CN206180123U - 一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，包括棱台载体、第一天线辐射元、第二天线辐射元以及基天线阵列馈线；所述棱台载体为正八面棱台载体，所述第一天线辐射元与第二天线辐射元交错排列设置于所述正八面棱台载体上的8个侧面上；所述基天线阵列馈线固定于棱台载体的正下方，包括8个输出端口，每个输出端口分别与第一天线辐射元、第二天线辐射元连接。本实用新型灵巧设计与实用性、坚固性为一体，将较好的PCB微波材料性能、微带贴片天线固有的优势、巧妙的馈线设计很好地融合在一起，既可供5.8GHz ISM频段的配电线路故障检测器使用，也可供对辐射方向有下倾要求的仪器设备使用。

Description

一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线与微波技术领域，特别涉及一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，应用于5.8GHz ISM频段的配电线路故障检测器，或对辐射方向有下倾要求的仪器设备。

背景技术

共形天线的触角已经深入到日常生活中的方方面面，例如，对于消防队员、森林护林员、边境巡逻员和军事人员而言，头盔共形天线是一个极佳的选择，克服了传统螺旋天线带宽不够的缺点，增加了天线的使用寿命，提高了隐蔽效果。

在传统的配电线路故障检测器中，传统螺旋天线的使用不仅占用大量的面积，而且需要配置额外的天线保护罩，增加设备成本。除此之外，检测器直接安装在电缆上，它的大体积、高重量必然会对电缆造成严重的影响。共形天线具有低空气阻力、低剖面、小体积、轻重量、成本低等特性，可以有效解决上述问题，因此，采用紧凑型的共形天线设计是一个较好的选择。

在实际应用中，通信终端通常位于配电线路故障检测器的斜下方，因此对共形天线提出了新要求，需要产生下倾定向辐射，而普通的单元天线难以实现，需要采用阵列天线设计技术。此外，为了安装方便，要求所设计阵列天线基本具有全向性。

在阵列天线设计中，天线单元的阻抗要易于调节，阵列天线的馈线设计尽可能地简单，易于与天线单元集成。

5.8GHz(频带为5.725-5.875GHz)是ISM(工业、科学和医学)的一个公用频段，基于该频段的天线设计可以得到广泛的应用。

综上所述，配电线路故障检测器对天线的体积、重量以及辐射方向有较高要求，实现5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线是一个设计挑战。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，能够把实用性、坚固性结合一体，实现下倾的定向辐射，可供5.8GHz ISM频段的配电线路故障检测器使用，也可供对辐射方向有下倾要求的仪器设备使用。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，包括棱台载体、第一天线辐射元、第二天线辐射元以及基天线阵列馈线，所述第一天线辐射元、第二天线辐射元以及基天线阵列馈线均固定设置于棱台载体上，所述第一天线辐射元、第二天线辐射元均与基天线阵列馈线连接。

进一步地，所述棱台载体为正八面棱台载体，包括8个侧面；所述第一天线辐射元的数量为4，第二天线辐射元的数量为4；所述第一天线辐射元与第二天线辐射元交错排列设置于所述正八面棱台载体上的8个侧面上；所述基天线阵列馈线固定于所述棱台载体的正下方，包括8个输出端口，每个输出端口分别与第一天线辐射元、第二天线辐射元连接。

进一步地，所述每个第一天线阵列馈线、第二天线阵列馈线均通过射频SMA接头和同轴电缆与基天线阵列馈线的输出端口连接。

进一步地，所述正八面棱台载体的每一侧面均为等腰梯形。

进一步地，所述第一天线辐射元包括第一PCB板、第一天线阵列馈线以及第一天线阵元，所述第一天线阵列馈线与第一天线阵元连接，且均固定设置于第一PCB板上；所述第二天线辐射元包括第二PCB板、第二天线阵列馈线以及第二天线阵元，所述第二天线阵列馈线与第二天线阵元相连，且均固定设置于第二PCB板上。

进一步地，所述第一天线阵元、第二天线阵元为相同的天线阵元，且为嵌入馈电式贴片天线；所述第一天线阵元、第二天线阵元的数量均为2，且分别对称设置于第一PCB板、第二PCB板上。

进一步地，所述第一PCB板、第二PCB板均为梯形单层双面PCB板，所述第一天线阵列馈线、第二天线阵列馈线形状为不对称的Y型结构，所述基天线阵列馈线形状为对称的Y型结构。

进一步地，所述第一天线阵列馈线、第二天线阵列馈线和基天线阵列馈线均包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、射频输入端口、T型功分器以及弯头。

进一步地，所述第一微带线为50Ω特性阻抗微带传输线，所述第二微带线为100Ω特性阻抗微带传输线，所述第三微带线为70.71Ω的阻抗变换器，所述弯头为微带转折线且弯曲角度为90°。

进一步地，所述基天线阵列馈线包括1个输入端口和8个输出端口，其中，每2个输出端口连接1个T型功分器，每2个第二微带线连接另一个T型功分器，且输入端口连接2个第二微带线。

采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型充分发挥微带贴片天线、使用自由空间二分之一波长阵元间距布阵方法和巧妙的馈线设计技术的优势，提出了一种具有极低剖面的阵列天线，可共形于外观为正八面棱台的仪器设备；

2、本实用新型结构对称，天线阵列结构紧凑，巧妙的馈线设计实现了下倾的定向辐射；

3、本实用新型同时采用三种馈线设计，能够方便有效地控制各辐射单元的相位；

4、本实用新型天线性能较高，坚固性强，实用性高，而且成本低。

附图说明

图1(a)、图1(b)为本实用新型所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线结构图；

图2(a)、图2(b)为图1所述天线的正八面棱台载体结构图；

图3为图1所述天线的第一PCB板、第二PCB板结构图；

图4为图1所述天线的阵元结构图；

图5为图1所述天线的第一辐射元结构图；

图6为图1所述天线的第二辐射元结构图；

图7为图1所述天线的基天线阵列馈线的PCB板结构图；

图8为图1所述天线的基天线阵列馈线结构图；

图9为图1所述天线未加载基天线阵列馈线的回波损耗图；

图10为图1所述天线未加载基天线阵列馈线的xz和yz截面上的增益方向图；

图11为图1所述天线的基天线阵列馈线的回波损耗图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

天线阵列结构图如图1(a)所示，由正八面棱台载体1、4个第一天线辐射元2和4个第二天线辐射元3组成，4个第一天线辐射元2和4个第二天线辐射元3分别交错排列固定设置于正八面棱台载体上，正八面棱台载体的每一侧面均为等腰梯形。如图1(b)所示，天线阵列还包括一个基天线阵列馈线4，第一天线辐射元、第二天线辐射元均与基天线阵列馈线的8个输出端口连接，第一天线辐射元2和第二天线辐射元3的大小均是：上底LS1为35.6mm，下底LS2为46.3mm，高为WS1为50.7mm，基板厚度为1mm，基天线阵列馈线4的大小是：长度L为160mm，宽度W为50.21mm，基板厚度为1mm。

该天线阵列的具体安装方式为：将第一天线辐射元2和第二天线辐射元3相间安装在正八面棱台载体1的8个侧面上，实现共形设计，而这8个天线辐射元通过射频SMA接头和同轴电缆与基天线阵列馈线4进行连接，从而对整个共形阵列天线进行馈电。

如图2(a)和图2(b)所示，正八面棱台载体1为共形阵列天线的载体，图2(a)为正八面棱台载体1的俯视图，图2(b)为正八面棱台载体1的主视图，忽略其材质对共形阵列天线的影响，因此在仿真设计中正八面棱台载体1以空气进行填充。

如图3和图7分别表示梯形单层双面PCB板5和矩形单层双面PCB板8，两者均选用FR4_epoxy微波材料，介电常数为4.4，正切损耗为0.02，厚度为1mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。第一天线辐射元2和第二天线辐射元3均包括相同的天线阵元6，天线阵元6和天线阵列馈线在PCB的一面覆铜板上面加工完成，采用的是常规PCB工艺，没有特殊工艺要求。PCB的另一面是保留的覆铜板，作为射频信号的地板使用。

如图4所示是天线阵元6，其为嵌入馈电式贴片天线，输入阻抗为50Ω，长度U1为15.8mm，宽度U2为12mm。天线阵元6的馈电端口尺寸，U3为2.5mm，U4为1mm。

如图5、图6所示，在第一天线辐射元2和第二天线辐射元3设计中，通过优化设计，使天线阵元的间距接近自由空间二分之一波长，约为32.535mm。

第一天线辐射元2和第二天线辐射元3的4个阵元处信号功率相等，相位呈90°递进，从而充分发挥了该天线阵元的独特性能。

如图5、图6及图8所示，其中的第一天线阵列馈线7、第二天线阵列馈线9和基天线阵列馈线4均由射频输入端口10、第一微带线11、T型功分器12、第二微带线13、第三微带线14以及90°弯头15组成，其中：

天线阵列的50Ω射频输入和测试端口10，作为安装SMA使用，选用的产品型号为Gwave SMA-KHD9A；

50Ω特性阻抗微带传输线11，仅作为延长射频信号参考面使用，在射频前端平面集成设计或者多层PCB垂直集成设计中，该部分可以根据需要灵活更改设计；长度L1为15mm，宽度W1为1.94mm；

T型功分器12，同时兼做50Ω和100Ω特性阻抗微带传输线过渡使用；

100Ω特性阻抗微带传输线13，用于过渡连接T型功分器和四分之一波长阻抗变换器；长度L2为5mm，宽度W2为0.42mm；

70.71Ω四分之一波长阻抗变换器14，长度L3为6.2mm，宽度W3为0.95mm。

在该阵列天线设计中，其它微带线尺寸，M1为46.3mm，M2为35.6mm，M3为12.92mm，M4为1mm，N1为85.94mm，N2为111.78mm，N3为50.7mm，J1为22.2mm，J2为3.73mm，J3为3.8mm，J4为1mm，J5为12mm，J6为6.375mm，J7为0.2mm，J8为17.91mm，J9为0.62mm，K1为1.94mm，K2为0.42mm，K3为0.95mm，S1为33.48mm，S2为3.98mm，S3为3.6mm，S4为3.44mm，S5为11.735mm，S6为0.62mm，S7为17.91mm，S8为6.175mm，S9为0.2mm，T1为1.94mm，T2为0.42mm，T3为0.95mm，L4为23.78mm，L5为5.73mm，L6为2mm，L7为6.2mm，L8为8.32mm，L9为4.5mm，L10为8.05mm，L11为1mm，L12为6.2mm，L13为15mm。

如图9所示是天线未加载基天线阵列馈线的回波损耗图，由图可知，在5.725–5.875GHz频带范围内，射频端口10的S11小于-13dB。在中心频率5.8GHz，射频端口10的S11小于-40dB。

如图10所示是天线未加载基天线阵列馈线的xz和xy截面上的增益方向图，由xz截面上的增益方向图可知，所设计共形阵列天线最强辐射出现在z轴的下半空间，体现了该天线的下倾定向辐射性能。由xy截面上的增益方向图可知，所设计共形阵列天线，远场耦合后8个面的辐射图样基本一致，除了出现8个零点外，基本达到全向性的要求。

如图11所示是天线的基天线阵列馈线的回波损耗图，由图可知，在5.725–5.875GHz频带范围内，射频端口10的S11小于-33dB。在中心频率5.8GHz，射频端口10的S11小于-45dB。

本实用新型集灵巧设计与实用性、坚固性为一体，将微带贴片天线固有的优势、灵活的布阵和巧妙的馈线设计融合在一起，具有良好的下倾定向辐射性能，可供5.8GHz ISM频段的配电线路故障检测器使用，也可供对辐射方向有下倾要求的仪器设备使用。

本实用新型的设计方法具有通用性，不限于5.8GHz ISM频段的天线阵列，也不限于四元天线阵列，如以本实用新型的2*8天线阵列为基础，可构建如2*4、2*16等更少或更多单元的天线阵列。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，包括棱台载体、第一天线辐射元、第二天线辐射元以及基天线阵列馈线，所述第一天线辐射元、第二天线辐射元以及基天线阵列馈线均固定设置于棱台载体上，所述第一天线辐射元、第二天线辐射元均与基天线阵列馈线连接。

2.如权利要求1所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述棱台载体为正八面棱台载体，包括8个侧面；所述第一天线辐射元的数量为4，第二天线辐射元的数量为4；所述第一天线辐射元与第二天线辐射元交错排列设置于所述正八面棱台载体上的8个侧面上；所述基天线阵列馈线固定于所述棱台载体的正下方，包括8个输出端口，每个输出端口分别与第一天线辐射元、第二天线辐射元连接。

3.如权利要求2所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述每个第一天线阵列馈线、第二天线阵列馈线均通过射频SMA接头和同轴电缆与基天线阵列馈线的输出端口连接。

4.如权利要求2所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述正八面棱台载体的每一侧面均为等腰梯形。

5.如权利要求1或2所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述第一天线辐射元包括第一PCB板、第一天线阵列馈线以及第一天线阵元，所述第一天线阵列馈线与第一天线阵元连接，且均固定设置于第一PCB板上；所述第二天线辐射元包括第二PCB板、第二天线阵列馈线以及第二天线阵元，所述第二天线阵列馈线与第二天线阵元相连，且均固定设置于第二PCB板上。

6.如权利要求5所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述第一天线阵元、第二天线阵元为相同的天线阵元，且为嵌入馈电式贴片天线；所述第一天线阵元、第二天线阵元的数量均为2，且分别对称设置于第一PCB板、第二PCB板上。

7.如权利要求5所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述第一PCB板、第二PCB板均为梯形单层双面PCB板，所述第一天线阵列馈线、第二天线阵列馈线形状为不对称的Y型结构，所述基天线阵列馈线形状为对称的Y型结构。

8.如权利要求5所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述第一天线阵列馈线、第二天线阵列馈线和基天线阵列馈线均包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、射频输入端口、T型功分器以及弯头。

9.如权利要求8所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述第一微带线为50Ω特性阻抗微带传输线，所述第二微带线为100Ω特性阻抗微带传输线，所述第三微带线为70.71Ω的阻抗变换器，所述弯头为微带转折线且弯曲角度为90°。

10.如权利要求8所述的一种5.8GHz ISM频段的定向共形阵列天线，其特征在于，所述基天线阵列馈线包括1个输入端口和8个输出端口，其中，每2个输出端口连接1个T型功分器，每2个第二微带线连接另一个T型功分器，且输入端口连接2个第二微带线。