CN213071364U - 准平面宽带对数周期天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种准平面宽带对数周期天线，包括相互平行安装的至少两个天线单元，相邻两个天线单元的背面和正面相对布设且形成的正面投影沿中心线对称，相邻两个天线单元之间的垂直距离为D。本实用新型的天线具有超宽的工作带宽，覆盖600MHz到6000MHz频谱范围，完全覆盖全球现有的所有5G，4G，3G，GSM频段以及现有的WiFi2.4GHz，5.8GHz以及未来WiFi6协议的6.0GHz频段；天线具有较高的定向辐射效率，最高效率高达90％；天线在全频段具有稳定的9.5dBi左右的高增益，随频率波动较小，可以带来稳定的信号接收；天线具有准平面的结构，易于在具体应用中与周围环境支撑物实现共形。

Description

准平面宽带对数周期天线

技术领域

本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及准平面宽带对数周期天线。

背景技术

天线是现代无线通信系统中辐射、接收能量的关键部件。其性能好坏往往决定了整个通信系统的成败。因为所有的无线通信器件都需要天线来进行信号的收发。天线的信号收发的能力很多时候直接决定了无线通信系统的性能。

5G的逐步商用，加上之前已经普及的4G，3G，GSM以及双频WiFi等无线通信模式的广泛普及，消费电子产品对天线的小型化以及多制式、多频段兼容的天线要求越来越高。开发小型化，易集成并且低加工成本的天线是大势所趋。

而对数周期天线，其物理结构具有非频变的特性。使得其阻抗，增益等指标在很宽的频带内基本可以保持不变。凭借此优势，对数周期天线在商用无线通信领域具有较大的应用前景。

传统的对数周期天线虽然增益较高，但是其采用三维的铝制结构。使得天线在设计和样品制造时不但成本较高，而且加工工序多。而另外一些基于印刷电路板的平面对数周期天线虽然易于共形，但是PCB板本身损耗较高，导致此类型的天线增益性能很难达到最优。因此，本方案采取两种方案的折中，即采用准平面的铝制结构方案，不但使得对数周期天线具有较高增益，而且准平面结构也较容易实现实际应用中的共形。此外，其不但制造低成本，设计方便快捷，并且可以达到超过100％的阻抗带宽覆盖全球所有的5G，4G以及WiFi频段，是一种有效的5G天线解决方案。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种准平面宽带对数周期天线。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种准平面宽带对数周期天线。

为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供的技术方案如下：

一种准平面宽带对数周期天线，其特征在于，包括相互平行安装的至少两个天线单元，相邻两个天线单元的背面和正面相对布设且形成的正面投影沿中心线对称，相邻两个天线单元之间的垂直距离为D，天线单元包括集合线和若干振子片，各振子片交错设置在集合线的两侧。

一实施例中，所述D的取值范围为1～5mm。

一实施例中，相邻两个所述天线单元上的振子片两两对称且形成的正面投影在第一方向上位于同一直线上。

一实施例中，同一侧的所述振子片的长度沿第二方向依次逐渐增加或减少。

一实施例中，同一侧相邻的所述振子片之间的距离沿第一方向依次逐渐增大或减小。

一实施例中，相邻所述振子片之间的距离与各振子片的长度的比例因子为

相邻振子片之间的间隔因子为

天线的几何顶角为2α，

其中，n为振子片的序号，d为相邻振子片之间的间距，L为振子片的长度，R为天线的几何顶点到振子片的垂直距离。

一实施例中，第N个所述振子片的长度为L_N＝L₁*τ^N-1、宽度为D_N＝D₁*τ^N-1，其中，L₁为长度最长的振子片的长度，D₁为长度最长的振子片的宽度，N为振子片的总数。

一实施例中，所述N的取值范围为[2，27]。

一实施例中，所述天线单元的材质为金属。

一实施例中，所述集合线之间通过连接件相互安装。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型的天线具有超宽的工作带宽，覆盖600MHz到6000MHz频谱范围，完全覆盖全球现有的所有5G，4G，3G，GSM频段以及现有的WiFi2.4GHz，5.8GHz以及未来WiFi6协议的6.0GHz频段；天线具有较高的定向辐射效率，最高效率高达90％；天线在全频段具有稳定的9.5dBi左右的高增益，随频率波动较小，可以带来稳定的信号接收；天线采用准平面的金属结构易于加工和设计，具有很好的机械稳定性；天线具有准平面的结构，易于在具体应用中与周围环境支撑物实现共形。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线的平面结构示意图；

图2为本实用新型一具体实施例中天线单元的正面结构示意图；

图3为本实用新型一具体实施例中天线单元的背面结构示意图；

图4为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线的立体结构示意图；

图5为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线的回波损耗曲线图；

图6为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线的电压驻波比性能图；

图7a为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线在低频段(700MHz与1800MHz)的三维方向图；

图7b为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线在中频段(2400MHz，3500MHz)的三维方向图；

图7c为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线高频段(4800MHz,5800MHz)的三维方向图；

图8为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线的增益性能曲线图；

图9为本实用新型一具体实施例中准平面宽带对数周期天线的辐射效率曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细描述。但该等实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分扩大，因此，仅用于图示本实用新型的主题的基本结构。

本文使用的例如“左”、“右”、“左侧”、“右侧”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“右侧”的单元将位于其他单元或特征“左侧”。因此，示例性术语“右侧”可以囊括左侧和右侧这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

本实用新型公开了一种准平面宽带对数周期天线，包括相互平行安装的至少两个天线单元，相邻两个天线单元的背面和正面相对布设且形成的正面投影沿中心线对称，相邻两个天线单元之间的垂直距离为D，天线单元包括集合线和若干振子片，各振子片交错设置在集合线的两侧。

以下结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参图1并结合图2、图3和图4所示，本实用新型一种准平面宽带对数周期天线，包括相互平行安装的至少两个天线单元10，天线单元10的材质为金属，具体包括铜、铁、铝材料，优选铝材料，通过使用铝材料制作天线单元10易于加工和降低生产成本，本实施例中以两个天线单元10为例，其中一个天线单元10的背面与另一个天线单元10的正面相对布设且形成的正面投影沿中心线对称，两个天线单元10之间的垂直距离为D，D的取值范围为1～5mm，两个天线单元10之间为空气间隙，此空气间隙主要用来调节天线的馈电的阻抗匹配，本实施例中D的值优选为1.2mm，本实施例的天线长度为446.28mm。

进一步的，天线单元10包括集合线11和若干振子片12，各振子片12交错设置在集合线11的两侧且与集合线11一体成型，集合线11之间通过连接件20相互安装，两个集合线11平行设置且两者之间的空气间隙为1～5mm，优选为1.2mm，天线单元10的各振子片12交错设置，因此两个天线单元的正面和背面拼装后正好形状互补，集合线11上的四个圆孔用于配合连接件20将两个天线单元10进行装配，对天线性能没有影响，因此不多赘述。

参图1所示，两个天线单元10拼接安装后，两侧的振子片12分别两两对称且形成的正面投影沿第一方向位于同一直线上，同一侧的各振子片12的长度沿第二方向依次逐渐增加或减少，同一侧相邻的振子片12之间的距离沿第一方向依次逐渐增大或减小，第一方向为x轴方向，第二方向为y轴方向。

进一步的，相邻振子片12之间的距离与各振子片12的长度的比例因子为

相邻振子片12之间的间隔因子为

间隔因子σ表示相邻振子片12间的距离；

天线的几何顶角为2α，

三个参数是相互独立的，任意两个参数即可决定天线的结构组成；

其中，n为振子片12的序号，d为相邻振子片12之间的间距，L为振子片12的长度，R为天线的几何顶点到振子片12的垂直距离，通过各可表示振子片12的坐标位置。

所有对称振子片用一对双线传输线(集合线)进行馈电，馈源接在短振子片12的一端，两相邻振子片12交叉馈电，采用交叉馈电，这种方式可以起到从不平衡到平衡的转换的作用。天线馈电后，电磁能量将由馈线点沿集合线传输，依次对各振子片12激励，馈线点附近的振子片12长度远小于波长，输入阻抗很高，电流很小，辐射很微弱，故称之为传输区；电磁波能量会在振子片12长度接近λ/2处发生谐振，辐射达到峰值，该区域成为辐射区；剩余的很小一部分能量继续向前传播，在天线末端的反射已经十分微弱，成为未激励区。辐射区内的振子片12上电流最大，且辐射区内相邻振子片12上电流存在180度相位差。所以辐射区内振子片12工作原理类似于八木天线，未激励区的振子片12类似于反射器，传输区的振子片12类似于引向器，辐射方向图最终实现了朝短振子片12方向的端射特性，因此该天线的工作原理保证了其很宽的频带宽度。

本实施例中，几何顶角2α选取值为30°，各振子片12比例因子τ＝0.88，天线正反两面的对称中轴线上的集合线11宽度为5.8mm，这两根集合线11构成了对数周期天线的各振子片12的馈线，天线的能量从天线的短轴处的两根馈线馈入对数周期的各振子片12中，具体的馈电方式可采用巴伦或者同轴馈电进行馈电，该馈电结构不仅制作简单，且与其他形式的微波器件连接方便。

本实施例中，根据对数周期天线的设计原理，在天线正反两面，各天线辐射振子片12沿着天线的馈线交错分布，第N个振子片12的长度为L_N＝L₁*τ^N-1、宽度为D_N＝D₁*τ^N-1，其中，L₁为长度最长的振子片12的长度，D₁为长度最长的振子片12的宽度，N为振子片12的总数，N的取值范围为[2，27]。

本设计为了得到最优的天线带宽与增益，天线集合线11的两侧分别有13条与14条天线辐射振子片12，因此振子片12的总数N为27，经过天线的增益与带宽的优化，初始振子片的长度L₁＝117.57mm,宽度D₁＝20.00mm。

本实用新型所设计的平面天线在设计完成后进行了600MHz-6.0GHz的微波全波仿真。图5展示的为本天线的回波损耗曲线。从图中可以明确得出本实用新型所展示的样例在600MHz到6GHz频段，天线的S11性能都在-14dB以下随频率波动，满足天线正常工作所需要的低于-10dB的指标需求。

本实用新型的电压驻波比性能在图6中给出，天线的电压驻波比在所讨论的600MHz-6.0GHz频段中，电压驻波比(VSWR)在1.02与1.6之间随频率波动。在整个600MHz-6.0GHz频段工作频段都完全处于在天线指标要求的2.0以下，完全符合天线正常工作所需要的电压驻波比2.0的要求。

为了体现本发明实例在各个商业频段的辐射方向性，图7给出了本发明实施例在各商业频段的三维方向图。在低频段的700MHz与1800MHz频点，实施例天线的增益在8.0dBi-9.5dBi的水平。天线的主波瓣指向天线的短轴方向并且有较大的主瓣宽度。天线短轴方向上没有观察到旁瓣。因此天线的能量辐射较为集中如图7a)所示。

图7b)与图7c)分别展示了实施例天线在中频段(2400MHz，3500MHz)以及高频段(4800MHz,5800MHz)的三维方向图。在中频段和高频段上，天线展现出与低频段相似的辐射特性。天线的增益在9.5dBi左右波动。天线的能量依然集中在天线的短轴方向上辐射。并且在天线的短轴方向上没有观察到旁瓣，因此天线在中频段和高频段依然维持着较高的辐射效率。

本实用新型的增益性能曲线展示在图8中。在600MHz-6000MHz的频段中，本天线设计的增益性能随着频率在8dBi到9.5dBi之间波动。并且整个天线在600MHz-6GHz频段平均约为9.0dBi。因此本发明展示出了极高的增益性能，增益随着频率变化波动小并且工作带宽极宽。

本实用新型的辐射效率曲线描绘在图9中。在600MHz-4800MHz的工作频段中，天线的辐射效率最高达到90％，完全满足一般终端天线的50％辐射效率要求指标，在高频段4800MHz-6000MHz,天线的辐射效率有所降低，主要因为天线的位于短轴的高频振子片的厚度与长度尺寸比较接近，在设计与制造过程中难以达到更短的辐射振子片尺寸。

由以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的天线具有超宽的工作带宽，覆盖600MHz到6000MHz频谱范围，完全覆盖全球现有的所有5G，4G，3G，GSM频段以及现有的WiFi2.4GHz，5.8GHz以及未来WiFi6协议的6.0GHz频段；天线具有较高的定向辐射效率，最高效率高达90％；天线在全频段具有稳定的9.5dBi左右的高增益，随频率波动较小，可以带来稳定的信号接收；天线采用准平面的金属结构易于加工和设计，具有很好的机械稳定性；天线具有准平面的结构，易于在具体应用中与周围环境支撑物实现共形。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种准平面宽带对数周期天线，其特征在于，包括相互平行安装的至少两个天线单元，相邻两个天线单元的背面和正面相对布设且形成的正面投影沿中心线对称，相邻两个天线单元之间的垂直距离为D，天线单元包括集合线和若干振子片，各振子片交错设置在集合线的两侧。

2.根据权利要求1所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，所述D的取值范围为1～5mm。

3.根据权利要求1所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，相邻两个所述天线单元上的振子片两两对称且形成的正面投影在第一方向上位于同一直线上。

4.根据权利要求3所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，同一侧的所述振子片的长度沿第二方向依次逐渐增加或减少。

5.根据权利要求4所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，同一侧相邻的所述振子片之间的距离沿第一方向依次逐渐增大或减小。

6.根据权利要求5所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，相邻所述振子片之间的距离与各振子片的长度的比例因子为

相邻振子片之间的间隔因子为

天线的几何顶角为2α，

其中，n为振子片的序号，d为相邻振子片之间的间距，L为振子片的长度，R为天线的几何顶点到振子片的垂直距离。

7.根据权利要求6所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，第N个所述振子片的长度为L_N＝L₁*τ^N-1、宽度为D_N＝D₁*τ^N-1，其中，L₁为长度最长的振子片的长度，D₁为长度最长的振子片的宽度，N为振子片的总数。

8.根据权利要求7所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，所述N的取值范围为[2，27]。

9.根据权利要求1所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，所述天线单元的材质为金属。

10.根据权利要求1所述的准平面宽带对数周期天线，其特征在于，所述集合线之间通过连接件相互安装。

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