一种加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线

1.本发明涉及一种新型的uhf频段小型化单极子天线，特别涉及一种加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线。


背景技术：

2.现代通信系统对天线的小型化要求越来越高。单极子天线以其结构简单、馈电容易、横向尺寸小、全向辐射等特点得到了广泛应用。单极子天线的小型化，意味着物理尺寸更小，风阻更小，成本更低，天线具有更好的隐蔽性和稳固耐用性，但同时要保证天线的带宽以及增益是十分困难的。普通单极子天线结构简单，但尺寸过大，3db波束宽度和天线带宽也不够宽，难以投入实际应用。采用加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线，能够在保持低剖面高度的同时具备更宽的天线带宽、3db波束宽度以及更高的增益。
3.根据检索发现，2013年，李旺等通过频率可重构方法将天线工作频带分段，在缩减高度的同时降低了天线驻波，但该天线的3db波束宽度较窄且小型化程度不够高。2017年，张强通过加载金属圆环、双锥结构和加粗振子的方式展宽了天线的工作带宽，但这种加载方式对天线剖面高度的缩减作用有限。2016年，xu z q等通过耦合馈电、短路枝节和匹配电路的小型化方法，在天线低频处产生了谐振模式，但在增大阻抗匹配的同时损失了天线的增益。综上，现有小型化技术难以同时做到压缩天线尺寸、增大3db波束宽度和天线带宽、保证天线增益。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，通过在天线顶端加载双臂三维三阶希尔伯特分形曲线、在分形末端加载短路柱结构、底部使用开式套筒的方式，使低剖面高度单极子天线能够工作在uhf频段，且同时具备更宽的天线带宽、3db波束宽度以及更高的增益。
5.为了实现上述目的，提供了一种加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线，至少包括：顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构、分形末端短路柱加载结构、底部开式套筒结构、同轴馈电基本单极子天线结构。
6.顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构用于压缩天线尺寸，增大天线顶部的对地电容，产生多频谐振；分形末端短路柱加载结构用于增大输入阻抗，展宽天线带宽和3db波束宽度；底部开式套筒结构用于模拟理想无限大导体平面并增大天线远场方向图带宽；同轴馈电基本单极子天线结构用于给天线馈电。
7.分形末端短路柱加载结构的顶部与顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的第一臂第三阶分形末端连接；同轴馈电基本单极子天线结构的顶部与顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的第二臂第三阶分形末端连接；同轴馈电基本单极子天线结构和分形末端短路柱加载结构都垂直放置于开式套筒结构之上。
8.顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构具有：
9.双臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱。两个三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱形状和大小一致，构成顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的两臂，并于第一阶希尔伯特分形处相连接；第一阶双臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱和第三阶双臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱开口朝上，第二阶双臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱开口朝下；与基本单极子天线方向相平行的双臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱的长度是与基本单极子天线方向相垂直的双臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱长度的一半。
10.分形末端短路柱加载结构具有：
11.金属细圆柱体短路柱。金属细圆柱体短路柱的顶部与顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的第一臂第三阶分形末端首尾连接；金属细圆柱体短路柱的底部与开式套筒结构的金属接地板部分垂直相连。
12.底部开式套筒结构具有：
13.四根金属圆柱形寄生单元，含细通孔的金属接地板。四根金属圆柱形寄生单元形状和大小完全相同，围绕加载过顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构和分形末端短路柱结构后的同轴馈电单极子天线竖直对称放置；四根金属圆柱形寄生单元的底部分别与含细通孔的金属接地板相连。
14.同轴馈电基本单极子天线结构具有：
15.基本单极子金属细圆柱体，含内、外导体的同轴线馈电结构。基本单极子金属细圆柱体的底部穿过开式套筒结构金属接地板部分的细通孔与同轴线馈电结构的内导体首尾相连；同轴线馈电结构的外导体与开式套筒结构的金属接地板垂直相连。
16.特定频率下，通过增大天线尺寸来获得大增益是没有限度的，但通过改变结构来提升增益是有限度的，因此想要在较小尺寸下实现高增益本身就面临很大困难；早在1948年，朱兰成教授就提出了著名结论：对于尺寸确定的天线，带宽与增益的乘积存在相应确定的上界，即带宽和增益互相制约；另外，天线增益提高的同时会使天线的主瓣波束宽度变窄。故天线小型化与高增益、高增益与宽波束、高增益与宽带宽之间本来就存在相互制约的关系，经文献检索发现，现有的单极子天线小型化技术均至少在一方面不能满足本设计的要求。
17.本发明与现有技术相比所具有的优点是：
18.(1)本发明将两个三维三阶希尔伯特分形曲线于第一阶希尔伯特分形处相连，并进行了50％的尺寸压缩，极大程度地提高了普通三维三阶希尔伯特分形曲线的空间填充性，增大了天线顶部的对地电容，降低了天线的剖面高度，实现了单极子天线的小型化。
19.(2)对加载过顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的同轴馈电单极子天线的基础上再次加载分形末端短路柱结构，经过二次加载的单极子天线在不损失天线效率的条件下提升了阻抗匹配，展宽了天线带宽和3db波束宽度，增大了天线远场方向图带宽，此外由于其设计上的对称性，单极子天线的远场方向图形状也得到了优化。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线的立体结构示意图；
21.图2为图1所示的a区域第一臂第三阶希尔伯特分形结构的细节示意图；
22.图3为图1所示的b区域第二臂第三阶希尔伯特分形结构的细节示意图；
23.图4为图1所示的天线的正视示意图；
24.图5为图1所示的天线的侧视示意图；
25.图6为图4和图5所示的a区域同轴线馈电部分的细节示意图；
26.图7为图1所示的天线的俯视示意图；
27.图8为图1所示的天线的反射系数仿真图；
28.图9为图1所示的天线在0.4ghz时e面方向图；
29.图10为图1所示的天线在0.4ghz时h面方向图；
30.其中，附图标记：
31.101：第一臂第三阶希尔伯特分形结构
32.101a：第一臂第三阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱
33.101b：第一臂第三阶希尔伯特分形结构的平行于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
34.101c：第一臂第三阶希尔伯特分形结构的垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
35.102：第一臂第二阶希尔伯特分形结构
36.102a：第一臂第二阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱
37.102b：第一臂第二阶希尔伯特分形结构的平行于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
38.102c：第一臂第二阶希尔伯特分形结构的垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
39.103：第一臂第一阶希尔伯特分形结构
40.103a：第一臂第一阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱
41.103b：第一臂第一阶希尔伯特分形结构的平行于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
42.103c：第一臂第一阶希尔伯特分形结构的垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
43.104：第二臂第三阶希尔伯特分形结构
44.104a：第二臂第三阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱
45.104b：第二臂第三阶希尔伯特分形结构的平行于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
46.104c：第二臂第三阶希尔伯特分形结构的垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
47.105：第二臂第二阶希尔伯特分形结构
48.105a：第二臂第二阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱
49.105b：第二臂第二阶希尔伯特分形结构的平行于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
50.105c：第二臂第二阶希尔伯特分形结构的垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方
向的细金属柱
51.106：第二臂第一阶希尔伯特分形结构
52.106a：第二臂第一阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱
53.106b：第二臂第一阶希尔伯特分形结构的平行于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
54.106c：第二臂第一阶希尔伯特分形结构的垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱
55.201：分形末端金属圆柱体短路柱
56.202：基本单极子金属圆柱体
57.301：后侧金属圆柱形寄生单元
58.302：右侧金属圆柱形寄生单元
59.303：前侧金属圆柱形寄生单元
60.304：左侧金属圆柱形寄生单元
61.401：同轴线馈电结构
62.401a：同轴线馈电结构的内导体
63.401b：同轴线馈电结构的外导体
64.501：含细通孔的金属接地板
具体实施方式
65.本发明实施例提供了一种加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线。该天线包括顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构、分形末端短路柱加载结构、底部开式套筒结构、同轴馈电基本单极子天线结构。其中，本发明实施方式将两个形状和大小一致的三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱于第一阶希尔伯特分形处相连接，构成顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的两臂，压缩了天线尺寸，增大了天线顶部的对地电容，利用三维三阶希尔伯特分形结构的自相似性产生了多频谐振；分形末端短路柱加载结构的顶部与顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的第一臂第三阶分形末端连接；同轴馈电基本单极子天线结构的顶部与顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的第二臂第三阶分形末端连接，在不损失天线效率的条件下提升了阻抗匹配，展宽了天线带宽和3db波束宽度，增大了天线远场方向图带宽；此外由于设计上的对称性，单极子天线的远场方向图形状也得到了优化；四根金属圆柱形寄生单元和含细通孔的金属接地板共同组成了底部开式套筒，同轴馈电基本单极子天线结构和分形末端短路柱加载结构均垂直放置于开式套筒结构之上，这种开式套筒结构，提升了单极子天线的方向图带宽，增大了天线的应用范围。有效展宽天线带宽和波束宽度，提高阻抗匹配和低频增益，适用于各种复杂应用场景。
66.本发明创新性地将两个三维三阶希尔伯特分形曲线于第一阶希尔伯特分形处相连，并进行了50％的尺寸压缩，极大程度地提高了普通三维三阶希尔伯特分形曲线的空间填充性，增大了天线顶部的对地电容，降低了天线的剖面高度，实现了单极子天线的小型化设计；并且，本发明创新性地对加载过顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构的同轴馈电单极子天线的基础上再次加载分形末端短路柱结构，经过二次加载的单极子天线在不损失天线效率的条件下提升了阻抗匹配，展宽了天线带宽和3db波束宽度，增大了天线远场方向图
带宽，此外由于其设计上的对称性，单极子天线的远场方向图形状也得到了优化。
67.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
68.如图1所示，选取介电常数εr＝1，横截面半径r＝1.3mm的弯折细金属圆柱构成顶端双臂三维三阶希尔伯特分形结构。对于第一臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱，第三阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱101a高为4mm，平行和垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱101b和101c高均为8mm；第二阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱102a高为8mm，平行和垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱102b和102c高均为16mm；第一阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱103a高为32mm，平行和垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱103b和103c高均为64mm。对于第二臂三维三阶希尔伯特分形弯折细金属柱，第三阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱104a高为4mm，平行和垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱104b和104c高均为8mm；第二阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱105a高为8mm，平行和垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱105b和105c高均为16mm；第一阶希尔伯特分形结构的平行于基本单极子天线方向的细金属柱106a高为32mm，平行和垂直于双臂希尔伯特分形结构连接臂方向的细金属柱106b和106c高均为64mm。
69.选取介电常数εr＝1，横截面半径r＝0.3mm，高h＝88mm的细金属柱构成基本单极子圆柱体202；介电常数εr＝1，横截面半径r＝0.9mm，高h＝89mm的细金属柱构成分形末端圆柱体短路柱201；介电常数εr＝1，横截面半径r＝1mm，高h＝30mm，距中心半径d＝50mm的后侧金属柱构成后侧圆柱形寄生单元301；右侧、前侧和左侧圆柱形寄生单元302、303、304各参数与后侧金属柱相同；金属接地板501介电常数εr＝1，半径r＝150mm，高h＝0.05mm，并在与基本单极子金属细圆柱体相交的位置开一半径r＝0.5mm的细通孔；基本单极子金属圆柱体202下方紧邻介电常数εr＝1，横截面半径r＝0.45mm，高h＝4mm的同轴线馈电结构内导体401a，内导体外部包裹介电常数εr＝2.1，横截面半径r＝1.51mm，高h＝3mm的同轴线馈电结构外导体401b，同轴线馈电结构外导体外层覆盖一层厚度忽略不计的金属涂层，同轴线馈电结构的内、外导体底部位于同一水平面，同轴线馈电整体结构401全部细节见图3a。
70.如图8所示，为本发明实施例的加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线关于反射系数的仿真数据图。此外本发明实施例的加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线的带宽为390mhz-406mhz。
71.如图9所示，为本发明实施例的加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线在400mhz时的e面辐射方面图，3db波束宽度为98
°
。
72.如图10所示，为本发明实施例的加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线在400mhz时的h面辐射方面图，最大增益为2.31db。
73.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
74.当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。