CN107658555A - 用于uwb超宽带通信的层叠结构八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线，该天线利用单引向器层叠结构八木天线，可获得3.4～10.6GHz的超宽带UWB性能以及最大可获得10.7dB的增益；通过将单引向器层叠结构八木天线的矩形金属片引向器7替换成带缝隙的平行金属条，可获得同单引向器层叠结构八木天线相差不大的性能；通过在单引向器层叠结构八木天线的正上方放置更多的平行矩形金属片或矩形金属条阵列，可获得接近于3.4～10.6GHz的超宽带UWB性能以及可获得随矩形金属片数量增多而不断增大的增益。同部分超宽带天线相比，具有结构简单、制作成本低、辐射方向稳定、增益高且可随引向器个数增多而变大的特点。

Description

用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线
技术领域
本发明属于天线领域，特别涉及一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线。
背景技术
八木天线作为端射类天线之一，从问世以来，由于其拥有结构简单、成本低、重量轻、指向性好、馈电方式简单、辐射增益高、可随天线端射方向长度调节而改变的增益以及可组成阵列等优点，被广泛应用于米波、分米波等波段的电视、通信、雷达等通信***中。如在文章“高严.宽频带高增益八木天线[D].哈尔滨工业大学,2016”中，对传统八木天线作出了详细的介绍以及原理分析并在此基础上进行进一步的优化。虽然八木天线已经获得了较好的应用，但随着科技的不断进步，现代社会各种无线通信***向着宽带化、小型化、集成化等方面发展，八木天线体积过大、带宽过窄等缺点严重制约其应用。
自从2002年美联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)批准超宽带(ultra-wide band，UWB)技术进入民用领域，超宽带通信***引起了学术界和工业界的极大关注。而超宽带天线作为超宽带通信***的重要组成部分，对其性能起着重要作用。现有的超宽带天线虽然能满足超宽带的带宽要求，但部分超宽带天线采用电磁带隙(electromagnetic bandgap，EBG)、缺陷地结构(Defected ground structure，DGS)等技术，导致天线结构复杂、制作成本较高。且部分超宽带天线在不同频率时，其辐射方向会发生变化，导致超宽带信号的相位中心发生变化以致带来色散，造成天线性能的下降。也有部分超宽带天线存在着馈电复杂、辐射方向变化较大、增益不高等缺点。如在文章“王军会.超宽带天线及其阵列的若干技术研究[D].西安电子科技大学,2015”中，对超宽带天线的性能作了详细地分析；在文章“刘祥龙.小型超宽带天线设计及其时域特性分析[D].西安电子科技大学,2015”中，对超宽带的特点和不同种类的超宽带天线作了具体描述和分析。仍然存在超宽带天线结构复杂、制作成本较高、辐射方向变化较大、增益不高的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线，其目的在于，为了克服现有技术中传统八木天线带宽过窄、体积过大的缺陷，以及超宽带天线结构复杂、制作成本较高、辐射方向变化较大、增益不高的不足。
一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线，至少包括一个单引向器层叠结构八木天线；
所述单引向器层叠结构八木天线包括地平面板1、50欧姆同轴线2、两个导体构成的宽带巴伦、两个蝶形激励元以及位于两个蝶形激励元正上方的引向器；
所述地平面板1在中心位置处设有过孔，50欧姆同轴线2穿过地平面板1的过孔，所述引向器通过绝缘体固定在蝶形激励元上；
所述宽带巴伦包括第一导体3和第二导体4，所述两个蝶形激励元包括第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6；
所述宽带巴伦的第一导体3和第二导体4相互平行，且两者中间设有中间缝隙；所述宽带巴伦的第一导体3和第二导体4分别与第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6的内侧边沿连接且相互垂直；
所述第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6位于与地平面板1平行的同一水平面上，且关于中间缝隙对称，所述第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6的内侧边沿为圆弧形；
所述50欧姆同轴线2的外导体与地平面板1焊接，50欧姆同轴线2的外导体和介质的截面均与所述地平面板1的下表面齐平，50欧姆同轴线2的内导体与宽带巴伦的第一导体3的外侧焊接。
进一步地，所述引向器为矩形金属片。
进一步地，所述引向器为多根平行金属条在同一平面内形成的矩形金属条阵列，相邻金属条等间距设置，所述矩形金属条阵列外设置有绝缘固定装置。
进一步地，所述引向器的长度取值范围为22-26mm，宽度取值范围为10-14mm。
进一步地，至少包括两个引向器，两个引向器设于蝶形激励元上方，且均与地平面板平行；
引向器之间的垂直距离与位于最下面的矩形金属片与蝶形激励元之间的垂直距离相等，引向器之间采用绝缘体固定；
所有引向器的长度相同，宽度从下至上依次缩小。
进一步地，至少包括三个引向器，三个引向器设于蝶形激励元上方，且均与地平面板平行；
引向器之间的垂直距离与位于最下面的矩形金属片与蝶形激励元之间的垂直距离相等，引向器之间采用绝缘体固定；
所有引向器的长度相同，宽度从下至上依次缩小。
进一步地，至少包括四个引向器，四个引向器设于蝶形激励元上方，且均与地平面板平行；
引向器之间的垂直距离与位于最下面的矩形金属片与蝶形激励元之间的垂直距离相等，引向器之间采用绝缘体固定；
所有引向器的长度相同，宽度从下至上依次缩小。
进一步地，所述四个引向器的宽度从下至上依次取值为12mm、10mm、8mm、6mm。
进一步地，所述四个引向器的宽度从下至上依次取值为12mm、11mm、10mm、9mm。
有益效果
本发明提供了一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线，该天线利用单引向器层叠结构八木天线，可获得3.4～10.6GHz的超宽带UWB性能以及最大可获得10.7dB的增益；通过将单引向器层叠结构八木天线的矩形金属片引向器7替换成带缝隙的平行金属条，可获得同单引向器层叠结构八木天线相差不大的性能；通过在单引向器层叠结构八木天线的正上方放置更多的平行矩形金属片或矩形金属条阵列，可获得接近于3.4～10.6GHz的超宽带UWB性能以及可获得随矩形金属片数量增多而不断增大的增益。
所述的层叠结构八木天线同传统八木天线相比，由于采用面状结构且各结构元件匹配良好，因此具有超宽带的性能，又因为它工作在几个GHz的频段，故其有小体积的优点；所述的层叠结构八木天线同部分超宽带天线相比，具有结构简单、制作成本低、辐射方向稳定、增益高且可随引向器个数增多而变大的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于UWB超宽带通信的单个引向器金属片的层叠结构八木天线的结构示意图，其中，图1a为整体结构示意图，图1b为图1a的主视图，图1c为图1a的左视图，图1d为图1a的右视图；
图2是一个受激偶极子单元与一个寄生振子单元组成的二元阵的示意图；
图3为振子自阻抗和互阻抗的曲线示意图，其中，图3a为振子半径为时振子的辐射自阻抗的实部和虚部随振子两端长度变化的曲线图；图3b为两振子的辐射互阻抗的实部和虚部随振子间距变化的曲线图；
图4是图1d所示的引向器金属片在不同的参数值a和b下，反射系数仿真值-频率的曲线图；
图5为在金属片上设置缝隙时的天线结构示意图，其中，图5a为整体结构示意图，图5b为图5a的俯视图；
图6为引向器采用矩形金属片和带缝隙的矩形金属片时，天线性能对比示意图，其中，图6a为图a所示引向器构成的天线与图1a所示引向器构成的天线相比较时，反射系数仿真值-频率的曲线图；图6b是图a所示引向器构成的天线与图1a所示引向器构成的天线相比较时，天线增益仿真值-频率的曲线图；
图7是两个矩形金属片构成的层叠结构八木天线的结构示意图；
图8是三个矩形金属片构成的层叠结构八木天线的结构示意图；
图9是四个矩形金属片构成的层叠结构八木天线的结构示意图，其中，图9a为整体结构示意图，图9b为图9a的左视图；
图10是在图9所示天线在不同参数值c、d、e和f下，反射系数仿真值-频率的曲线图；
图11是图9所示的天线的反射系数的仿真值和测量值的对比曲线图；
图12是图9所述天线中参数c、d、e和f分别取12、10、8和6时的天线增益仿真值-频率的曲线图；
图13为图9所示天线在5.5GHz时分别E平面和H平面的实测和仿真对比示意图，其中，图13a为E平面共极化分量对比曲线图，图13b为E平面交叉极化分量对比曲线图，图13c为H平面共极化分量对比曲线图，图13d为H平面交叉极化分量对比曲线图；
图14为图9所示天线在9.5GHz时分别E平面和H平面的实测和仿真对比示意图，其中，图14a为E平面共极化分量对比曲线图，图14b为E平面交叉极化分量对比曲线图，图14c为H平面共极化分量对比曲线图，图14d为H平面交叉极化分量对比曲线图；
图15是本发明实施例提供的层叠结构八木天线和传统八木天线的增益仿真值-引向器个数的对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
如图1所示，一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线，至少包括一个单引向器层叠结构八木天线；
所述单引向器层叠结构八木天线包括地平面板1、50欧姆同轴线2、两个导体构成的宽带巴伦、两个蝶形激励元以及位于两个蝶形激励元正上方的引向器；
所述地平面板1在中心位置处设有过孔，50欧姆同轴线2穿过地平面板1的过孔，所述引向器通过绝缘体固定在蝶形激励元上；
所述宽带巴伦包括第一导体3和第二导体4，所述两个蝶形激励元包括第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6；
所述宽带巴伦的第一导体3和第二导体4相互平行，且两者中间设有中间缝隙；所述宽带巴伦的第一导体3和第二导体4分别与第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6的内侧边沿连接且相互垂直；
所述第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6位于与地平面板1平行的同一水平面上，且关于中间缝隙对称，所述第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6的内侧边沿为圆弧形；
所述50欧姆同轴线2的外导体与地平面板1焊接，50欧姆同轴线2的外导体和介质的截面均与所述地平面板1的下表面齐平，50欧姆同轴线2的内导体与宽带巴伦的第一导体3的外侧焊接。
引向器可以采用单个、两个、三个甚至四个，在垂直方向上层叠排列。
所述引向器可以采用矩形金属片，也可以采用由金属条平行排列而成的矩形金属条阵列。
传统八木天线从原理上来讲是由位于同一平面内的多根无源振子及一根有源振子构成的，所有振子的中心在一条直线上。一般的八木天线由一根反射器、一根有源振子(即激励元，通常为窄带)、一根或多根引向器构成，反射器、激励元、引向器依次排列且长度递减。有源振子被馈电后，向周围空间辐射电磁波，反射器和各个引向器感应出电流并产生辐射，而通过改变无源振子的长度以及和其它振子之间的间距，就可以通过改变无源振子上感应电流的幅度和相位来改变天线的性能。
为了研究所述单引向器及更多引向器层叠结构八木天线的薄金属片何时作引向器、何时作反射器，接下来分析在传统八木天线中的最基本单元二元阵的性能，如图2所示，所述二元阵包括一根总长度为的有源振子11和一根长度为l的无源振子(寄生振子)12，有源振子11与无源振子12直接的间距为s。
其中，λ为振子(窄带)工作的中心频率所对应的波长。
有源振子11从中部馈电，电压为U1，无源振子12的电压为0，有源振子11、无源振子12上产生的电流分别是I1、I2，则有阻抗方程如下：
U1＝I1Z11+I2Z12 (1)
U2＝I1Z21+I2Z22 (2)
其中，Z11为有源振子11单独存在的自阻抗，Z12为无源振子12存在对有源振子11影响的感应互阻抗，Z21为有源振子11存在对无源振子12影响的感应互阻抗，Z22为无源振子12单独存在的自阻抗，Z11、Z12、Z21、Z22均为复数，还有如下式：
Z12＝R12+jX12 (3)
Z22＝R22+jX22 (4)
R12和X12分别为Z12的实部和虚部；R22和X22分别为Z22的实部和虚部；
调节无源振子上的电流幅度和相位，就能得到二元阵的方向图。接下来，改变无源振子的长度，及两振子间距，以改变其自阻抗和互阻抗。
两振子的相位差为α：
图3a为振子半径为时振子的辐射自阻抗的实部和虚部随振子两端长度变化的曲线图，图3b为两振子的辐射互阻抗的实部和虚部随振子间距变化的曲线图。如图所示，当无源振子臂长大于时，X12>0，若间距s＝(0.15～0.4)λ，有X12<0，R12>0，则0<α<π，即无源振子上的电流相位超前于激励振子的电流相位，此时无源振子起反射器作用。当无源振子臂长小于时，X12<0，若间距s＝(0.15～0.4)λ，使 则π<α<2π，即无源振子上的电流相位滞后于激励振子的电流相位，此时无源振子起引向器作用。
则从二元振子类推，在取合适的振子间距时，可使比激励单元尺寸大的单元作反射器，比激励单元尺寸小的单元作引向器。
在实例一中，矩形金属片7作引向器，地平面板1作反射器。
如图4所示，通过改变矩形金属片7的长和宽(a和b)，天线会有不同的性能。下表1列出了在a、b取不同数值时，天线的阻抗带宽和最大增益的变化情况。当金属片7的宽b保持12不变，金属片7的长a从22变化到26，天线的性能差别不大。当金属片7的长(a)保持24不变，金属片7的宽b从10变化到14，天线的性能变化巨大：宽b为10时最大增益只有9.03dB，而宽b为14时，天线变为多频带。故当层叠结构八木天线为单引向器结构时，最佳的引向器尺寸为24，12。
表1
为了实现天线小型化，研究如图1d所示的地平面板1的大小对天线的性能的影响。下表2为所述单引向器层叠结构八木天线的地平面板的四种不同的尺寸长和宽(x、y)对天线性能的影响。将地平面板从100乘100的尺寸调整到50乘50，-10dB阻抗带宽和最大增益的性能变化不大。经过尺寸优化后的所述层叠结构八木天线在保证良好性能的前提下能使体积明显减小。
表2
如图5a及5b所示，所述单引向器层叠结构八木天线的引向器也可以替换成带缝隙的平行金属条形成的矩形金属条阵列。带缝隙的矩形金属条阵列构成的天线与图1a所示的单块由矩形金属片构成的天线相比较时，其反射系数和天线增益仿真值-频率的曲线图如图6a和6b所示，其中，矩形金属条阵列所构成的天线的反射系数性能略优于单块矩形金属片所构成的天线的反射系数性能，矩形金属条阵列所构成的天线的最大增益比单块矩形金属片所构成的天线的最大增益约大1个dB。
本发明所述的层叠结构八木天线，将矩形金属片采用多跟平行的金属条进行替代形成实施例二，当平行金属条之间的缝隙逐渐变小至所有平行金属条变成一块共面的金属板时，其性能相差不大，用于支撑矩形金属条阵列的装置可以为塑料矩形框或者塑料固定板。
通过对本发明所述的天线进行仿真，天线信号主要分布在第一蝶形激励元5和第二蝶形激励元6上的圆弧边缘，引向器感应到信号，又会继续辐射。如图7所示，在所述单引向器层叠结构八木天线上方再放置一个矩形金属片8，形成两个引向器构成的层叠结构八木天线。所述双引向器层叠结构八木天线由所述单引向器层叠结构八木天线与放置其上的矩形金属片8构成，所述矩形金属片8同矩形金属片7一样作引向器且位于矩形金属片7的正上方，所述矩形金属片8与矩形金属片7的垂直距离等于矩形金属片7与蝶形激励元之间的垂直距离。
如图8所示，在所述双引向器层叠结构八木天线上面放置矩形金属片9，形成三引向器层叠结构八木天线。所述矩形金属片9同矩形金属片7、8一起作为引向器，且位于矩形金属片8的正上方，所述矩形金属片9与矩形金属片引向器8的垂直距离等于矩形金属片7与蝶形激励元5或6的垂直距离。
最后，在所述三引向器层叠结构八木天线上面放置矩形金属片10，如图9A所示，形成四引向器层叠结构八木天线。图9B是图9A所示的天线单元的左视图。如图所示，所述矩形金属片10同矩形金属片7、8、9一起作引向器且位于矩形金属片9的正上方，所述矩形金属片10与矩形金属片9的垂直距离等于矩形金属片引向器7与蝶形激励元之间的垂直距离。
由上面分析知，引向器的长度对天线的性能影响不大，故在图9a、图9b中的矩形金属片7、8、9、10的长度均为24mm，宽度依次表示为c、d、e、f，类似于传统八木天线，c、d、e、f依次逐渐减小或不变。c、d、e、f分别取不同的值，反射系数仿真值-频率的曲线图如图10所示。当c、d、e、f均为12mm时，天线会形成多频带，而当c、d、e、f分别取12mm、11mm、10mm、9mm及12mm、10mm、8mm、6mm时，天线性能良好。即所述层叠结构八木天线的引向器从下到上依次逐渐减小，天线的电磁波信号从激励源会较好地向上辐射并逐次传递到其他元件。
按照图9a制造实物，c、d、e、f分别取12mm、10mm、8mm、6mm，即得到所述四引向器层叠结构八木天线。对其进行测量，所得的天线单元的反射系数的仿真值和测量值如图11所示。从图中看出，实测结果与仿真结果有部分差异，但总体相差不大，在最低反射系数处的频点相近。天线的阻抗带宽为3.4～10.6GHz。
图12是图9a的模型的增益仿真值-频率的曲线图，天线在10GHz处有最大增益12.3dB，在整个3.4～10.6GHz内天线增益变化较大，在6.8～12.3dB区间内。
图13a和13b分别是图9a所示的天线单元在5.5GHz时的E平面实测的和仿真的共极化分量、交叉极化分量的对比曲线图，图13c和13d分别是图9a所示的天线单元在5.5GHz时的H平面实测的和仿真的共极化分量、交叉极化分量的对比曲线图。如图所示，实测与仿真的共极化分量在0°附近达到最大，为10.0dB左右，交叉极化分量均小于0dB。天线的方向性性能较好，实测与仿真结果较一致。
图14a和14b分别是图9a所示的天线单元在9.5GHz时的E平面实测的和仿真的共极化分量、交叉极化分量的对比曲线图，图14c和14d分别是图9a所示的天线单元在9.5GHz时的H平面实测的和仿真的共极化分量、交叉极化分量的对比曲线图。如图所示，实测与仿真的共极化分量在0°附近达到最大，仿真值略大于实测值，交叉极化分量均小于0dB。天线的方向性性能较好，实测与仿真结果较一致。
以此类推，所述四片以上更多引向器层叠结构八木天线由所述四引向器层叠结构八木天线与放置其上的更多的矩形金属片构成，所述更多的矩形金属片与其他矩形金属片一样作引向器。
图15是本发明实施例提供的层叠结构八木天线和传统八木天线的增益仿真值-引向器个数的对比曲线图。从图15中可以看出，本发明所提出的天线在引向器个数为4能达到12.4dB的增益，而在增加更多的引向器后，同传统八木天线相似，本天线的增益增长较为平缓。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种用于UWB超宽带通信的层叠结构八木天线，其特征在于，至少包括一个单引向器层叠结构八木天线；
所述单引向器层叠结构八木天线包括地平面板(1)、50欧姆同轴线(2)、两个导体构成的宽带巴伦、两个蝶形激励元以及位于两个蝶形激励元正上方的引向器；
所述地平面板(1)在中心位置处设有过孔，50欧姆同轴线(2)穿过地平面板(1)的过孔，所述引向器通过绝缘体固定在蝶形激励元上；
所述宽带巴伦包括第一导体(3)和第二导体(4)，所述两个蝶形激励元包括第一蝶形激励元(5)和第二蝶形激励元(6)；
所述宽带巴伦的第一导体(3)和第二导体(4)相互平行，且两者中间设有中间缝隙；所述宽带巴伦的第一导体(3)和第二导体(4)分别与第一蝶形激励元(5)和第二蝶形激励元(6)的内侧边沿连接且相互垂直；
所述第一蝶形激励元(5)和第二蝶形激励元(6)位于与地平面板(1)平行的同一水平面上，且关于中间缝隙对称，所述第一蝶形激励元(5)和第二蝶形激励元(6)的内侧边沿为圆弧形；
所述50欧姆同轴线(2)的外导体与地平面板(1)焊接，50欧姆同轴线(2)的外导体和介质的截面均与所述地平面板(1)的下表面齐平，50欧姆同轴线(2)的内导体与宽带巴伦的第一导体(3)的外侧焊接。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述引向器为矩形金属片。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述引向器为多根平行金属条在同一平面内形成的矩形金属条阵列，相邻金属条等间距设置，所述矩形金属条阵列外设置有绝缘固定装置。
4.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，所述引向器的长度取值范围为22-26mm，宽度取值范围为10-14mm。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，至少包括两个引向器，两个引向器设于蝶形激励元上方，且均与地平面板平行；
引向器之间的垂直距离与位于最下面的矩形金属片与蝶形激励元之间的垂直距离相等，引向器之间采用绝缘体固定；
所有引向器的长度相同，宽度从下至上依次缩小。
6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，至少包括三个引向器，三个引向器设于蝶形激励元上方，且均与地平面板平行；
引向器之间的垂直距离与位于最下面的矩形金属片与蝶形激励元之间的垂直距离相等，引向器之间采用绝缘体固定；
所有引向器的长度相同，宽度从下至上依次缩小。
7.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，至少包括四个引向器，四个引向器设于蝶形激励元上方，且均与地平面板平行；
引向器之间的垂直距离与位于最下面的矩形金属片与蝶形激励元之间的垂直距离相等，引向器之间采用绝缘体固定；
所有引向器的长度相同，宽度从下至上依次缩小。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述四个引向器的宽度从下至上依次取值为12mm、10mm、8mm、6mm。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述四个引向器的宽度从下至上依次取值为12mm、11mm、10mm、9mm。
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