CN105161830B - 一种宽带领结形对称折合振子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种宽带领结形对称折合振子天线，该折合振子天线为相互平行的上下两层平面结构，上层平面结构为第一辐射部，下层平面结构为第二辐射部，所述第一辐射部和第二辐射部之间设有支撑部，所述第一辐射部由半径为R的介质板及其表面覆盖的覆铜面组成，所述覆铜面外沿呈中部窄两边宽的领结形的折合振子结构且在横向和竖向分别对称。采用本发明技术方案，一方面具有便于固定安装的紧凑结构，另一方面在整个宽带范围内可保持稳定的增益和辐射性能。
Description
技术领域
本发明涉及宽带或多频带无线通信以及射频能量收集技术领域，具体涉及一种宽带领结形对称折合振子天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，越来越多的通信频段被人们使用，如：2G、3G、WLAN等。因此，设计多频段无线通信的天线需求也越来越多，此类天线需要具有较宽的工作频段以及较稳定的增益。折合振子是较容易实现宽带特性的天线之一，近年来折合振子天线研究受到国内外关注[1]-[9]。文献[1]提出一款工作于27MHz-43MHz的小型化折合振子天线。文献[2]是针对WLAN和WiMAX双频段的高增益天线阵列，其阵列单元是双频段的折合振子天线，该阵列天线的两个工作频段分别为2.31GHz-2.56GHz以及3.1GHz-4.15GHz，且在两个工作频段的增益分别可达到14.3~15.1dBi和16.2~17.3dBi。文献[5]提出的新型宽带的磁偶极子，在1.65GHz-4.65GHz的频段范围内其驻波比SWR≤2，增益可达到7.9±0.9dBi。文献[7]提出了用于2.4 GHz和5GHz频段的折合振子阵列，该阵列天线在2.4GHz和5GHz两个频点增益可分别达到3.5-3.7dBi和4.5-5.0dBi。文献[8]提出了一款用于2G\3G\LTE的宽带平面天线，该天线的15dB的回波损耗的相对带宽为53%，增益可达到15.5dBi 以上。
现有的基于折合振子的天线具有宽带特性或高增益的特点，但一般不具备紧凑的结构，不适合在室内固定安装。鉴于此，本发明构造一种新的宽带折合振子天线，一方面具有便于固定安装的紧凑结构，另一方面在整个宽带范围内可保持较稳定的增益和辐射性能。
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发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，主要为宽带或多频带无线通信以及射频能量收集提供一种性能良好且便于在室内墙体或天花板安装固定的天线。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种宽带领结形对称折合振子天线，该折合振子天线为相互平行的上下两层平面结构，上层平面结构为第一辐射部，下层平面结构为第二辐射部，所述第一辐射部和第二辐射部之间设有支撑部，所述第一辐射部由半径为R的介质板及其表面覆盖的覆铜面组成，所述覆铜面外沿呈中部窄两边宽的领结形的折合振子结构且在横向和竖向分别对称，在覆铜面中部沿横向对称线设有一段长度为sl、间距为w3的矩形空槽，在矩形空槽的两个长边中部断槽面上分别成型有激励焊盘和接地焊盘，所述激励焊盘和接地焊盘共同构成第一信号馈入部，所述矩形空槽两末端的长边分别向外开口张开至靠近覆铜面再聚拢成细弧线形成两个对称的扇形空槽，两个扇形空槽的细弧线与覆铜面的外沿形成宽度为w4并相对称的左覆铜细弧段和右覆铜细弧段。
进一步的，所述第二辐射部为一块边长为L的正方形金属接地板，在金属接地板中心开孔形成第二信号馈入部的入口，第二辐射部和第一辐射部之间的距离H等于2.5GHz时四分之一自由空间波长的长度并通过支撑部连接支撑，所述支撑部为四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d）。
进一步的，所述第二信号馈入部以一头连接同轴线缆的SMA接头的形式连接第一信号馈入部。
进一步的，所述覆铜面上开槽的方式为蚀刻。
进一步的，所述介质板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，半径R为40mm，厚度t为0.6mm，介质板上的单面覆铜的厚度为0.035mm。
进一步的，所述覆铜面中部窄边内凹点到左覆铜细弧段或右覆铜细弧段外沿渐变点的距离l1为29mm，所述左覆铜细弧段或右覆铜细弧段的宽度w4为3mm。
进一步的，所述矩形空槽的长度sl为30mm，间距w3为5mm，矩形空槽的长边与同侧边的覆铜面中部窄边内凹点的距离w1为18mm。
进一步的，该折合振子天线还包括一种加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤1）加工天线上层平面结构，绘制天线上层平面结构的平面加工版图，选用单面覆铜的FR-4板材，根据平面加工版图，利用印刷电路板工艺在FR-4覆铜板材上加工出上层平面结构，即第一辐射部；
步骤2）在加工出的第一辐射部上打四个固定孔，用来后续安装四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d），在第一辐射部的激励焊盘和接地焊盘位置分别打焊接孔用以后续焊接馈电用SMA接头；
步骤3）切割一块长宽为L的平面金属地板，将其平行放置于第一辐射部下方，构成第二辐射部，第一辐射部正对第二辐射部的中央区域；
步骤4）在第二辐射部上打四个固定孔，并且使这四个孔的位置恰好与第一辐射部的四个固定孔位置正对，并且，在第二辐射部中间正对第一辐射部上的第一信号馈入部的位置打一布线孔，该布线孔用于馈电用SMA接头及其连接的同轴线缆穿过；
步骤5）将一头连接同轴线缆的SMA接头，即第二信号馈入部，穿过第二辐射部的布线孔到达第一辐射部的底部，然后通过焊接将SMA接头的内芯和接地引脚分别固定到第一辐射部的激励焊盘和接地焊盘上；
步骤6）将四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d）依次穿过第一辐射部和第二辐射部的四对固定孔，并用塑料螺钉旋紧，使第一辐射部、第二辐射部和塑料圆柱紧密固定在一起，至此整个天线加工完成。
本发明的有益效果是:
本发明一方面具有便于固定安装的紧凑结构，另一方面在整个宽带范围内可保持稳定的增益和辐射性能。
附图说明
图1为本发明折合振子天线立体结构示意图；
图2a为图1中第一辐射部顶部尺寸定义视图;
图2b为图1中第一辐射部顶部结构视图；
图3b为图1中侧面尺寸定义视图；
图3a为图1中侧面结构视图；
图4为本发明折合振子天线的实测反射系数；
图5为本发明折合振子天线的实测增益曲线；
图6a为本发明折折合振子1.8GHz处实测的主极化方向图；
图6b为本发明折折合振子2.4GHz处实测的主极化方向图；
图7a为本发明折折合振子1.8GHz处实测的交叉极化方向图；
图7b为本发明折折合振子2.4GHz处实测的交叉极化方向图。
图中标号说明：1、第一辐射部，11、覆铜面，111、激励焊盘，112、接地焊盘，12、介质板，13、矩形空槽，14、扇形空槽，15、左覆铜细弧段，16、右覆铜细弧段，2、第二辐射部，3、支撑部，3a-3d、塑料圆柱。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1、图2a、图2b、图3a和图3b所示，一种宽带领结形对称折合振子天线，该折合振子天线为相互平行的上下两层平面结构，上层平面结构为第一辐射部1，下层平面结构为第二辐射部2，所述第一辐射部1和第二辐射部2之间设有支撑部3，所述第一辐射部1由半径为R的介质板12及其表面覆盖的覆铜面11组成，所述覆铜面11外沿呈中部窄两边宽的领结形的折合振子结构且在横向和竖向分别对称，在覆铜面11中部沿横向对称线设有一段长度为sl、间距为w3的矩形空槽13，在矩形空槽13的两个长边中部断槽面上分别成型有激励焊盘111和接地焊盘112，所述激励焊盘111和接地焊盘112共同构成第一信号馈入部，所述矩形空槽13两末端的长边分别向外开口张开至靠近覆铜面11再聚拢成细弧线形成两个对称的扇形空槽14，两个扇形空槽14的细弧线与覆铜面11的外沿形成宽度为w4并相对称的左覆铜细弧段15和右覆铜细弧段16。
所述第二辐射部2为一块边长为L的正方形金属接地板，在金属接地板中心开孔形成第二信号馈入部的入口，第二辐射部2和第一辐射部1之间的距离H等于2.5GHz时四分之一自由空间波长的长度并通过支撑部3连接支撑，所述支撑部3为四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d）。
所述第二信号馈入部以一头连接同轴线缆的SMA接头的形式连接第一信号馈入部。
所述覆铜面11上开槽的方式为蚀刻。
所述介质板12的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，半径R为40mm，厚度t为0.6mm，介质板12上的单面覆铜的厚度为0.035mm。
所述覆铜面11中部窄边内凹点到左覆铜细弧段15或右覆铜细弧段16外沿渐变点的距离l1为29mm，所述左覆铜细弧段15或右覆铜细弧段16的宽度w4为3mm。
所述矩形空槽13的长度sl为30mm，间距w3为5mm，矩形空槽13的长边与同侧边的覆铜面11中部窄边内凹点的距离w1为18mm。
该折合振子天线还包括一种加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤1）加工天线上层平面结构，绘制天线上层平面结构的平面加工版图，选用单面覆铜的FR-4板材，根据平面加工版图，利用印刷电路板工艺在FR-4覆铜板材上加工出上层平面结构，即第一辐射部1；
步骤2）在加工出的第一辐射部1上打四个固定孔，用来后续安装四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d），在第一辐射部1的激励焊盘111和接地焊盘112位置分别打焊接孔用以后续焊接馈电用SMA接头；
步骤3）本实施例中切割一块160×160mm2的平面金属地板，将其平行放置于第一辐射部1下方，构成第二辐射部2，第一辐射部1正对第二辐射部2的中央区域；
步骤4）在第二辐射部2上打四个固定孔，并且使这四个孔的位置恰好与第一辐射部1的四个固定孔位置正对，并且，在第二辐射部2中间正对第一辐射部1上的第一信号馈入部的位置打一布线孔，该布线孔用于馈电用SMA接头及其连接的同轴线缆穿过；
步骤5）将一头连接同轴线缆的SMA接头，即第二信号馈入部，穿过第二辐射部2的布线孔到达第一辐射部1的底部，然后通过焊接将SMA接头的内芯和接地引脚分别固定到第一辐射部1的激励焊盘111和接地焊盘112上；
步骤6）本实施例选用四个30mm高的塑料圆柱（3a、3b、3c、3d）依次穿过第一辐射部1和第二辐射部2的四对固定孔，并用塑料螺钉旋紧，使第一辐射部1、第二辐射部2和塑料圆柱紧密固定在一起，至此整个天线加工完成。
如图4所示，是该天线反射系数S11的实测结果，从图4可以看出，实测的-10dB带宽为1.9GHz，从1.7GHz到3.6GHz，包含了PCS（1710-1880MHz）、UMTS（1920-2170MHz）以及WLAN/WiMAX（2400-2700MHz）频段。实测的主辐射方向的增益如图5所示，从图中可以看出，实测增益在整个-10dB带宽内，增益都在7.96dBi以上，且带内最高增益达到9.05dBi。
如图6a和图6b所示，是1.8 GHz和2.4GHz频点处的主极化增益方向图，图7a和图7b是1.8 GHz和2.4GHz频点的交叉极化方向图，由图6a、图6b、图7a和图7b可知，1.8 GHz和2.4GHz频点处E面主极化与交叉极化之比可分别达到20.2dBi和20.14dBi，H面主极化与交叉极化之比可分别达到31.62dBi和28.14dBi，由于反射地板的采用，后向辐射也很弱。
本发明天线的工作原理：
天线主体结构（即第一辐射部1）的覆铜部分可看成由一对对称的双频折合振子拼接而成，每个折合振子边缘的覆铜细弧段相对较窄，这样可以有效辐射；每个折合振子包含两个不同的电流路径，每个路径对应一个谐振频点，从而形成两个谐振点，折合振子的外沿轮廓决定了低频谐振点，而高频谐振点主要取决于扇形空槽14的边缘长度，在两个谐振点上，两个折合振子上的电流方向是一致的，因此该天线可看作是一个二元的折合振子阵列；渐变结构的采用使对应于低频谐振点与高频谐振点的工作带宽连接在一起，形成一个扩展的工作带；阻抗匹配主要受矩形空槽13的长度sl以及其宽度w3的影响，同时，渐变结构也对阻抗匹配有着重要的影响，渐变结构的采用也有助于实现宽带特性；天线主体结构下方放置金属地板（即第二辐射部2）的作用是进一步增强天线的方向性以及减小天线的后向辐射，该地板距离天线主体结构的长度H等于2.5GHz时四分之一自由空间波长的长度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种宽带领结形对称折合振子天线，该折合振子天线为相互平行的上下两层平面结构，其特征在于，上层平面结构为第一辐射部（1），下层平面结构为第二辐射部（2），所述第一辐射部（1）和第二辐射部（2）之间设有支撑部（3），所述第一辐射部（1）由半径为R的介质板（12）及其表面覆盖的覆铜面（11）组成，所述覆铜面（11）外沿呈中部窄两边宽的领结形的折合振子结构且在横向和竖向分别对称，在覆铜面（11）中部沿横向对称线设有一段长度为sl、间距为w3的矩形空槽（13），在矩形空槽（13）的两个长边中部断槽面上分别成型有激励焊盘（111）和接地焊盘（112），所述激励焊盘（111）和接地焊盘（112）共同构成第一信号馈入部，所述矩形空槽（13）两末端的长边分别向外开口张开至靠近覆铜面（11）再聚拢成细弧线形成两个对称的扇形空槽（14），两个扇形空槽（14）的细弧线外沿与覆铜面（11）的外沿形成宽度为w4并相互对称的左覆铜细弧段（15）和右覆铜细弧段（16），所述第二辐射部（2）为一块边长为L的正方形金属接地板，在金属接地板中心开孔形成第二信号馈入部的入口，第二辐射部（2）和第一辐射部（1）之间的距离H等于2.5GHz时四分之一自由空间波长的长度并通过支撑部（3）连接支撑，所述支撑部（3）为四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d）。
2.根据权利要求1所述的宽带领结形对称折合振子天线，其特征在于，所述第二信号馈入部以一头连接同轴线缆的SMA接头的形式连接第一信号馈入部。
3.根据权利要求1所述的宽带领结形对称折合振子天线，其特征在于，所述覆铜面（11）上开槽的方式为蚀刻。
4.根据权利要求1所述的宽带领结形对称折合振子天线，其特征在于，所述介质板（12）的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，半径R为40mm，厚度t为0.6mm，介质板（12）上的单面覆铜的厚度为0.035mm。
5.根据权利要求1所述的宽带领结形对称折合振子天线，其特征在于，所述覆铜面（11）中部窄边内凹点到左覆铜细弧段（15）或右覆铜细弧段（16）外沿渐变点的距离l1为29mm，所述左覆铜细弧段（15）或右覆铜细弧段（16）的宽度w4为3mm。
6.根据权利要求1所述的宽带领结形对称折合振子天线，其特征在于，所述矩形空槽（13）的长度sl为30mm，间距w3为5mm，矩形空槽（13）的长边与同侧边的覆铜面（11）中部窄边内凹点的距离w1为18mm。
7.根据权利要求1所述的宽带领结形对称折合振子天线，其特征在于，该折合振子天线还包括一种加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤1）加工天线上层平面结构，绘制天线上层平面结构的平面加工版图，选用单面覆铜的FR-4板材，根据平面加工版图，利用印刷电路板工艺在FR-4覆铜板材上加工出上层平面结构，即第一辐射部（1）；
步骤2）在加工出的第一辐射部（1）上打四个固定孔，用来后续安装四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d），在第一辐射部（1）的激励焊盘（111）和接地焊盘（112）位置分别打焊接孔用以后续焊接馈电用SMA接头；
步骤3）切割一块长宽为L的平面金属地板，将其平行放置于第一辐射部（1）下方，构成第二辐射部（2），第一辐射部（1）正对第二辐射部（2）的中央区域；
步骤4）在第二辐射部（2）上打四个固定孔，并且使这四个孔的位置恰好与第一辐射部（1）的四个固定孔位置正对，并且，在第二辐射部（2）中间正对第一辐射部（1）上的第一信号馈入部的位置打一布线孔，该布线孔用于馈电用SMA接头及其连接的同轴线缆穿过；
步骤5）将一头连接同轴线缆的SMA接头，即第二信号馈入部，穿过第二辐射部（2）的布线孔到达第一辐射部（1）的底部，然后通过焊接将SMA接头的内芯和接地引脚分别固定到第一辐射部（1）的激励焊盘（111）和接地焊盘（112）上；
步骤6）将四个塑料圆柱（3a、3b、3c、3d）依次穿过第一辐射部（1）和第二辐射部（2）的四对固定孔，并用塑料螺钉旋紧，使第一辐射部（1）、第二辐射部（2）和塑料圆柱紧密固定在一起。
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| Title |
|---|
| "A Novel 94-GHz Dipole Bow-tie Slot Antenna on Silicon for Imaging Applications";Osama M. Haraz等;《2014 IEEE Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics(APACE)》;20141210;第59-61页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105161830A (zh) | 2015-12-16 |
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