一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，包括有SMA接頭、介質(zhì)板、輻射單元及微帶線饋電集成巴倫；該輻射單元上開設(shè)有開槽縫，開槽縫的兩側(cè)形成輻射雙臂，該微帶線饋電集成巴倫具有分支線，該分支線等效為串聯(lián)電阻，改善匹配阻抗，本發(fā)明的VSWR≤1.5相對帶寬達(dá)58.7％(1.65-3.0GHz)，與其他對帶寬擴(kuò)展技術(shù)相比（例如增加寄生貼片技術(shù)），本發(fā)明在不改變原來天線大小的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，改善了天線帶寬，且不影響天線的其它性能（如增益和交叉極化電平等），減少了占用空間，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實用、適用性廣等優(yōu)點。
【專利說明】一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于天線工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其用于移動通信等設(shè)備的天線或者陣列天線的陣元。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，比如2G的GSM1800和GSM1900，3G (CDAM-2000、WCDMA和TD-SCDMA)和LTE這些通信系統(tǒng)的通信頻段主要為1.7-2.8GHz。偶極子結(jié)構(gòu)天線是天線工程技術(shù)中應(yīng)用較廣泛的天線。其結(jié)構(gòu)簡單且易實現(xiàn)，可以單獨作為天線來工作，也可作為天線陣的天線陣元。采用微帶巴倫結(jié)構(gòu)饋電的印刷振子天線由于可以提供較大的帶寬，且具有體積小、重量輕、成本低、便于集成化和組成陣列等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中。
[0003]為了増大印刷偶極子天線帶寬，在改變印制偶極子天線的饋電這方面國內(nèi)外專家學(xué)者探索了各種方法，并驗證了這些方法的有效性。美國的Edward在其專利號為US4825220 的專利“Microstrip fed printed dipole with integral balun，，提出了一種微帶J形巴倫饋電的傘形振子印刷偶極子天線的VSWR≤2.0(10.5-16GHz)阻抗帶寬為41.5%，但是相対的其VSWR≤1.5的工程帶寬只有兩個很窄的小波段。Rong Lin Li等在其“Equivalent-Circuit Analysis of a Broadband Printed Dipole With AdjustedIntegrated Balun and an Array for Base Station Applications，，(IEEE Transactionson Antennas and Propagation, vol.57, n0.7, pp.2180 - 2184, July2009)文中提出了直接采用50歐姆微帶線從天線下端饋電，克服了傳統(tǒng)的從天線上端饋電進(jìn)行阻抗匹配的難題，但是其VSWR ^ 2.0阻抗匹配帶寬只有40%。
[0004]E.Avila—NavaiTO 等人在“Broadband printed dipole with integratedvia-hole balun for WiMAX applications，， (Microwave and Optical Technology Letters, vol.53, n0.1, pp.52-55，Jan.2011)提出了在饋電巴倫的開路端插入短路探針，引入電抗補(bǔ)償擴(kuò)展帶寬，其其VSWRg 2.0阻抗匹配帶寬達(dá)到50%。中電38研究所盧曉鵬在微帶巴倫中通過ー低阻抗的開路線引入并聯(lián)補(bǔ)償電容“Novel broadband printeddipole”(Microwave and Optical Technology Letters, Vol.48,n0.10,pp.1996 -1998，Oct.2006)，其VSffR≤1.5 (1.35-2.35GHz)阻抗帶寬達(dá)到49.5%,但是其微帶巴倫放在縫隙中間不利于交叉結(jié)構(gòu)的組陣化設(shè)計。香港城市大學(xué)的Ge Lei等人在“AWideband Magneto-Electric Dipole Antenna” (IEEE Transactions on Antennasand Propagation, Vol.60, n0.11, pp.4987-4991，Nov.2012)設(shè)計中，將金屬結(jié)構(gòu)饋電巴倫設(shè)計成梯形結(jié)構(gòu)，使巴倫與輻射偶極子垂直部分形成電容效應(yīng)補(bǔ)償輻射臂的電感，其VSffR≤2.0(1.65-4.65GHz)阻抗帶寬達(dá)到95.2%，這ー方法也驗證了引入電容補(bǔ)償對帶寬擴(kuò)展的有效性，但是并不適用于印制偶極子天線的設(shè)計。此外也有其他的一些設(shè)計方法來擴(kuò)展帶寬，但是不具有普遍的適用性，設(shè)計方法較為繁瑣，不利于天線的小型化與簡單化設(shè)計。[0005]與上述對饋電結(jié)構(gòu)的研究工作相比，本發(fā)明在L形微帶巴倫的饋電中心添加分支線，結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展了帶寬，分析了該發(fā)明設(shè)計的阻抗匹配機(jī)理，VSWR≤1.5(1.65-3.0GHz)的阻抗帶寬為58%，實驗結(jié)果與理論值相吻合，驗證了該設(shè)計的有效性。將本發(fā)明的微帶巴倫應(yīng)用與雙貼片(雙層)帶狀線結(jié)構(gòu)的印刷偶極子天線，VSffR ( 1.5(1.55-3.4GHz)的阻抗帶寬達(dá)到74.7%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述技術(shù)背景，本發(fā)明對現(xiàn)有的印刷偶極子天線帶寬不足問題加以解決，提出了一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案:
[0008]一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，包括有SMA接頭、介質(zhì)板、福射單元以及微帶線饋電集成巴倫；該福射單元和微帶線饋電集成巴倫分別對應(yīng)印制在介質(zhì)板的正面和反面，微帶線饋電集成巴倫和輻射単元分別對應(yīng)與SMA接頭的內(nèi)芯和外部焊接進(jìn)行饋電；該輻射單元上開設(shè)有開槽縫，開槽縫的兩側(cè)形成輻射雙臂，該微帶線饋電集成巴倫具有分支線。
[0009]作為ー種優(yōu)選方案，所述微帶線饋電集成巴倫包括有依次連接的微帶線、第一級阻抗變換段、第二級折線阻抗變換段和開路段，該分支線于第二級折線阻抗變換段與開路段之間的連接處延伸出。
[0010]作為ー種優(yōu)選方案，所述分支線向下延伸并與第二級折線阻抗變換段和開路段圍構(gòu)形成E型結(jié)構(gòu)。
[0011]作為ー種優(yōu)選方案，所述分支線向上延伸或向下延伸而不改變天線性能。
`[0012]作為ー種優(yōu)選方案`，分支線向上延伸的偶極子天線與分支線向下延伸的偶極子天線呈十字交叉相互嵌入在一起而組成雙極化寬帶印刷偶極子天線。
[0013]作為ー種優(yōu)選方案，所述開路段向上延伸或向下延伸而不改變天線性能。
[0014]作為ー種優(yōu)選方案，所述介質(zhì)板選用介電常數(shù)為4.4、厚度為1.5mm的FR4介質(zhì)板。
[0015]作為ー種優(yōu)選方案，進(jìn)ー步包括有金屬反射板，該介質(zhì)板為兩塊，兩塊介質(zhì)板疊合一起形成雙層介質(zhì)板，該雙層介質(zhì)板豎向設(shè)置于金屬反射板上，該雙層介質(zhì)板的兩外側(cè)面均印制有前述輻射單元，該雙層介質(zhì)板的中間夾層印制有前述結(jié)構(gòu)的分支線集成饋電巴倫。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案可知:
[0017]一、通過設(shè)置有分支線，該分支線等效為串聯(lián)電阻，改善匹配阻抗，本發(fā)明的VSffR≤1.5，相對帶寬達(dá)58.7% (1.65-3.0GHz)，與其他對帶寬擴(kuò)展技術(shù)相比(例如增加寄生貼片技木)，本發(fā)明在不改變原來天線大小的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，改善了天線帶寬，且不影響天線的其它性能(如増益和交叉極化電平等)，減少了占用空間，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實用、適用性廣等優(yōu)點。
[0018]二、本發(fā)明采用介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板，成本低廉，便于批量生產(chǎn)。VSffR ≥ 1.5(1.65-3.0GHz)的阻抗帶寬為58%，實驗結(jié)果與理論值相吻合，驗證了該設(shè)計的有效性。其雙層結(jié)構(gòu)形式的印刷偶極子天線VSWRg 1.5相對帶寬達(dá)74.75%(1.55-3.4GHz)，充分覆蓋了 GSM1800、GSM1900、CDMA-2000, WCDMA, TD-SCDMA, TD-LTE 的エ作頻帶，克服了傳統(tǒng)的印制偶極子帶寬窄的問題，該方法簡單實用，利于集成化設(shè)計，在不増大原來天線大小、不提高天線加工復(fù)雜度的情況下，實現(xiàn)多天線復(fù)用，符合當(dāng)前天線小型化、寬帶化設(shè)計要求。
[0019]為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實施例來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明寬帶印刷偶極子天線整體結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖2是本發(fā)明印刷偶極子天線的正面(a)、反面(b)示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明印刷偶極子天線的另ー種形式的正面(a)、反面(b)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明印刷偶極子天線的雙層結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明印刷偶極子天線的工作頻率一回波損耗仿真與測試曲線圖；
[0025]圖6是本發(fā)明印刷偶極子天線的工作頻率ー増益測試曲線圖；
[0026]圖7是本發(fā)明印刷偶極子天線的1.6GHz、2.4GHz、3.0GHz實測E面主計劃方向圖；
[0027]圖8是本發(fā)明印刷偶極子天線的1.6GHz、2.4GHz、3.0GHz實測H面主計劃方向圖；
[0028]圖9是本發(fā)明印刷偶極子天線的雙層結(jié)構(gòu)形式的工作頻率-電壓駐波比仿真曲線圖。
[0029]附圖標(biāo)識說明:
[0030]1、SMA接頭2、介質(zhì)板
[0031]3、微帶線饋電集成巴倫4、福射單元
[0032]5、金屬反射板301、微帶線
[0033]302、第一級阻抗變換段303、第二級折線阻抗變換段
[0034]304、分支線305、開路段
【具體實施方式】
[0035]請參照圖1所示，其顯示出了本發(fā)明之較佳實施例的具體結(jié)構(gòu)，包括有SMA接頭1、介質(zhì)板2、福射單元4以及微帶線饋電集成巴倫3 ;該福射單元4和微帶線饋電集成巴倫3分別對應(yīng)印制在介質(zhì)板2的正面和反面，微帶線饋電集成巴倫3和輻射單元4分別對應(yīng)與SM接頭I的內(nèi)芯和外部焊接進(jìn)行饋電。
[0036]參照圖2所示，本發(fā)明在輻射單元4正中開設(shè)有一條開槽縫，開槽縫的兩側(cè)形成輻射雙臂，該微帶線饋電集成巴倫3具有分支線304。具體而言，在本實施例中，該微帶線饋電集成巴倫3呈￡形結(jié)構(gòu)，其包括有依次連接的微帶線301、第一級阻抗變換段302、第二級折線阻抗變換段303和開路段305，該分支線304于第二級折線阻抗變換段303與開路段305之間的連接處延伸出，該分支線304向下延伸并與第二級折線阻抗變換段303和開路段305圍構(gòu)形成E型結(jié)構(gòu)，該微帶線301的特征阻抗為50歐姆。微帶線饋電集成巴倫3通過輻射単元4中間的開槽縫給輻射雙臂耦合饋電，通過調(diào)整第一級阻抗變換段302、第二級折線阻抗變換段303以及開路段305完成對天線的輻射阻抗匹配，擴(kuò)展天線帶寬；分支線304可等效為串聯(lián)電阻加載調(diào)整阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整分支線304的長度和寬度以及位置，可調(diào)整對阻抗變換匹配，實現(xiàn)印刷偶極子天線帶寬的最大化。[0037]如圖3所示，是基于本發(fā)明思路的另外ー種形式將分支線304向上延伸的微帶線饋電集成巴倫3，該輻射単元4性能能夠保持不變。在后期雙極化基站天線設(shè)計中，可采用該結(jié)構(gòu)天線可與圖2所示的結(jié)構(gòu)天線組成十字形的雙極化寬帶印刷偶極子天線，可達(dá)到更好的效果。
[0038]根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明給出以下天線實施例:
[0039]實施例1，單層結(jié)構(gòu)天線
[0040]介質(zhì)板2選用介電常數(shù)為4.4、厚度為1.5mm的FR4介質(zhì)板,長為82mm,寬為62mm。輻射單元4的上端長度72mm，約為中心頻率2.3GHz的一半的波長，寬度為23mm，輻射單元4的高度為55mm,下端寬度為30mm。在福射單元4中間開有寬為5mm,長為32mm的開槽縫。
[0041]在介質(zhì)板2反面的微帶線饋電集成巴倫3的總高度為39.8mm。特征阻抗為50歐姆的微帶線301的長為Ilmm,寬為2.8mm。第一級阻抗變換段302長為20mm、寬為2mm。第二級折線阻抗變換段303寬為0.8mm，其中垂直部分長為8.8mm，水平段長為9mm。開路段305寬為0.8mm，垂直段長為11.8mm，水平段長為9mm。調(diào)諧分支線304的長為9.2mm,寬為1mm，且分支線304位于天線的中心線。
[0042]如圖5所示，是基于本發(fā)明思想設(shè)計出的寬帶印刷偶極子天線的回波損耗理論結(jié)果與實測結(jié)果對比圖，可以看到實測結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，VSWR≤ 1.5相對帶寬達(dá)58.7% (1.65-3.0GHz)。
[0043]如圖6所示，是寬帶印刷偶極子天線1.6GHz-3.0GHz天線的實測頻率-增益變化曲線圖，天線在整個頻率范圍內(nèi)的增益為2.0-5.4dBi。
[0044]如圖7所示，是本發(fā)明印刷偶極子天線的1.6GHz,2.4GHz、3.0GHz實測E面主極化方向圖，圖8是本發(fā)明印刷偶極子天線的1.6GHz、2.4GHz、3.0GHz實測H面主極化方向圖。
[0045]實施例2，雙層結(jié)構(gòu)加反射板天線
[0046]參照圖4，根據(jù)上述單層結(jié)構(gòu)的天線，設(shè)計雙層介質(zhì)板結(jié)構(gòu)天線。如圖4，進(jìn)ー步包括有金屬反射板5,該介質(zhì)板2為兩塊,兩塊介質(zhì)板2疊合一起形成雙層介質(zhì)板,該雙層介質(zhì)板豎向設(shè)置于金屬反射板5上，該雙層介質(zhì)板的兩外側(cè)面均印制有前述輻射單元4，該雙層介質(zhì)板的中間夾層印制有前述帶狀線集成饋電巴倫3。
[0047]介質(zhì)板2選用介電常數(shù)為4.4、厚度為1.5mm的FR4介質(zhì)板,所加金屬反射板5上方長為92mm,高為64mm,介質(zhì)板；金屬反射板5下端介質(zhì)板長48mm,寬8mm。福射單元4的上端輻射臂長72mm、寬為9mm，其下端共面帶線寬34mm，在輻射臂中間的開槽縫長為50mm、寬8mm。此時微帶線饋電集成巴倫3的微帶線301長為Ilmm,寬為1.8mm ;第一級阻抗變換段302長為23mm、寬為1.8mm ;第二級折線阻抗變換段303寬為0.8mm，其中垂直部分長為9mm,水平段長為8mm ;開路段305寬為0.8mm,垂直段長為7mm,水平段長為8mm。分支線304的長為4mm,寬為5mm。
[0048]如圖7所示，是雙層結(jié)構(gòu)加反射板天線印刷偶極子天線的電駐波比仿真曲線圖，可以看到仿真結(jié)果中，VSffR≤1.5相對帶寬達(dá)74.75% (1.55-3.4GHz)。
[0049]本發(fā)明的設(shè)計重點在干:首先，通過設(shè)置有分支線，該分支線可等效為串聯(lián)電阻，改善匹配阻抗，本發(fā)明的VSWR≤1.5，相對帶寬達(dá)58.7% (1.65-3.0GHz)，與其他對帶寬擴(kuò)展技術(shù)相比(例如増加寄生貼片技木)，本發(fā)明在不改變原來天線大小的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，改善了天線帶寬，且不影響天線的其它性能(如増益和交叉極化電平等)，減少了占用空間，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實用、適用性廣等優(yōu)點。其次，本發(fā)明采用介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板，成本低廉，便于批量生產(chǎn)。VSWR≤1.5(1.65-3.0GHz)的阻抗帶寬為58%，實驗結(jié)果與理論值相吻合，驗證了該設(shè)計的有效性。其雙層結(jié)構(gòu)形式的印刷偶極子天線VSWRg 1.5相對帶寬達(dá) 74.75% (1.55-3.4GHz)，充分覆蓋了 GSM1800、GSM1900、CDMA-2000、WCDMA,TD-SCDMA、TD-LTE的工作頻帶，克服了傳統(tǒng)的印制偶極子帶寬窄的問題，該方法簡單實用，利于集成化設(shè)計，在不增大原來天線大小、不提高天線加工復(fù)雜度的情況下，實現(xiàn)多天線復(fù)用，符合當(dāng)前天線小型化、寬帶化設(shè)計要求。
[0050]以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對本發(fā)明天線的實例的描述，需要申明的是這些描述應(yīng)該被視為說明性，而非限定性，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，工程技術(shù)人員可以根據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書中對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行具體的調(diào)整操作進(jìn)而得到本發(fā)明天線的其他的實施方案的變更，這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍之內(nèi)，均在本發(fā)明的保護(hù)之列 。
【權(quán)利要求】
1.一種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:包括有SMA接頭、介質(zhì)板、福射單元以及微帶線饋電集成巴倫；該福射單元和微帶線饋電集成巴倫分別對應(yīng)印制在介質(zhì)板的正面和反面，微帶線饋電集成巴倫和輻射単元分別對應(yīng)與SMA接頭的內(nèi)芯和外部焊接進(jìn)行饋電；該輻射單元上開設(shè)有開槽縫，開槽縫的兩側(cè)形成輻射雙臂，該微帶線饋電集成巴倫具有分支線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在干:所述微帶線饋電集成巴倫包括有依次連接的微帶線、第一級阻抗變換段、第二級折線阻抗變換段和開路段，該分支線于第二級折線阻抗變換段與開路段之間的連接處延伸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:所述分支線向下延伸并與第二級折線阻抗變換段和開路段圍構(gòu)形成E型結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:所述分支線向上延伸或向下延伸而不改變天線性能。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:分支線向上延伸的偶極子天線與分支線向下延伸的偶極子天線呈十字交叉相互嵌入在一起而組成雙極化寬帶印刷偶極子天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:所述開路段向上延伸或向下延伸而不改變天線性能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:所述介質(zhì)板選用介電常數(shù)為4.4、厚度為1.5mm的FR4介質(zhì)板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種新穎分支線集成饋電巴倫的寬帶印刷偶極子天線，其特征在于:進(jìn)ー步包括有金屬反射板，該介質(zhì)板為兩塊，兩塊介質(zhì)板疊合一起形成雙層介質(zhì)板，該雙層介質(zhì)板豎向設(shè)置于金屬反射板上，該雙層介質(zhì)板的兩外側(cè)面均印制有前述輻射単元，該雙層介質(zhì)板的中間夾層印制有前述結(jié)構(gòu)的分支線集成饋電巴倫。
【文檔編號】H01Q9/06GK103531895SQ201310459668
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】王燦, 葛悅禾 申請人:華僑大學(xué)