CN115411517B - 一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，主要由蟹钳形振子印刷板、馈电巴伦组件、弓形折弯反射板、寄生单元、寄生单元支撑柱、调谐柱等几部分组成。所述蟹钳形振子印刷版上有两片蟹钳方向朝外的振子片；所述的馈电巴伦组件为1/4波长短路馈电结构，包括馈电同轴线组件、短路枝节和馈电片；所述的弓形折弯发射板为中间凹陷、两侧垂直折弯结构，安装在其上的金属调谐柱穿过蟹钳振子。本发明通过蟹钳形振子与弓形折弯反射板的折弯边、振子与调谐柱之间形成了双电磁耦合结构，且可通过间隙、位置、尺寸等调整阻抗匹配。本申请大大提升了宽频带定向平板天线的阻抗带宽，改善了增益和波束宽度的平坦度。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信系统或者通信信号侦测和干扰系统用的定向天线，尤其涉及一种超宽带的平板定向天线。
背景技术
定向天线在各种通信系统中有着广泛的应用，其优点在于其良好的定向性保证了天线的增益足够高，能够把能量集中在一定的波束角度内，从而实现较远距离的通信。通信系统中常用高增益的定向天线作为其通信收发天线来提高通信距离；通信侦测和干扰系统中常用宽带定向天线来同时扩展其接收和发射的频带宽度和提高侦测和干扰距离。
随着无线电技术的发展，后端接收机的处理带宽越来越宽，对应的需要天线的工作带宽不断增加。虽然有对数周期天线和维瓦尔第天线能够实现优于5:1的带宽，但该类天线尺寸较大，影响众多平台载体的适装性；微带天线具有较低的剖面，但是其带宽通常较窄，无法应用于该类宽带系统。定向平板偶极子天线在剖面尺寸和带宽方面正好具有比较均衡的效果，Tu Z,Zhou D F,Zhang G Q在IEEE Antennas Wireless Propag Lett,2013；12:1610-1613发表的《A wideband cavity-Backed elliptical printed dipole antennawith enhanced radiation patterns》论文中提出的带背腔的椭圆形印刷偶极子天线实现了129％(VSWR＜2)的阻抗带宽，但其高频波束宽度急剧下降，H面最窄不到30°；何小煜,俞钰峰,张则涛在科学技术与工程，2015,15(17):1671-1815上发表的《一种用于频谱监测的宽带宽波束印刷偶极子天线》采用了窄反射板偶极子加引向器的方法来提高H面方向图的波束宽度，但其带宽变窄至96％，且带内VSWR至上升至最大2.7。综合各参考文献给出的宽带定向平板天线的性能，在超宽带和带内波束宽度性能等方面都还存在提升的空间。
发明内容
本申请的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，旨在不改变剖面高度的情况下提升天线的阻抗带宽和改善带内波束宽度性能。
为解决上述问题，本申请提出的一种基于蟹钳形振子的宽频带定向平板天线包括：蟹钳形振子印刷板、馈电巴伦组件、弓形折弯反射板、寄生单元、寄生单元支撑柱、调谐柱。所述蟹钳形振子印刷板为一片印刷PCB，其上面印刷了两片蟹钳方向朝外的振子片组合，每片蟹钳形状的振子在中心靠近的位置有三角形切角，且两片蟹钳形状的振子关于天线轴线中心对称且保持有一定的间隙；所述的馈电巴伦组件包括有馈电同轴组件、短路枝节和馈电片，其馈电同轴组件为一根带有射频电缆的电缆组件，短路直接为一根短路线，馈电片位于蟹钳形振子印刷板的上方用于连接短路枝节合馈电同轴组件的末端；馈电同轴组件的始端为一射频连接器，其末端穿过弓形折弯反射板后又再次穿过蟹钳形振子印刷板，并且同轴线的外导体与一片蟹钳形振子电连接；短路枝节与弓形折弯反射板和蟹钳振子的另外一片蟹钳形振子电连接；馈电片的一侧与短路枝节的末端电连接，零位一侧与馈电同轴组件的末端芯线相电连接。所述的弓形折弯反射板为一折弯金属板，其底部为凸起结构，两侧折边垂直与底面垂直；弓形折弯反射板的底部凸起结构上安装有馈电巴伦组件的馈电同轴组件和短路枝节，水平过渡部分上安装有调谐柱，两侧垂直折边部分支撑蟹钳振子印刷板；所述的寄生单元为一矩形金属板，其位于蟹钳振子印刷板的正上方位置，且通过寄生单元支撑柱固定在蟹钳振子印刷板上；所述的寄生单元支撑柱为4个非金属圆柱，其安装在蟹钳振子印刷板上，用于固定和支撑寄生单元；所述的调谐柱为2根金属圆柱，其位于弓形折弯反射板和蟹钳振子印刷板之间，其底部按在弓形折弯反射板的水平过渡段上，顶部支撑蟹钳振子印刷板。
上述宽频带定向平板天线在带有寄生单元的宽带偶极子平板天线的基础上集成了弓形反射底板结构、蟹钳形振子结构、对称振子相邻位置切角、蟹钳凹陷中心位置加载到地谐振柱结构等方法提升了定向平板天线的带宽，同时提升了高频位置的波束宽度。其中，弓形反射底板结构与辐射振子结合，由弓形反射底板垂直折弯部分和辐射振子的末端耦合，实现了低频段的阻抗匹配，弓形反射底板的中间凸起部分与辐射体之间的垂直间距的阶梯变换，用于改善高频段的阻抗特性和扩展高频方向图的波束宽度，且凸起部分如果采用弧线段变换阻抗匹配效果更好。蟹钳形振子结构是在常规矩形振子的基础上边缘弧线化，并采用振子上偏边缘位置的椭圆形切除方式形成蟹钳形式，用来控制与弓形反射底板边缘垂直折弯部分的电磁耦合，实现低频阻抗匹配，切除椭圆形的左右移动来调节耦合度，从而兼顾低频第一谐振频率点的频率位置和阻抗匹配程度的权衡考虑，即若第一谐振频率点的频率位置往低频偏移的话，其对应的电压驻波比值会偏高，当第一谐振点的频率位置往高频偏移的话，其对应的电压驻波比会低一些。蟹钳形振子结构的对称振子结构相邻位置切角用来改善高频段的阻抗匹配特性，使得天线获得较好的电压驻波比。弓形反射底板结构和蟹钳形振子结构之间还有谐振柱结构，其底部垂直与底板的安装平面并与底版电连接，其顶部位于蟹钳形振子的切除椭圆中心位置附近，用于调节低频第二谐振频率点的阻抗特性，用于改善第二谐振点附近的电压驻波比特性。
进一步地，蟹钳形振子印刷板上的蟹钳形振子末端仅挨弓形折弯反射板的折弯垂直部分，其形成了电磁耦合结构，其与蟹钳形振子的切除椭圆中心位置的到地加载调谐柱形成了对应低频部分的双谐振结构，通过调节蟹钳形振子末端与弓形折弯反射板的折弯垂直部分的间隙、切除椭圆部分中心位置、调谐柱的直径和位置等可以用于组合调节低频附近的宽带阻抗匹配；
进一步地，蟹钳形振子的印刷蟹钳形振子中间蟹钳凹形为切粗椭圆形获得，其方程表达式为：
其中，(x0，y0)为椭圆中心A点的坐标，通常其保持y0＝0，使得中心点位于单片印刷蟹钳振子的中心对称线上，通过x0的取值变化使得待切除的椭圆左右移动；a为椭圆在x轴方向的轴长，b为椭圆在y轴方向的轴长。
进一步地，蟹钳形振子印刷板的两侧搭在弓形折弯反射板的折弯垂直部分，印刷板的两侧受到折弯垂直部分的支撑，印刷板在中间部分还受到馈电巴伦组件、调谐柱等部分的支撑，具有稳定的结构。
进一步地，蟹钳振子印刷板中心位置到弓形折弯反射板底部的垂直间距D1小于其到水平过渡部分的垂直间距D2，蟹钳振子印刷板中心位置对应了蟹钳形振子对构造的偶极子天线的高频部分，对应的波长较短，其与底板之间的间距较小的D1也较为匹配；蟹钳形振子印刷板的两侧对应了蟹钳形振子对构造的偶极子天线的低频部分，对应的波长较长，其与底板之间的间距较大的D2也较为匹配。弓形折弯反射板的采用相比采用平板形反射板而言，其对于间距D1更有利于改善高频部分的阻抗，且由于高频部分间距D1更接近接近其谐振波长的1/4，也有利于高频部分的波束宽度往拓宽方向的改善。
进一步地，蟹钳振子印刷板上的对称分布的第一和第二蟹钳形振子由馈电巴伦组件平衡馈电。馈电巴伦组件安装在弓形反射底板上，其1/4波长短路枝节与底板电连接且穿过第一蟹钳振子并于之电连接；馈电同轴组件的同轴线的外导体与底板电连接，馈电同轴组件穿过第二蟹钳形振子且其外导体与第二蟹钳振子电连接；馈电片的两端分别连接了馈电同轴组件的芯线和1/4波长短路枝节的顶端；馈电同轴组件的芯线和同轴线外导体形成了对两片蟹钳振子的0和180°馈电，且通过短路枝节将第一蟹钳振子的馈电位置与地短接，形成了平衡馈电结构，避免了由于馈电同轴组件同轴线部分的电流不平衡而导致的天线辐射方向图偏转等缺点；
进一步地，所述馈电同轴组件的同轴线部分特性阻抗为50欧姆。50欧姆为常见同轴线的特性阻抗，也就是输入端口阻抗。本申请也可以选用不同特性阻抗的同轴线，可以通过调节天线的结构使天线的特性阻抗和输入端口进行阻抗匹配。
本申请取得的技术效果体现在如下几个方面。
第一，设计了蟹钳形振子末端与弓形折弯反射板折弯垂直部分的电磁耦合来降低低频第一谐振点的谐振频率，并通过调整蟹钳形振子与弓形折弯反射板折弯垂直部分的间距参量和切除椭圆的位置参数来综合获得最低频率的第一谐振点和第一谐振点的电压驻波比值，从而获得较好的综合阻抗匹配效果；
第二，设计了接地加载谐振柱，通过其穿过蟹钳振子上的椭圆切除部分的中心附近形成了低频第二谐振点的调节功能，其与上条所述的对第一谐振点的调谐可配合使用，获得更佳的宽频阻抗匹配效果；
第三，设计了弓形折弯反射板，其构造了可阶梯变换的辐射振子与底板之间的间距，改善了高频端的阻抗匹配特性，大大增加了高频端的阻抗匹配，同时也拓宽了高频端的波束宽度。
仿真表明，本申请提供的蟹钳振子宽带定向平板天线在0.6GHz至4.2GHz(7：1倍频程，相对带宽150％)的带内驻波比小于2.5；在0.6～3.3GHz(5.5：1倍频程，相对带宽138.5％)的带内增益在4～8dBi之间，带内方向图无裂瓣，且增益≥4dBi的带宽范围内的H面波束宽度均≥70°。
附图说明
图1为本发明的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线的结构示意图；
图2为本发明的蟹钳振子印刷板示意图；
图3为本发明的弓形折弯反射板和馈电同轴组件部分连接结构示意图；
图4为本发明实施例中电压驻波比曲线仿真结果图；
图5为本发明实施例中的增益曲线仿真结果图；
图6为本发明实施例中的H面方向图(0.6GHz、2GHz、3.3GHz频点)；
图中附图标记说明：1为蟹钳形振子印刷板；11为第一蟹钳振子；12为第二蟹钳振子；13为印刷PCB；2为馈电巴伦组件；21为馈电同轴线组件；22为1/4波长短路枝节；23为馈电片；3为弓形折弯反射板；4为寄生单元；5为寄生单元支撑柱；6为调谐柱。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1～图3，本申请的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线包括蟹钳形振子印刷板1、馈电巴伦组件2、弓形折弯反射板3、寄生单元4、寄生单元支撑柱5、调谐柱6。
所述的蟹钳形振子印刷板1的尺寸为长155mm、宽80mm，其上印刷了两片尺寸长72mm宽60mm的振子，分别为第一蟹钳振子11和第二蟹钳振子12，两振子关于中心对称，且间隙为3mm；两片对称的蟹钳形振子中心部分切角尺寸为8mm×16mm的三角形；两片蟹钳形振子两端的弧形切角为边长25mm的圆弧；切除椭圆部分的参数为a＝80mm，b＝32mm，椭圆中心位置A为(55mm，0mm)。
所述的馈电巴伦组件2包括有馈电同轴线组件21、1/4波长短路枝节22、馈电片23组成，馈电同轴线组件21和1/4波长短路枝节22安装在弓形折弯反射板3的中间折弯凸起上，且馈电同轴线组件21穿过第二蟹钳振子12、1/4波长短路枝节22穿过第一蟹钳振子11；1/4波长短路枝节21与馈电同轴线组件22的中心间距为Ds1＝12mm，其与蟹钳形振子印刷板1上的馈电开孔间距相等；馈电片23在蟹钳形振子印刷板1的上方，其为金属片结构，其两端分别与1/4波长短路枝节21的末端与馈电同轴线组件22的芯线末端电连接。
所述的弓形折弯反射板3的折弯后在X-Y方向的投影尺寸与蟹钳形振子印刷板1的尺寸一样，为长155mm、宽80mm，其折弯垂直部分的高度为D1＝42mm，中间凹陷折弯部分在底面长度L2＝50mm，中间凹陷折弯部分在顶部的长度为L1＝22mm，凹陷折弯部分的高度D3＝12mm。
所述的寄生单元4为边长56mm的正方形金属板，其位于蟹钳形振子印刷板1的正上方，距离蟹钳形振子印刷板1上方Hp＝20mm。
所述的寄生单元支撑柱5为4根正方形对称分布的非金属柱，其高度为Hp＝20mm，直径为6mm，相邻之间间距为40mm。
所述的调谐柱6为2根对称分布的直径10mm的金属柱，其高度为D1＝42mm，安装在弓形折弯反射板3上面，两根金属柱之间间距为DS2＝110mm；金属柱底端和顶端均开螺纹孔，通过螺钉固定在弓形折弯反射板3上和连接蟹钳形振子印刷板1。
通过电磁仿真软件对所述的蟹钳形振子宽频带定向平板天线进行仿真，得到如图4～6的仿真结果。
请参阅图4，提供的蟹钳振子宽带定向平板天线在0.6GHz至4.2GHz内驻波比小于2.5，其带宽达到了7：1倍频程，相对带宽150％。
请参阅图5，提供的蟹钳振子宽带定向平板天线在0.6GHz至3.3GHz内增益均≥4dBi，增益范围在4～8dBi，其带宽达到了5.5：1倍频程，相对带宽138.5％，带内方向图无裂瓣。
请参阅图6，提供的蟹钳形振子宽带定向天线在方向图无裂瓣带宽内的波束宽度均≥70°。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。本申请可以有各种更改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，包括：蟹钳形振子印刷板、馈电巴伦组件、弓形折弯反射板、寄生单元、寄生单元支撑柱、调谐柱；
所述蟹钳形振子印刷板为一片印刷PCB，其上面印刷了两片蟹钳方向朝外的振子片组合，左侧与短路枝节连接的振子称之为第一蟹钳形振子，右侧与馈电同轴组件连接的振子称之为第二蟹钳形振子；每片蟹钳形振子在中心靠近的位置有三角形切角，且两片蟹钳形振子关于天线轴线中心对称且保持有一定的间隙；蟹钳形振子与弓形折弯反射板的弓形折弯段顶部的间距小于蟹钳形振子与弓形折弯反射板的水平过渡段的间距；
所述的馈电巴伦组件包括有馈电同轴组件、短路枝节和馈电片，其馈电同轴组件为一根带有射频电缆的电缆组件，短路枝节为一段金属连接件，馈电片位于蟹钳形振子印刷板的上方用于连接短路枝节和馈电同轴组件的末端；馈电同轴组件的始端为一射频连接器，其末端穿过弓形折弯反射板后又再次穿过蟹钳形振子印刷板，并且馈电同轴组件的同轴线外导体与一片蟹钳形振子电连接；短路枝节与弓形折弯反射板和蟹钳形振子的另外一片蟹钳形振子电连接；馈电片的一侧与短路枝节的末端电连接，另外一侧与馈电同轴组件的末端芯线相电连接；
所述的弓形折弯反射板为一折弯金属板，其底部为凸起结构，两侧垂直折边部分与底面垂直；弓形折弯反射板的底部凸起结构上安装有馈电巴伦组件的馈电同轴组件和短路枝节，水平过渡段上安装有调谐柱，两侧垂直折边部分支撑蟹钳形振子印刷板；
所述的寄生单元为一矩形金属板，其位于蟹钳形振子印刷板的正上方位置，且通过寄生单元支撑柱固定在蟹钳形振子印刷板上；
所述的寄生单元支撑柱为4个非金属圆柱，其安装在蟹钳形振子印刷板上，用于固定和支撑寄生单元；
所述的调谐柱为2根金属圆柱，其位于弓形折弯反射板和蟹钳形振子印刷板之间，调谐柱底部安装在弓形折弯反射板的水平过渡段上，调谐柱顶部支撑蟹钳形振子印刷板。
2.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的短路枝节与第一蟹钳形振子的靠近内侧位置电连接，该短路枝节为1/4波长；馈电同轴组件的同轴线外皮与第二蟹钳形振子靠近内侧位置电连接，且馈电同轴组件的芯线通过馈电片与穿过第一蟹钳形振子的短路枝节末端电连接，形成了对两片蟹钳形振子的0和180°馈电，通过短路枝节将第一蟹钳形振子的馈电位置与地短接，形成了平衡馈电结构，避免了由于馈电同轴组件同轴线部分的电流不平衡而导致的天线辐射方向图偏转。
3.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的寄生单元位于蟹钳形振子印刷板的正上方，其用于扩展定向平板天线的阻抗和方向图带宽。
4.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的蟹钳形振子印刷板其蟹钳形振子末端与弓形折弯反射板的两侧垂直折边部分形成了电磁耦合，通过调整蟹钳形振子末端与弓形折弯反射板两侧垂直折边部分的间距来调整低频段阻抗匹配特性。
5.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的蟹钳形振子印刷板上的印刷蟹钳形振子中间蟹钳凹形为椭圆形，其方程表达式为：
其中，(x0，y0)为椭圆中心A点的坐标，通常其保持y0＝0，使得中心点位于单片印刷蟹钳形振子的中心对称线上，通过x0的取值变化使得待切除的椭圆左右移动；a为椭圆在x轴方向的轴长，b为椭圆在y轴方向的轴长。
6.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的蟹钳形振子印刷板与弓形折弯反射板之间还有两根调谐柱，其中心位于蟹钳切除椭圆的中心位置A点附近，调谐柱的直径和位置参数均可以调整，用于调整低频位置的第二谐振点的阻抗匹配特性。
7.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的蟹钳形振子印刷板中心位置到弓形折弯反射板底部的垂直间距D1小于其到水平过渡段的垂直间距D2，主要用于调整高频段的阻抗匹配和扩宽高频波束宽度。
8.根据权利要求1所述的一种蟹钳形振子的宽频带定向平板天线，其特征在于，所述的两片蟹钳形振子靠近中间的位置上都进行了三角形切角，用于调整高频段的阻抗匹配。
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