CN104538733A - 一种加载矩形耦合谐振器的对数周期振子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体为一种加载矩形耦合谐振器的对数周期振子天线。该天线包括一副对数周期振子天线阵列，一副矩形耦合谐振器阵列，一个输入端口；介质板正面有：对数周期振子阵列、矩形耦合谐振器阵列、一根带状馈线，其中矩形耦合谐振器的位置与背面的振子位置相对应，形成耦合馈电；介质板反面有：对数周期振子阵列、矩形耦合谐振器阵列、一根带状馈线，其结构与介质板的正面呈对称分布；介质板中心有一根带状馈线。本发明采用在传统对数周期天线上加载矩形耦合谐振器阵列的方式，实现加宽频带、低截止频率以及体积紧凑的特性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种加载了新型结构的对数周期振子天线。
背景技术
对数周期天线于1957年提出，是一种宽频带的非频变天线，它的基本思想是天线按某一比例因子 变换后仍等于它原来的结构，则天线的频率为和时性能相同。因为它具有较宽的频带和简单的结构，所以在许多领域迅速得到了广泛的使用。
对数周期天线的主要类型有对数周期偶极天线和单极天线、对数周期谐振V形天线、对数周期螺旋天线等形式，其中最普遍的是对数周期偶极天线。它可以用于点对点通信，也可以用于科技数字讯号测定，用途广泛，例如作为有线电视天线，接收电台信号，发送数字基站的科技讯号，以及辐射测量设施雷达的效用等，也可作为短波通信天线和中波、短波的广播发射天线。
本发明是在传统对数周期偶极天线的基础上进行的。
对数周期偶极天线目前的研究热点主要集中在通过改变其低频端振子的结构来增加带宽和降低下截止频率，这是由于对数周期偶极天线的振子是按某一比例因子成等比例变化的，当截止频率较低时，天线的尺寸较大，给加工和使用带来了不便。调整低频端振子的形状和尺寸是目前改善其低频性能，拓展带宽的主要方法，比如矩形、折叠振子、三角形，或者在振子或馈线上增加开槽或切角等。
本发明属于不同于过去研究方向的新方法。
经对现有技术的文献检索发现，哈尔滨工业大学的傅佳辉等人的专利“宽带印刷小型化对数周期天线”（CN104092011A），该天线将振子的结构改为形和山形，以增加其电长度；Dimitris E. Anagnostou等人在2008年第7卷的IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS（天线和无线传输）上发表了 “A Printed Log-Periodic Koch-Dipole Array （LPKDA）”（一种加载柯克振子的印刷对数周期天线）”，该天线的阻抗带宽覆盖1.90-3.2GHz，减少了天线17%的面积。经研究，他们所采用的方法均为改变天线振子的形状，而本文提出的加载新型结构矩形耦合谐振器阵列（互补式开口环Complementary Split-Ring Resonator）的方法，通过不同于以往研究的创新方式来拓展带宽和减小体积，本文采用的的传统对数周期天线频带为0.6-1.8GHz（3：1），加载矩形耦合谐振器阵列后频带为0.4-1.8GHz（4.5:1），其中最低截止频率由第一对（最大的一对）矩形耦合谐振器（5、14）的尺寸决定，最低谐振频率公式为（光速/[4×（距离中心距离+长+宽）]，而整个频率域内的辐射则通过调节矩形耦合谐振器阵列的比例因子实现。同时，进一步的研究可以结合非传统振子的对数周期天线，例如柯克振子的对数周期天线上加载矩形耦合谐振器阵列，以结合二者的优势。
发明内容
本发明目的在于，在不改变对数周期天线设计的基础上，提供一种可加载的矩形耦合谐振器，在降低天线的截止频率的同时不增加天线的体积，使其比原来拥有更大的带宽的对数周期振子天线。
本发明提供的带宽拓展的对数周期偶极天线，覆盖0.4-1.8GHz频段，同时拥有较小的尺寸（如为300mm×368mm）。本发明结构基于传统对数周期振子天线，通过在每对对数周期偶极振子的背面相对应位置加载矩形耦合谐振器阵列，同时达到增加带宽和不增加体积的目的。具体来说，本发明提供的加载新型结构的对数周期振子天线，其结构如图1、图2、图3、图4和图5所示。包括一个起支撑作用的介质板1，一个输入端口23,所述介质板1的正面有：第一传输线单元25、第一对数周期振子阵列4、第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、短路端线3，其中：
第一传输线单元25的一端和输入端口23相接，另一端和短路端线3相接，第一对数周期振子阵列4和第一传输线单元25相接；第一对数周期振子阵列4采取传统对数周期天线的设计方式，其长度、宽度和间距随着振子序号增大而按比例减小，其比例因子为；第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21的中心位于相应第一对数周期振子阵列4中心的对称位置，随着对数周期振子长度的缩短，其长和宽按等比缩短，其尺寸按比例常数成等比变化，此因子为对数周期振子的算术平方根，其原因为当谐振频率较低时，每对振子所对应的谐振点带宽较窄，增大可使天线在整个频率域内谐振，谐振器阵列与第一传输线单元25的距离保持不变；
介质板1的反面有：第二传输线单元24、第二对数周期振子阵列2、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22，其中：
输入端口23和第二传输线单元24相接，第二对数周期振子阵列2和第二传输线单元24相接；第二对数周期振子阵列2采取传统对数周期天线的设计方式，其尺寸与第一对数周期振子阵列4相同，位置与第一对数周期振子阵列4关于介质板1的长轴成中心对称；第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的尺寸与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21相同，位置与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21关于介质板1的长轴成中心对称；
介质板1的中心有第三传输线单元26，第三传输线单元26的一端和输入端口23相接，另一端和短路端线3相接；
输入端口23分别和第一传输线单元24、第二传输线单元25、第三传输线单元26相连接，其中输入端口23的信号端和第三传输线单元26连接，输入端口23的地和第一传输线单元24、第二传输线单元25连接；短路端线3的两端分别和第一传输线单元24和第三传输线单元26相连接；第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21与第二对数周期振子阵列2位于介质板1正反面的相同位置；第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22与第一对数周期振子阵列4位于介质板1正反面的相同位置。
第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21和第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22，其中各单元的结构相同，按照序号，其尺寸按一比例常数成等比变化；以矩形耦合谐振器阵列5为例，通过在矩形谐振片单元27上蚀刻出第一C形槽线单元28、第二C形槽线单元29得到。
本发明中，所述的第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21和第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的尺寸和相对第一传输线单元24、第二传输线单元25的位置均可调；所述的第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21和第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的结构中，第一C形槽线单元28和第二C形槽线单元29的长和宽均可调，并且第一C形槽线单元28的长和宽应分别大于第二C形槽线单元29的长和宽，二者的槽线宽度应相同，槽线宽度可调。
本发明中，所述的短路端线3、第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2、第一传输线单元25、第二传输线单元24、第三传输线单元26和第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22中的矩形谐振片单元27均为导体。
本发明中，所述的第一C形槽线单元28和第二C形槽线单元29都是在第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构。
本发明中，所述的输入端口单元23外接信号源，外加的激励信号通过第三传输线单元26、短路端线3，第一传输线单元25、第二传输线单元24、第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2，再通过第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的耦合，实现对天线的馈电；通过调整第三传输线单元26、短路端线3，第一传输线单元25、第二传输线单元24、第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2的尺寸，以及第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的尺寸和位置以及两者的相对位置及形状，实现拓展其低频带宽、减小截止频率以及压缩体积的目的。
本发明中，所述的第一传输线单元25、第二传输线单元24、第三传输线单元26都是50均匀传输线。
本发明中，所述的介质板1，其介电常数为4.4，厚度为2.4mm。
本发明在传统对数周期天线上加载矩形耦合谐振器阵列，与传统对数周期偶极振子天线相比，通过加载谐振器，以耦合馈电方式，提高了传统对数周期天线中空置面积的利用率，从而增加了带宽；矩形谐振器提供更长的电流路径，与传统型相比，在相同尺寸下拥有更低的截止频率，即相同截止频率时尺寸更小。传统型天线通过细致调整偶极振子的对数、位置和比例因子来实现宽带性能，在此基础上，本发明通过仔细调整矩形耦合谐振器阵列的尺寸和位置以及它们与对数偶极天线的相对位置，可实现更大的带宽（0.4-1.8GHz，即4.5个倍频程）和更低的截止频率，或者在相同带宽时拥有更小的尺寸，作为对比，原型天线在相同尺寸时，最低截止频率为0.6GHZ。
附图说明
图1为本发明加载新型结构的对数周期振子天线总体的结构示意图。
图2为本发明加载新型结构的对数周期振子天线的反面结构示意图。
图3为本发明加载新型结构的对数周期振子天线的正面结构示意图。
图4为本发明加载新型结构的对数周期振子天线的中心结构示意图。
图5为本发明加载新型结构的对数周期振子天线的矩形耦合谐振器示意图。
图6为本发明加载新型结构的对数周期振子天线仿真的频率特性示意图。
图7为本发明加载新型结构的对数周期振子天线仿真的H面方向图示意图。
图8为本发明加载新型结构的对数周期振子天线仿真的E面方向图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：一个起支撑作用的介质板1，一个输入端口23，输入端口分别和介质板的正面、反面和中心相连接，其中介质板的中心和输入端口的信号连接，介质板的正、反面和输入端口的地连接。
如图2所示，本实施例所述的介质板1的正面有：第一传输线单元25、第一对数周期振子阵列4、第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、短路端线3。第一传输线单元25的一端和输入端口23相接，另一端和短路端线3相接，第一对数周期振子阵列4和第一传输线单元25相接；第一对数周期振子阵列4采取传统对数周期天线的设计方式，其长度、宽度和间距随着振子序号增大而按比例减小，其比例因子为；第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21的中心位于相应第一对数周期振子阵列4中心的对称位置，随着对数周期振子长度的缩短，其长和宽按等比缩短，其比例因子为，此因子为对数周期振子的算术平方根，其原因为当谐振频率较低时，每对振子所对应的谐振点带宽较窄，增大可使天线在整个频率域内谐振，谐振器阵列与第一传输线单元25的距离保持不变。
如图3所示，本实施例所述的介质板1的反面有：第二传输线单元24、第二对数周期振子阵列2、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22。输入端口23和第二传输线单元24相接，第二对数周期振子阵列2和第二传输线单元24相接；第二对数周期振子阵列2采取传统对数周期天线的设计方式，其尺寸与第一对数周期振子阵列4相同，位置与第一对数周期振子阵列4关于介质板1的长轴成中心对称；第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的尺寸与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21相同，位置与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21关于介质板1的长轴成中心对称。
如图4所示，本实施例所述的介质板1的中心有第三传输线单元26，第三传输线单元26的一端和输入端口23相接，另一端和短路端线3相接。
如图5所示，本实施例所述的第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21和第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22，其中各单元的结构相同，按照序号，其尺寸按一比例常数成等比变化；以矩形耦合谐振器阵列5为例，通过在矩形谐振片单元27上蚀刻出第一C形槽线单元28、第二C形槽线单元29得到。
在介质板1和第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2上增加第一、第二矩形耦合谐振器阵列，第一、第二矩形耦合谐振器阵列的尺寸、位置及形状都可调，第一、第二矩形耦合谐振器阵列通过耦合的方式馈电是本发明的创新点。
所述的短路端线3、第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2、第一传输线单元25、第二传输线单元24、第三传输线单元26和第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22中的矩形谐振片单元27均为导体。
所述的第一C形槽线单元28和第二C形槽线单元29都是在第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构。
所述的第一传输线单元25、第二传输线单元24、第三传输线单元26都是50均匀传输线。
所述的介质板1，其介电常数为4.4，厚度为2.4mm。
本实施例所述的输入端口单元23外接信号源，外加的激励信号通过第三传输线单元26、短路端线3，第一传输线单元25、第二传输线单元24、第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2，再通过第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的耦合，实现对天线的馈电。通过调整第三传输线单元26、短路端线3，第一传输线单元25、第二传输线单元24、第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2的尺寸，以及第一对数周期振子阵列4、第二对数周期振子阵列2与第一矩形耦合谐振器阵列5、7、9、11、13、15、17、19、21、第二矩形耦合谐振器阵列6、8、10、12、14、16、18、20、22的尺寸和位置以及两者的相对位置及形状，实现拓展其低频带宽、减小截止频率以及压缩体积的目的。
如图6所示,为本实施例的回波损耗。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz；纵坐标代表回波损耗变量，单位为dB。本发明新型天线的通带是0.4-1.8GHz，回波损耗在通带内小于-10dB，具有与传统对数周期天线相同的方向特性，天线尺寸为300mm×368mm。
如图7所示,为本实施例H面归一化极坐标方向图。
如图8所示,为本实施例E面归一化极坐标方向图。
Claims (8)
1. 一种加载矩形耦合谐振器的对数周期振子天线，包括一个起支撑作用的介质板，一个输入端口, 其特征在于，
所述介质板的正面有：第一传输线单元、第一对数周期振子阵列、第一矩形耦合谐振器阵列、短路端线，其中：
第一传输线单元的一端和输入端口相接，另一端和短路端线相接，第一对数周期振子阵列和第一传输线单元相接；第一对数周期振子阵列4采取传统对数周期天线的设计方式，其长度、宽度和间距随着振子序号增大而按比例减小；第一矩形耦合谐振器阵列的中心位于相应第一对数周期振子阵列4中心的对称位置，随着对数周期振子长度的缩短，其长和宽按等比缩短，此因子为对数周期振子的算术平方根；
介质板的反面有：第二传输线单元24、第二对数周期振子阵列、第二矩形耦合谐振器阵列，其中：
输入端口和第二传输线单元相接，第二对数周期振子阵列和第二传输线单元相接；第二对数周期振子阵列采取传统对数周期天线的设计方式，其尺寸与第一对数周期振子阵列相同，位置与第一对数周期振子阵列关于介质板的长轴成中心对称；第二矩形耦合谐振器阵列的尺寸与第一矩形耦合谐振器阵列相同，位置与第一矩形耦合谐振器阵列关于介质板的长轴成中心对称；
介质板的中心有第三传输线单元，第三传输线单元的一端和输入端口相接，另一端和短路端线相接；
输入端口分别和第一传输线单元、第二传输线单元、第三传输线单元相连接，其中输入端口的信号端和第三传输线单元连接，输入端口的地和第一传输线单元、第二传输线单元连接；短路端线的两端分别和第一传输线单元和第三传输线单元相连接；第一矩形耦合谐振器阵列与第二对数周期振子阵列位于介质板正反面的相同位置；第二矩形耦合谐振器阵列与第一对数周期振子阵列位于介质板正反面的相同位置。
2. 根据权利要求1所述的对数周期振子天线，其特征在于：
所述第一矩形耦合谐振器阵列和第二矩形耦合谐振器阵列，其中各单元的结构相同，按照序号，其尺寸按一比例常数 成等比变化；矩形耦合谐振器阵列中各耦合谐振器，通过在该矩形谐振片单元上蚀刻出第一C形槽线单元、第二C形槽线单元得到。
3. 根据权利要求2所述的对数周期振子天线，其特征在于：
所述的第一矩形耦合谐振器阵列和第二矩形耦合谐振器阵列的尺寸和相对第一传输线单元、第二传输线单元的位置均可调；所述的第一矩形耦合谐振器阵列和第二矩形耦合谐振器阵列的结构中，第一C形槽线单元和第二C形槽线单元的长和宽均可调，并且第一C形槽线单元的长和宽应分别大于第二C形槽线单元的长和宽，二者的槽线宽度应相同，槽线宽度可调。
4. 根据权利要求1、2或3所述的对数周期振子天线，其特征在于：
所述的短路端线、第一对数周期振子阵列、第二对数周期振子阵列、第一传输线单元、第二传输线单元、第三传输线单元和第一矩形耦合谐振器阵列、第二矩形耦合谐振器阵列中的矩形谐振片单元均为导体。
5. 根据权利要求3所述的对数周期振子天线，其特征在于：
所述的第一C形槽线单元和第二C形槽线单元都是在第一矩形耦合谐振器阵列、第二矩形耦合谐振器阵列上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构。
6. 根据权利要求1-5之一所述的对数周期振子天线，其特征在于：
所述的输入端口单元外接信号源，外加的激励信号通过第三传输线单元、短路端线，第一传输线单元、第二传输线单元、第一对数周期振子阵列、第二对数周期振子阵列，再通过第一对数周期振子阵列、第二对数周期振子阵列与第一矩形耦合谐振器阵列、第二矩形耦合谐振器阵列的耦合，实现对天线的馈电；通过调整第三传输线单元、短路端线，第一传输线单元、第二传输线单元、第一对数周期振子阵列、第二对数周期振子阵列的尺寸，以及第一对数周期振子阵列、第二对数周期振子阵列与第一矩形耦合谐振器阵列、第二矩形耦合谐振器阵列的尺寸和位置以及两者的相对位置及形状，实现拓展其低频带宽、减小截止频率以及压缩体积的目的。
7. 根据权利要求1-5之一所述的对数周期振子天线，其特征在于：所述的第一传输线单元、第二传输线单元、第三传输线单元都是50均匀传输线。
8. 根据权利要求-5之一1所述的对数周期振子天线，其特征在于，所述的介质板，其介电常数为4.4，厚度为2.4mm。
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