CN104953297B - 电小三频多模天线 - Google Patents
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Abstract
电小三频多模天线，属于天线技术领域。本发明是为了解决传统方法中阻抗匹配网络只能在单一工作频段改善天线的阻抗特性的问题。它的介质板的正面蚀刻蝶形单极子，介质板的背面蚀刻蜿蜒线；蝶形单极子位于介质板的下半段表面上，蝶形单极子由一条水平上边框和两条斜边框形成等腰三角形，两条斜边框的夹角为蝶形单极子的张角θ；蜿蜒线由介质板的上水平边框位置起始向下水平边框蛇形蜿蜒形成三个具有开口结构的长方形，该蜿蜒线沿介质板的水平中线呈镜像对称；通过参数设计使蝶形单极子和蜿蜒线在低频时谐振。本发明为一种电小三频多模天线。
Description
技术领域
本发明涉及电小三频多模天线，属于天线技术领域。
背景技术
传统的实现电小天线的方法是：在电小天线和现有馈源之间加匹配电路来实现天线和馈源之间的良好匹配。由电路分析，所述匹配电路是提供一个共轭电抗，从而与电小天线的电抗物理上相抵消，再通过阻抗变换器将其匹配到现有的50Ω或是75Ω，从而实现从源到天线的匹配。该方法的不足之处在于：首先，严格意义上讲，馈电网络也属于天线***的一部分，复杂的馈电网络或者说额外的阻抗匹配网络无疑会加大天线的电尺寸；其次，传统的阻抗匹配网络只能在单一的工作频段改善天线的阻抗特性，无法为天线带来多频、多模等工作特性。
发明内容
本发明目的是为了解决传统方法中阻抗匹配网络只能在单一工作频段改善天线的阻抗特性的问题，提供了一种电小三频多模天线。
本发明所述电小三频多模天线，它包括介质板、蝶形单极子和蜿蜒线，介质板的正面蚀刻蝶形单极子，介质板的背面蚀刻蜿蜒线；
蝶形单极子位于介质板的下半段表面上，蝶形单极子由一条水平上边框和两条斜边框形成等腰三角形，两条斜边框的夹角为蝶形单极子的张角θ，θ的范围为120度至150度，所述水平上边框与介质板的水平边框平行，蝶形单极子的馈电高度为h；
蜿蜒线由介质板的上水平边框位置起始向下水平边框蛇形蜿蜒形成三个具有开口结构的长方形，该蜿蜒线沿介质板的水平中线呈镜像对称；
通过参数设计使蝶形单极子和蜿蜒线在低频时谐振。
所述通过参数设计使蝶形单极子和蜿蜒线在低频时谐振的具体方法是：设置蜿蜒线在不同工作频率下的电感值；蜿蜒线在不同工作频率下的电感值Lm的获得方法为：
根据ε＝ε0εr，
式中ε为介质板介电常数，ε0为真空介电常数，εr为介质板相对介电常数；
则介质板内波阻抗Zc为：
式中μ为介质板磁导率；
每段终端短路线的特性阻抗Z0为：
式中a为蜿蜒线的相邻横向带条之间的距离，b为蜿蜒线的横向带条的宽度；
所述终端短路线是由蜿蜒线的所有终端短路的双线传输线串联组成，其中每段终端短路的双线传输线是将蜿蜒线的相邻横向带条看做由相应的纵向带条在终端短路形成的双向传输线；
每段终端短路线的输入阻抗Zin为：
式中是函数的泰勒级数保留至三阶项的结果；
式中β为介质板中电磁波的相移常数，w为蜿蜒线横向带条的长度，
则所有终端短路线的输入阻抗为：
式中N为蜿蜒线的总转弯数，
变形后，获得蜿蜒线的电感值Lm为：
蝶形单极子的馈电点与同轴线的内芯相焊接。
本发明的优点：本发明通过宽张角蝶形单极子加载蜿蜒线来改变电小天线的整体辐射特性，它在实现真正意义电小天线的基础上实现了天线的多模高效率高增益工作。
本发明可以在较高频点工作在两种工作模式上，且在这两个工作模式的两个频点上具有较强的方向性及较高的增益。
附图说明
图1是本发明所述电小三频多模天线的正面结构示意图；图中P为馈电点；S为蝶形单极子的斜边长；
图2是图1的右视图；
图3是图1的左视图；
图4是本发明所述电小三频多模天线的背面结构示意图；图中l为蜿蜒线整体的纵向长度；
图5是将本发明所述电小三频多模天线与铜地板焊接后的正面示意图；
图6是将本发明所述电小三频多模天线与铜地板焊接后的背面示意图；；
图7是本发明的软件仿真结果S11图；
图8是4.22GHz远场仿真结果曲线图；
图9是4.22GHzE面曲线图，phi＝0°；
图10是4.22GHzE面曲线图，phi＝90°；
图11是7.13GHz远场仿真结果曲线图；
图12是7.13GHzE面曲线图，phi＝0°；
图13是7.13GHzE面曲线图，phi＝90°。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述电小三频多模天线，它包括介质板1、蝶形单极子2和蜿蜒线3，介质板1的正面蚀刻蝶形单极子2，介质板1的背面蚀刻蜿蜒线3；
蝶形单极子2位于介质板1的下半段表面上，蝶形单极子2由一条水平上边框和两条斜边框形成等腰三角形，两条斜边框的夹角为蝶形单极子2的张角θ，θ的范围为120度至150度，所述水平上边框与介质板1的水平边框平行，蝶形单极子2的馈电高度为h；
蜿蜒线3由介质板1的上水平边框位置起始向下水平边框蛇形蜿蜒形成三个具有开口结构的长方形，该蜿蜒线3沿介质板1的水平中线呈镜像对称；
通过参数设计使蝶形单极子2和蜿蜒线3在低频时谐振。
本实施方式中的蝶形单极子2和蜿蜒线3的材质可选择为铜。
蝶形单极子2和蜿蜒线3在介质板1上的加工工艺为：首先使介质板1的两侧面附着上薄铜皮。再通过刻蚀技术，将多余的铜皮腐蚀掉，剩下的铜皮结构即为天线的辐射单元，对应本实施方式即为蝶形单极子2和蜿蜒线3。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述通过参数设计使蝶形单极子2和蜿蜒线3在低频时谐振的具体方法是：设置蜿蜒线3在不同工作频率下的电感值；蜿蜒线3在不同工作频率下的电感值Lm的获得方法为：
根据ε＝ε0εr，
式中ε为介质板介电常数，ε0为真空介电常数，εr为介质板相对介电常数；
则介质板内波阻抗Zc为：
式中μ为介质板磁导率；
每段终端短路线的特性阻抗Z0为：
式中a为蜿蜒线的相邻横向带条之间的距离，b为蜿蜒线的横向带条的宽度；
所述终端短路线是由蜿蜒线3的所有终端短路的双线传输线串联组成，其中每段终端短路的双线传输线是将蜿蜒线的相邻横向带条看做由相应的纵向带条在终端短路形成的双向传输线；
每段终端短路线的输入阻抗Zin为：
式中是函数的泰勒级数保留至三阶项的结果；
式中β为介质板中电磁波的相移常数，w为蜿蜒线横向带条的长度，
则所有终端短路线的输入阻抗为：
式中N为蜿蜒线的总转弯数，
变形后，获得蜿蜒线3的电感值Lm为：
本实施方式欲达到的性能指标为：1、通过公式设计蜿蜒线以使蝶形单极子与蜿蜒线在低频时谐振来实现电小天线***，要求在该谐振频点S11在-10dB以下，辐射效率在50％以上；2、电小天线除可工作在电小工作状态外还能额外实现多频点多模工作，并且在这些工作状态下具有90％以上的效率与较高增益。
蜿蜒线的各参数设计及调整：
天线工作在电小状态时蜿蜒线的横向带条可以被看做是由一系列终端短路的双线传输线组成，由于蜿蜒线的纵向带条长度远小于横向带条长度，故在分析蜿蜒线电感值时近似地将其影响忽略，由于天线整体是电小结构，所以每段终端短路的双线传输线输入电抗为感性，整个蜿蜒线可以看做是一系列电感相串联。由此原理蜿蜒线可提供足够的感抗来实现整个***的低频谐振。增加蝶形天线的边长及张角可以增强与蜿蜒线之间的耦合，从而提高最终天线***的辐射效率。同时，采用更薄的介质板1也可以增强蝶形单极子与蜿蜒线之间的谐振耦合。天线的宽度影响天线***的电抗部分，其中一个更小的蝶形单极子要求一个更大的感抗值来维持相同频点的谐振，蜿蜒线横向带条，即铜带条之间的互耦电容取决于横向带条之间的距离，增加横向带条之间的距离将会减小这些带条之间的耦合电容，相应地，天线***的谐振频点也会向更低频移动，然而天线***的谐振响应却会因为横向带条密度减小而减弱，因为铜带条的密度决定了由分布磁场引起的表面电流的大小，增加带条长度和减小带条宽度都会提供给整个天线***更大的感抗，只是增加的幅度不同而已。
具体实施方式三：下面结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，蝶形单极子2的馈电点与同轴线的内芯相焊接。
本发明通过引入一个电小的寄生结构，即一个合适类型的人工电磁材料单元，并将其加载到辐射天线的近场区域，再通过修改该电小寄生结构来充分地利用电小设计空间，最终实现整个天线***的阻抗匹配。该天线基础单元是一个位于介质板1上的张角为宽张角的蝶形单极子2，它的输入阻抗在较低频率时呈现容性，因此该蝶形单极子天线在低频时呈现极差的阻抗特性和辐射性能。本发明还引入了人工电磁表面——蜿蜒线，并利用该蜿蜒线所具有的感抗来补偿蝶形单极子低频时所呈现的容抗，由此来实现低频时的谐振***，且由于该电小***由人工电磁材料实现，所以该***能与50Ω同轴线很好地匹配。除此之外，作为无限长理想双锥天线的二维衍生，蝶形单极子2需要较高的纵向高度才能在高频时实现较好的辐射特性。相对于小张角的蝶形单极子2，具有相同边长的宽张角蝶形单极子2纵向高度更低，故而辐射效率更差，然而通过采用本发明的加载蜿蜒线的方法，该天线***还可以工作在另外两个工作状态：在较高的频点，蝶形单极子作为一种馈电结构给蜿蜒线耦合馈电。此时，蜿蜒线各横向带条分别工作在半波阵子构成的天线阵与全波阵子构成的天线阵状态，通过改变蜿蜒线横向带条之间的距离即可影响对应天线阵各阵子电流的相位与幅度，调整蜿蜒线各参数可使蜿蜒线获得较强的方向性与较高的增益。
本发明所述天线在使用中直接焊接在铜地板上，该铜地板中心穿孔，将内芯直径为0.51mm、输入阻抗为50Ω的SFT-50-2的同轴线经由铜地板的中心孔穿过，并与蝶形单极子顶点处焊接。
本发明在具体实施中，结构尺寸可按如下参数进行设置，其中蝶形单极子2的张角θ可以选取150°，S选取10mm，蝶形单极子2的馈电高度h选取为0.18，蝶形单极子2和蜿蜒线3的金属层厚度t为0.1mm，介质板相对介电常数εr为2.2，介质板1的厚度T为0.508mm。蜿蜒线3横向带条的长度w为20mm，蜿蜒线整体的纵向长度l为10.4mm，蜿蜒线的相邻横向带条之间的距离a为3.1mm，蜿蜒线的横向带条的宽度b为1.1mm。
将本发明天线直立焊接在一块100×100mm2的中心穿孔的铜地板上，该中心穿孔的孔径与SFT-50-2规格的同轴线外径相同，介质板厚度为0.508mm，相对介电常数为2.2，正面蚀刻一蝶形单极子，背面蚀刻有蜿蜒线，蝶形单极子馈电点与通过地板的输入阻抗为50Ω的同轴线内芯相焊接，蜿蜒线的底部横向带条与铜地板焊连，同轴线的另一头与相应的SMA接头连接。
图7至图13所示，在电小工作频点.62GHz，单独的蝶形单极子所呈现的容抗值大小为86.63Ω；由蜿蜒线公式，代入各参数可得蜿蜒线提供的电感值约为Lt＝9.17H，在1.62GHz对应的感抗值为93.34Ω。由二者的数值结果看，感抗值与容抗值比较接近，二者共轭抵消，由此实现低频时的谐振***。
同时该天线也可工作在4.22GHz与7.13GHz两个工作频点，分别对应蜿蜒线横带条等效为半波振子组成的天线阵及等效为全波阵子组成的天线阵。
Claims (2)
1.一种电小三频多模天线，其特征在于，它包括介质板(1)、蝶形单极子(2)和蜿蜒线(3)，介质板(1)的正面蚀刻蝶形单极子(2)，介质板(1)的背面蚀刻蜿蜒线(3)；
蝶形单极子(2)位于介质板(1)的下半段表面上，蝶形单极子(2)由一条水平上边框和两条斜边框形成等腰三角形，两条斜边框的夹角为蝶形单极子(2)的张角θ，θ的范围为120度至150度，所述水平上边框与介质板(1)的水平边框平行，蝶形单极子(2)的馈电高度为h；
蜿蜒线(3)由介质板(1)的上水平边框位置起始向下水平边框蛇形蜿蜒形成三个具有开口结构的长方形，该蜿蜒线(3)沿介质板(1)的水平中线呈镜像对称；
通过参数设计使蝶形单极子(2)和蜿蜒线(3)在低频时谐振；
所述通过参数设计使蝶形单极子(2)和蜿蜒线(3)在低频时谐振的具体方法是：设置蜿蜒线(3)在不同工作频率下的电感值；蜿蜒线(3)在不同工作频率下的电感值Lm的获得方法为：
根据ε＝ε0εr，
式中ε为介质板介电常数，ε0为真空介电常数，εr为介质板相对介电常数；
则介质板内波阻抗Zc为：
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每段终端短路线的特性阻抗Z0为：
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式中a为蜿蜒线的相邻横向带条之间的距离，b为蜿蜒线的横向带条的宽度；
所述终端短路线是由蜿蜒线(3)的所有终端短路的双线传输线串联组成，其中每段终端短路的双线传输线是将蜿蜒线的相邻横向带条看做由相应的纵向带条在终端短路形成的双向传输线；
每段终端短路线的输入阻抗Zin为：
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式中是函数的泰勒级数保留至三阶项的结果；
式中β为介质板中电磁波的相移常数，w为蜿蜒线横向带条的长度，
则所有终端短路线的输入阻抗为：
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2.根据权利要求1所述的电小三频多模天线，其特征在于，蝶形单极子(2)的馈电点与同轴线的内芯相焊接。
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