带介质板的长边延伸方向，起点设置在微带馈线(2)与U形槽纵缝在正面辐射层投影之间区域，U形槽纵缝为微带介质板长边临近一侧的纵缝；条带(T1)与纵缝在正面辐射层投影的交叉点与U形槽横缝距离为S4＝0.1λ0；条带(T2)：其与条带(T1)所呈夹角为锐角а＝30°，长度为L4＝0.1λ0；条带(T3)：条带(T3)与条带(T1)平行，延伸方向指向临近微波介质板长边方向，长度为L3。
8.根据权利要求1所述的振子天线，所述引向单元(4)设置在辐射振子(1)上端，其由三段金属条带构成，分别是金属条带(Y1)，金属条带(Y2)，金属条带(Y3)；其中，金属条带(Y1)延伸方向与微波介质板的短边平行，关于微带馈线(2)延伸方向的几何中心线镜像对称，且与Z形辐射振子(1)的条带(T3)垂直距离为H1＝0.04λ0，长度为L1＝0.3λ0；
金属条带(Y2)、(Y3)设置在金属条带(Y1)两侧并与之相连，并与之呈夹角β＝30°，靠近辐射振子(1)，三条金属条带关于微波介质板正面辐射层的几何中心线镜像对称，该几何中心线的延伸方向与微波介质板长边平行。
9.根据权利要求1所述的振子天线，其特征在于，还包括设于所述微带馈线(2)延伸起始端处的射频接插件。
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