CN1832252A - 一种交叉馈电宽带全向天线 - Google Patents

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苏东林
丁轲佳
王冰切
欧阳绍修
彭飞
杨智辉
李汉西
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Abstract

本发明公开了一种交叉馈电宽带全向天线，采用双面覆铜印刷在微波介质板上形成上层天线单元和下层天线单元，上层天线单元和下层天线单元上设有金属过孔。上层天线单元由连接线、辐射单元A和辐射单元B构成；连接线上设有馈电端口；下层天线单元由连接线、辐射单元A和辐射单元B构成；连接线上设有馈电端口；上层天线单元的辐射单元A与下层天线单元的辐射单元A构成容性负载的对称振子天线辐射装置A；上层天线单元的辐射单元B与下层天线单元的辐射单元B构成容性负载的对称振子天线辐射装置B；上层天线单元的连接线和下层天线单元的连接线构成平行宽边耦合双线；所述平行宽边耦合双线对所述容性负载的对称振子天线辐射装置A和所述容性负载的对称振子天线辐射装置B进行交叉馈电。

Description

一种交叉馈电宽带全向天线
技术领域
本发明涉及一种印制在介质板上的天线，更特别地说，是指一种具有容性负载辐射单元的交叉馈电宽带全向天线。
背景技术
印制天线具有低剖面、易加工、成本低、能与有源器件集成等独特优点，因而应用范围广泛，引起人们极大兴趣。针对印制天线的研究发展迅速，已成为天线学科的一个重要研究方向。
印制天线普遍存在的缺点是带宽较窄，这限制了它在宽带情况下的应用。如何展宽带宽是其重要研究内容，目前提出的技术有加厚基板或采用厚空气介质；采用相对介电常数εr较小或损耗角正切tanδ较大的基板、电容馈电(阻抗匹配)；采用锲形或梯形基板、采用对数周期结构、附加无源贴片、多层结构、在贴片或接地板上开缝、使用电阻加载等等。这些技术往往在某些方面存在缺陷或者频带扩展效果有限，比如采用厚基板容易激励表面波；附加无源贴片、采用多层结构会增大天线尺寸，增加加工难度，提高成本；开缝往往会恶化天线方向性、交叉极化性能；电阻加载则会增加天线的损耗等。
发明内容
本发明的目的是提供一种交叉馈电宽带全向天线，所述全向天线采用平行宽边耦合双线与两组容性负载辐射装置进行交叉馈电，每组容性负载辐射装置由两个存在耦合的宽偶极子并联而成。
本发明是一种交叉馈电宽带全向天线，所述天线采用双面覆铜印刷在微波介质板上形成上层天线单元和下层天线单元，上层天线单元和下层天线单元上设有金属过孔；所述上层天线单元由连接线、辐射单元A和辐射单元B构成；连接线上设有馈电端口；辐射单元A由宽对称振子A和宽对称振子B组成，宽对称振子A与宽对称振子B的反相端通过连接体并联，宽对称振子A与宽对称振子B的同相端通过连接体并联；辐射单元B由宽对称振子C和宽对称振子D组成，宽对称振子C与宽对称振子D的同相端通过连接体并联，且通过金属过孔与连接体并联；连接线的一端与宽对称振子A和宽对称振子B的同相端连接，另一端与宽对称振子C和宽对称振子D的同相端连接；所述下层天线单元由连接线、辐射单元A和辐射单元B构成；连接线上设有馈电端口；辐射单元A由宽对称振子E和宽对称振子F组成，宽对称振子E与宽对称振子F的反相端通过连接体并联，且通过金属过孔与连接体并联；辐射单元B由宽对称振子G和宽对称振子H组成，宽对称振子G与宽对称振子H的同相端通过连接体并联，宽对称振子G与宽对称振子H的反相端通过连接体并联；连接线的一端与宽对称振子E和宽对称振子F的反相端连接，另一端与宽对称振子G和宽对称振子H的反相端连接。
所述交叉馈电宽带全向天线，其上层天线单元的辐射单元A与下层天线单元的辐射单元A构成一组容性负载的对称振子天线辐射装置A；所述上层天线单元的辐射单元B与所述下层天线单元的辐射单元B构成另一组容性负载的对称振子天线辐射装置B。所述上层天线单元的连接线和所述下层天线单元的连接线构成平行宽边耦合双线；所述平行宽边耦合双线对所述容性负载的对称振子天线辐射装置A和所述容性负载的对称振子天线辐射装置B进行交叉馈电。
本发明交叉馈电宽带全向天线的优点在于：交叉馈电结构能够保证两组辐射装置同相辐射以提高天线增益，同时起匹配阻抗的作用；使用宽偶极子以及偶极子间的耦合能够减缓辐射单元输入阻抗随频率的变化，增加带宽。理论分析和数值计算表明，这种结构的天线能够在厚度1mm、εr＝2.6的基板上实现53％(电压驻波比VSWR＜2.0)的阻抗带宽，在该频带范围内方向图没有裂瓣、水平全向。该天线易于加工、成本低、性能好。
附图说明
图1A是本发明的上层天线结构图。
图1B是本发明的下层天线结构图。
图2A是上层天线结构示意图。
图2B是下层天线结构示意图。
图3是本发明天线输入阻抗的史密斯(Smith)圆图。
图4是本发明天线的驻波比图。
图5A是E面方向性图。
图5B是H面方向性图。
图5C是E面主极化分量与交叉极化分量对比图。
图中：                1.介质板           2.上层天线           201.宽对称振子A
202.宽对称振子B       203.宽对称振子C    204.宽对称振子D      210.连接线
211.连接体            212.连接体         213.连接体           3.馈电端口
4.金属过孔            5.下层天线         501.宽对称振子E      502.宽对称振子F
503.宽对称振子G       504.宽对称振子H    510.连接线           511.连接体
512.连接体            513.连接体         6.馈电端口           7.辐射单元A
8.辐射单元B           9.辐射单元A        10.辐射单元B         11.金属过孔
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1A、图1B、图2A和图2B所示，本发明是一种交叉馈电宽带全向天线，所述天线采用双面覆铜印刷在微波介质板1上形成上层天线单元2和下层天线单元5，上层天线单元2和下层天线单元5上设有金属过孔；所述上层天线单元2由连接线210、辐射单元A7和辐射单元B8构成；连接线210上设有馈电端口3；辐射单元A7由宽对称振子A201和宽对称振子B202组成，宽对称振子A201与宽对称振子B202的反相端通过连接体212并联，宽对称振子A201与宽对称振子B202的同相端通过连接体213并联；辐射单元B8由宽对称振子C203和宽对称振子D204组成，宽对称振子C203与宽对称振子D204的同相端通过连接体211并联，且通过金属过孔11与连接体513并联；连接线210的一端与宽对称振子A201和宽对称振子B202的同相端连接，另一端与宽对称振子C203和宽对称振子D204的同相端连接；所述下层天线单元5由连接线510、辐射单元A9和辐射单元B10构成；连接线510上设有馈电端口6；辐射单元A9由宽对称振子E501和宽对称振子F502组成，宽对称振子E501与宽对称振子F502的反相端通过连接体512并联，且通过金属过孔4与连接体213并联；辐射单元B10由宽对称振子G503和宽对称振子H504组成，宽对称振子G503与宽对称振子H504的同相端通过连接体511并联，宽对称振子G503与宽对称振子H504的反相端通过连接体513并联；连接线510的一端与宽对称振子E501和宽对称振子F502的反相端连接，另一端与宽对称振子G503和宽对称振子H504的反相端连接。
在本发明中，所述上层天线单元2的辐射单元A7与所述下层天线单元5的辐射单元A9构成一组容性负载的对称振子天线辐射装置A；所述上层天线单元2的辐射单元B8与所述下层天线单元5的辐射单元B10构成另一组容性负载的对称振子天线辐射装置B。所述上层天线单元2的连接线210和所述下层天线单元5的连接线510构成平行宽边耦合双线；所述平行宽边耦合双线对所述容性负载的对称振子天线辐射装置A和所述容性负载的对称振子天线辐射装置B进行交叉馈电。
本发明交叉馈电宽带全向天线的结构设计采用印刷电路工艺，在微波介质板1上两面印制相同的辐射装置(上层天线的辐射单元A和B，下层天线的辐射单元A和B)和连接线。微波介质板1的上层和下层中的连接线组成的平行宽边耦合双线对辐射装置是交叉馈电的，以保证两个辐射装置同相辐射。
在介电常数εr＝2.6、厚h＝1mm的微波介质板1上设计了一个工作于2.5GHz～5.0GHz频段的全向天线(图1A、图1B所示)。采用有限元方法对该天线的主要特性进行分析，结果如图3所示。图中，本发明天线输入阻抗随频率变化的特性，在2.5GHz～5.0GHz的工作频段中，输入阻抗接近50Ω，易于匹配。由图4可以看出该天线在2.8GHz～4.8GHz范围内，电压驻波比VSWR＜2，相对带宽达53％。在图5A、图5B和图5C中可以看到，该天线在2.7GHz～4.5GHz频段范围内，H面方向图都具有良好的全向特性，不圆度小于2dB；E面方向图副瓣较小，低于主瓣13dB；天线增益随频率增加而增加，在3.5GHz～4.0GHz频段范围内，交叉极化特性良好，主瓣方向交叉极化抑制大于31dB。由于天线为中心对称结构，其相位中心不会随频率改变移动。
本发明的新型交叉馈电宽带天线，使用平行宽边耦合双线(连接线210和连接线510组成)对两组容性负载的对称振子天线辐射装置A和B进行交叉馈电。使用有限元方法对该天线特性进行计算，结果表明：该天线能够在厚度1mm、εr＝2.6的基板上实现53％带宽(电压驻波比VSWR＜2.0)，并且频段内方向图主瓣不会分裂，增益达4.8dBi，相位中心不随工作频率改变而改变。克服了其他一些展宽频带方法所存在的缺点。
该宽带印制天线结构简单、易于设计，可调整的参数较多，可以作为印制对数周期天线、印制八木天线或天线阵的阵元，应用前景广阔。

Claims (2)

1、一种交叉馈电宽带全向天线，所述天线采用双面覆铜印刷在微波介质板(1)上形成上层天线单元(2)和下层天线单元(5)，上层天线单元(2)和下层天线单元(5)上设有金属过孔，其特征在于：
所述上层天线单元(2)由连接线(210)、辐射单元A(7)和辐射单元B(8)构成；连接线(210)上设有馈电端口(3)；辐射单元A(7)由宽对称振子A(201)和宽对称振子B(202)组成，宽对称振子A(201)与宽对称振子B(202)的反相端通过连接体(212)并联，宽对称振子A(201)与宽对称振子B(202)的同相端通过连接体(213)并联；辐射单元B(8)由宽对称振子C(203)和宽对称振子D(204)组成，宽对称振子C(203)与宽对称振子D(204)的同相端通过连接体(211)并联，且通过金属过孔(11)与连接体(513)并联；连接线(210)的一端与宽对称振子A(201)和宽对称振子B(202)的同相端连接，另一端与宽对称振子C(203)和宽对称振子D(204)的同相端连接；
所述下层天线单元(5)由连接线(510)、辐射单元A(9)和辐射单元B(10)构成；连接线(510)上设有馈电端口(6)；辐射单元A(9)由宽对称振子E(501)和宽对称振子F(502)组成，宽对称振子E(501)与宽对称振子F(502)的反相端通过连接体(512)并联，且通过金属过孔(4)与连接体(213)并联；辐射单元B(10)由宽对称振子G(503)和宽对称振子H(504)组成，宽对称振子G(503)与宽对称振子H(504)的同相端通过连接体(511)并联，宽对称振子G(503)与宽对称振子H(504)的反相端通过连接体(513)并联；连接线(510)的一端与宽对称振子E(501)和宽对称振子F(502)的反相端连接，另一端与宽对称振子G(503)和宽对称振子H(504)的反相端连接。
2、根据权利要求1所述的交叉馈电宽带全向天线，其特征在于：所述上层天线单元(2)的辐射单元A(7)与所述下层天线单元(5)的辐射单元A(9)构成容性负载的对称振子天线辐射装置A；所述上层天线单元(2)的辐射单元B(8)与所述下层天线单元(5)的辐射单元B(10)构成容性负载的对称振子天线辐射装置B；所述上层天线单元(2)的连接线(210)和所述下层天线单元(5)的连接线(510)构成平行宽边耦合双线；所述平行宽边耦合双线对所述容性负载的对称振子天线辐射装置A和所述容性负载的对称振子天线辐射装置B进行交叉馈电。
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