平衡微带线过渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线

摘要

平衡微带线过渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线，它涉及平衡微带线过渡波导馈电的印刷天线，具体涉及平衡微带线过渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线。本发明为了解决现有超宽带天线的平面化、超宽带化、小型化平衡馈电以及方向图对称性较差的问题。本发明的左侧振子组件与右侧振子组件沿中层介质基片的中线对称设置在中层介质基片另一端的上表面上，左侧振子组件由第一半圆片、第二半圆片和第三半圆片组成，并沿中层介质基片的宽度方向依次搭接，过渡片印刷在中层介质基片另一端的下表面上，且过渡片与中层介质基片下表面上的短平衡微带线连接，右侧振子组件的第一半圆片上设有第四金属化过孔。本发明用于无线电领域。

说明书

技术领域

本发明涉及平衡微带线过渡波导馈电的印刷天线，具体涉及平衡微带线过渡波导馈 电的组合半圆形对称振子印刷天线。

背景技术

超宽带天线具有很宽的频带，在无线传输中可以高速传输信息，因而受到了广泛关 注，当前关于超宽带的定义有很多，美国联邦通信委员会(FCC)规定的民用超宽带的频 段为3.1GHz-10.6GHz，其比带宽达3.42∶1，而通常对于超宽带天线的定义则是比宽带在 2∶1以上，对于超宽带天线的研究，研究者提出了多种方案：一、各种异型的单极子，这 类天线可获得全向辐射，如果将其尺寸小型化，则可以变成时域天线；二、采用小反射理 论获得的平面超宽带定向天线，这类天线以Vivaldi天线为代表，多数具有渐变的边界， 它们尺寸较大，能够实现频域的超宽带；三、采用了频率无关天线的技术设计的天线实现 超宽带，包括等角螺旋天线以及对数周期天线等。

上述天线设计方案均未包括超宽带的对称振子，因为超宽带对称振子的平衡馈电难 于实现，而采用了平衡微带线进行馈电，可以获得了超宽的工作带宽，但是平衡微带线是 一种开放式传输线，会产生较大的辐射损耗，不利于应用在组阵等需要较长馈电距离的场 合。

发明内容

本发明为解决现有超宽带天线的平面化、超宽带化、小型化平衡馈电以及方向图对 称性较差的问题，进而提出平衡微带线过渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括左侧振子组件、右侧振子组 件、过渡片、上层介质基片、中层介质基片、下层介质基片、上层介质基片上金属贴片、 上层介质基片下金属贴片、下层介质基片上金属贴片、下层介质基片下金属贴片、中层介 质基片上金属贴片、中层介质基片下金属贴片、两个上层介质基片下金属带条、两个中层 介质基片上金属带条、两个中层介质基片下金属带条、两个下层介质基片上金属带条、两 个长平衡微带线和两个短平衡微带线，上层介质基片上金属贴片设置在上层介质基片的上 表面上，上层介质基片下金属贴片设置在上层介质基片下表面的中部，上层介质基片下表 面沿长度方向两侧边缘分别各设有一个上层介质基片下金属带条，下层介质基片上金属贴 片设置在下层介质基片上表面的中部，下层介质基片上表面沿长度方向两侧边缘分别各设 有一个下层介质基片上金属带条，下层介质基片的下表面上设有下层介质基片下金属贴 片，中层介质基片上表面的中部设有中层介质基片上金属贴片，中层介质基片下表面的中 部设有中层介质基片下金属贴片，中层介质基片上表面沿长度方向的两侧边缘分别各设有 一个中层介质基片上金属带条，中层介质基片下表面沿长度方向的两侧边缘分别各设有一 个中层介质基片下金属带条，上层介质基片、中层介质基片、下层介质基片由上至下依次 叠加设置，且上层介质基片下金属贴片与中层介质基片上金属贴片接触，下层介质基片上 金属贴片与中层介质基片下金属贴片接触，每个上层介质基片下金属带条与相对应的一个 中层介质基片上金属带条接触，每个下层介质基片上金属带条与相对应的一个中层介质基 片下金属带条接触，上层介质基片上金属贴片上表面沿长度方向的两侧边缘分别各设有一 排第一金属化过孔，每个第一金属化过孔由上至下依次穿过上层介质基片上金属贴片、上 层介质基片、上层介质基片下金属带条、中层介质基片上金属带条、中层介质基片、中层 介质基片下金属带条、下层介质基片上金属带条、下层介质基片和下层介质基片下金属贴 片，上层介质基片上金属贴片上表面中部和下层介质基片上金属贴片上表面中部沿长度方 向分别各设有两排第二金属化过孔，上层介质基片上金属贴片上表面中部和下层介质基片 上金属贴片上表面中部沿宽度方向分别各设有两排第三金属化过孔，上层介质基片上金属 贴片的两排第二金属化过孔和两排第三金属化过孔形成矩形框体，下层介质基片上金属贴 片的两排第二金属化过孔和两排第三金属化过孔形成矩形框体，上层介质基片上金属贴片 上表面的每个第二金属化过孔和每个第三金属化过孔由上至下分别依次穿过上层介质基 片上金属贴片、上层介质基片、上层介质基片下金属贴片，下层介质基片上金属贴片上表 面的每个第二金属化过孔和每个第三金属化过孔由上至下分别依次穿过下层介质基片上 金属贴片、下层介质基片、下层介质基片下金属贴片，中层介质基片上金属贴片的一端与 一个长平衡微带线连接，中层介质基片上金属贴片的另一端与一个短平衡微带线连接，中 层介质基片下金属贴片的一端与一个长平衡微带线连接，中层介质基片下金属贴片的另一 端与一个短平衡微带线连接，左侧振子组件与右侧振子组件沿中层介质基片的中线对称设 置在中层介质基片另一端的上表面上，左侧振子组件与右侧振子组件结构相同，左侧振子 组件由第一半圆片、第二半圆片和第三半圆片组成，第一半圆片、第二半圆片、第三半圆 片沿中层介质基片的宽度方向依次搭接，第一半圆片的直边、第二半圆片的直边、第三半 圆片的直边均与中层介质基片的中线平行且远离中线，第一半圆片的半径为R₁，第二半 圆片的半径为R₂，第三半圆片的半径为R₃，且R₁∶R₂∶R₃＝4∶2∶1，左侧振子组件的 第一半圆片圆弧边与中层介质基片上表面的短平衡微带线连接，过渡片印刷在中层介质基 片另一端的下表面上，且过渡片与中层介质基片下表面上的短平衡微带线连接，右侧振子 组件的第一半圆片上设有第四金属化过孔，第四金属化过孔由上至下依次穿过右侧振子组 件的第一半圆片、中层介质基片、中层介质基片下表面上的过渡片。

本发明的有益效果是：本发明为平面印刷型天线，尺寸小，结构紧凑，可集成到移 动终端的电路板上，极大地实现了天线的小型化。

1、天线辐射体部分：本发明所提出的天线辐射体为对称振子结构，方向图具有对称 性。

2、波导部分：一、引入了其过渡作用的截面积渐变的平衡微带线，该平衡微带线属 于小尺寸的TEM波传输线，这种传输线的端口尺寸很小，可以提高整个传输线系统的高 次模的截止频率，能有效滤除低频段的高次模；二、双脊波导相比矩形波导具有主模场的 截止波长较长的特点，在相同的工作波长时，波导尺寸可以缩小，主模和其他高次模截止 波长相隔较远，因此，单模工作频带较宽，等效阻抗较低，可以与低阻抗的同轴线或微带 线匹配；三、经计算机仿真得出，不具有过渡结果的单纯介质集成波导的多模传播系数较 低，且单模传输的频率范围也显著减小，仅为2.16-4.80GHz，绝对带宽仅为具有过渡结构 的40％；四、本发明的双脊波导部分的结构为平面印刷波导，采用双面印刷电路工艺生 产，可以作为印刷电路的一部分集成到大规模电路中去，尺寸小，易于集成，能够大规模 生产，加工难度低；五、由于脊波导的作用，天线在高频段出现了定向特性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明的主视图，图3是图2的俯视图， 图4是图2的仰视图，图5是上层介质基片的俯视图，图6是图5的仰视图，图7是中层 介质基片的俯视图，图8是图7的仰视图，图9是下层介质基片的俯视图，图10是图9 的仰视图，图11是本发明天线的反射系数实验结果曲线图，图12是8GHz时本发明E 面方向图，图13是9GHz时本发明E面方向图，图14是8GHz时本发明H面方向图， 图15是9GHz时本发明H面方向图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过渡波导 馈电的组合半圆形对称振子印刷天线包括左侧振子组件1、右侧振子组件2、过渡片3、 上层介质基片4、中层介质基片5、下层介质基片6、上层介质基片上金属贴片7、上层介 质基片下金属贴片8、下层介质基片上金属贴片9、下层介质基片下金属贴片10、中层介 质基片上金属贴片11、中层介质基片下金属贴片12、两个上层介质基片下金属带条13、 两个中层介质基片上金属带条14、两个中层介质基片下金属带条15、两个下层介质基片 上金属带条16、两个长平衡微带线17和两个短平衡微带线18，上层介质基片上金属贴片 7设置在上层介质基片4的上表面上，上层介质基片下金属贴片8设置在上层介质基片4 下表面的中部，上层介质基片4下表面沿长度方向两侧边缘分别各设有一个上层介质基片 下金属带条13，下层介质基片上金属贴片9设置在下层介质基片6上表面的中部，下层 介质基片6上表面沿长度方向两侧边缘分别各设有一个下层介质基片上金属带条16，下 层介质基片6的下表面上设有下层介质基片下金属贴片10，中层介质基片5上表面的中 部设有中层介质基片上金属贴片11，中层介质基片5下表面的中部设有中层介质基片下 金属贴片12，中层介质基片5上表面沿长度方向的两侧边缘分别各设有一个中层介质基 片上金属带条14，中层介质基片5下表面沿长度方向的两侧边缘分别各设有一个中层介 质基片下金属带条15，上层介质基片4、中层介质基片5、下层介质基片6由上至下依次 叠加设置，且上层介质基片下金属贴片8与中层介质基片上金属贴片11接触，下层介质 基片上金属贴片9与中层介质基片下金属贴片12接触，每个上层介质基片下金属带条13 与相对应的一个中层介质基片上金属带条14接触，每个下层介质基片上金属带条16与相 对应的一个中层介质基片下金属带条15接触，上层介质基片上金属贴片7上表面沿长度 方向的两侧边缘分别各设有一排第一金属化过孔19，每个第一金属化过孔19由上至下依 次穿过上层介质基片上金属贴片7、上层介质基片4、上层介质基片下金属带条13、中层 介质基片上金属带条14、中层介质基片5、中层介质基片下金属带条15、下层介质基片 上金属带条16、下层介质基片6和下层介质基片下金属贴片10，上层介质基片上金属贴 片7上表面中部和下层介质基片上金属贴片9上表面中部沿长度方向分别各设有两排第二 金属化过孔20，上层介质基片上金属贴片7上表面中部和下层介质基片上金属贴片9上 表面中部沿宽度方向分别各设有两排第三金属化过孔21，上层介质基片上金属贴片7的 两排第二金属化过孔20和两排第三金属化过孔21形成矩形框体，下层介质基片上金属贴 片9的两排第二金属化过孔20和两排第三金属化过孔21形成矩形框体，上层介质基片上 金属贴片7上表面的每个第二金属化过孔20和每个第三金属化过孔21由上至下分别依次 穿过上层介质基片上金属贴片7、上层介质基片4、上层介质基片下金属贴片8，下层介 质基片上金属贴片9上表面的每个第二金属化过孔20和每个第三金属化过孔21由上至下 分别依次穿过下层介质基片上金属贴片9、下层介质基片6、下层介质基片下金属贴片10， 中层介质基片上金属贴片11的一端与一个长平衡微带线17连接，中层介质基片上金属贴 片11的另一端与一个短平衡微带线18连接，中层介质基片下金属贴片12的一端与一个 长平衡微带线17连接，中层介质基片下金属贴片12的另一端与一个短平衡微带线18连 接，左侧振子组件1与右侧振子组件2沿中层介质基片5的中线对称设置在中层介质基片 5另一端的上表面上，左侧振子组件1与右侧振子组件2结构相同，左侧振子组件1由第 一半圆片1-1、第二半圆片1-2和第三半圆片1-3组成，第一半圆片1-1、第二半圆片1-2、 第三半圆片1-3沿中层介质基片5的宽度方向依次搭接，第一半圆片1-1的直边、第二半 圆片1-2的直边、第三半圆片1-3的直边均与中层介质基片5的中线平行且远离中线，第 一半圆片1-1的半径为R₁，第二半圆片1-2的半径为R₂，第三半圆片1-3的半径为R₃， 且R₁∶R₂∶R₃＝4∶2∶1，左侧振子组件1的第一半圆片1-1圆弧边与中层介质基片5上 表面的短平衡微带线18连接，过渡片3印刷在中层介质基片5另一端的下表面上，且过 渡片3与中层介质基片5下表面上的短平衡微带线18连接，右侧振子组件2的第一半圆 片1-1上设有第四金属化过孔22，第四金属化过孔22由上至下依次穿过右侧振子组件2 的第一半圆片1-1、中层介质基片5、中层介质基片5下表面上的过渡片3。

本实施方式中上层介质基片4、中层介质基片5、下层介质基片6、上层介质基片上 金属贴片7、上层介质基片下金属贴片8、下层介质基片上金属贴片9、下层介质基片下 金属贴片10、中层介质基片上金属贴片11、中层介质基片下金属贴片12、两个上层介质 基片下金属带条13、两个中层介质基片上金属带条14、两个中层介质基片下金属带条15、 两个下层介质基片上金属带条16构成波导体；左侧振子1、右侧振子2、第四金属化过孔 22和中层介质基片5构成天线体。

本实施方式中左侧振子组件1和右侧振子组件2构成了天线的辐射部分，左侧振子 组件1和右侧振子组件2降低了结构的突变部分导致的电磁波反射，拓宽了天线阻抗带宽， 从而达到了超宽带特性。

本实施方式中左侧振子组件1和右侧振子组件2均有第一半圆片1-1、第二半圆片 1-2和第三半圆片1-3依次搭接组成，这样设置的技术效果是：提高极化方向尺寸，有利 于振子的小型化。

具体实施方式二：结合图7至图8说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过 渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的中层介质基片5另一端的两侧边缘分别各 设有一个延长凸台5-1。本实施方式的技术效果是：仅增加振子区域的介质板尺寸，有利 于减小介质板总面积。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5至图10说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过 渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的上层介质基片4的长度为50mm，上层介质 基片4的宽度为35mm，上层介质基片4的厚度为1.5mm，中层介质基片5的长度为 120mm，中层介质基片5一端的宽度为35mm，中层介质基片5另一端的宽度为38mm， 中层介质基片5的厚度为1.5mm，中层介质基片5的每个延长凸台5-1的长度为25mm， 下层介质基片6的长度为50mm，下层介质基片6的宽度为35mm，下层介质基片6的厚 度为1.5mm，中层介质基片上金属贴片11的长度为50mm，中层介质基片上金属贴片11 的宽度为16mm，中层介质基片上金属贴片11的厚度为0.01mm-0.04mm，中层介质基片 下金属贴片12的长度为50mm，中层介质基片下金属贴片12的宽度为16mm，中层介质 基片下金属贴片12的厚度为0.01mm-0.04mm。本实施方式中的上层介质基片4、中层介 质基片5和下层介质基片6均采用介电常数为4.4的环氧玻璃布层压板制作，如此设置， 上层介质基片4、中层介质基片5和下层介质基片6在高温环境下电气性能稳定性好。其 它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过 渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的左侧振子组件1的第一半圆片1-1的半径 R₁＝14mm，第二半圆片1-2的半径R₂＝7mm，第三半圆片1-3的半径R₃＝3.5mm， 左侧振子组件1的第一半圆片1-1与右侧振子组件2的第一半圆片1-1之间的距离L1为 1.6mm。本实施方式的技术效果是：既有效提高了振子的极化方向尺寸，降低了天线的起 始工作频率，又不至于使振子面积过大。另外，合理的振子间距L1有利于展宽振子的工 作频带。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过 渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的每个第一金属化过孔19的直径2mm，相邻 两个第一金属化过孔19的中心距为3mm，每个第二金属化过孔20的直径为2mm，每个 第三金属化过孔21的直径为2mm，每个第四金属化过孔22的直径为2mm，每个第二金 属化过孔20的中心与上层介质基片4中线之间的距离L2为8mm。本实施方式的技术效 果是：过孔直径及间距的合理选择有利于降低印刷型波导的辐射损耗并能够有效提高其强 度。距离L2的合理选取可以有效提高波导的单模工作带宽。其它组成及连接关系与具体 实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过 渡波导馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的每个长平衡微带线17由第一梯形过渡板 17-1和第一矩形过渡板17-2组成，第一梯形过渡板17-1的短边与第一矩形过渡板17-2 的一个短边连接并制成一体，每个短平衡微带线18由第二梯形过渡板18-1和第二矩形过 渡板18-2组成，第二梯形过渡板18-1的短边与第二矩形过渡板18-2的一个短边连接并制 成一体。本实施方式使长平衡微带线17和短平衡微带线18具有渐变的截面积，形成一定 倾角，达到微带过渡目的，能起到阻抗匹配作用，如此设置，满足设计要求和实际需要。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过渡波导 馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的每个第一梯形过渡板17-1长底边的长度L3为 14mm，每个第一过渡板17-1短底边的长度L4为3mm，每个第一梯形过渡板17-1的高 H1为30mm，每个第一矩形过渡板17-2短边的长度L5为3mm，每个第一矩形过渡板17-2 长边的长度L6为5mm，每个第二梯形过渡板18-1长底边的长度L7为14mm，每个第二 梯形过渡板18-1短底边的长度L8为3mm，每个第二梯形过渡板18-1的高H2为15mm， 每个第二矩形过渡板18-2长边的长度L9为5mm，每个第二矩形过渡板18-2短边的长度 L10为3mm。本实施方式的技术效果是：合理选择过渡板长度及梯形的底角大小可以使 天线阻抗更易匹配，工作带宽更宽。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述平衡微带线过渡波导 馈电的组合半圆形对称振子印刷天线的上层介质基片4、中层介质基片5和下层介质基片 6均是耐火材料等级为FR-4的耐火材料制作的。本实施方式中FR-4是一种耐火材料等级 的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不 是一种材料名称，而是一种材料等级。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或 五相同。

工作原理

本发明的左侧振子组件1与右侧振子组件2为天线的辐射体，波导截面长边上的电 流分布的组成可以分为两个部分：一部分由馈电传输过来的电流；另一部分是天线辐射体 上的电流辐射在距离较近的波导金属上感应出的电流。受到波导结构的影响，由馈电端传 输过来的电流是不会引起辐射的，能够产生辐射的电流仅为辐射体感应出的电流，金属辐 射体表面的电流主要分布在左侧振子组件1与右侧振子组件2的边缘，边缘的电流对辐射 体的贡献是主要的，由于左侧振子组件1和右侧振子组件2的边缘的圆弧形，降低了结构 的突变部分导致的电磁反射，拓宽了天线阻抗带宽，从而达到了超宽带特性。

从图11中的测试结果可以看出，天线的工作带宽为2.0-20GHz(|S₁₁|＜-6dB)，覆盖 了整个S/C/X/Ku波段。比带宽10∶1，达到了超宽带天线的指标，也达到FCC规定的比 带宽要求。

从图12至图15中可以看出天线在高频段(8-9GHz)的定向性较好，本发明天线可 以用于定向的电磁波发射和接收。