一種寬帶高效率高方向性電小天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種寬帶高效率高方向性電小天線，屬于天線【技術(shù)領(lǐng)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(zhì)板、同軸饋線；所述兩薄圓柱體形介質(zhì)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(shè)置于上薄圓柱體形介質(zhì)板底面和頂面，下寄生單元設(shè)置于下薄圓柱體形介質(zhì)板頂面；同軸饋線的內(nèi)、外導(dǎo)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(zhì)板延向其下側(cè)一段距離，與50Ω信號源相接。本天線設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，易于制造，可應(yīng)用于工作頻率在1GHz附近的寬帶無線通信系統(tǒng)中。
【專利說明】一種寬帶高效率高方向性電小天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種寬帶高效率高方向性電小天線。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信射頻前端設(shè)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(shè)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盡量降低天線的整體電尺寸，以至于達到物理結(jié)構(gòu)設(shè)計極限水平，并保持良好的輻射性能，取得了一定的研究成果。首先，在實現(xiàn)天線小型化、多功能設(shè)計方面，目前較為流行的技術(shù)有:自身物理結(jié)構(gòu)的改進與優(yōu)化，如開槽、彎折天線；加載技術(shù)，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(jié)構(gòu)作為近場寄生諧振單元，如負介電常數(shù)介質(zhì)材料、近場寄生諧振器等；可重構(gòu)技術(shù)，如通過加載PIN開關(guān)、變?nèi)荻O管等集總元件擴展天線可利用的頻率范圍。其次，在提高天線定向輻射性能方面，如方向性、增益、效率、前后比等，目前所使用的技術(shù)包括:通過構(gòu)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(qū)域加載容性或感性分布元件；集成具有電磁帶隙結(jié)構(gòu)的諧振反射板以及其它結(jié)構(gòu)形式的接地板等。
[0003]本質(zhì)上,依據(jù)電小天線設(shè)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制開發(fā)中面臨設(shè)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(shè)計具有異常艱巨的挑戰(zhàn)性。由此可見，它的成功設(shè)計在實際的工程應(yīng)用中具有非常重要的應(yīng)用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于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(fā)明提供如下技術(shù)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(zhì)板、同軸饋線；所述兩薄圓柱體形介質(zhì)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(shè)置于上薄圓柱體形介質(zhì)板底面和頂面，下寄生單元設(shè)置于下薄圓柱體形介質(zhì)板頂面；同軸饋線的內(nèi)、外導(dǎo)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(zhì)板延向其下側(cè)一段距離，與50 Ω信號源相接，如此長的同軸饋線設(shè)計是為了考慮存在于天線系統(tǒng)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(zhàn)斧形狀，該戰(zhàn)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(nèi)導(dǎo)體，另一邊對稱設(shè)置的金屬片連接同軸饋線外導(dǎo)體。
[0008]進一步，所述上寄生單元由兩戰(zhàn)斧形金屬片合并而成，呈一條形金屬臂連接頂端兩弧形金屬片結(jié)構(gòu)，在受激勵情況下，與底面戰(zhàn)斧形激勵單元耦合，實現(xiàn)LC諧振，產(chǎn)生一個諧振模式。上寄生單元與戰(zhàn)斧形激勵單元合成輻射場形式與傳統(tǒng)電偶極子輻射場形式相似，兩者組成戰(zhàn)斧形電偶極子。
[0009]進一步，所述下寄生單元的中心為一環(huán)形金屬片，環(huán)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(zhàn)斧形金屬片，環(huán)形金屬片與同軸饋線沒有接觸；加載這種結(jié)構(gòu)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，以利于良好實現(xiàn)邊射特性。下寄生單元與戰(zhàn)斧形激勵單元、上寄生單元發(fā)生LC諧振，產(chǎn)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(zhì)板的材料為RogersDuroid6010,電介質(zhì)常數(shù)
10.2，相對磁導(dǎo)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(zhì)板中心距離為27_30mm。
[0011]進一步，所述激勵單元兩戰(zhàn)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(huán)形金屬片內(nèi)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(nèi)導(dǎo)體呈實圓柱體形,半徑為0.5-0.7mm,長度為50_55mm,外導(dǎo)體呈薄壁空心圓柱體形，半徑為1.5-1.7mm,長度為50_55mm,內(nèi)外導(dǎo)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(zhì)板之間的同軸饋線外導(dǎo)體的半邊被削去。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:本技術(shù)方案中，同軸饋線直接連接戰(zhàn)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(zhàn)斧形激勵單元與上寄生單元組成戰(zhàn)斧形電偶極子形式，近似構(gòu)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(shè)計戰(zhàn)斧形下寄生單元構(gòu)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(fā)明提供的天線設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，易于制造，可應(yīng)用于工作頻率在IGHz附近的寬帶無線通信系統(tǒng)中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0017]圖1為本發(fā)明所述的電小天線的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖2為本發(fā)明所述的電小天線的主視圖；
[0019]圖3為本發(fā)明所述的電小天線的俯視圖；
[0020]圖4為本發(fā)明所述的電小天線的側(cè)視圖；
[0021]圖5為仿真本發(fā)明所述的電小天線的S參數(shù)曲線圖；
[0022]圖6為仿真本發(fā)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(fā)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(zhì)板，2為下薄圓柱體形介質(zhì)板，3為同軸傳輸線內(nèi)導(dǎo)體，4為同軸傳輸線外導(dǎo)體，5為上寄生單元，6為激勵單元，7為戰(zhàn)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(huán)部分。

【具體實施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0026]本發(fā)明所述的寬帶高效率高方向性電小天線的整體結(jié)構(gòu)圖、主視圖、俯視圖、側(cè)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(zhì)板1、下薄圓柱體形介質(zhì)板2、同軸饋線內(nèi)導(dǎo)體3、同軸饋線外導(dǎo)體4。兩薄圓柱體形介質(zhì)板厚度表示為Hl,采用材料RogersDuroid6010,其介電常數(shù)為10.2,相對磁導(dǎo)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(yōu)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(shù)，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(zhàn)斧形金屬片組成，其位置、結(jié)構(gòu)如圖1、圖3所示，處于上介質(zhì)板I底面。戰(zhàn)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(jié)構(gòu)外半徑R1，寬度W2，兩弧間隙L2。同軸饋線外導(dǎo)體4與左邊戰(zhàn)斧形金屬片相連，內(nèi)導(dǎo)體3連接右邊戰(zhàn)斧形金屬片。天線饋電時，左、右戰(zhàn)斧形金屬片同時被激勵，產(chǎn)生表面激勵電流而生成輻射場。兩戰(zhàn)斧形金屬片結(jié)構(gòu)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(xiàn)LC諧振。戰(zhàn)斧形激勵單元這種結(jié)構(gòu)比較緊湊，與之耦合的寄生單元同樣具有緊湊的結(jié)構(gòu)，使整個天線的電尺寸較小，以利于保證天線小型化的設(shè)計。
[0028]上寄生單元5結(jié)構(gòu)如圖1、圖3所示，處于上介質(zhì)板I頂面，由兩戰(zhàn)斧形金屬片合并而成，中間金屬臂長L3，寬度W3，頂端弧形金屬結(jié)構(gòu)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(chǎn)生耦合諧振。理論上，該單元加載可以等效于引入負介電常數(shù)介質(zhì)覆蓋在天線的周圍實現(xiàn)天線的小型化、高效率、以及良好匹配。當(dāng)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(xiàn)出感性，中間直金屬臂縫隙部分表現(xiàn)為容性，與底面容性戰(zhàn)斧形激勵單元實現(xiàn)低頻處的LC諧振模式，產(chǎn)生高效輻射場。上寄生單元與戰(zhàn)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(dāng)戰(zhàn)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(chǎn)生強度較大的感應(yīng)電流，其幅度較戰(zhàn)斧形激勵單元上的電流大，是所設(shè)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(zhàn)斧形電偶極子，所產(chǎn)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(dāng)了受激單元。上寄生單元、戰(zhàn)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(jié)構(gòu)如圖1、圖3所示，位于下介質(zhì)板頂面，形狀與上寄生單元5相似。中心圓環(huán)9內(nèi)半徑R3，外半徑R4，圓環(huán)9連接的金屬臂寬W5，長度L5，頂端弧形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與戰(zhàn)斧形激勵單元、上寄生單元結(jié)構(gòu)相似，具有很好的匹配度，受激勵時，表面產(chǎn)生極化方向相互平行的感應(yīng)電流。在作用輻射場方面，該寄生單元與激勵單元形狀相近，位于其底部。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(shè)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(tǒng)的方向性。該單元未與同軸饋線內(nèi)、外導(dǎo)體相連，距離激勵單元較近，具有近場諧振器的作用，與戰(zhàn)斧形激勵源的耦合產(chǎn)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(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖4所示，內(nèi)導(dǎo)體3呈實圓柱體形，半徑R5，長度L7，夕卜導(dǎo)體4呈薄壁空心圓柱體形，半徑R6，長度L7。在上介質(zhì)板I與下介質(zhì)板2區(qū)間段，長度L8外導(dǎo)體被削去右半邊，這樣便于使饋線內(nèi)、外導(dǎo)體分別與右、左戰(zhàn)斧形金屬片連接，減小外導(dǎo)體表面電流對天線輻射特性的影響。外導(dǎo)體與下介質(zhì)薄圓柱體底面有接觸，內(nèi)、外導(dǎo)體與下寄生單元金屬均沒有接觸。
[0031]使用高頻電磁仿真軟件HFSS13.0對上述建立的天線結(jié)構(gòu)模型進行仿真實驗，得出電小天線結(jié)構(gòu)尺寸最優(yōu)值如表I所示。
[0032]表I HFSS13.0仿真得電小天線最優(yōu)尺寸
[0033]
參數(shù)尺寸(mm)參數(shù)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(shù)，分別對天線S參數(shù)、方向圖進行仿真分析。
[0036]圖5為仿真得到的天線S參數(shù)曲線圖。如圖所示，所設(shè)計的電小天線有兩個諧振頻率點，分別為0.94GHz,0.99GHz, -1OdB的帶寬范圍為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低于諧振頻率點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(chǎn)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(lián)，戰(zhàn)斧形激勵單元將為等效電路提供相應(yīng)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。由于上寄生單元與戰(zhàn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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面輻射場具有近似于全向輻射的特性，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后向輻射存在一定的不對稱性(尤其在低頻段)，主要原因為天線采用同軸線纜的不平衡結(jié)構(gòu)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，主要由于下寄生單元與戰(zhàn)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，主要由于上寄生單元與戰(zhàn)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(tǒng)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(xiàn)為一定的邊射特性。
[0038]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:包括激勵單元、上寄生單元、下寄生單元、兩薄圓柱體形介質(zhì)板、同軸饋線； 所述兩薄圓柱體形介質(zhì)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(shè)置于上薄圓柱體形介質(zhì)板底面和頂面，下寄生單元設(shè)置于下薄圓柱體形介質(zhì)板頂面；同軸饋線的內(nèi)、外導(dǎo)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(zhì)板延向其下側(cè)一段距離，與50 Ω信號源相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述激勵單元的金屬片組成戰(zhàn)斧形狀，該戰(zhàn)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(nèi)導(dǎo)體，另一邊對稱設(shè)置的金屬片連接同軸饋線外導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述上寄生單元由兩戰(zhàn)斧形金屬片合并而成，呈一條形金屬臂連接頂端兩弧形金屬片結(jié)構(gòu)，在受激勵情況下，與底面戰(zhàn)斧形激勵單元耦合，實現(xiàn)LC諧振，產(chǎn)生一個諧振模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述下寄生單元的中心為一環(huán)形金屬片，環(huán)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(zhàn)斧形金屬片，環(huán)形金屬片與同軸饋線沒有接觸；下寄生單元與戰(zhàn)斧形激勵單元、上寄生單元發(fā)生LC諧振，產(chǎn)生新的諧振模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述上、下薄圓柱體形介質(zhì)板的材料為RogersDuroid6010,電介質(zhì)常數(shù)10.2,相對磁導(dǎo)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(zhì)板中心距離為27_30mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述激勵單元兩戰(zhàn)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(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求4所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述下寄生單元中心環(huán)形金屬片內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶高效率高方向性電小天線，其特征在于:所述同軸饋線內(nèi)導(dǎo)體呈實圓柱體形，半徑為0.5-0.7mm,長度為50_55mm,外導(dǎo)體呈薄壁空心圓柱體形，半徑為1.5-1.7mm，長度為50_55mm，內(nèi)外導(dǎo)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(zhì)板之間的同軸饋線外導(dǎo)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(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】唐明春, 理查德·齊奧爾科夫斯基 申請人:重慶大學(xué)