CN1881685A - 交叉馈电宽带印制八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交叉馈电宽带印制八木天线,采用双面覆铜工艺在微波介质板的两面板上分别覆铜出有源振子、引向器和反射器。印制在微波介质板上面板的有源振子、引向器和反射器形成上层天线单元,有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;印制在微波介质板下面板的有源振子、引向器和反射器形成下层天线单元,有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;所述微波介质板上设有两组金属过孔,用于有源振子和有源振子的辐射单元电连接;本发明八木天线适于与超宽带(UWB)定向无线通讯中的射频系统进行电路结构集成。

Description

交叉馈电宽带印制八木天线
技术领域
本发明涉及一种印制在微波介质板上的适用于无线通讯射频系统的交叉馈电宽带印制八木天线,其具有容性负载辐射单元结构。
背景技术
八木天线又称引向天线、波渠天线,由一根有源振子和多根无源振子组成。有源振子通常为半波单振子或折合振子;无源振子是若干孤立的金属杆,它与馈线及有源振子不直接联接。
有源振子被馈电后向空间辐射电磁波,使无源振子产生感应电流也产生辐射。当改变无源振子的长度及其与有源振子之间的距离时,无源振子上的感应电流的幅度及相位也随之变化,可以影响有源振子的方向图。若无源振子与有源振子之间的距离小于λ/4,无源振子比有源振子短时,整个电磁波能量将在无源振子方向增强;无源振子比有源振子长时,将在无源振子方向减弱。无源振子比有源振子短的称为引向器,无源振子比有源振子长的称为反射器。根据实践表明,在有源振子后面多加几个引向器对提高天线增益收效甚微,而在有源振子前面多增加引向器则能够明显提高天线增益;故通常八木天线只有一个反射器,而具有多个引向器。八木天线具有结构简单、馈电方便、易于制作等突出优点,应用较广;其缺点是当引向器数目较多时调整困难,而且频带较窄。一种典型的六单元八木天线(请参见图1A所示),由四个引向器(引向器A 103、引向器B 104、引向器C 105和引向器D 106)、一个有源振子101、一个反射器102组成,能够提供10dB的方向性增益和10%的相对带宽;通过对天线的参数进行调整,能够实现40%的相对带宽,但要损失5dB的方向性增益。
现代无线通讯对天线提出小型化、宽带化、高增益的需求,传统八木天线无法同时满足上述需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种交叉馈电宽带印制八木天线,采用双面覆铜工艺在微波介质板上印制有源振子、宽带的引向器和反射器构成,在保留传统八木天线结构简单、馈电方便、易于制作、增益较高等优点的同时,明显压缩了尺寸、增加了带宽。本发明的印制八木天线能够满足超宽带(UWB)通信对天线单元的要求,并且适于与无线通讯中的射频系统集成。其有源振子采用平行宽边耦合双线与两组容性负载辐射单元进行交叉馈电,每组容性负载辐射单元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印制八木天线,由有源振子、引向器和反射器构成,所述有源振子、引向器和反射器采用双面覆铜工艺印制在微波介质板的两面板上,印制在微波介质板上面板的有源振子、引向器和反射器形成上层天线单元,有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;印制在微波介质板下面板的有源振子、引向器和反射器形成下层天线单元,有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;所述微波介质板上设有两组金属过孔,用于上层有源振子和下层有源振子的辐射单元电连接;
所述上层天线单元由反射器A、反射器B、有源振子、引向器A、引向器B、引向器C和引向器D组成,所述反射器A和反射器B印制在同一直线上,引向器A和引向器C印制在同一直线上,且与印制在同一直线上的引向器B和引向器D保持平行;所述有源振子与反射器A和反射器B与引向器A和引向器C与引向器B和引向器D互相平行布置;
所述下层天线单元由反射器A、反射器B、有源振子、引向器A、引向器B、引向器C和引向器D组成,所述反射器A和反射器B印制在同一直线上,引向器A和引向器C印制在同一直线上,且与印制在同一直线上的引向器B和引向器D保持平行;所述有源振子与反射器A和反射器B与引向器A和引向器C与引向器B和引向器D互相平行布置;
所述上层天线单元的有源振子由连接线、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;
所述下层天线单元的有源振子由连接线、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印制八木天线的优点在于: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56%(电压驻波比VSWR<2.0)的阻抗带宽,在该频带范围内实现7.2~11.5dB的方向性增益。该八木天线易于加工、成本低、性能好。本发明交叉馈电宽带印制八木天线能够与无线通讯中射频系统进行电路集成为一体。
附图说明
图1是本发明交叉馈电宽带印制八木天线的结构图。
图1A是传统六单元八木天线的结构图。
图2A是上层天线单元的布局图。
图2B是下层天线单元的布局图。
图3A是上层有源辐射单元的结构示意图。
图3B是下层有源辐射单元的结构示意图。
图4是天线驻波比图。
图5是天线输入的史密斯(Smith)圆图。
图6是E面方向性图。
图7是H面方向性图。
图中:            1.微波介质板  11.上层天线单元  12.下层天线单元  13.反射器A
14.反射器B        15.反射器A    16.反射器B       17.金属过孔      18.金属过孔
2.有源振子        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       41.引向器A
42.引向器B    43.引向器C    44.引向器D    45.引向器A     46.引向器B
47.引向器C    48.引向器D    5.有源振子    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
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。
本发明是一种采用双面覆铜工艺在微波介质板(1)的两面板上分别覆铜出有源振子、引向器和反射器结构的交叉馈电宽带印制八木天线,其印制在微波介质板(1)上面板的为上层天线单元11,印制在微波介质板(1)下面板的为下层天线单元12。
下面将分别叙述上下层天线单元的结构(请参见图1所示,):印制在微波介质板1上面板的有源振子、引向器和反射器形成上层天线单元11,有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;印制在微波介质板1下面板的有源振子、引向器和反射器形成下层天线单元12,有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;所述微波介质板1上设有金属过孔17和金属过孔18,用于上层有源振子2和下层有源振子5的辐射单元电连接。
请参见图2A所示,所述上层天线单元11由反射器A 13(“工”字形)、反射器B 14(“工”字形)、有源振子2、引向器A 41、引向器B 42、引向器C 43和引向器D 44组成,所述反射器A 13和反射器B 14印制在同一直线上,引向器A 41和引向器C 43印制在同一直线上,且与印制在同一直线上的引向器B 42和引向器D 44保持平行;所述有源振子2与反射器A 13和反射器B 14与引向器A 41和引向器C 73与引向器B 42和引向器D 44互相平行布置。
请参见图2B所示,所述下层天线单元12由反射器A 15(“工”字形)、反射器B 16(“工”字形)、有源振子5、引向器A 45、引向器B 46、引向器C 47和引向器D 48组成,所述反射器A 15和反射器B 16印制在同一直线上,引向器A 45和引向器C 47印制在同一直线上,且与印制在同一直线上的引向器B 46和引向器D 48保持平行;所述有源振子5与反射器A 15和反射器B 16与引向器A 45和引向器C 47与引向器B 46和引向器D 48互相平行布置。
请参见图3A、图3B所示,所述上层天线单元11的有源振子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B202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18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12的有源振子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17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。
在本发明中,所述上层天线单元11的辐射单元A 7与所述下层天线单元12的辐射单元A 9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11的辐射单元B 8与所述下层天线单元12的辐射单元B 10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11的连接线210和所述下层天线单元12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。
在本发明中,所述上层天线单元11的反射器A 13和反射器B 14为“工”字形;所述下层天线单元12的反射器A 15和反射器B 16为“工”字形。“工”字形是宽带的反射器结构,其主要作用是在有限空间内提高天线在低频段的方向性增益。
在本发明中,所述上层天线单元11的引向器A 41和引向器C 43的长度相同,引向器B 42和引向器D 44的长度相同,且引向器A 41和引向器C 43的长度比引向器B 42和引向器D 44的长度短1/5~1/2;所述下层天线单元12的引向器A 45和引向器C 47的长度相同,引向器B 46和引向器D 48的长度相同,且引向器A 45和引向器C 47的长度比引向器B 46和引向器D 48的长度短1/5~1/2。设在最前端为较短的引向器提高了天线在高频时的方向性增益。
本发明交叉馈电宽带印制八木天线用作接收天线时,在接收引向器方向传播来的、极化方向平行于引向器方向的、频率在该天线工作频率范围内的电磁波时,能够实现7.2~11.5dB的方向性增益,在天线的馈电端以50Ω特征阻抗平衡端口输出。在用作发射天线时,能够将由50Ω特征阻抗端口在馈电点馈入的、频率在该天线工作频率范围内的射频信号,转化为极化方向平行于引向器方向的电磁波辐射到空间中,其中在引向器方向的方向性增益可达7.2~11.5dB。适于与超宽带(UWB)定向无线通讯中的射频系统进行电路结构集成。
本发明交叉馈电宽带印制八木天线的有源振子结构设计采用在微波介质板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3.0GHz~5.5GHz频段的八木天线。采用有限元方法对该天线的主要特性进行分析,结果如图5所示。图中,本发明天线输入阻抗随频率变化的特性,在3.0GHz~5.5GHz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2.95GHz~5.30GHz范围内,电压驻波比VSWR<2,相对带宽达56%。在图6中可以看到该天线在3.0GHz~5.0GHz频段范围内具有良好的方向性增益,方向性增益不小于7.2dB,最大可达11.5dB,E面方向图副瓣较小,低于主瓣10dB,天线增益随频率增加而增加;在图7中可以明显的看出该天线方向性的前后比较大不小于12dB,天线增益随频率增加而增加。
本发明的新型交叉馈电宽带有源振子(上层有源振子2和下层有源振子5组合),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。
该宽带印制八木天线结构简单、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 (5)

1、一种交叉馈电宽带印制八木天线,由有源振子、引向器和反射器构成,其特征在于:所述有源振子、引向器和反射器采用双面覆铜工艺印制在微波介质板(1)的两面板上,印制在微波介质板(1)上面板的有源振子、引向器和反射器形成上层天线单元(11),有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;印制在微波介质板(1)下面板的有源振子、引向器和反射器形成下层天线单元(12),有源振子布置在引向器和反射器之间,且三者互相平行;所述微波介质板(1)上设有金属过孔(17)和金属过孔(18),用于有源振子(2)和有源振子(5)的辐射单元电连接;
所述上层天线单元(11)由反射器A(13)、反射器B(14)、有源振子(2)、引向器A(41)、引向器B(42)、引向器C(43)和引向器D(44)组成,所述反射器A(13)和反射器B(14)印制在同一直线上,引向器A(41)和引向器C(43)印制在同一直线上,且与印制在同一直线上的引向器B(42)和引向器D(44)保持平行;所述有源振子(2)与反射器A(13)和反射器B(14)与引向器A(41)和引向器C(43)与引向器B(42)和引向器D(44)互相平行布置;
所述下层天线单元(12)由反射器A(15)、反射器B(16)、有源振子(5)、引向器A(45)、引向器B(46)、引向器C(47)和引向器D(48)组成,所述反射器A(15)和反射器B(16)印制在同一直线上,引向器A(45)和引向器C(47)印制在同一直线上,且与印制在同一直线上的引向器B(46)和引向器D(48)保持平行;所述有源振子(5)与反射器A(15)和反射器B(16)与引向器A(45)和引向器C(47)与引向器B(46)和引向器D(48)互相平行布置;
所述上层天线单元(11)的有源振子(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(18)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(12)的有源振子(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(17)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印制八木天线,其特征在于:所述上层天线单元(11)的辐射单元A(7)与所述下层天线单元(12)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(11)的辐射单元B(8)与所述下层天线单元(12)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(11)的连接线(210)和所述下层天线单元(12)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。
3、根据权利要求1所述的交叉馈电宽带印制八木天线,其特征在于:所述上层天线单元(11)的反射器A(13)和反射器B(14)为“工”字形;所述下层天线单元(12)的反射器A(15)和反射器B(16)为“工”字形。
4、根据权利要求1所述的交叉馈电宽带印制八木天线,其特征在于:所述上层天线单元(11)的引向器A(41)和引向器C(43)的长度相同,引向器B(42)和引向器D(44)的长度相同,且引向器A(41)和引向器C(43)的长度比引向器B(42)和引向器D(44)的长度短1/5~1/2;所述下层天线单元(12)的引向器A(45)和引向器C(47)的长度相同,引向器B(46)和引向器D(48)的长度相同,且引向器A(45)和引向器C(47)的长度比引向器B(46)和引向器D(48)的长度短1/5~1/2。
5、根据权利要求1所述的交叉馈电宽带印制八木天线,其特征在于:适于与无线通讯中的射频系统进行电路结构集成。
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