一种UHF频段通信天线的制作方法

本发明涉及基本通信系统领域，具体涉及一种紧凑安装的基于微波陶瓷基体的UHF频段宽带垂直极化偶极子天线。

背景技术：

目前，便携式移动平台，机载、车载、RFID、无线WIFI及蓝牙通信等便携式移动平台上UHF频段通信天线多以“J”型偶极子、螺旋法向模天线，“刀” 型单偶极子天线或是“鞭”状天线为主。其中：

“J”型偶极子天线以四分之三波长的主阵子为天线的基本辐射单元，通过主阵子旁边引入四分之一波长的匹配阵子结构完成整体系统与50欧姆馈电的匹配。根据普通偶极子匹配模式W.B.Freely最早在《A Two meter J Antenna》（W.B.Freely，A Two meter J Antenna[J] QST, April,1977）一文中提出了对该天线的设计。“J”型偶极子天线具有结构简单，容易调谐等特性，但是它往往工作频带带宽较窄(小于5%)，一般情况下为点频工作，通过普通的增加带宽措施难以起到效果，在UHF频段尤其无法满足宽带通信的要求。

当螺旋天线的直径与工作波长之比远小于0.18倍的关系时就构成了螺旋法向模天线，这种天线在辐射方向上与单极子天线的辐射方向图及极化关系类似，但是由于采用螺旋线的形式使得在UHF频段工作的天线具有较小的物理尺寸。Y.Hiroi与K.Fujimoto于上世纪七十年代末开展了对法向模螺旋天线的精确计算研究（Y. Hiroi，K. Fujimoto. Practical usefulness of normal mode helical antenna, IEEE, AP-S International Symposiam Japan, 1976, 238-241.）。但是螺旋法向模天线由于采用细线螺旋结构并工作在法向模式，使得其工作带宽较窄（一般不超过5%），而且对于螺旋结构的加工与馈电匹配的调整都需要一定的专业技能，耗费大量的时间使得这种天线的设计、加工与调试都较为困难。

“刀” 型单偶极子天线或是“鞭”状天线都属于单极子天线的范畴，结构物理尺寸一般在二分之一波长或是四分之一波长左右，在UHF波段天线的物理尺寸很难满足紧凑安装、便携安装或是隐蔽安装的要求。另外，单极子的工作方式使得天线本身的辐射特性与接地面或是安装平台的形式与结构紧密相关，更加制约了这种天线的使用方式。

在有些无线移动测控通信领域中，UHF通信频率范围内，为扩展通信控制距离，除满足天线垂直极化辐射、宽频带通信要求，同时也必须满足隐蔽式、限制空间、小型化等特性，新的垂直极化、全向、宽频带，尤其是紧凑的限制空间安装的具有较高增益又能满足辐射要求的天线设计日趋重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术不能满足在UHF波段通信系统天线在各类移动平台上限制空间、小型化安装的要求，本发明提供一种UHF频段通讯天线，天线辐射阵子采用双面高介电常数微波陶瓷介质的覆铜板加工制作，采用正反向对称平衡馈电原理设计天线与50欧射频电缆的馈电通孔，通过优化天线阵子结构，馈电通孔的尺寸以及加载结构的尺寸达到了在UHF波段内天线与50欧射频电缆实现简单直连并宽频带工作的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种UHF频段通信天线，包括高介电常数的天线板，所述天线板为采用陶瓷基体双面覆铜加工的PCB板，所述天线板的覆铜面上采用工程刻蚀工艺形成天线辐射阵子；所述天线板上的馈电通孔与连接电缆（50欧射频电缆）的一端连接，连接线缆的另一端与天线板外部的射频连接件连接；所述天线板的端部设有用于固定连接线缆的线缆固定卡子，且所述线缆固定卡子通过线缆固定卡子安装螺栓组件安装在天线板上；所述天线辐射阵子由辐射阵子和对称辐射阵子组成，辐射阵子与对称辐射阵子是结构、尺寸与形式相同，且沿着天线板横轴镜像对称的分布在天线板的上下表面，所述对称辐射阵子和辐射阵子之间的间距为0.015倍波长。

进一步来说，为保证天线具有较宽的工作频带，良好的电磁辐射性能及较小的物理尺寸，所述辐射阵子采用三段分布的异形辐射体组成，所述异形辐射体第一部分为菱形结构，能满足电流渐变分布要求，增加工作带宽，该菱形结构的长对角线为0.065倍波长，短对角线为0.037倍波长；所述异形辐射体第二部分为蛇形折叠线，能够缩减天线的物理尺寸，所述蛇形折叠线线宽为0.0092倍波长，一端连接菱形结构短对角线位置上的上顶端部位，一端连接异形辐射体第三部分的下端；所述异形辐射体第三部分为底边和矩形叠加的等腰三角形，该等腰三角形的顶点与蛇形折叠线连接。

进一步来说，所述蛇形折叠线由多个结构相同，水平放置的 “∩”字型部件按照交替顺序连接组成，水平放置的“∩”字型部件开口高度为0.0092倍波长，宽度为0.0184倍波长；所述蛇形折叠线总体电长度控制为0.185倍波长，高度控制在0.083倍波长，宽度控制在0.046倍波长。

进一步来说，为满足电流渐变分布展宽带宽的要求，所述等腰三角形成钝角等腰三角形，其底边长为0.065倍波长，三角形高为0.006倍波长；等腰三角形的矩形处为频带展宽和天线后续调试接口，该矩形长边边长为0.065倍波长，矩形短边边长为0.008倍波长。

进一步来说，所述菱形结构短对角线位置上的下顶端部位，距离下顶端上部，位于整体天线的中轴线上为0.0092倍波长的位置处开有一个直径为1mm的通孔，所述通孔为馈电通孔。

进一步来说，连接电缆与天线板连接处须将外导体层、中间介质层和中心导体逐层剥离出来使外导体层外漏长度为15%波长，中间介质层外漏长度应高于外导体层1mm，中心导体外漏长度为2%波长。外漏的中心导体应在不伤害外漏的中间介质层的情况下向下呈90度角弯折后穿过辐射阵子上的馈电通孔与辐射阵子紧密锡焊。

进一步来说，所述天线板上使用的陶瓷基体材料为高介电常数，为满足天线的辐射性能又兼顾天线的物理尺寸要求陶瓷基体的介电常数一般选择在10～45之间；当陶瓷基体材料为微波陶瓷介质材料时，其介电常数为22。

进一步来说，所述线缆固定卡子为特氟隆材质的立方体，厚度为5mm，长度为0.02倍波长，宽度为0.008倍波长，在几何中心处两边各开有一个直径为M3大小的通孔，两通孔间距为两个通孔间距为12mm。

进一步来说，所述天线板底部距离底边5mm的地方沿天线板长轴对称开有两个直径为3mm的固定安装通孔，两个通孔间距为12mm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明提供的一种UHF频段通信天线，由于采用高介电常数的微波基材板加上渐变分布与蛇形折叠线相结合的形式，起到扩展工作带宽，缩减天线尺寸，控制天线辐射方向的作用。另外，采用高介电常数的微波基材板设计使得天线在纵向的安装尺寸要求较小，满足了隐蔽式、狭窄空间安装的要求。通过采用以上设计使得天线满足在UHF工作频段垂直极化、全向辐射要求，天线增益大于0dB，天线3dB波束宽度为83.4°，驻波2以下频带宽度近12%。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的俯视结构示意图。

图3为本发明的仰视结构示意图。

图4为本发明的右侧视结构示意图。

图5为本发明的驻波比图。

图中：1.辐射阵子，2.连接电缆，3.天线板，4.线缆固定卡子，5.线缆固定卡子安装螺栓组件，6.射频连接件，7.对称辐射阵子。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

通过不断地优化调整天线阵子的总高度、单节阵子中上面菱形部分的尺寸, 蛇形折叠线的总体等效电长度及三角形部分的夹角度数可以获得满足驻波比图（图5）所要求的天线方案。

结合图1、图2、图3和图4所示：一种UHF频段通信天线,包括高介电常数的微波介质天线板3、辐射阵子1、对称辐射阵子7、连接电缆2、线缆固定卡子4和射频连接件6。所述天线板3上的馈电通孔与连接电缆2（50欧射频电缆）的一端连接，连接线缆2的另一端与天线板3外部的射频连接件6连接；所述天线板3的端部设有用于固定连接线缆的线缆固定卡子4，且所述线缆固定卡子4通过线缆固定卡子安装螺栓组件5安装在天线板3上。

天线整体采用高介电常数微波陶瓷基体加工的双面覆铜PCB板制作，为满足天线的辐射性能又兼顾天线的物理尺寸要求陶瓷基体的介电常数一般选择在10～45之间，并通过计算与优化得到最终的参数值。天线辐射阵子由PCB板上的覆铜面,采用工程刻蚀工艺形成。高介电常数的微波介质天线板3为天线辐射阵子承载结构，结构的物理尺寸由整个天线辐射阵子的物理尺寸及安装空间要求确定。高介电常数的微波介质天线板介质为微波陶瓷介质材料，介电常数通过优化计算调整为22，在天线板3底部距离底边5mm的地方沿天线板长轴对称开有两个直径为3mm的固定安装通孔，两个通孔间距为12mm。天线辐射阵子由辐射阵子1和对称辐射阵子7组成。辐射阵子1与对称辐射阵子7是结构、尺寸与形式相同，且关于天线板横轴镜像对称的两个由PCB板上的上下表面覆铜面采用工程刻蚀工艺形成的辐射体。

为保证天线具有较宽的工作频带，良好的电磁辐射性能及较小的物理尺寸，辐射阵子采用三段分布的异形辐射体组成。最下面部分为满足电流渐变分布要求，增加工作带宽，整体设计成一种菱形结构，菱形的长对角线为0.065倍波长，短对角线为0.037倍波长。在菱形短对角线位置上的下顶端部位，距离下顶端上部，位于整体天线的中轴线上为0.0092倍波长的位置处开有一个直径为1mm的通孔，作为天线的馈电通孔。辐射阵子的中间部分为进一步缩减天线的物理尺寸设计成蛇形折叠线形式。 蛇形折叠线线宽为0.0092倍波长，一端连接菱形结构短对角线位置上的上顶端部位，一端连接辐射阵子第三部分的下端。蛇形折叠线由多个结构相同，水平放置的 “∩”字型部件按照交替顺序连接组成，水平放置的“∩”字型部件开口高度为0.0092倍波长，宽度为0.0184倍波长。蛇形折叠线总体电长度控制为0. 185倍波长，高度控制在0.083倍波长，宽度控制在0.046倍波长，具体的折叠形式由计算优化后得出。辐射阵子第三部分的下端与蛇形折叠线相连的部分由一个等腰三角形而上部由一个矩形叠加构成。为满足电流渐变分布展宽带宽的要求，等腰三角形被设计成钝角等腰三角形形式，底边长为0.065倍波长，三角形高为0.006倍波长。等腰三角形的上部矩形为频带展宽和天线后续调试接口，矩形长边边长为0.065倍波长，矩形短边边长为0.008倍波长。

对称辐射阵子是辐射阵子的镜像辐射结构，其形式及尺寸与辐射阵子相同，且与辐射阵子关于天线板横轴镜像对称，位于天线板的第二层，对称辐射阵子与辐射阵子间距为0.015倍波长。连接电缆为天线射频能量馈入器件，采用市售标准141型电缆加工制作而成。在对称辐射阵子一侧，连接电缆上端（与辐射阵子连接端）须将外导体层、中间介质层和中心导体逐层剥离出来使外导体层外漏长度为15%波长，中间介质层外漏长度应高于外导体层1mm，中心导体外漏长度为2%波长。外漏的中心导体应在不伤害外漏的中间介质层的情况下向下呈90度角弯折后穿过辐射阵子上的馈电通孔与辐射阵子紧密锡焊。将外导体屏蔽层边沿与对称辐射阵子最低端梯形的下底边边沿相交固定后沿天线板长轴方向将将外导体屏蔽层与对称辐射阵子紧密锡焊。

所述的线缆固定卡子为特氟隆材质的立方体，厚度为5mm，长度为0.02倍波长，宽度为0.008倍波长，在几何中心处两边各开有一个直径为M3大小的通孔，两通孔间距为两个通孔间距为12mm。其将天线馈电电缆通过天线板上对应天线馈电电缆固定安装孔，将连接电缆固定安装。

实施例1

微波陶瓷基体采用厚度为1.5mm，长为204mm，宽为38mm，介电常数为20的双面微波陶瓷PCB板，其上的覆铜厚度为0.035mm。辐射阵子1采用三段分布的异形辐射体组成，最下面为一种菱形结构，菱形边长20mm，长对角线为34mm，短对角线为22mm。在菱形短对角线位置上的下顶端部位，距离下顶端上部，位于整体天线的中轴线上为5mm的位置处开有一个直径为1mm的通孔，作为辐射阵子的馈电通孔。辐射阵子的中间部分为蛇形折叠线，线宽为5mm，一端连接菱形结构短对角线位置上的上顶端部位，连接线长度为5mm。另一端连接辐射阵子第三部分的下端，长度为3mm。蛇形折叠线由三个水平放置的 “∩”字型部件按照交替顺序连接组成。水平放置的“∩”字型部件开口高度为5mm，宽度为10mm。辐射阵子的第三部分的下端与蛇形折叠线相连的部分由一个等腰三角形而上部由一个矩形叠加构成。等腰三角形底边长为35mm，三角形高为3mm，矩形长边边长为35mm，矩形短边边长为4mm。对称辐射阵子7是辐射阵子1的镜像辐射结构，其形式及尺寸与辐射阵子相同，且与辐射阵子1关于天线板横轴镜像对称，位于天线板的第二层，对称辐射阵子7与辐射阵子1间距为8mm。在对称辐射阵子7底端一侧，距离对称辐射阵子7底端为24mm的微波陶瓷基体上对称于几何中心线两边各开有一个直径为M3的通孔作为连接电缆2的固定安装孔，两通孔间距为6mm。辐射阵子金属边沿到微波陶瓷基体3边外沿的距离为2mm。

连接电缆2上端（与天线连接端）须将外导体层、中间介质层和中心导体逐层剥离出来使外导体层外漏长度为10mm，中间介质层外漏长度应高于外导体层1mm，中心导体外漏长度为12mm。外漏的中心导体应在不伤害外漏的中间介质层的情况下向一侧呈90度角弯折，并从辐射阵子1背面（无覆铜的一面）穿入辐射阵子1的馈电通孔后与该节点的辐射阵子1锡焊。连接电缆2的外屏蔽层与对称辐射阵子7紧密锡焊。射频连接件6为市售标准射频连接件，通过线缆固定卡子4和安装螺栓组件5固定安装在微波陶瓷基体（天线板3）上。

线缆固定卡子4为特氟隆材质的立方体，厚度为5mm，长度为15mm，宽度为10mm，在几何中心处两边各开有一个直径为M3大小的通孔，两通孔间距为6mm。其将连接电缆2通过微波陶瓷基体3上对应连接电缆2固定安装孔，将连接电缆2固定安装。

本发明的有益效果是：由于采用高介电常数的微波基材板加上渐变分布与蛇形折叠线相结合的形式，起到扩展工作带宽，缩减天线尺寸，控制天线辐射方向的作用。另外，采用高介电常数的微波基材板设计使得天线在纵向的安装尺寸要求较小，满足了隐蔽式、狭窄空间安装的要求。通过采用以上设计使得天线满足在UHF工作频段垂直极化、全向辐射要求，天线增益大于0dB，天线3dB波束宽度为83.4°，驻波2以下频带宽度近12%。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。