一種寬帶高效率高方向性電小天線的製作方法
2023-05-26 05:10:16 1
一種寬帶高效率高方向性電小天線的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種寬帶高效率高方向性電小天線，屬於天線【技術領域】。該天線包括激勵單元、上寄生單元、下寄生單元、兩薄圓柱體形介質板、同軸饋線；所述兩薄圓柱體形介質板半徑相同，中心對準，上下平行放置；激勵單元、上寄生單元分別設置於上薄圓柱體形介質板底面和頂面，下寄生單元設置於下薄圓柱體形介質板頂面；同軸饋線的內、外導體分別連接激勵單元的兩塊金屬片；同軸饋線的饋電端穿過下薄圓柱體形介質板延向其下側一段距離，與50Ω信號源相接。本天線設計簡單，結構緊湊，易於製造，可應用於工作頻率在1GHz附近的寬帶無線通信系統中。
【專利說明】一種寬帶高效率高方向性電小天線
【技術領域】
[0001]本發明屬於天線【技術領域】，涉及一種寬帶高效率高方向性電小天線。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信射頻前端設備朝著小型化、緊湊化、集成化、多功能方向不斷的推進，對電小天線的設計提出了越來越苛刻的要求。近年來，隨著研究不斷地深入，天線工作者嘗試性地儘量降低天線的整體電尺寸，以至於達到物理結構設計極限水平，並保持良好的輻射性能，取得了一定的研究成果。首先，在實現天線小型化、多功能設計方面，目前較為流行的技術有:自身物理結構的改進與優化，如開槽、彎折天線；加載技術，如在天線單元上加載容性或感性元件；使用人工電磁特異材料結構作為近場寄生諧振單元，如負介電常數介質材料、近場寄生諧振器等；可重構技術，如通過加載PIN開關、變容二極體等集總元件擴展天線可利用的頻率範圍。其次，在提高天線定向輻射性能方面，如方向性、增益、效率、前後比等，目前所使用的技術包括:通過構造由基本電小電偶極子和磁偶極子組成的惠更斯源；在激勵單元的近場區域加載容性或感性分布元件；集成具有電磁帶隙結構的諧振反射板以及其它結構形式的接地板等。
[0003]本質上,依據電小天線設計理論，電小天線的電尺寸、效率、工作帶寬等性能指標存在著相互制約，使得它們在實際的研製開發中面臨設計極限，如「Chu極限」理論所述。可見，同時具有電小、寬帶、高效率、定向輻射的天線設計具有異常艱巨的挑戰性。由此可見，它的成功設計在實際的工程應用中具有非常重要的應用價值。
【發明內容】
[0004]有鑑於此，本發明的目的在於提供一種寬帶高效率高方向性電小天線，該天線能夠在天線電尺寸較小的前提下，滿足寬帶高增益的需求。
[0005]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0006]一種寬帶高效率高方向性電小天線，該天線包括激勵單元、上寄生單元、下寄生單元、兩薄圓柱體形介質板、同軸饋線；所述兩薄圓柱體形介質板半徑相同，中心對準，上下平行放置；激勵單元、上寄生單元分別設置於上薄圓柱體形介質板底面和頂面，下寄生單元設置於下薄圓柱體形介質板頂面；同軸饋線的內、外導體分別連接激勵單元的兩塊金屬片；同軸饋線的饋電端穿過下薄圓柱體形介質板延向其下側一段距離，與50 Ω信號源相接，如此長的同軸饋線設計是為了考慮存在於天線系統近場的饋線對天線整體的工作性能的影響。
[0007]進一步，所述激勵單元的金屬片組成戰斧形狀，該戰斧形金屬片由直條金屬臂連接兩塊弧形金屬片組成，兩塊金屬片中的一塊連接同軸饋線內導體，另一邊對稱設置的金屬片連接同軸饋線外導體。
[0008]進一步，所述上寄生單元由兩戰斧形金屬片合併而成，呈一條形金屬臂連接頂端兩弧形金屬片結構，在受激勵情況下，與底面戰斧形激勵單元耦合，實現LC諧振，產生一個諧振模式。上寄生單元與戰斧形激勵單元合成輻射場形式與傳統電偶極子輻射場形式相似，兩者組成戰斧形電偶極子。
[0009]進一步，所述下寄生單元的中心為一環形金屬片，環形金屬片的兩邊連接由直條金屬臂與弧形金屬片組合形成的戰斧形金屬片，環形金屬片與同軸饋線沒有接觸；加載這種結構的寄生單元具有類似八木天線反射器的作用，使電小天線總的輻射場朝向正上方向，以利於良好實現邊射特性。下寄生單元與戰斧形激勵單元、上寄生單元發生LC諧振，產生新的臨近諧振模式，從而進一步展寬了天線工作頻帶。
[0010]進一步,所述上、下薄圓柱體形介質板的材料為RogersDuroid6010,電介質常數
10.2，相對磁導率為1.0,損耗正切角值0.0023，半徑為30-34mm，厚度為1.20-1.33mm,表面敷銅的厚度為0.016-0.019mm。兩介質板中心距離為27_30mm。
[0011]進一步，所述激勵單元兩戰斧形金屬臂寬度為2.56-2.83mm，臂長度為19_21mm，弧形部分外半徑為25_27mm,弧寬度為5.5-6.5mm,兩弧間隙為31_33mm。
[0012]進一步，所述上寄生單元中間金屬臂寬度為4.1-4.7mm，臂長度為47_49mm，頂端弧形外半徑為31-33mm,弧寬度為7.5-8.5mm,兩弧間隙為31_33mm。
[0013]進一步，所述下寄生單元中心環形金屬片內半徑為2.4-2.7mm，外半徑為
5.3-5.9mm,直條金屬片長度為17.5-19.5mm,寬度為3.5-6.9mm,頂端弧形外半徑為31-33mm,寬度為 7.5-8.5mm，兩弧間隙為 27_30mm。
[0014]進一步,所述同軸饋線內導體呈實圓柱體形,半徑為0.5-0.7mm,長度為50_55mm,外導體呈薄壁空心圓柱體形，半徑為1.5-1.7mm,長度為50_55mm,內外導體之間填充絕緣層，以滿足50歐姆特性阻抗；上、下薄圓柱體形介質板之間的同軸饋線外導體的半邊被削去。
[0015]本發明的有益效果在於:本技術方案中，同軸饋線直接連接戰斧形激勵單元，使激勵部分尺寸較小從而與50 Ω信號源進行良好匹配；戰斧形激勵單元與上寄生單元組成戰斧形電偶極子形式，近似構成八木天線的受激單元，它們之間的耦合諧振使天線在保持電小尺寸的同時，具有很高的輻射效率。設計戰斧形下寄生單元構成八木天線的反射器，使天線總的輻射方向朝天線正上方，提高了天線的方向性。同時，上寄生單元和下寄生單元的工作頻段相互重疊，明顯擴展了天線的工作帶寬。本發明提供的天線設計簡單，結構緊湊，易於製造，可應用於工作頻率在IGHz附近的寬帶無線通信系統中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0017]圖1為本發明所述的電小天線的整體結構圖；
[0018]圖2為本發明所述的電小天線的主視圖；
[0019]圖3為本發明所述的電小天線的俯視圖；
[0020]圖4為本發明所述的電小天線的側視圖；
[0021]圖5為仿真本發明所述的電小天線的S參數曲線圖；
[0022]圖6為仿真本發明所述的電小天線的E平面輻射場方向圖；
[0023]圖7為仿真本發明所述的電小天線的H平面輻射場方向圖；
[0024]圖中標識I為上薄圓柱體形介質板，2為下薄圓柱體形介質板，3為同軸傳輸線內導體，4為同軸傳輸線外導體，5為上寄生單元，6為激勵單元，7為戰斧形金屬片金屬臂部分，8為下寄生單元，9為下寄生單元中圓環部分。
【具體實施方式】
[0025]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0026]本發明所述的寬帶高效率高方向性電小天線的整體結構圖、主視圖、俯視圖、側視圖分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。該天線包括激勵單元6、上寄生單元5、下寄生單元8、上薄圓柱體形介質板1、下薄圓柱體形介質板2、同軸饋線內導體3、同軸饋線外導體4。兩薄圓柱體形介質板厚度表示為Hl,採用材料RogersDuroid6010,其介電常數為10.2,相對磁導率1.0，損耗正切值為0.0023。激勵單元、上寄生單元、下寄生單元金屬片的的厚度均相同。仿真得到天線的最優尺寸如表I所示，組成的電小天線電尺寸較小，ka = 0.696 (其中k = 2Ji/Xr，k表示自由空間波數，λ r為諧振頻率f； = 0.94GHz處自由空間波長，a為包圍整個天線球體的最小半徑)。
[0027]激勵單元6由對稱放置的戰斧形金屬片組成，其位置、結構如圖1、圖3所示，處於上介質板I底面。戰斧形金屬片中間金屬臂7長LI，寬度Wl，其頂端連接的金屬弧彎形結構外半徑R1，寬度W2，兩弧間隙L2。同軸饋線外導體4與左邊戰斧形金屬片相連，內導體3連接右邊戰斧形金屬片。天線饋電時，左、右戰斧形金屬片同時被激勵，產生表面激勵電流而生成輻射場。兩戰斧形金屬片結構對稱，中間金屬臂未相連而相隔一間隙，在天線等效電路分析中等效為電容，與加載的感性單元實現LC諧振。戰斧形激勵單元這種結構比較緊湊，與之耦合的寄生單元同樣具有緊湊的結構，使整個天線的電尺寸較小，以利於保證天線小型化的設計。
[0028]上寄生單元5結構如圖1、圖3所示，處於上介質板I頂面，由兩戰斧形金屬片合併而成，中間金屬臂長L3，寬度W3，頂端弧形金屬結構寬度W4，弧外半徑R2，兩弧間隙L4。上寄生單元在激勵單元的近場產生耦合諧振。理論上，該單元加載可以等效於引入負介電常數介質覆蓋在天線的周圍實現天線的小型化、高效率、以及良好匹配。當信號源激勵時，上寄生單元弧形金屬部分在等效電路中表現出感性，中間直金屬臂縫隙部分表現為容性，與底面容性戰斧形激勵單元實現低頻處的LC諧振模式，產生高效輻射場。上寄生單元與戰斧形激勵單元形狀相似、距離很近而具有很好的阻抗匹配。當戰斧形激勵單元近場耦合激勵時，上寄生單元中間金屬臂上產生強度較大的感應電流，其幅度較戰斧形激勵單元上的電流大，是所設計電小天線主要的輻射單元。上寄生單元與激勵源距離非常近，兩者組成一戰斧形電偶極子，所產生的輻射場與電偶極子輻射場的形式相似，在該等效八木天線中充當了受激單元。上寄生單元、戰斧形激勵單元、下寄生單元相互耦合，與同軸饋線一起共同匹配50 Ω信號源。
[0029]下寄生單元8結構如圖1、圖3所示，位於下介質板頂面，形狀與上寄生單元5相似。中心圓環9內半徑R3，外半徑R4，圓環9連接的金屬臂寬W5，長度L5，頂端弧形結構尺寸與上寄生單元5相同，兩弧間隙L6。同軸饋線與下寄生單元8沒有接觸。下寄生單元結構與戰斧形激勵單元、上寄生單元結構相似，具有很好的匹配度，受激勵時，表面產生極化方向相互平行的感應電流。在作用輻射場方面，該寄生單元與激勵單元形狀相近，位於其底部。該放置方式可以使下寄生單元與上面的激勵單元和上寄生單元間具有適宜的相位差和空間距離。這樣能夠使下寄生單元扮演著類似八木天線中的反射器角色，使所設計電小天線總的輻射場方向朝向正上方向，明顯提高該天線系統的方向性。該單元未與同軸饋線內、外導體相連，距離激勵單元較近，具有近場諧振器的作用，與戰斧形激勵源的耦合產生新的諧振模式，使電小天線在新的更低諧振頻率點附近工作，從而展寬了電小天線的工作頻帶。
[0030]同軸饋線結構如圖1、圖2、圖4所示，內導體3呈實圓柱體形，半徑R5，長度L7，夕卜導體4呈薄壁空心圓柱體形，半徑R6，長度L7。在上介質板I與下介質板2區間段，長度L8外導體被削去右半邊，這樣便於使饋線內、外導體分別與右、左戰斧形金屬片連接，減小外導體表面電流對天線輻射特性的影響。外導體與下介質薄圓柱體底面有接觸，內、外導體與下寄生單元金屬均沒有接觸。
[0031]使用高頻電磁仿真軟體HFSS13.0對上述建立的天線結構模型進行仿真實驗，得出電小天線結構尺寸最優值如表I所示。
[0032]表I HFSS13.0仿真得電小天線最優尺寸
[0033]
參數尺寸(mm)參數尺寸(mm)
LI20W26
L232W34.4
L348W48
L432,4W53,7
L5丨 8.4Rl26
L628.4R232
L752.5R32,58
L828.6R45,58
Hl1.27R50.6
H20.018R6L58
Wl2.7
[0034]表中H2為激勵單元、上寄生單元、下寄生單元覆銅的厚度。
[0035]在本實施例中，使用HFSS13.0仿真了天線性能參數，分別對天線S參數、方向圖進行仿真分析。
[0036]圖5為仿真得到的天線S參數曲線圖。如圖所示，所設計的電小天線有兩個諧振頻率點，分別為0.94GHz,0.99GHz, -1OdB的帶寬範圍為0.93-1.03GHz，工作頻帶寬度為10MHz。諧振頻率點0.99GHz的反射損耗值_47.8dB低於諧振頻率點0.94GHz的反射損耗值-11.3dB。兩個諧振頻率分別主要由引入的上、下兩寄生諧振單元產生。在電小天線等效電路中，寄生單元等效為電容和電感串聯，戰斧形激勵單元將為等效電路提供相應的等效電容，兩者形成LC諧振，使得天線能夠在較低頻點良好工作。由於上寄生單元與戰斧形激勵單元距離很近，形狀相似而能夠較好的電耦合，諧振產生輻射場輻射效率高。相比而言上寄生單元的總體極化電流路徑較短，使其作用產生的諧振頻率高。下寄生單元的總體極化電流路徑較長，使其作用產生的諧振頻率低。
[0037]圖6-7為仿真得到頻率點0.94GHz,0.96GHz、l.0OGHz的天線輻射場E面、H面方向圖，從圖中可以觀察到，電小天線E、H面輻射場具有朝天線正上方的輻射方向，H面輻射場具有近似於全向輻射的特性，E面輻射場呈不對稱的「8」字形。在頻率點0.94GHz，電小天線的E、H面輻射場的最大增益值為4.38dBi，朝著邊射方向。隨著頻率的升高，E、H面輻射場正上方向增益值減小。E面輻射場的方向圖的後向輻射存在一定的不對稱性(尤其在低頻段)，主要原因為天線採用同軸線纜的不平衡結構的直接饋電方式。在頻率較低時，朝天線正上方輻射場增益較大，其原因是在低頻段時，主要由於下寄生單元與戰斧形激勵單元間的耦合諧振，它們間的相位差和空間距離使得輻射方向圖呈邊射形式。相對而言，在高頻段時，主要由於上寄生單元與戰斧形激勵單元間的耦合諧振，它們在極其近的距離時，所形成的方向圖呈傳統偶極子形式。因為兩個諧振頻段相互重疊，使得天線在高頻處也表現為一定的邊射特性。
[0038]最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。
【權利要求】
1.一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:包括激勵單元、上寄生單元、下寄生單元、兩薄圓柱體形介質板、同軸饋線； 所述兩薄圓柱體形介質板半徑相同，中心對準，上下平行放置；激勵單元、上寄生單元分別設置於上薄圓柱體形介質板底面和頂面，下寄生單元設置於下薄圓柱體形介質板頂面；同軸饋線的內、外導體分別連接激勵單元的兩塊金屬片；同軸饋線的饋電端穿過下薄圓柱體形介質板延向其下側一段距離，與50 Ω信號源相接。
2.根據權利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述激勵單元的金屬片組成戰斧形狀，該戰斧形金屬片由直條金屬臂連接兩塊弧形金屬片組成，兩塊金屬片中的一塊連接同軸饋線內導體，另一邊對稱設置的金屬片連接同軸饋線外導體。
3.根據權利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述上寄生單元由兩戰斧形金屬片合併而成，呈一條形金屬臂連接頂端兩弧形金屬片結構，在受激勵情況下，與底面戰斧形激勵單元耦合，實現LC諧振，產生一個諧振模式。
4.根據權利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述下寄生單元的中心為一環形金屬片，環形金屬片的兩邊連接由直條金屬臂與弧形金屬片組合形成的戰斧形金屬片，環形金屬片與同軸饋線沒有接觸；下寄生單元與戰斧形激勵單元、上寄生單元發生LC諧振，產生新的諧振模式。
5.根據權利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述上、下薄圓柱體形介質板的材料為RogersDuroid6010,電介質常數10.2,相對磁導率為1.0，損耗正切角值0.0023，半徑為30-34mm，厚度為1.20-1.33mm，表面敷銅的厚度為0.016-0.019mm。兩介質板中心距離為27_30mm。
6.根據權利要求2所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述激勵單元兩戰斧形金屬臂寬度為2.56-2.83mm,臂長度為19_21mm,弧形部分外半徑為25_27mm,弧寬度為5.5-6.5_，兩弧間隙為31-33_。
7.根據權利要求3所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述上寄生單元中間金屬臂寬度為4.1-4.7mm,臂長度為47_49mm,頂端弧形外半徑為31_33mm,弧寬度為7.5-8.5mm，兩弧間隙為31_33mm。
8.根據權利要求4所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述下寄生單元中心環形金屬片內半徑為2.4-2.7mm,外半徑為5.3-5.9mm,直條金屬片長度為17.5-19.5mm,寬度為3.5-6.9mm,頂端弧形外半徑為31_33mm,寬度為7.5-8.5mm,兩弧間隙為 27_30mm。
9.根據權利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特徵在於:所述同軸饋線內導體呈實圓柱體形，半徑為0.5-0.7mm,長度為50_55mm,外導體呈薄壁空心圓柱體形，半徑為1.5-1.7mm，長度為50_55mm，內外導體之間填充絕緣層，以滿足50歐姆特性阻抗；上、下薄圓柱體形介質板之間的同軸饋線外導體的半邊被削去。
【文檔編號】H01Q15/14GK104134859SQ201410406437
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】唐明春, 理察·齊奧爾科夫斯基 申請人:重慶大學