CN102270778A

CN102270778A - 一种中短波段船用小型天线

Info

Publication number: CN102270778A
Application number: CN2010102825655A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 赵琳; 焦健; 孙丽丽
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2011-12-07

Abstract

本发明公开了一种中短波段船用小型天线。包括电介质层、导线层、同轴馈电线、接地板四个组成部分；所述导线层为平面结构，敷刻于电介质层上表面，由多条首尾相连的弯曲导线段组成，所述导线段基于两片六阶Hilbert分形结构，其导线末端由一截短导线连接；天线垂直安装于接地板上表面，接地板几何中心处开孔，同轴馈电线经由接地板开孔与天线相连接。实验数据表明，该天线样机能够工作在2～8MHz的中短波段，具有体积小，宽频带，低轮廓，全向性，适合船用的特点。本发明不仅可用于海上无线电导航***，也可推广至其他相关***中。

Description

一种中短波段船用小型天线

技术领域

本发明涉及一种天线。具体地说是一种小型化的偶极子天线。

背景技术

海上无线电导航***基于扩频体制，装备于舰船，工作在中短波段，利用地波进行测距定位，作为星基无线电导航***的有效补充，该***具有定位精度高、抗干扰能力强、工作范围大、保密性好、安全可靠的特点，市场前景十分广阔。

在海上无线电导航***中，天线作为***中的重要组成元件，决定了***的集成度、定位精度以及工作范围，是保证***能够安全稳定工作的基础。目前海上无线电导航***接收设备普遍以大型鞭天线为主，属磁天线范畴。根据磁天线理论，为保证天线性能，其设计高度应不低于信号波长的十分之一。由于中短波段信号波长大，通常达到百米量级，因此***天线高度往往不低于3米。天线尺寸大，难于安装及维护是影响***接收设备集成度的重要问题。因此，中短波段船用小型接收天线成为了***设计中的技术难点。

天线小型化技术始终是天线研究领域的一个重要课题，如磁天线技术、弯折线天线、螺旋天线、微带天线以及2005年刚刚问世的左手介质天线等等。然而，在中短波段船用小型天线设计领域，上述若干天线小型化手段均存在有这样或那样的不足。如磁天线存在退磁、易破碎等缺点；螺旋天线小型化程度低，难以满足中短波段天线设计要求；左手介质在中短波段不存在，因此无法进行中短波左手介质天线设计等等。

为此，2008年，东南大学的王志功教授、王科平博士所在课题组设计了一款基于弯折线及Hilbert分形结构的中短波段宽带小型接收天线，并撰写了学术论文“一种有限空间内中短波段宽带接收天线设计”一文，发表于《电波科学学报》中。然而，该文献所设计天线随能够工作在中短波段，且具有宽频带特点，但天线具有强方向性特点，不利于舰船上信号的全向接收与辐射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化程度高、低轮廓、宽频带、驻波特性良好的中短波段船用小型天线。

本发明的目的是这样实现的：

包括电介质层、导线层、同轴馈电线、接地板四个组成部分；所述导线层为平面结构，敷刻于电介质层上表面，由多条首尾相连的弯曲导线段组成，所述导线段基于两片六阶Hilbert分形结构，其导线末端由一截短导线连接；天线垂直安装于接地板上表面，接地板几何中心处开孔，同轴馈电线经由接地板开孔与天线相连接。

本发明还可以包括这样一些特征：

(1)所述导线层导线角点位置设置为直角。

(2)所述导线层在电介质层上的覆盖面为矩形，该覆盖面边长等于导线层边长，以此组成辐射天线元件。

(3)所述天线导线层边长26cm，宽13cm，导线段宽度约1mm。

(4)天线导线段材质为铜箔，在导线段上镀有锡层。

(5)所述天线电介质层材质为聚四氟乙烯板状结构，其边长大于导线层边长2mm，电介质层厚度1mm；

(6)所述天线接地板为铜板结构，接地板厚度3mm。

(7)所述天线由同轴线馈电，馈电接口为SMA头，馈电线阻抗50欧姆，其具体馈电位置为天线导线层底部几何中心处。

本发明针对现有中短波段船用小型接收天线难以小型化，无法全向接收及辐射信号的缺点，公开了一种基于Hilbert分形的偶极子天线，基于该类型天线具有小型化程度高、低轮廓、宽频带、驻波特性良好的特点，同时克服了传统偶极子天线“8”字形方向图结构，具有全向辐射及接收特性，能够满足中短波段船用小型天线的设计要求；另外，本发明同时基于该天线公开了一种海上无线电导航***接收设备的小型天线。

本发明以分形理论为核心，同时结合经典的偶极子天线理论。将其中的单极子天线臂采用Hilbert分形曲线代替，从而形成双Hilbert结构。相对于相同高度的偶极子天线，本发明中的天线在有限空间内加大了天线的有效长度，增大了天线辐射电阻，提高了天线的辐射效率，虽然该天线仍隶属电小天线范畴，但突破了电小天线理论对接收天线尺寸的限制。

本发明的中短波段船用小型天线，用于海上无线电导航***的接收设备中，以替代设备中原有的大型鞭天线。

综上所述，本发明将Hilbert分形结构引入偶极子天线的设计当中，为中短波段天线设计提供了一种新的小型化设计手段，基于该方案设计的天线高度仅为相同性能偶极子天线的4％左右。同时，本发明基于该方案设计的海上无线电导航***接收设备天线具有以下有益的效果：

(1)天线高度仅为13cm，性能与***中现有大型鞭天线类似，尺寸仅为现有天线的7％；

(2)在2～8MHz频带范围内具有多个工作频段，天线具有宽频带特点，谐振频带内天线驻波比低于3；

(3)具有约48欧姆的输出阻抗，易于与同轴线匹配，信号能量在传输过程中损耗小；

(4)具有全向辐射及接收信号的特点，对来自不同方向信号具有类似的增益，能够敏感于弱信号。

需要说明的是，本发明公开的用于海上无线电导航***接收设备的中短波段船用小型天线仅为更好的说明本发明中基于Hilbert分形的偶极子天线这一天线小型化实施技术方案而非限制，对该天线结构进行的等同替换或修改，而未脱离本实施方案范围，则均应涵盖在本发明的权利要求当中。

附图说明

图1为本发明中双Hilbert分形天线结构示意图；

图2为本发明中所涉及天线的回波损耗；

图3为本发明中所涉及天线的驻波特性；

图4为本发明中天线第一谐振频点处E面归一化方向图；

图5为本发明中天线第一谐振频点处H面归一化方向图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明主要提供了一种新的偶极子天线的小型化实施方案，利用Hilbert分形天线替代组成偶极子天线的单极子天线，在天线谐振特性不变的前提下，达到增大天线有效长度，提高输入阻抗，改善天线辐射效率的目的。同时，由于Hilbert分形天线电流分布均匀，是一种全向天线。因此，将其应用于偶极子天线的设计中，可改善天线的原有辐射特性，降低天线方向性，消除天线接收零点，使天线能够做到全向接收。

本发明将上述天线设计方案应用于海上无线电导航***中，为其提供了一种能够工作于中短波段的小型接收天线。本发明中Hilbert分形天线的迭代次数选为6，天线尺寸定为26cm×13cm，天线导线总长8.2米，天线导线半径为0.5mm。

图1为本发明中天线结构图，其中天线背板材质选为介电常数为2.65的聚四氟乙烯，天线导线为半径0.25mm的铜线，单面蚀刻，铜线凸出背板0.25mm，背板厚度0.5mm，两Hilbert分形天线固连处为天线馈电点。

天线设计过程中最终数据选择如下：

表1基于双Hilbert分形的偶极子天线结构数据

Table 1the configuration data of two polar antennas which isbased on the double-Hilbert fractal curve

天线名称	基于双Hilbert分形的偶极子天线
		单片Hilbert分形挡板尺寸	13×13cm²
天线导线材质	铜
		馈电方式	同轴线馈电
同轴线外导体半径	2.3mm
		同轴线探针半径	1mm
匹配阻抗	50欧姆
		激励源类型	高斯脉冲
介质背板	介电常数为2.65的聚四氟乙烯
		接地板材质	铜
接地板尺寸	15×15×0.3cm³

图2为本发明中2～8MHz频带内天线回波损耗，由图可见，在2～6MHz频带内，天线均可谐振，且回波损耗低于-20dB，作为接收天线，能够满足海上无线电导航***要求，同时天线相对带宽达到了80％。

图3为本发明中2～8MHz频带内天线驻波特性，由图可见，在2～6MHz频带内，50欧姆匹配阻抗条件下，天线具有良好的驻波特性，驻波比均低于1.5，在5MHz谐振频点处，天线驻波比达到了1.201。

图4，图5分别为天线谐振频点为5MHz时天线E、H面归一化方向图，由图可见，天线完全能够满足全向接收的***要求，辐射主瓣约在0～180度，之间，无旁瓣出现，在180～360度左右方向性较弱，一定程度上影响了天线效率。

综上所述，本发明提供了一种新的偶极子天线小型化实施方案-基于双Hilbert分形的偶极子天线，依据该方案设计了一种能够工作于中短波段的6阶分形的小型船用接收天线，制作了天线原理样机，并将其应用于海上无线电导航***中。实验数据表明，本发明中的天线高度仅为13cm，能够工作于2～8MHz的中短波段，具有良好的驻波特性以及宽频带、低轮廓、全向性的特点，适合于船用。同时，本发明不仅可用于海上无线电导航***，也可推广至其他相关***中。

如无特殊说明，本说明书所有数学符号所表示意义均统一，附图中的频率单位均为MHz。

Claims

1.一种中短波段船用小型天线，包括电介质层、导线层、同轴馈电线、接地板四个组成部分；其特征是：所述导线层为平面结构，敷刻于电介质层上表面，由多条首尾相连的弯曲导线段组成，所述导线段基于两片六阶Hilbert分形结构，其导线末端由一截短导线连接；天线垂直安装于接地板上表面，接地板几何中心处开孔，同轴馈电线经由接地板开孔与天线相连接。

2.根据权利要求1所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：所述导线层导线角点位置设置为直角。

3.根据权利要求2所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：所述导线层在电介质层上的覆盖面为矩形，该覆盖面边长等于导线层边长，以此组成辐射天线元件。

4.根据权利要求3所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：所述天线导线层边长26cm，宽13cm，导线段宽度约1mm。

5.根据权利要求4所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：天线导线段材质为铜箔，在导线段上镀有锡层。

6.根据权利要求5所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：所述天线电介质层材质为聚四氟乙烯板状结构，其边长大于导线层边长2mm，电介质层厚度1mm；

7.根据权利要求6所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：所述天线接地板为铜板结构，接地板厚度3mm。

8.根据权利要求7所述的一种中短波段船用小型天线，其特征是：所述天线由同轴线馈电，馈电接口为SMA头，馈电线阻抗50欧姆，其具体馈电位置为天线导线层底部几何中心处。