一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，包括有SMA接头、介质板、辐射单元及微带线馈电集成巴伦；该辐射单元上开设有开槽缝，开槽缝的两侧形成辐射双臂，该微带线馈电集成巴伦具有分支线，该分支线等效为串联电阻，改善匹配阻抗，本发明的VSWR≤1.5相对带宽达58.7％(1.65-3.0GHz)，与其他对带宽扩展技术相比（例如增加寄生贴片技术），本发明在不改变原来天线大小的基础上进行设计，改善了天线带宽，且不影响天线的其它性能（如增益和交叉极化电平等），减少了占用空间，本发明具有结构简单、方便实用、适用性广等优点。
【专利说明】一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于天线工程【技术领域】，尤其是指一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其用于移动通信等设备的天线或者阵列天线的阵元。
【背景技术】
[0002]随着无线电通信技术的快速发展，比如2G的GSM1800和GSM1900，3G (CDAM-2000、WCDMA和TD-SCDMA)和LTE这些通信系统的通信频段主要为1.7-2.8GHz。偶极子结构天线是天线工程技术中应用较广泛的天线。其结构简单且易实现，可以单独作为天线来工作，也可作为天线阵的天线阵元。采用微带巴伦结构馈电的印刷振子天线由于可以提供较大的带宽，且具有体积小、重量轻、成本低、便于集成化和组成阵列等优点，被广泛应用于各种无线通信系统中。
[0003]为了増大印刷偶极子天线带宽，在改变印制偶极子天线的馈电这方面国内外专家学者探索了各种方法，并验证了这些方法的有效性。美国的Edward在其专利号为US4825220 的专利“Microstrip fed printed dipole with integral balun，，提出了一种微带J形巴伦馈电的伞形振子印刷偶极子天线的VSWR≤2.0(10.5-16GHz)阻抗带宽为41.5%，但是相対的其VSWR≤1.5的工程带宽只有两个很窄的小波段。Rong Lin Li等在其“Equivalent-Circuit Analysis of a Broadband Printed Dipole With AdjustedIntegrated Balun and an Array for Base Station Applications，，(IEEE Transactionson Antennas and Propagation, vol.57, n0.7, pp.2180 - 2184, July2009)文中提出了直接采用50欧姆微带线从天线下端馈电，克服了传统的从天线上端馈电进行阻抗匹配的难题，但是其VSWR ^ 2.0阻抗匹配带宽只有40%。
[0004]E.Avila—NavaiTO 等人在“Broadband printed dipole with integratedvia-hole balun for WiMAX applications，， (Microwave and Optical Technology Letters, vol.53, n0.1, pp.52-55，Jan.2011)提出了在馈电巴伦的开路端插入短路探针，引入电抗补偿扩展带宽，其其VSWRg 2.0阻抗匹配带宽达到50%。中电38研究所卢晓鹏在微带巴伦中通过ー低阻抗的开路线引入并联补偿电容“Novel broadband printeddipole”(Microwave and Optical Technology Letters, Vol.48,n0.10,pp.1996 -1998，Oct.2006)，其VSffR≤1.5 (1.35-2.35GHz)阻抗带宽达到49.5%,但是其微带巴伦放在缝隙中间不利于交叉结构的组阵化设计。香港城市大学的Ge Lei等人在“AWideband Magneto-Electric Dipole Antenna” (IEEE Transactions on Antennasand Propagation, Vol.60, n0.11, pp.4987-4991，Nov.2012)设计中，将金属结构馈电巴伦设计成梯形结构，使巴伦与辐射偶极子垂直部分形成电容效应补偿辐射臂的电感，其VSffR≤2.0(1.65-4.65GHz)阻抗带宽达到95.2%，这ー方法也验证了引入电容补偿对带宽扩展的有效性，但是并不适用于印制偶极子天线的设计。此外也有其他的一些设计方法来扩展带宽，但是不具有普遍的适用性，设计方法较为繁琐，不利于天线的小型化与简单化设计。[0005]与上述对馈电结构的研究工作相比，本发明在L形微带巴伦的馈电中心添加分支线，结构简单，扩展了带宽，分析了该发明设计的阻抗匹配机理，VSWR≤1.5(1.65-3.0GHz)的阻抗带宽为58%，实验结果与理论值相吻合，验证了该设计的有效性。将本发明的微带巴伦应用与双贴片(双层)带状线结构的印刷偶极子天线，VSffR ( 1.5(1.55-3.4GHz)的阻抗带宽达到74.7%。
【发明内容】
[0006]鉴于上述技术背景，本发明对现有的印刷偶极子天线带宽不足问题加以解决，提出了一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案:
[0008]一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，包括有SMA接头、介质板、福射单元以及微带线馈电集成巴伦；该福射单元和微带线馈电集成巴伦分别对应印制在介质板的正面和反面，微带线馈电集成巴伦和辐射単元分别对应与SMA接头的内芯和外部焊接进行馈电；该辐射单元上开设有开槽缝，开槽缝的两侧形成辐射双臂，该微带线馈电集成巴伦具有分支线。
[0009]作为ー种优选方案，所述微带线馈电集成巴伦包括有依次连接的微带线、第一级阻抗变换段、第二级折线阻抗变换段和开路段，该分支线于第二级折线阻抗变换段与开路段之间的连接处延伸出。
[0010]作为ー种优选方案，所述分支线向下延伸并与第二级折线阻抗变换段和开路段围构形成E型结构。
[0011]作为ー种优选方案，所述分支线向上延伸或向下延伸而不改变天线性能。
`[0012]作为ー种优选方案`，分支线向上延伸的偶极子天线与分支线向下延伸的偶极子天线呈十字交叉相互嵌入在一起而组成双极化宽带印刷偶极子天线。
[0013]作为ー种优选方案，所述开路段向上延伸或向下延伸而不改变天线性能。
[0014]作为ー种优选方案，所述介质板选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板。
[0015]作为ー种优选方案，进ー步包括有金属反射板，该介质板为两块，两块介质板叠合一起形成双层介质板，该双层介质板竖向设置于金属反射板上，该双层介质板的两外侧面均印制有前述辐射单元，该双层介质板的中间夹层印制有前述结构的分支线集成馈电巴伦。
[0016]本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知:
[0017]一、通过设置有分支线，该分支线等效为串联电阻，改善匹配阻抗，本发明的VSffR≤1.5，相对带宽达58.7% (1.65-3.0GHz)，与其他对带宽扩展技术相比(例如增加寄生贴片技木)，本发明在不改变原来天线大小的基础上进行设计，改善了天线带宽，且不影响天线的其它性能(如増益和交叉极化电平等)，減少了占用空间，本发明具有结构简单、方便实用、适用性广等优点。
[0018]二、本发明采用介电常数为4.4的介质板，成本低廉，便于批量生产。VSffR ≥ 1.5(1.65-3.0GHz)的阻抗带宽为58%，实验结果与理论值相吻合，验证了该设计的有效性。其双层结构形式的印刷偶极子天线VSWRg 1.5相对带宽达74.75%(1.55-3.4GHz)，充分覆盖了 GSM1800、GSM1900、CDMA-2000, WCDMA, TD-SCDMA, TD-LTE 的エ作频带，克服了传统的印制偶极子带宽窄的问题，该方法简单实用，利于集成化设计，在不増大原来天线大小、不提高天线加工复杂度的情况下，实现多天线复用，符合当前天线小型化、宽带化设计要求。
[0019]为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明:
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明宽带印刷偶极子天线整体结构图；
[0021]图2是本发明印刷偶极子天线的正面(a)、反面(b)示意图；
[0022]图3是本发明印刷偶极子天线的另ー种形式的正面(a)、反面(b)示意图；
[0023]图4是本发明印刷偶极子天线的双层结构形式的结构示意图；
[0024]图5是本发明印刷偶极子天线的工作频率一回波损耗仿真与测试曲线图；
[0025]图6是本发明印刷偶极子天线的工作频率ー増益测试曲线图；
[0026]图7是本发明印刷偶极子天线的1.6GHz、2.4GHz、3.0GHz实测E面主计划方向图；
[0027]图8是本发明印刷偶极子天线的1.6GHz、2.4GHz、3.0GHz实测H面主计划方向图；
[0028]图9是本发明印刷偶极子天线的双层结构形式的工作频率-电压驻波比仿真曲线图。
[0029]附图标识说明:
[0030]1、SMA接头2、介质板
[0031]3、微带线馈电集成巴伦4、福射单元
[0032]5、金属反射板301、微带线
[0033]302、第一级阻抗变换段303、第二级折线阻抗变换段
[0034]304、分支线305、开路段
【具体实施方式】
[0035]请參照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有SMA接头1、介质板2、福射单元4以及微带线馈电集成巴伦3 ;该福射单元4和微带线馈电集成巴伦3分别对应印制在介质板2的正面和反面，微带线馈电集成巴伦3和辐射单元4分别对应与SM接头I的内芯和外部焊接进行馈电。
[0036]參照图2所示，本发明在辐射单元4正中开设有一条开槽缝，开槽缝的两侧形成辐射双臂，该微带线馈电集成巴伦3具有分支线304。具体而言，在本实施例中，该微带线馈电集成巴伦3呈￡形结构，其包括有依次连接的微带线301、第一级阻抗变换段302、第二级折线阻抗变换段303和开路段305，该分支线304于第二级折线阻抗变换段303与开路段305之间的连接处延伸出，该分支线304向下延伸并与第二级折线阻抗变换段303和开路段305围构形成E型结构，该微带线301的特征阻抗为50欧姆。微带线馈电集成巴伦3通过辐射単元4中间的开槽缝给辐射双臂耦合馈电，通过调整第一级阻抗变换段302、第二级折线阻抗变换段303以及开路段305完成对天线的辐射阻抗匹配，扩展天线带宽；分支线304可等效为串联电阻加载调整阻抗匹配网络，通过调整分支线304的长度和宽度以及位置，可调整对阻抗变换匹配，实现印刷偶极子天线带宽的最大化。[0037]如图3所示，是基于本发明思路的另外ー种形式将分支线304向上延伸的微带线馈电集成巴伦3，该辐射単元4性能能够保持不变。在后期双极化基站天线设计中，可采用该结构天线可与图2所示的结构天线组成十字形的双极化宽带印刷偶极子天线，可达到更好的效果。
[0038]根据上述结构，本发明给出以下天线实施例:
[0039]实施例1，单层结构天线
[0040]介质板2选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板,长为82mm,宽为62mm。辐射单元4的上端长度72mm，约为中心频率2.3GHz的一半的波长，宽度为23mm，辐射单元4的高度为55mm,下端宽度为30mm。在福射单元4中间开有宽为5mm,长为32mm的开槽缝。
[0041]在介质板2反面的微带线馈电集成巴伦3的总高度为39.8mm。特征阻抗为50欧姆的微带线301的长为Ilmm,宽为2.8mm。第一级阻抗变换段302长为20mm、宽为2mm。第二级折线阻抗变换段303宽为0.8mm，其中垂直部分长为8.8mm，水平段长为9mm。开路段305宽为0.8mm，垂直段长为11.8mm，水平段长为9mm。调谐分支线304的长为9.2mm,宽为1mm，且分支线304位于天线的中心线。
[0042]如图5所示，是基于本发明思想设计出的宽带印刷偶极子天线的回波损耗理论结果与实测结果对比图，可以看到实测结果与仿真结果相吻合，VSWR≤ 1.5相对带宽达58.7% (1.65-3.0GHz)。
[0043]如图6所示，是宽带印刷偶极子天线1.6GHz-3.0GHz天线的实测频率-增益变化曲线图，天线在整个频率范围内的增益为2.0-5.4dBi。
[0044]如图7所示，是本发明印刷偶极子天线的1.6GHz,2.4GHz、3.0GHz实测E面主极化方向图，图8是本发明印刷偶极子天线的1.6GHz、2.4GHz、3.0GHz实测H面主极化方向图。
[0045]实施例2，双层结构加反射板天线
[0046]參照图4，根据上述单层结构的天线，设计双层介质板结构天线。如图4，进ー步包括有金属反射板5,该介质板2为两块,两块介质板2叠合一起形成双层介质板,该双层介质板竖向设置于金属反射板5上，该双层介质板的两外侧面均印制有前述辐射单元4，该双层介质板的中间夹层印制有前述带状线集成馈电巴伦3。
[0047]介质板2选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板,所加金属反射板5上方长为92mm,高为64mm,介质板；金属反射板5下端介质板长48mm,宽8mm。福射单元4的上端辐射臂长72mm、宽为9mm，其下端共面带线宽34mm，在辐射臂中间的开槽缝长为50mm、宽8mm。此时微带线馈电集成巴伦3的微带线301长为Ilmm,宽为1.8mm ;第一级阻抗变换段302长为23mm、宽为1.8mm ;第二级折线阻抗变换段303宽为0.8mm，其中垂直部分长为9mm,水平段长为8mm ;开路段305宽为0.8mm,垂直段长为7mm,水平段长为8mm。分支线304的长为4mm,宽为5mm。
[0048]如图7所示，是双层结构加反射板天线印刷偶极子天线的电驻波比仿真曲线图，可以看到仿真结果中，VSffR≤1.5相对带宽达74.75% (1.55-3.4GHz)。
[0049]本发明的设计重点在干:首先，通过设置有分支线，该分支线可等效为串联电阻，改善匹配阻抗，本发明的VSWR≤1.5，相对带宽达58.7% (1.65-3.0GHz)，与其他对带宽扩展技术相比(例如増加寄生贴片技木)，本发明在不改变原来天线大小的基础上进行设计，改善了天线带宽，且不影响天线的其它性能(如増益和交叉极化电平等)，減少了占用空间，本发明具有结构简单、方便实用、适用性广等优点。其次，本发明采用介电常数为4.4的介质板，成本低廉，便于批量生产。VSWR≤1.5(1.65-3.0GHz)的阻抗带宽为58%，实验结果与理论值相吻合，验证了该设计的有效性。其双层结构形式的印刷偶极子天线VSWRg 1.5相对带宽达 74.75% (1.55-3.4GHz)，充分覆盖了 GSM1800、GSM1900、CDMA-2000、WCDMA,TD-SCDMA、TD-LTE的工作频带，克服了传统的印制偶极子带宽窄的问题，该方法简单实用，利于集成化设计，在不增大原来天线大小、不提高天线加工复杂度的情况下，实现多天线复用，符合当前天线小型化、宽带化设计要求。
[0050]以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明天线的实例的描述，需要申明的是这些描述应该被视为说明性，而非限定性，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，工程技术人员可以根据此发明权利要求书中对本发明的结构和參数进行具体的调整操作进而得到本发明天线的其他的实施方案的变更，这些都应被视为本发明的涉及范围之内，均在本发明的保护之列 。
【权利要求】
1.一种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:包括有SMA接头、介质板、福射单元以及微带线馈电集成巴伦；该福射单元和微带线馈电集成巴伦分别对应印制在介质板的正面和反面，微带线馈电集成巴伦和辐射単元分别对应与SMA接头的内芯和外部焊接进行馈电；该辐射单元上开设有开槽缝，开槽缝的两侧形成辐射双臂，该微带线馈电集成巴伦具有分支线。
2.根据权利要求1所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在干:所述微带线馈电集成巴伦包括有依次连接的微带线、第一级阻抗变换段、第二级折线阻抗变换段和开路段，该分支线于第二级折线阻抗变换段与开路段之间的连接处延伸出。
3.根据权利要求2所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:所述分支线向下延伸并与第二级折线阻抗变换段和开路段围构形成E型结构。
4.根据权利要求2所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:所述分支线向上延伸或向下延伸而不改变天线性能。
5.根据权利要求4所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:分支线向上延伸的偶极子天线与分支线向下延伸的偶极子天线呈十字交叉相互嵌入在一起而组成双极化宽带印刷偶极子天线。
6.根据权利要求2所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:所述开路段向上延伸或向下延伸而不改变天线性能。
7.根据权利要求1所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:所述介质板选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板。
8.根据权利要求1所述的ー种新颖分支线集成馈电巴伦的宽带印刷偶极子天线，其特征在于:进ー步包括有金属反射板，该介质板为两块，两块介质板叠合一起形成双层介质板，该双层介质板竖向设置于金属反射板上，该双层介质板的两外侧面均印制有前述辐射単元，该双层介质板的中间夹层印制有前述结构的分支线集成馈电巴伦。
【文档编号】H01Q9/06GK103531895SQ201310459668
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】王灿, 葛悦禾 申请人:华侨大学