专利名称：水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型水平极化天线，尤其涉及一种水平极化超高频(UHF)波段高增益小型平面印刷全向天线，用于多媒体数字通信。
背景技术：
目前，以移动通信为代表的无线通信发展迅速。随着通信容量、质量、内容等要求的提高和集成电路技术的发展，多媒体数字通信方式越来越受到人们的重视，同时移动接收因其极大地满足用户的需求而成为主要通信方式之一。因而对接收天线也提出了越来越高的要求。例如数字电视开播后，公交车、各类小轿车等都将是主要用户之一。我国电视发射大都采用水平极化方式，因此研究开发小型水平极化UHF全向接收天线成为当务之急。同时这类天线也是采用水平极化的通信系统中车载设备的关键部分。
天线形式成千上万，但小型水平极化UHF全向天线一直是天线设计中的一个难点。主要矛盾在于要求在限定的几何参数和物理条件下在UHF波段实现水平极化全向接收。十字形蝙蝠翼天线具有水平极化接收功能，并且可以实现全向、高增益和宽频带，但其外形是一个每边尺寸在二分之一波长到三分之二波长的三维空间结构，可以作为基站的发射天线，但在UHF波段却不适合用于车载移动设备。平面形多面体导体环则是另一个UHF波段水平极化全向天线的选择，而且是二维结构，但二维尺寸都在二分之一波长左右，在UHF波段同样还不能很好满足车载系统的需要，而且作为车载系统还带来了安装方式和保持电性能之间的矛盾。现有的微带天线等印刷天线类型的平面天线虽可实现全向水平极化方向图并具有小型、平面特征，但其增益过低无法满足移动数字信号接收的要求。也有研究者提出了交叉十字形对称振子天线结合基带DSP(数字信号处理)技术实现水平极化移动接收的天线方案文献(逯贵祯，张文杰，林金才，夏治平“水平极化移动接收天线的研究与设计”，北京广播学院学报，2002年02期)，但总体结构变得更复杂的情况下，天线本身的实际空间尺寸与平面形多面体导体环类似而增益更低。
1946年由Andrew Alford提出的哀福特缝隙(Alford Slot)天线具有水平极化收、发功能，其结构是在一个圆形金属管上沿轴向开一条缝隙。但有关这一天线的辐射机理还不清楚、设计方法还不成熟。为了满足数字电视移动接收的需要，最近欧、美的天线研究者进行了哀福特缝隙天线的设计和测试，也曾经报道说＂5.6dBd gain...flat VSWR and good gain bandwidth performanceover the entire 420-440MHz band...″(增益5.6dB，在整个420-440MHz频带内具有平坦的驻波特性和良好的增益带宽性能)(“ALFORD SLOTANTENNA”，http//www.eta.chalmers.se/～pgp/alford_slot/alford eng.html)。但是这一研究结果还很不成熟，增益、方向图、输入电压驻波比等参数随着频率敏感变化。方向图在俯仰面内可能出现栅瓣并且最大值不在水平方向，天线增益可能起伏大于4dB，最小驻波比仅为在420-440MHz频带内2∶1。即使认可其水平极化辐射特性而放宽对其他电性能参数的要求，大于2倍波长的结构在UHF波段也是很难在实际车载系统中使用的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线，既满足水平极化收发特性，又具有全向接收特性和紧凑的几何结构，能够适合于车载等移动场合，尤其是轿车等安装空间小的场合的应用需要，并具有高增益特性。
为实现这样的目的，本发明采用印刷电路技术的平面天线，以符合现代电子产品小型化、集成化的发展趋势。考虑到经典的微带天线类的印刷天线在UHF波段尺寸大而无法满足移动用户的需要，而靠提高介质基板的介电常数减小天线尺寸在提高成本的同时，将使介电常数过高从而降低辐射效率。本发明的技术方案中，采用了共面波导、槽线相结合构成辐射部分和馈电部分混合的平面印刷天线结构，天线及其馈电结构由两根垂直相交的共面波导、连接在共面波导端口的四根槽线、每两根槽线端点弯折构成四根终端短路的倾斜共面波导组成，天线由在垂直共面波导相交的中心点连接的同轴电缆激励。为了提高天线增益，可以在每根槽线的外侧平行放置一根寄生槽线。进一步，还可以在弯折共面波导的终端各连接一个电容。
本发明的天线基本结构为天线印刷在单面敷铜高频介质板上，敷铜面中间为两根垂直相交的共面波导，两根共面波导长度相等，上下、左右对称，共面波导的每个端点连接两根与之垂直的槽线，槽线的另一个端点向内弯曲45°，每两根槽线的弯折部分合起来构成一段倾斜共面波导。四对槽线的弯折部分构成对称四段45°倾斜共面波导。倾斜共面波导的一端每一个缝隙与槽线相连，另一端悬空。悬空端中心导体可以与接地板相接，也可以在中心导体与接地板之间留一个空隙。天线馈电点处于两根正交的共面波导中心导体相交处，天线在此中心区域由同轴电缆激励，天线馈电点连接同轴电缆的内导体，天线馈电点四周共面波导接地板上的四个馈点相连后与同轴电缆外导体相接。
为了提高天线的增益，可以在每根槽线的外侧平行放置一根寄生槽线。
为了进一步提高天线的辐射效率，可以在四根45°弯折的倾斜共面波导端点处中心导体和接地板断开，并在中心导体和接地板之间每个缝隙上跨接一个电容。
由于本发明的天线为完全的平面印刷电路结构，还可以在介质板另一面直接印刷放大电路，并在上述馈电点设计通孔直接与放大器的输入端连接。
本发明的天线实现了水平极化、沿基板平面内的全向辐射。寄生槽线的合理设计，进一步提高天线的增益。通过在45°倾斜共面波导的每一个缝隙上跨接一个电容，进一步提高了谐振频率，减小了天线尺寸。利用天线的印刷平面结构特性与高频放大器一体化设计，实现有源集成天线。
本发明综合利用传输线理论和谐振腔理论实现全向辐射、减小尺寸、高增益，并利用槽线的等效磁流实现水平极化，使其能够在实际移动数字电视接收中使用，尤其是在受尺寸、安装条件限制的各类车载移动电视接收系统中使用。事实上本发明可以安装在车顶、车前盖、车后、车侧等车外各处，也可以安装在车内的前台、后台、椅子顶部等各处，也即可以根据爱好及需要自由选择。
图1为本发明的基本型平面印刷天线结构示意图。
图1中，1为共面波导，2为与共面波导的每个端点连接的垂直槽线，3为槽线弯折部分构成的倾斜共面波导，4为天线馈电点。
图2为放置寄生槽线的天线结构示意图。
图2中，5为外侧并行寄生槽线。
图3为在中心导体和接地板之间缝隙上跨接电容的天线结构示意图。
图3中，6为跨接电容。
具体实施例方式以下结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的实施例1采用天线的基本结构形式如图1所示。天线印刷在单面敷铜高频介质板上，敷铜面介质板中间为两根垂直相交的共面波导1，两根共面波导1的长度相等，上下、左右对称，共面波导的每个端点连接两根与之垂直的槽线2，槽线2的另一个端点向内弯曲45°，每两根槽线的弯折部分合起来构成一段倾斜共面波导3。四对槽线的弯折部分构成对称的四段45°倾斜共面波导3，倾斜共面波导3的一端每一个缝隙与槽线2相连，另一端悬空。倾斜共面波导3悬空端中心导体可以与接地板相接，也可以在中心导体与接地板之间留一个空隙。天线馈电点4在中心区域，即处于两根正交的共面波导1的相交处，天线在此中心区域由同轴电缆激励，天线馈电点4连接同轴电缆的内导体，天线馈电点4四周共面波导接地板上的四个馈点相连后与同轴电缆外导体相接。
为了提高天线的增益，可以在每根槽线2的外侧平行放置一根寄生槽线5，形成本发明实施例2的结构，如图2所示。
为了进一步提高天线的辐射效率，可以在四根45°弯折的倾斜共面波导3的端点处中心导体和接地板断开，并在中心导体和接地板之间每个缝隙上跨接一个电容6，如图3所示的实施例3。
由于本发明的天线为完全的平面印刷电路结构，还可以在介质板另一面直接印刷放大电路，并在上述天线馈电点4设计通孔直接与放大器的输入端连接，形成本发明的实施例4。
本发明的天线设计的关键点有1、中心两根垂直共面波导1的长度相等，而且上下、左右对称，可以保证槽线上的激励电场等幅、同相；通过合理设计共面波导1的中心导体宽度和缝隙宽度，可实现激励同轴电缆所需的输入阻抗，保证激励点的匹配。
2、槽线2与中心共面波导1垂直，并与中心共面波导1缝隙相连。槽线2的宽度与长度的设计既要考虑辐射效率，又要兼顾阻抗匹配的方便。
3、45°倾斜共面波导3是为了提高槽线上等效磁流分布的均匀性，提高天线辐射效率。倾斜共面波导3的一端每一个缝隙与槽线2相连，另一端悬空。合理选择倾斜共面波导3的长度、缝隙和中心导体的宽度，提高槽线上的等效磁流分布的均匀性，并兼顾阻抗匹配。在悬空端中心导体可以与接地板相接，也可以在中心导体与接地板之间留一个空隙。则在倾斜共面波导3的设计中增加了一个优化参数空隙宽度，增加了设计自由度。
4、同轴电缆内导体与共面波导1中心导体相交处的馈电点4相接，共面波导接地板上的四个馈点相连后与同轴电缆外导体相接。在基板反面中心区域直接印刷高频放大器，可实现与放大器集成一体化设计，在此情况下，馈电点4以通孔形式连接到反面并与放大器的输入端连接。
5、在每根槽线2的外侧平行放置一根寄生槽线5，可以提高槽线2上等效磁流分布的均匀性，进而提高天线的辐射效率。寄生槽线5的长度应小于原来槽线2。合理选择寄生槽线5的长度、宽度和与原来槽线2的间距，不仅对改善原来槽线2的等效磁流分布十分重要，寄生槽线5本身的辐射也将进一步提高天线增益。
6、45°倾斜共面波导3一端与槽线2相连，另一端悬空。悬空端中心导体与接地板之间留有一个空隙；在45°倾斜共面波导3悬空端每一个缝隙上跨接一个电容6；合理选择电容量，可以增加槽线2上等效磁流分布的均匀性，进一步提高天线的增益。同时还可以提高天线的谐振频率，也即在频率确定的情况下减小天线的尺寸。
本发明的基本思想来自于传输线理论和谐振腔理论，目的在于综合利用传输线理论和谐振腔理论实现全向辐射、减小尺寸、高增益，并利用槽线的等效磁流实现水平极化，使其能够在实际移动数字电视接收中使用，尤其是在受尺寸、安装条件限制的各类车载移动电视接收系统中使用。
经典的微带天线为双面敷铜板结构，辐射场为水平极化但最大辐射方向为基板的法线方向，无法实现基板平面内的全向辐射，其原因为接地板的存在形成镜像。按照微带天线的谐振腔模型，矩形贴片可以看作一个谐振腔进行设计。本发明采用单面敷铜板，将接地板放置在矩形贴片的外侧，并在接地板与矩形贴片之间留出一个环行槽线，构成一个平面谐振腔。按照微带天线的辐射机理，该平面谐振腔的辐射可以看作由环行槽线产生。为了实现全向辐射，该环行槽线四边等效磁流分布必须等幅、同相，为此将环行槽线四个顶点断开，形成四根垂直槽线2。每一根垂直槽线2用一根共面波导1激励。为了提高平面谐振腔的谐振频率，即减小天线尺寸，在垂直槽线2端点处向内弯折45°，再两两构成一个45°倾斜共面波导3。倾斜共面波导3的另一端可以是中心导体与接地板相连，也可以在中心导体与接地板之间留一个空隙。至此就形成了一个四边同相激励、具有相同幅度分布的等效磁流环，可以实现水平极化、沿基板平面内的全向辐射天线。
由以上基本原理和工作过程可以看出，本发明水平极化平面印刷全向天线的辐射效率主要取决于垂直槽线2上等效磁流分布的均匀性，即每一根槽线2上等效磁流分布得越均匀，辐射效率越高。为此，可以在每一根垂直槽线2外侧平行放置一根寄生槽线5，通过合理设计寄生槽线5的长度、宽度、与垂直槽线2的间距，可以实现改善垂直槽线2上等效磁流分布的均匀性的目的。同时，寄生槽线5的上述参数的合理设计，还可以实现寄生槽线5产生的辐射与垂直槽线2辐射的加性迭加，进一步提高本发明天线的增益。提高谐振频率、即减小天线尺寸的另一个措施是在45°倾斜共面波导3的悬空端每一个缝隙上跨接一个电容6(图3)，此时45°倾斜共面波导3的悬空端中心导体必须与接地板之间留一个空隙。跨接电容6的另一个好处是可以促使垂直槽线2上等效磁流分布更均匀，进一步提高辐射效率和天线增益。
鉴于本发明天线的印刷平面结构，可以在基板另一面中心区域直接印刷高频放大器，进行一体化设计，实现有源集成天线。此时将上述无源天线的馈电点4与放大器的输入端连接，该连接可以在馈电点4通孔实现。
本发明实现了大于普通半波振子天线的增益，而几何尺寸仅仅约为四分之一波长。基本结构实施例1每边长度略小于四分之一波长，实施例2(带寄生槽线)每边长度也仅仅接近四分之一波长，实施例3(45°倾斜共面波导上跨接电容)和实施例4(一体化设计的有源集成平面印刷天线)的几何尺寸与实施例2相同。
本发明实现了水平极化接收，具有平面结构。基板本体厚度小于2mm，考虑了馈电连接、安装等工程上的便利，本发明的天线总厚度可以控制在1.0～2.0cm之间。
本发明实现了最大辐射方向在基板平面内(即水平面)的全向接收。实施例1和2中，水平面内的不均匀性小于5dB。实施例3和4中全向性稍差，分别约为8.0dB和10.0dB。
权利要求
1.一种水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线，其特征在于印刷在单面敷铜高频介质板上，敷铜面介质板中间为两根垂直相交的共面波导(1)，两根共面波导(1)的长度相等，上下、左右对称，共面波导的每个端点连接两根与之垂直的槽线(2)，槽线(2)的另一个端点向内弯曲45°，每两根槽线的弯折部分合起来构成一段倾斜共面波导(3)，四对槽线的弯折部分构成对称四段45°倾斜共面波导(3)，天线馈电点(4)处于两根正交的共面波导(1)的相交处，连接同轴电缆的内导体，天线馈电点(4)四周共面波导接地板上的四个馈点相连后与同轴电缆外导体相接。
2.如权利要求1的水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线，其特征在于在每根槽线(2)的外侧平行放置一根寄生槽线(5)。
3.如权利要求1的水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线，其特征在于在倾斜共面波导(3)的端点处，中心导体和接地板之间每个缝隙上跨接一个电容(6)。
4.如权利要求1的水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线，其特征在于在所述敷铜面介质板另一面直接印刷放大电路，并在天线馈电点(4)设计通孔直接与放大器的输入端连接。
全文摘要
一种水平极化超高频波段高增益小型平面印刷全向天线，采用了共面波导、槽线相结合构成辐射部分和馈电部分混合的平面印刷天线结构，天线及其馈电结构由两根垂直相交的共面波导、连接在共面波导端口的四根槽线、每两根槽线端点弯折构成四根终端短路的倾斜共面波导组成，天线由在共面波导相交的中心点连接的同轴电缆激励。并可通过在每根槽线的外侧平行放置寄生槽线，在倾斜共面波导的终端连接电容以进一步提高辐射效率和天线增益。本发明的天线实现了水平极化、沿基板平面内的全向辐射，能够在移动数字电视接收中使用，尤其是在受尺寸、安装条件限制的各类车载移动电视接收系统中使用。
文档编号H01Q1/38GK1482704SQ0314179
公开日2004年3月17日 申请日期2003年7月24日 优先权日2003年7月24日
发明者金荣洪, 周旭竹 申请人:上海交通大学