CN103414017A - 基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，包括介质基板（12）、双偶极子辐射单元、馈电单元、第一平行耦合双线（5）和第二平行耦合双线（6），所述双偶极子辐射单元由两个印刷在介质基板（12）上的印刷偶极子组成，所述馈电单元为同相功分器，同相功分器的输出端口通过第一平行耦合双线（5）和第二平行耦合双线（6）与所述双偶极子辐射单元相连。本发明采用同相功分器为需要反向馈电的双偶极子定向天线馈电，该同相功分器结构简单紧凑、体积小、重量轻，易于加工制作、易于集成，可以降低天线结构的复杂性，本发明的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线具有定向辐射、宽频带、增益适中等优点。

Description

基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线

技术领域

本发明涉及一种印刷双偶极子天线，尤其涉及一种基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线。

背景技术

近年来，无线通信技术得到了很大的发展并得到了广泛的应用。天线是无线通信系统中不可或缺的重要组成部分，其主要用途是在特定的方向上高效率的辐射和接收电磁波信号。由于无线通信电子设备朝着多功能、小型化的方向发展，越来越多的通信系统要求低成本、易制作、易于和其他微波射频平面电路集成的天线，并且要求天线具有一定的定向辐射特性，这使得宽频带、高增益、定向辐射的小型天线成为目前研究的热点课题之一。此外，定向辐射天线也是解决现代无线通信系统的电磁兼容问题的较好解决手段之一。因此，宽带定向天线的应用越来越广泛。

但是，在某些具体的应用中，对于天线还有诸如体积、重量、效率和环境适应性等方面的特殊要求。例如：对于机载平台，要求天线剖面薄、重量轻、效率高并且满足一定的环境应用条件。

在现有实现天线宽带定向辐射特性的技术中，主要采用宽带定向辐射的天线，如喇叭天线、对数周期天线、渐变结构的天线。虽然这些天线都可实现宽频带定向工作的能力，但是天线的尺寸较大，而且实现宽频带的结构较为复杂，参数之间的影响较大，设计不够灵活。一般而言，宽带定向天线不仅需要满足阻抗带宽，还要求天线的方向图在其工作频带内应具有稳定辐射的恒定波束，天线结构尺寸也应尽量小巧。由于平面结构的天线易于设计和加工，因此，平面印刷天线成为天线设计的首选形式。同时，在同一平面实现宽带天线，且结构简单易于实现，参数天线易于调节是设计实现的目的。目前，很多发明创造都集中在如何拓展平面印刷天线的频带宽度的问题上，但对平面印刷天线带宽相对固定，结构复杂的问题，在此之前并没有能够得到有效的改善。

印刷偶极子天线是常见的平面天线形式，易制作且容易与其他的微波电路集成。但是单个偶极子天线的增益有限，为提高辐射增益，通常利用双偶极子组成阵列的形式实现定向辐射来提高增益。双偶极子组成阵列通常有两种形式，一是两个阵列单元同相馈电，二是两个阵列单元反相馈电形成W8JK结构。同相馈电双偶极子天线需要通常平衡馈电结构。常见的微带馈电结构会极大的影响辐射方向性。专利201010556591.2利用集成波导实现了双偶极子天线的馈电结构。但集成波导需要较大的体积实现过渡设计，增加了天线的尺寸。反相馈电的双偶极子天线形成W8JK结构，可以实现定向辐射，同样可以有效的提高天线辐射增益，但其同样需要复杂的结构实现反相馈电。因此，为反相馈电的印刷双偶极子设计易于集成的馈电网络，成为双偶极子阵列天线的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、体积小、易于集成的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其采用同相功分器作为馈电网络，为需要反相馈电的双偶极子天线馈电。

为实现上述目的，本发明的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，包括介质基板、双偶极子辐射单元、馈电单元、第一平行耦合双线和第二平行耦合双线。上述双偶极子辐射单元由两个印刷在介质基板上的印刷偶极子组成，上述馈电单元为同相功分器，同相功分器的输出端口通过第一平行耦合双线和第二平行耦合双线与上述双偶极子辐射单元相连。

作为本发明的进一步改进，上述同相功分器包括第一微带馈线、第二微带馈线、共面波导第一槽线、共面波导第二槽线、共面波导馈线，上述共面波导第一槽线与第一微带馈线耦合形成第一微带槽线转换结构；上述共面波导第二槽线与第二微带馈线耦合形成第二微带槽线转换结构；第一微带槽线转换结构、第二微带槽线转换结构与共面波导馈线构成共面波导馈入、微带输出的同相功分器；上述同相功分器的第一微带馈线和第二微带馈线分别通过第一平行耦合双线、第二平行耦合双线与双偶极子辐射单元相连。其中，共面波导第一槽线、共面波导第二槽线还与共面波导馈线相连，外加的激励信号通过共面波导馈线的远离共面波导第一槽线和共面波导第二槽线的一端实现同相功分器的信号馈入；上述第一微带馈线与第一平行耦合双线、第二微带馈线与第二平行耦合双线连接处形成同相功分器的两个输出端口，经同相功分器处理后的激励信号从两个输出端口输出，经第一平行耦合双线和第二平行耦合双线连接到双偶极子辐射单元，实现双偶极子辐射单元的馈电，双偶极子辐射单元的两个印刷偶极子共同作用将电磁波能量辐射出去，实现无线通信功能。 

本方案中，由于反相馈电的双偶极子天线及其形成的W8JK结构本身不仅可以满足定向辐射要求，还具有较宽的带宽、接近20dB的前后比和较好的增益，满足小型天线宽频带、高增益、定向辐射的要求，而且天线结构为平面印刷结构，结构简单，容易与其他平面电路实现集成。而本发明中采用了上述结构的同相功分器作为馈电网络为需要反相馈电的印刷双偶极子天线馈电，该同相功分器结构简单紧凑、体积小、重量轻，易于加工制作、易于集成，可以降低天线结构的复杂性，同时可以在较小的面积上实现较宽的带宽和良好的隔离度，不需要隔离电阻。因此，该同相功分器和反相馈电的双偶极子天线相结合，不仅实现了需要反相馈电的双偶极子天线的馈电，还能满足结构简单、易于集成、不增加天线尺寸等优点，这是现有技术中，无论同相馈电还是反相馈电的双偶极子天线不具备的。

进一步，上述共面波导第一槽线、共面波导第二槽线印制在介质基板的反面，上述第一微带馈线、第二微带馈线印制在介质基板的正面。

上述共面波导第一槽线垂直于第一微带馈线；上述共面波导第二槽线垂直于第二微带馈线，即共面波导第一槽线与第一微带馈线正交耦合形成第一微带槽线转换结构、共面波导第二槽线与第二微带馈线正交耦合形成第二微带槽线转换结构，以便于更好地将槽线传输模式转换成微带线传输模式。

进一步，上述双偶极子辐射单元的两个印刷偶极子相互平行且长短不同，其中长印刷偶极子包括两个振臂：长印刷偶极子第一振臂、长印刷偶极子第二振臂；上述短印刷偶极子也包括两个振臂：短印刷偶极子第一振臂、短印刷偶极子第二振臂。双偶极子辐射单元由一长一短两个印刷偶极子组成，这两个印刷偶极子对应两个频点，通过调节双偶极子的尺寸参数可实现天线工作频带的拓宽，即天线的宽带特性，与采用单个印刷偶极子的辐射单元相比，该双偶极子辐射单元具有更宽的阻抗带宽。

进一步，上述短印刷偶极子第一振臂印刷在介质基板的反面，与第一平行耦合双线的反面金属条带相连；上述短印刷偶极子第二振臂印刷在介质基板的正面，与第二平行耦合双线的正面金属条带相连；上述长印刷偶极子第一振臂印刷在介质基板的正面，与第一平行耦合双线的正面金属条带相连；上述长印刷偶极子第二振臂印刷在介质基板的反面，与第二平行耦合双线的反面金属条带相连。本方案中，双偶极子天线反相馈电，形成的W8JK结构，满足定向辐射要求，还具有较宽的带宽、接近20dB的前后比和较好的增益，满足小型天线宽频带、高增益、定向辐射的要求，而且天线为平面印刷结构，不需要隔离电阻，结构简单，容易与其他平面电路实现集成。

进一步，上述同相功分器设置在离长印刷偶极子较近的一侧。

进一步，上述介质基板是适用于射频微波频段并具有相适应介电常数的绝缘材料所制成。

进一步，上述共面波导馈线的特征阻抗为50Ω。

本发明的工作原理是：外加的激励信号通过共面波导馈线馈入同相功分器，再经同相功分器从两个输出端口输出，且同相功分器的两个输出端口同相馈电，使得第一平行耦合双线的反面金属条带和第二平行耦合双线的正面金属条带上的电流反相，第一平行耦合双线的正面金属条带和第二平行耦合双线的反面金属条带上的电流反相，这样，同相馈电的第一平行耦合双线和第二平行耦合双线就可以同时为两个印刷偶极子馈电，且两个印刷偶极子馈电相位相反形成W8JK结构，最后，两个印刷偶极子共同作用将电磁波能量辐射出去，实现无线通信功能。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用同相功分器作为印刷双偶极子天线的馈电网络，该馈电网络结构简单紧凑、体积小、重量轻、易于加工制作、易于集成，可以降低天线结构的复杂性；

2、本发明的基于同相功分器的双偶极子定向天线结构简单、易于实现、改善效果明显，同时不会增加天线的尺寸和复杂性，适用于通讯、电子导航等小型设备中；

3、本发明采用印刷双偶极子天线作为辐射单元，辐射单元由一长一短两个印刷偶极子组成，这两个印刷偶极子对应两个频点，通过调节双偶极子的尺寸参数可实现宽带特性，相比单个印刷偶极子作为辐射单元，具有更宽的阻抗带宽；

4、本发明采用印刷双偶极子天线作为辐射单元，辐射单元中一长一短两个印刷偶极子采用反相馈电形成W8JK结构，可以增大前后比、改善定向性。从而获得较好的定向辐射特性；

5、本发明采用反相馈电的印刷双偶极子天线，具有稳定的辐射方向图，在E-平面、H-平面两个主平面内均有良好的定向辐射特性，在保证定向辐射的同时，增加了远场的辐射增益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的双偶极子辐射单元和耦合平行双线的连接示意图；

图3是本发明的同相功分器结构示意图；

图4(a)是本发明的正面结构示意图；

图4(b)是本发明的发面结构示意图；

图5是本发明的双偶极子辐射单元的驻波系数及前后比仿真结果；

图6(a)是本发明的双偶极子辐射单元8GHz频点下 E平面和H平面的辐射方向图；

图6(b)是本发明的双偶极子辐射单元10GHz频点下 E平面和H平面的辐射方向图；

图6(c)是本发明的双偶极子辐射单元12GHz频点下 E平面和H平面的辐射方向图；

图7是本发明的增益仿真结果。

图例说明：1、短印刷偶极子第一振臂； 2、短印刷偶极子第二振臂； 3、长印刷偶极子第一振臂； 4、长印刷偶极子第二振臂； 5、第一平行耦合双线；  6、第二平行耦合双线；  7、第一微带馈线；  8、第二微带馈线；  9、共面波导第一槽线； 10、共面波导第二槽线；   11、共面波导馈线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

【实施例1】

如图1和图3所示，基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其辐射单元为由两个印刷在介质基板12上的印刷偶极子组成的双偶极子辐射单元；其馈电单元为同相功分器，同相功分器与辐射单元通过两根平行耦合双线（第一平行耦合双线5和第二平行耦合双线6）相连。

上述馈电单元包括第一微带馈线7、第二微带馈线8、共面波导第一槽线9、共面波导第二槽线10、共面波导馈线11，其中：共面波导第一槽线9与第一微带馈线7耦合形成第一微带槽线转换结构；上述共面波导第二槽线10与第二微带馈线8耦合形成第二微带槽线转换结构；第一微带槽线转换结构、第一微带槽线转换结构与共面波导馈线11构成共面波导馈入、微带输出的同相功分器；上述同相功分器的第一微带馈线7通过第一平行耦合双线5与双偶极子辐射单元相连，第二微带馈线8通过第二平行耦合双线6与双偶极子辐射单元相连。此外，共面波导第一槽线9、共面波导第二槽线10还与共面波导馈线11相连。外加的激励信号通过共面波导馈线11的远离共面波导第一槽线9和共面波导第二槽线10的一端（图3中的输入端口处）实现同相功分器的信号馈入；上述第一微带馈线7与第一平行耦合双线5、第二微带馈线8与第二平行耦合双线6连接处形成同相功分器的两个输出端口（端口A、端口B），经同相功分器处理后的激励信号从两个输出端口输出，经第一平行耦合双线5和第二平行耦合双线6连接到双偶极子辐射单元，实现双偶极子辐射单元的馈电，双偶极子辐射单元的两个印刷偶极子共同作用将电磁波能量辐射出去，实现无线通信功能。

上述同相功分器中，共面波导第一槽线9和共面波导第二槽线10印制在介质基板12的反面，第一微带馈线7、第二微带馈线8印制在介质基板12的正面，并且共面波导第一槽线9垂直于第一微带馈线7；上述共面波导第二槽线10垂直于第二微带馈线8。

【实施例2】

如图1和图2所示，在实施例1的基础上，本实施例中的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线的两个印刷偶极子相互平行且长短不同，同相功分器设置在离长印刷偶极子较近的一侧。长印刷偶极子具有两个振臂：长印刷偶极子第一振臂3、长印刷偶极子第二振臂4；短印刷偶极子也具有两个振臂：短印刷偶极子第一振臂1、短印刷偶极子第二振臂2，其中：短印刷偶极子第一振臂1印刷在介质基板12的反面，与第一平行耦合双线5的反面金属条带相连；上述短印刷偶极子第二振臂2印刷在介质基板12的正面，与第二平行耦合双线6的正面金属条带相连；上述长印刷偶极子第一振臂3印刷在介质基板12的正面，与第一平行耦合双线5的正面金属条带相连；上述长印刷偶极子第二振臂4印刷在介质基板12的反面，与第二平行耦合双线6的反面金属条带相连。由于同相功分器的两个输出端口同相馈电，则第一平行耦合双线5的反面金属条带和第二平行耦合双线6的正面金属条带上的电流反相，第一平行耦合双线5的正面金属条带和第二平行耦合双线6的反面金属条带上的电流反相，这样，同相馈电的一对耦合双线（第一平行耦合双线5和第二平行耦合双线6）就可以同时为两个需要反相馈电的印刷偶极子馈电，且两个印刷偶极子馈电相位相反形成W8JK结构。上述介质基板12是适用于射频微波频段并具有相适应介电常数的绝缘材料所制成，本实施例中，采用的介质基板12为FR-4，介电常数为4.4，厚度为0.8mm，这种介质基板比较常见，成本低廉，经济适用，实际应用中也可以根据需要采用其他厚度和介电常数的基板。上述共面波导馈线11设置在介质基板12反面的下端，其特征阻抗为50Ω，采用50Ω的馈线更易于与其他电路匹配。

图4（a）和图4（b）分别为本发明的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线的正面结构示意图和反面结构示意图，本实施例中，基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线的其他参数如下表所示：

上表中各参数在同相功分器馈电的双偶极子定向天线的表示的位置参见图4（a）和图4（b）。

本实施例中，基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线的上述参数为在X波段的一个实施例，应用在其他波段或为适应天线的其他特殊需求时，上述参数可以进行一定的调整和优化。

图5是本发明的双偶极子定向天线的驻波系数VSWR及辐射前后比F/B，从图中可以看出，本发明可以实现较宽的带宽，带宽可覆盖整个X波段，并且在X波段可以实现很好的定向辐射特性（前后比接近20dB）。

图6（a）、图6（b）、图6（c）分别是本发明的双偶极子定向天线在8 GHz、10 GHz、12 GHz 3个频点下E平面（xy-面）及H平面（yz-面）的辐射方向图，（坐标系参考图1），可以看出，稳定的远场辐射方向图是本发明的一大优势，双偶极子定向天线的辐射方向稳定在y轴方向。

图7是本发明双偶极子定向天线的辐射远场的增益仿真效果图，可以看出，双偶极子定向天线可以在所设计的X频段（8~12GHz）实现大于4.5dB的增益，满足增益需求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，包括介质基板（12）、双偶极子辐射单元、馈电单元、第一平行耦合双线（5）和第二平行耦合双线（6），所述双偶极子辐射单元由两个印刷在介质基板（12）上的印刷偶极子组成，其特征在于，所述馈电单元为同相功分器，同相功分器的输出端口通过第一平行耦合双线（5）和第二平行耦合双线（6）与所述双偶极子辐射单元相连。

2.根据权利要求1所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述同相功分器包括第一微带馈线（7）、第二微带馈线（8）、共面波导第一槽线（9）、共面波导第二槽线（10）、共面波导馈线（11），所述共面波导第一槽线（9）与第一微带馈线（7）耦合形成第一微带槽线转换结构；所述共面波导第二槽线（10）与第二微带馈线（8）耦合形成第二微带槽线转换结构；第一微带槽线转换结构、第二微带槽线转换结构与共面波导馈线（11）构成共面波导馈入、微带输出的同相功分器；所述同相功分器的第一微带馈线（7）和第二微带馈线（8）分别通过第一平行耦合双线（5）、第二平行耦合双线（6）与双偶极子辐射单元相连。

3.根据权利要求2所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述共面波导第一槽线（9）、共面波导第二槽线（10）印制在介质基板（12）的反面，所述第一微带馈线（7）、第二微带馈线（8）印制在介质基板（12）的正面。

4.根据权利要求2所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述共面波导第一槽线（9）垂直于第一微带馈线（7）；所述共面波导第二槽线（10）垂直于第二微带馈线（8）。

5.根据权利要求1至4任一所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述双偶极子辐射单元的两个印刷偶极子相互平行且长短不同，其中长印刷偶极子包括两个振臂：长印刷偶极子第一振臂（3）、长印刷偶极子第二振臂（4）；所述短印刷偶极子也包括两个振臂：短印刷偶极子第一振臂（1）、短印刷偶极子第二振臂（2）。

6.根据权利要求5所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述短印刷偶极子第一振臂（1）印刷在介质基板（12）的反面，与第一平行耦合双线（5）的反面金属条带相连；所述短印刷偶极子第二振臂（2）印刷在介质基板（12）的正面，与第二平行耦合双线（6）的正面金属条带相连；所述长印刷偶极子第一振臂（3）印刷在介质基板（12）的正面，与第一平行耦合双线（5）的正面金属条带相连；所述长印刷偶极子第二振臂（4）印刷在介质基板（12）的反面，与第二平行耦合双线（6）的反面金属条带相连。

7.根据权利要求6所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述同相功分器设置在离长印刷偶极子较近的一侧。

8.根据权利要求7 所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述介质基板（12）是适用于射频微波频段并具有相适应介电常数的绝缘材料所制成。

9.根据权利要求8所述的基于同相功分器馈电的双偶极子定向天线，其特征在于，所述共面波导馈线（11）的特征阻抗为50Ω。

Images