宽带印刷小型化对数周期天线的制作方法
【专利摘要】宽带印刷小型化对数周期天线，涉及超宽带天线小型化技术。它为了解决现有的对数周期天线尺寸过大，导致印刷电路板尺寸较大的问题。本发明线的馈线两侧共有14个阵子，其中一侧的七个阵子从短阵子向长阵子方向依次为一号阵子至七号阵子，另一侧的七个阵子从短阵子向长阵子方向依次为八号阵子至十四号阵子；一号阵子、二号阵子、三号阵子、八号阵子、九号阵子和十号阵子均为“一”字形；四号阵子、五号阵子、十一号阵子、十二号阵子和十三号阵子均为“T”形；六号阵子、七号阵子和十四号阵子均为“山”字形。通过对天线的尺寸进行优化，尺寸能够减小50％以上，进而使得印刷电路板尺寸大大减小。本发明适用于宽带无线传输。
【专利说明】宽带印刷小型化对数周期天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超宽带天线小型化技术。
【背景技术】
[0002] 对数周期天线产生于20世纪50年代末，是根据"相似"概念构成的非频变天线的 一种类型，具有很好的宽频特性，在宽带无线传输中有着广泛的应用。在微波波段，可以作 为反射面天线或者透镜天线的照射器、相控阵天线的辐射单元等；在超短波波段，可以作为 全频道的电视接收天线或应用于其它宽频带场合；在短波波段，它是目前唯一的能利用一 副天线工作于整个短波波段并保持优良电性能的宽带天线。随着我们使用频段的不断增 高，对数周期天线也越来越小，其带来的好处就在于能够通过印刷电路板的工艺完成对其 的加工。同时我们也可以更加便捷对其进行形状等结构特性的改进，以使之达到我所需要 的小型化，宽频带的效果。一般的传统对数周期天线及初期的印刷对数周期天线存在一些 缺陷，主要问题是其尺寸过大，天线大小由最低工作频率（波长最长）而决定。在此情况下 印刷电路板尺寸较大，严重地限制了天线的应用空间。通常的分形方式能够使天线尺寸缩 减比例普遍小于30%，超过30%的分形情况加工将过于复杂。对于低频段的振子而言，常 见的"T"型结构会出现上下表面金属重合的情况，从而导致严重的耦合，对天线特性产生极 大破坏。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有的对数周期天线尺寸过大，导致印刷电路板尺寸较 大的问题，提供一种宽带印刷小型化对数周期天线。
[0004] 本发明所述的宽带印刷小型化对数周期天线的馈线两侧共有14个阵子，其中一 侧的七个阵子从短阵子向长阵子方向依次为一号阵子至七号阵子，另一侧的七个阵子从短 阵子向长阵子方向依次为八号阵子至十四号阵子；
[0005] -号阵子、二号阵子、三号阵子、八号阵子、九号阵子和十号阵子均为"一"字形；
[0006] 四号阵子、五号阵子、十一号阵子、十二号阵子和十三号阵子均为"T"形；
[0007] 六号阵子、七号阵子和十四号阵子均为"山"字形。
[0008] 本发明采用后馈形式的驻波结构，在辐射特征保持不变的情况下，通过对其尺寸 进行优化，尺寸能够减小50%以上，进而使得印刷电路板尺寸大大减小，增大了天线的应用 空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为实施方式一中的馈电结构原理图；
[0010] 图2为实施方式一所述的宽带印刷小型化对数周期天线的结构示意图；
[0011] 图3为实施方式二中的"一"字形阵子的尺寸定义；
[0012] 图4为实施方式二中的"T"形阵子的尺寸定义；
[0013] 图5为实施方式二中的"山"字形阵子的尺寸定义；
[0014] 图6为实施方式二中的阵子间距的定义；
[0015] 图7为实施方式三中的七号阵子与渐变线的距离的定义；
[0016] 图8为实施方式二中，反射系数与频率的关系的仿真结果；
[0017] 图9为实施方式二中，工作频率为8GHz时，E面与Η面的辐射特性；
[0018] 图10为实施方式二中，工作频率为12GHz时，Ε面与Η面的辐射特性；
[0019] 图11为实施方式二中，工作频率为18GHz时，Ε面与Η面的辐射特性。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0020] 一：结合图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的宽带印刷小型 化对数周期天线，该对数周期天线的馈线两侧共有14个阵子，其中一侧的七个阵子从短阵 子向长阵子方向依次为一号阵子1至七号阵子7,另一侧的七个阵子从短阵子向长阵子方 向依次为八号阵子8至十四号阵子14 ;
[0021] 一号阵子1、二号阵子2、三号阵子3、八号阵子8、九号阵子9和十号阵子10均为 "一"字形；
[0022] 四号阵子4、五号阵子5、十一号阵子111、十二号阵子12和十三号阵子13均为"Τ" 形；
[0023] 六号阵子6、七号阵子7和十四号阵子14均为"山"字形。
[0024] 如图1所示，为使馈电更加方便，本实施方式所述的宽带印刷小型化对数周期天 线采用后馈形式的驻波结构，而不采用一般对数周期天线使用的前馈行波结构。通过短路 子中心馈电带条15与顶面带条连接，这样中心馈电带条与底面带条共同构成一对平行的 终端短路传输线。而中心馈电带条与其底面金属带条开路，共同构成了终端开路的另一对 传输线，由于终端短路时反射系数为-1，开路时为1，使得两对传输线上传输的导行电磁波 相位差180度，从而完成对同一位置上一对振子的对称馈电。
[0025] 为了增大尺寸缩减比例，本实施方式采用终端加载的方式。加载阵子选用"Τ"型 结构和"山"字形结构，使用端电容效应来完成。为减小耦合，将"Τ"型结构末端加载过长 的部分折回，形成"山"字形结构，仿真结果证明：折回与不折回的辐射效果差距不大，而互 耦带来的破坏则大大减小。
[0026] 采用本实施方式所述的宽带印刷小型化对数周期天线的结构，通过对其尺寸进行 优化，尺寸能够减小50%以上，进而使得印刷电路板尺寸大大减小，增大了天线的应用空 间。
【具体实施方式】 [0027] 二：结合图3至图6、图8至图11说明本实施方式，本实施方式是对 实施方式一所述的宽带印刷小型化对数周期天线的进一步限定，本实施方式中，所述的对 数周期天线的宽度为8. 60mm ;
[0028] 一号阵子1为"一"字形，其长度为1. 66謹，宽度为0· 13謹；
[0029] 二号阵子2为"一"字形，其长度为2. 46mm，宽度为0· 19mm ;
[0030] 三号阵子3为"一"字形，其长度为3. 61mm，宽度为0· 28mm ;
[0031] 四号阵子4为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为3. 25mm， 宽度为〇. 4mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为1. 62mm，宽度为0. 4mm ;
[0032] 五号阵子5为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为3. 08mm， 宽度为0. 57mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为3. 24mm，宽度为0. 57mm ;
[0033] 六号阵子6为"山"字形，该"山"字形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 2. 82mm，宽度为0· 83mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为4. 75mm，宽度为0· 83mm ;该 "山"字形的两个凹槽的深度为0.42mm，宽度为1. 13mm;
[0034] 七号阵子7为"山"字形，该"山"字形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 2. 45mm，宽度为1. 20mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为6. 20mm，宽度为1. 20mm ;该 "山"字形的两个凹槽的深度为1.80mm，宽度为1.30mm;
[0035] 八号阵子8为"一"字形，其长度为1.35mm，宽度为0. 11mm;
[0036] 九号阵子9为"一"字形，其长度为2. 02mm，宽度为0· 16mm ;
[0037] 十号阵子10为"一"字形，其长度为2. 98mm，宽度为0· 23mm ;
[0038] 十一号阵子111为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 3. 32mm,宽度为0· 33mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为1. 19mm,宽度为0· 33mm ;
[0039] 十二号阵子12为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 3. 17mm，宽度为0· 48mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为2. 42mm，宽度为0· 48mm ;
[0040] 十三号阵子13为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 2. 96mm，宽度为0. 69mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为4. 07mm，宽度为0. 69mm ;
[0041] 十四号阵子14为"山"字形，该"山"字形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度 为2. 65mm，宽度为1. 00mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为5. 52mm，宽度为1. 10mm ; 该"山"字形的两个凹槽的深度为1. 11mm，宽度为1.23mm;
[0042] 阵子的中心线定义为该阵子在馈线长度方向上的对称轴，任意两个阵子的间距定 义为所述两个阵子的对称轴在馈线长度方向上的距离；
[0043] 一号阵子1与二号阵子2的间距为1. 84mm ;
[0044] 二号阵子2与三号阵子3的间距为2. 66mm ;
[0045] 三号阵子3与四号阵子4的间距为3. 83mm ;
[0046] 四号阵子4与五号阵子5的间距为5. 53mm ;
[0047] 五号阵子5与六号阵子6的间距为7. 98mm ;
[0048] 六号阵子6与七号阵子7的间距为11. 52mm ;
[0049] 在馈线的长度方向上，二号阵子2与七号阵子7分别位于一号阵子1的两侧；
[0050] 一号阵子1与七号阵子7的间距为0. 70mm ;
[0051] 八号阵子8与九号阵子9的间距为1. 53mm ;
[0052] 九号阵子9与十号阵子10的间距为2. 21mm ;
[0053] 十号阵子1〇与^^一号阵子111的间距为3. 19mm ;
[0054] -| 号阵子111与十二号阵子12的间距为4. 61mm ;
[0055] 十二号阵子12与十三号阵子13的间距为6. 65mm ;
[0056] 十三号阵子13与十四号阵子14的间距为9. 78mm。
[0057] 本实施方式所述的宽带印刷小型化对数周期天线是针对频率在8GHz - 18GHz范 围内设计的。
[0058] 如图3所示，对于"一"字形阵子，其长度为L1，宽度为W1，一号阵子1的L1的值 为 1. 66mm，W1 的值为 0· 13mm。
[0059] 如图4所示，对于"T"形阵子，与馈线长度方向垂直的部分的长度为L2,宽度为W2 ; 与馈线长度方向平行的部分的长度为L3,宽度为W3,四号阵子4的L2的值为3. 25mm，W2的 值为0· 4mm，L3的值为1. 62mm，W3的值为0· 4_。
[0060] 如图5所示，对于"山"字形阵子，与馈线长度方向垂直的部分的长度为L4,宽度为 W4 ;与馈线长度方向平行的部分的长度为L5,宽度为W5 ;该"山"字形的两个凹槽的深度为 山宽度为W6,六号阵子6L4的值为2. 82mm，W4的值为0· 83mm，L5的值为4. 75mm，W5的值为 0· 83mm，d 的值为 0· 42mm，W6 的值为 L 13_。
[0061] 阵子的中心线与馈线长度方向垂直，每个阵子在馈线长度方向上关于其中心线对 称，两个阵子的间距即为所述两个阵子的中心线的距离。如图6所示，一号阵子1与二号阵 子2的间距S12 = 1. 84mm,五号阵子5与六号阵子6的间距S56 = 7. 98mm。
[0062] 上述对数周期天线的宽度W = 8. 60mm。
[0063] 对本实施方式所述的对数周期天线的特性进行仿真。反射系数低于-10dB，则认为 匹配较好。如图8所示，频率在8GHz - 18GHz范围内，反射系数均低于-10dB。图9至图 11中，E面是指经过最大辐射方向且与电场方向平行的平面，Η面是指经过最大辐射方向且 与磁场方向平行的平面。图9中，Ε8和Η8分别为工作频率为8GHz时，Ε面与Η面的辐射 特性曲线。图10中，Ε12和Η12分别为工作频率为12GHz时，Ε面与Η面的辐射特性曲线。 图11中，Ε18和Η18分别为工作频率为18GHz时，Ε面与Η面的辐射特性曲线。从图9至 图11可以看出，本实施方式所述的对数周期天线在尺寸明显减小的情况下，其辐射特性并 没有变差。
[0064] 本实施方式所述的对数周期天线具有以下优点：
[0065] (1)能够达到8-18G的工作带宽，频带宽且频率高，传统的对数周期天线的工作频 率很难做到18GHz ;
[0066] (2)高增益，增益可以达到6dB以上，而在同尺寸下的渐变结构宽带天线增益无法 达到这么高；
[0067] (3)明显的横向尺寸缩减，本实施方式中的天线宽度为8.6mm，而在自由空间中 8GHz时的半波长为18. 75mm，尺寸缩减比例能够达到54. 1 %，而一般小型化的天线难以达 到如此大幅度的尺缩特性；
[0068] (4)后向带状线馈电，传统的对数周期天线都是前向馈电的行波结构，而本实施方 式的天线结构是后向馈电的驻波结构，解决了印刷天线本身的前向馈电困难的问题；
[0069] (5)终端加载贴边，这种终端加载的阵列天线的横向尺寸还可以进一步缩小。
【具体实施方式】 [0070] 三：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所 述的宽带印刷小型化对数周期天线的进一步限定，本实施方式中，所述的一号阵子1的中 心线到所述对数周期天线的两个短边中与其较近的短边的距离为3. 95_，八号阵子8的中 心线到上述短边的距离为3. 26mm，七号阵子7的中心线与馈线的渐变线在馈线长度方向上 的距离为4. 68mm。
[0071] 如图 7 所示，SOI = 3. 95mm，S08 = 3. 26mm。如图 7 所示，S7 = 4. 68mm。
【权利要求】
1. 宽带印刷小型化对数周期天线，其特征在于：该对数周期天线的馈线两侧共有14个 阵子，其中一侧的七个阵子从短阵子向长阵子方向依次为一号阵子（1)至七号阵子（7)，另 一侧的七个阵子从短阵子向长阵子方向依次为八号阵子（8)至十四号阵子（14); 一号阵子（1)、二号阵子（2)、三号阵子（3)、八号阵子（8)、九号阵子（9)和十号阵子 (10)均为"一"字形； 四号阵子（4)、五号阵子（5)、十一号阵子（11)、十二号阵子（12)和十三号阵子（13)均 为"T"形； 六号阵子（6)、七号阵子（7)和十四号阵子（14)均为"山"字形。
2. 根据权利要求1所述的宽带印刷小型化对数周期天线，其特征在于：该对数周期天 线的宽度为8. 60mm ; 一号阵子⑴为"一"字形，其长度为1. 66mm，宽度为0· 13mm ; 二号阵子⑵为"一"字形，其长度为2. 46mm，宽度为0· 19mm ; 三号阵子（3)为"一"字形，其长度为3. 61mm，宽度为0· 28mm ; 四号阵子⑷为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为3. 25mm，宽 度为0. 4mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为1. 62mm，宽度为0. 4mm ; 五号阵子（5)为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为3. 08mm，宽 度为0. 57mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为3. 24mm，宽度为0. 57mm ; 六号阵子（6)为"山"字形，该"山"字形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 2. 82mm，宽度为0· 83mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为4. 75mm，宽度为0· 83mm ;该 "山"字形的两个凹槽的深度为0.42mm，宽度为1. 13mm; 七号阵子（7)为"山"字形，该"山"字形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 2. 45mm，宽度为1. 20mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为6. 20mm，宽度为1. 20mm ;该 "山"字形的两个凹槽的深度为1.80mm，宽度为1.30mm; 八号阵子（8)为"一"字形，其长度为1.35mm，宽度为0. 11mm; 九号阵子（9)为"一"字形，其长度为2. 02mm，宽度为0· 16mm ; 十号阵子（10)为"一"字形，其长度为2. 98mm，宽度为0. 23mm ; 十一号阵子（11)为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为3. 32_， 宽度为0. 33mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为1. 19mm，宽度为0. 33mm ; 十二号阵子（12)为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为3. 17_， 宽度为0. 48mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为2. 42mm，宽度为0. 48mm ; 十三号阵子（13)为"T"形，该"T"形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为2. 96mm， 宽度为0. 69mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为4. 07mm，宽度为0. 69mm ; 十四号阵子（14)为"山"字形，该"山"字形中，与馈线长度方向垂直的部分的长度为 2. 65mm，宽度为1. 00mm ;与馈线长度方向平行的部分的长度为5. 52mm，宽度为1. 10mm ;该 "山"字形的两个凹槽的深度为1. 11mm，宽度为1.23mm; 阵子的中心线定义为该阵子在馈线长度方向上的对称轴，任意两个阵子的间距定义为 所述两个阵子的对称轴在馈线长度方向上的距离； 一号阵子（1)与二号阵子（2)的间距为1.84mm; 二号阵子（2)与三号阵子（3)的间距为2. 66mm ; 三号阵子（3)与四号阵子（4)的间距为3. 83mm ; 四号阵子（4)与五号阵子（5)的间距为5. 53mm ; 五号阵子（5)与六号阵子（6)的间距为7. 98mm ; 六号阵子（6)与七号阵子（7)的间距为11.52mm; 在馈线的长度方向上，二号阵子（2)与七号阵子（7)分别位于一号阵子（1)的两侧； 一号阵子（1)与七号阵子（7)的间距为0· 70mm ; 八号阵子（8)与九号阵子（9)的间距为1. 53mm ; 九号阵子（9)与十号阵子（10)的间距为2. 21mm ; 十号阵子（10)与十一号阵子（11)的间距为3. 19mm ; 十一号阵子（11)与十二号阵子（12)的间距为4. 61mm; 十二号阵子（12)与十三号阵子（13)的间距为6. 65mm; 十三号阵子（13)与十四号阵子（14)的间距为9. 78mm。
3.根据权利要求2所述的宽带印刷小型化对数周期天线，其特征在于：所述的一号阵 子（1)的中心线到所述对数周期天线的两个短边中与其较近的短边的距离为3. 95_，八号 阵子（8)的中心线到上述短边的距离为3. 26mm，七号阵子（7)的中心线与馈线的渐变线在 馈线长度方向上的距离为1. 58mm。
【文档编号】H01Q1/38GK104092011SQ201410336579
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】傅佳辉, 孙权, 崔健, 吕博, 陈晚 申请人:哈尔滨工业大学