CN1203578C - 小型水平极化超高频缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
一种小型水平极化超高频缝隙天线属于无线通信领域。本发明采用端点馈电的四分之一波长的缝隙天线，缝隙开在金属空心管上，加折缝、下端开口处平衡馈电的缝隙，在金属空心管对称位置开另一条相同缝隙，两者之间用二分之一波长传输线连接馈电，缝隙和缝隙为倒L形并下端开口，缝隙和缝隙开口两端处平衡馈电。本发明实现了大于相同尺寸普通振子天线的增益；实现了水平极化接收，克服了传统哀福特缝隙天线几何参数、电特性对频率敏感变化的缺点，更便于设计、调试；方向图特性在全向性方面差于理想情况下的哀福特缝隙天线，但比后者更稳定，而且除了两个凹陷区域，其他区域波动很小，这一方向图将足以满足城市移动数字电视的接收要求。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水平极化接收天线，特别是一种小型水平极化超高频缝隙天线，属于无线通信领域。
背景技术
目前，以移动通信为代表的无线通信发展迅速。随着通信容量、质量、内容等要求的提高和集成电路技术的发展，多媒体数字通信方式越来越受到人们的重视，同时移动接收因其极大地满足用户的需求而成为主要通信方式之一。因而对接收天线也提出了越来越高的要求。例如最近上海市数字电视已经开播，而公交车、各类小轿车等将是主要用户之一。我国电视发射大都采用水平极化方式，因此研究开发小型水平极化UHF(超高频)接收天线成为当务之急。同时这类天线也是采用水平极化的通信系统中车载设备的关键部分。
天线形式成千上万，但小型水平极化UHF天线一直是天线设计中的一个难点，主要矛盾在于要求在限定的几何参数和物理条件下在UHF波段实现水平极化接收。经文献检索发现，1946年由Andrew Alford提出的哀福特缝隙(Alford Slot)天线具有水平极化收、发功能，其结构是在一个圆形金属空心管上沿轴向开一条缝隙。但有关这一天线的辐射机理还不清楚、设计方法还不成熟。为了满足数字电视移动接收的需要，最近欧、美的天线研究者进行了哀福特缝隙天线的设计和测试，在
http：//www.qsl.net/kd2bd/atv.html上报道了“Measured Performance Of The WB0QCD Alford-Slot Antenna”(WB0QCD哀福特缝隙天线的测量性能)，报道说″5.6dBd gain...flat VSWR and good gainbandwidth performance over the entire 420-440MHz band...″(增益5.6dB，在整个420-440MHz频带内具有平坦的驻波特性和良好的增益带宽性能)。但是这一研究结果还很不成熟，增益、方向图、输入电压驻波比等参数随着频率敏感变化。方向图在俯仰面内可能出现栅瓣并且最大值不在水平方向，天线增益测试结果极不稳定，起伏可能大于4dB，最小驻波比仅为在420-440MHz频带内2∶1。即使认可其水平极化辐射特性而放宽对其他电性能参数的要求，大于2倍波长的结构在UHF波段也很难在实际车载系统中使用的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种小型水平极化超高频缝隙天线，使其既满足水平极化收发特性又具有紧凑的几何结构，能够适合于车载等移动场合应用需要并具有高增益。本发明是通过以下技术方案实现的，为了实现小电尺寸水平极化接收，本发明采用端点馈电的四分之一缝隙波长的缝隙天线，并加折缝以提高天线的有效长度，而为了提高增益，在对称位置开另一条相同缝隙，两者之间用二分之一波长传输线连接馈电，在金属空心管上开有两条倒L形折缝，缝隙下端开口，开口两端处平衡馈电。在电视频段金属空心管可以用铜管或铝管，若在更高波段使用，可以使用具有更高导电率的金属空心管材或进行镀银等处理。
本发明天线金属空心管底部开口，缝隙从底部起垂直(沿金属空心管轴向)向上，经一定距离后垂直(沿周向)曲折。缝隙曲折处上部沿45度角切角，切角的起始点和终止点分别为两条缝隙的中心轴线的曲折处端点。将金属空心管展开后，两条缝隙的相对位置为任何相同点之间(如底部开口处中心轴线之间)距离为二分之一周长，两条缝隙曲折方向相同。
如果应用中允许长度略大于四分之一缝隙波长，可以采用直缝缝隙形式；如果应用场合对长度限制严格，可以采用折缝、门形缝缝隙形式，折缝、门形缝总长度为四分之一缝隙波长，总长度包括沿金属空心管轴向的垂直部分长度、沿金属空心管周向的曲折部分长度和缝隙曲折引起的等效长度，该等效长度等于缝隙宽度。折缝的目的在于在同样几何长度下提高天线有效长度。由于双折缝天线的弯曲部分不得超过二分之一周长，在小尺寸限制了有效长度的提高的情况下，可以采用双门形缝隙形式，即在沿周向弯曲一定距离后再向下弯曲。
为了提高天线增益，可以在圆周上对称地开多条缝隙，如：圆周上以180°为间隔对称开两条缝隙；或圆周上以90°为间隔对称开四条缝隙。
本发明天线在缝隙下方馈电点平衡馈电，同轴电缆线馈电的情况下可以采用磁性线圈(balun)、二分之一波长U形管、四分之一波长扼流槽等平衡—不平衡转换器；两条缝隙的情况下两槽之间用二分之一波长对称传输线连接；两条缝隙的情况下也可以用两根二分之一波长75欧姆同轴电缆线，一头直接连接在馈电点，另一头芯线对芯线、外导体对外导体连接，然后分别与75欧姆馈电同轴电缆线的芯线和外导体连接；由于天线馈电点输入阻抗还与金属空心管材料、厚度等有关，并可能引入电抗分量，可以调节上述二分之一波长同轴电缆线的长度，抵消电抗分量，实现匹配；四条缝隙的情况下，可以首先用四分之一波长同轴电缆线从馈电点引出，并两两相接；然后再分别与二分之一波长同轴电缆线连接；最后两条二分之一波长同轴电缆线再相接并与馈电同轴电缆线相接；同轴电缆线之间的各个连接处均为内外导体分别对应连接；为了克服材料、管壁厚度等引起的阻抗的变化和抵消电抗分量，可以改变二分之一波长同轴电缆线的长度实现调节阻抗匹配的目的。
本发明利用哀福特缝隙天线原理克服了其几何尺寸过大无法在实际移动数字电视接收中使用的缺点。实验表明，缝隙波长大于实际波长，约为1.5倍。因此在1.5倍波长的范围内，缝隙上的等效磁流将是同相分布的，可以用单个天线实现大于普通振子天线的增益。换言之，如果进行终端加载，就可以在比普通加载振子天线更大的范围内实现更均匀的等效磁流分布，在相同长度下提高了天线增益，而沿缝隙的磁流对应于水平方向的电场分布，使得天线具有水平极化的性能。
鉴于以上原理，本发明采用终端加载缝隙，为了减小尺寸，采用四分之一波长缝隙，由于移动数字电视接收等实际使用中天线安装在汽车上，由镜象原理，将能够达到近似二分之一波长天线的效果。为了进一步减小尺寸，进行终端加载，以提高纵向长度内的有效长度。加载的方式有很多种，如终端弯曲。由于弯曲是沿着金属空心管的周向的，将不会增加天线的几何尺寸。同时为了提高增益并克服折缝引起的结构不对称导致的方向图不均匀性，采用多缝隙方式，如在对称位置开两条相同的缝隙，两者之间用二分之一波长传输线连接，由于天线空间旋转角度与相位延迟等价(如螺旋天线等)，上述两条缝隙就可以实现空间辐射同相迭加。
由于双折缝天线的弯曲部分不得超过二分之一周长，在小尺寸情况下限制了有效长度的提高，可以采用双门形缝隙形式，将进一步提高缝隙上等效磁流分布的均匀性，并且在两条缝隙之间增加了隔离，减少了互耦影响。上述诸因素将提高天线的增益的同时增加E面方向图的均匀性。
本发明具有实质性特点和显著进步，实现了大于相同尺寸普通振子天线的增益，双折缝天线以接近四分之一缝隙波长的缝隙达到与普通半波振子天线相同的增益，而双门形缝隙更是以略长于四分之一缝隙波长的缝隙长度实现了大于普通半波振子天线1dB以上的增益；实现了水平极化接收，克服了传统哀福特缝隙天线几何参数、电特性对频率敏感变化的缺点(如在UHF波段的13MHz的频率范围内，0.75波长的缝隙长度，增益从大于普通振子天线1.5dB减少到小于普通振子天线)，减少了缝隙长度对频率、方向图等的敏感性，更便于设计、调试；方向图特性在全向性方面差于理想情况下的哀福特缝隙天线，但比后者更稳定，而且除了两个凹陷区域，其他区域波动很小，由于城市中多径效应复杂，来波信号方向将不是唯一的，这一方向图将足以满足城市移动数字电视的接收要求。
附图说明
图1本发明双折缝天线结构示意图
图2本发明双折缝天线轴向展开示意图
图3本发明双门形缝隙天线结构示意图
图4本发明双门形缝隙天线轴向展开示意图
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示，本发明采用端点馈电的四分之一波长的缝隙天线，缝隙开在金属空心管3上，加折缝、下端开口处平衡馈电的缝隙1，在金属空心管3对称位置开另一条相同缝隙2，两者之间用二分之一波长传输线连接馈电，缝隙1和缝隙2为倒L形并下端开口，缝隙1和缝隙2开口两端处平衡馈电。
金属空心管3底部开口，缝隙1和2从底部起沿金属空心管轴向垂直向上，经一定距离后沿周向垂直曲折，缝隙1和2曲折处上部沿45度角切角，切角的起始点和终止点分别为两条缝隙的中心轴线的曲折处端点，金属空心管3展开后，两条缝隙的相对位置为任何相同点之间的距离为二分之一周长，两条缝隙1和2曲折方向相同。
本发明天线采用直缝或采用折缝、门形缝缝隙形式，折缝、门形缝总长度为四分之一缝隙波长，总长度包括沿金属空心管3轴向的垂直部分长度、沿金属空心管3周向的曲折部分长度和缝隙曲折引起的等效长度，该等效长度等于缝隙宽度；双折缝天线的弯曲部分小于二分之一周长，在小尺寸限制了有效长度提高的情况下，采用双门形缝隙形式，即在沿周向弯曲后再向下弯曲。
提高天线增益通过在圆周上对称地开多条缝隙，如：圆周上以180°为间隔对称开两条缝隙；或圆周上以90°为间隔对称开四条缝隙。
本发明在缝隙1和2下方馈电点4平衡馈电，同轴电缆线馈电的情况下采用磁性线圈、二分之一波长U形管、四分之一波长扼流槽等平衡—不平衡转换器；两条缝隙的情况下，两缝隙之间用二分之一波长对称传输线连接，或用两根二分之一波长75欧姆同轴电缆线，一头直接连接在馈电点4，另一头芯线对芯线、外导体对外导体连接，然后分别与75欧姆馈电同轴电缆线的芯线和外导体连接；抵消电抗分量，实现匹配通过调节上述二分之一波长同轴电缆线的长度实现；四条缝隙的情况下，用四分之一波长同轴电缆线从馈电点4引出，并两两相接，再分别与二分之一波长同轴电缆线连接，最后两条二分之一波长同轴电缆线再相接并与馈电同轴电缆线相接，同轴电缆线之间的各个连接处均为内外导体分别对应连接，改变二分之一波长同轴电缆线的长度实现调节阻抗的匹配。
结合本发明的内容提供以下实施例：
实施例1：双折缝天线
实际加工了一副双折缝天线，并实验测量了该天线的主要电性能参数S11、电压驻波比、增益和方向图。该天线设计调谐于800MHz。S11和电压驻波比的实际测量结果显示实际上存在两个谐振点，分别为800MHz和815MHz，驻波比小于1.6的带宽达58MHz(766-824MHz)。该例天线的E面(θ＝90°，水平面内)方向图实验测量结果表明：在120°范围内方向图起伏小于2dB、在270°范围内方向图起伏小于5dB。最大凹陷深度为12dB。有两个凹陷点，发生的位置基本对称。实测天线增益大于2dBi。
实施例2：双门形缝天线
实际加工了一副双门形缝隙天线，并实验测量了该天线的主要电性能参数S11、电压驻波比、增益和方向图。该天线设计调谐于722MHz(39频道)。S11和电压驻波比的实际测量结果显示实际上存在两个谐振点，分别为722MHz和748MHz，驻波比小于1.6的带宽达48MHz(706.5-754.5MHz)。该例天线的E面(θ＝90°，水平面内)方向图实验测量结果表明：在120°范围内方向图起伏小于1dB、在260°范围内方向图起伏小于5dB。最大凹陷深度为14dB。有两个凹陷点，发生的位置基本对称。实测天线增益大于3dBi。
Claims (7)
1、一种小型水平极化超高频缝隙天线，其特征在于：采用端点平衡馈电的四分之一波长的缝隙天线，缝隙(1)沿金属空心管(3)的轴向方向垂直地开在该金属空心管上，在金属空心管(3)的轴向对称位置开另一条相同缝隙(2)，上述两条缝隙下端开口用二分之一波长传输线连接并馈电，上述两条缝隙可以是直缝、倒L形折缝或者门形缝，还可以在圆周上对称地分布超过两条缝隙。
2、根据权利要求1所述的小型水平极化超高频缝隙天线，其特征是采用直缝或采用折缝、门形缝缝隙形式，折缝、门形缝总长度为四分之一缝隙波长，总长度包括上述两条缝隙沿金属空心管(3)轴向的垂直部分长度、沿金属空心管(3)周向的曲折部分长度和上述两条缝隙曲折引起的等效长度，该等效长度等于缝隙宽度，双折缝天线的曲折部分小于二分之一周长。
3、根据权利要求2所述的小型水平极化超高频缝隙天线，其特征是在所述金属空心管尺寸限制所述总长度增加的情况下，采用门形缝隙形式，即在沿周向弯曲后再向下弯曲。
4、根据权利要求1所述的小型水平极化超高频缝隙天线，其特征是上述两条缝隙从底部起沿金属空心管轴向垂直向上，经一定距离后沿周向垂直曲折，上述两条缝隙曲折处上部具有沿45度切角，切角的起始点和终止点分别为两条缝隙的中心轴线的曲折处端点条。
5、根据权利要求1所述的小型水平极化超高频缝隙天线，其特征是在上述两条缝隙下方馈电点(4)馈电，同轴电缆线馈电的情况下采用磁性线圈、二分之一波长U形管、四分之一波长扼流槽等平衡—不平衡转换器。
6、根据权利要求5所述的小型水平极化超高频缝隙天线，其特征是两条缝隙的情况下，两缝隙之间用二分之一波长对称传输线连接，或用两根二分之一波长75欧姆同轴电缆线，一头直接连接在馈电点(4)，另一头芯线对芯线、外导体对外导体连接，然后分别与75欧姆馈电同轴电缆线的芯线和外导体连接，抵消电抗分量，实现匹配通过调节上述二分之一波长同轴电缆线的长度实现。
7、根据权利要求1所述的小型水平极化超高频缝隙天线，其特征是四条缝隙的情况下，用四分之一波长同轴电缆线从馈电点(4)引出，并两两相接，再分别与二分之一波长同轴电缆线连接，最后两条二分之一波长同轴电缆线再相接并与馈电同轴电缆线相接，同轴电缆线之间的各个连接处均为内外导体分别对应连接，改变二分之一波长同轴电缆线的长度实现调节阻抗的匹配。
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