带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线

摘要

本发明涉及一种印刷天线，具体提供一种实现宽带全向高增益及引入同轴线馈电对天线辐射效果不会产生不利影响的一种带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线。本发明包括多个共面波导的馈线以及与之相连的馈电辐射单元、不对称的梯形辐射型终端负载和印刷型扼流装置；同轴线馈入的电流经印刷型扼流装置后，一部分电流经共面波导的馈线流入多个馈电辐射单元上，在各个馈电辐射单元上形成电流分布，另一部分电流经共面波导的馈线流入不对称的梯形辐射型终端负载。本发明在一定程度上提高了天线的增益，对天线的辐射效果有显著的改善。

说明书

技术领域

本发明涉及一种印刷天线，具体为一种带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线。

背景技术

全向天线是一种在水平面内无方向性，即沿水平面内各个方向均匀辐射，水平方向全向辐射特性基本无差异，而在垂直平面内呈现定向辐射特性的天线。全向高增益一般以全向增益大于4dB为标准，这样可以保证波束较宽。现有的关于全向天线的研究主要集中于以下几种：第一种是一系列异形阵子，此类天线虽然能实现宽带，但存在方向图分裂的缺点，其全向性也较差；第二种是同轴共线交叉馈电阵子天线(COCO Antenna)，此类天线由于终端为短路结构，整个天线为谐振式结构，因此带宽较窄，同时还存在占用体积较大，不易携带等缺点；除此之外的一些其它全向天线普遍存在带宽较窄、单位长度增益较低、质量大、不易集成和小型化的缺点。除了这些传统的全向天线外，印刷型全向天线由于采用了现代印制电路板结构，以其体积小、质量小、平面化易于集成、方便携带、制作工艺相对简单、符合现代设备小型化的需求等优点，可广泛应用于一对多的基站对终端的通信、卫星通信、无人机通信等各个通信领域中。

现有同轴馈电天线存在由于在馈电端引入同轴线而造成实际天线的辐射效果与仿真结果存在较大差异的问题。由同轴线的馈电特点可知，在同轴线的内部，同轴线内导体和外导体内表面上的电流在数值上是相等的，在方向上是相反的，然而当电流到达天线的时候，一部分电流会从外导体的外表面流失，从而导致同轴线馈电不平衡。而引入传统扼流套虽然可以解决此问题，但又会带来使天线整体尺寸增加而不易小型化、影响印刷天线的低剖面特性的问题，还会给天线的组装增加难度。

发明内容

针对上述不足，本发明在不影响印刷天线低剖面、小型化、易于集成的优点的前提下，提供一种实现宽带全向高增益及引入同轴线馈电对天线辐射效果不会产生不利影响的一种带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线。

本发明的一种带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线，所述天线包括多个共面波导的馈线以及与之相连的馈电辐射单元、不对称的梯形辐射型终端负载和印刷型扼流装置；

同轴线馈入的电流经印刷型扼流装置后，一部分电流经共面波导的馈线流入多个馈电辐射单元上，在各个馈电辐射单元上形成电流分布，另一部分电流经共面波导的馈线流入不对称的梯形辐射型终端负载。

优选的是，所述印刷型扼流装置包括印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12；

同轴线馈入的电流分别经印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12流入多个共面波导的馈线上。

优选的是，所述多个共面波导的馈线包括共面波导中心馈线2和交叉中心馈线3；

共面波导中心馈线2的一端与印刷型扼流装置中心馈线11连接，交叉中心馈线3的一端与印刷型扼流装置外套12连接，交叉中心馈线3的另一端与不对称的梯形辐射型终端负载连接；

多个馈电辐射单元分布在共面波导中心馈线2和交叉中心馈线3的左右两侧。

优选的是，所多个馈电辐射单元包括两个第一共面波导馈电单元4、两个第二共面波导馈电单元5、两个第三共面波导馈电单元6、两个第四共面波导馈电单元7、四对金属过孔8和四条背部跳线9；

两个第一共面波导馈电单元4位于交叉中心馈线3的左侧，两个第四共面波导馈电单元7位于交叉中心馈线3的右侧；交叉中心馈线3与两个第一共面波导馈电单元4连接，两个第一共面波导馈电单元4通过金属过孔8和背部跳线9分别与两个第四共面波导馈电单元7连接；

两个第二共面波导馈电单元5位于共面波导中心馈线2的右侧，两个第三共面波导馈电单元6位于共面波导中心馈线2的左侧；

共面波导中心馈线2与两个第二共面波导馈电单元5连接，两个第二共面波导馈电单元5通过金属过孔8和背部跳线9分别与两个第三共面波导馈电单元6连接。

优选的是，所述天线还包括介质板1，介质板1的正面印有共面波导中心馈线2、交叉中心馈线3、两个第一共面波导馈电单元4、两个第二共面波导馈电单元5、两个第三共面波导馈电单元6、两个第四共面波导馈电单元7、不对称辐射型终端负载10、印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12，介质板1的背面印有四条背部跳线9，四对金属过孔8穿过介质板1将介质板1的正面与背面导通。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明为工作于C波段的一种带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线，仿真结果表明，所述天线在4.4～5.4GHz的频率范围内反射系数低于-10dB，相对带宽达到20％，在典型频率4.8GHz处水平面内全向辐射增益大于4dBi，实现了宽带全向高增益的要求。

本发明与现有的COCO天线相比，其平面印刷结构具有剖面低、质量小、易于集成的优点；与已有的印刷型全向天线相比，本发明所引入的印刷型扼流装置有效地解决了一部分电流在天线馈电端由同轴外导体反向流回而产生的电流损失的问题，其平面结构可直接与天线一体化印刷，在不影响天线的低剖面小型化易于集成特性的前提下，避免了非印刷结构的扼流套占用空间大以及不易连接的问题；另外天线顶端的辐射型负载采用了不对称的梯形形状，与采用等腰梯形辐射型负载的天线相比，其底边偏右可在一定程度上改善驻波系数并提高天线的辐射增益。

综上所述，本发明在将现有的COCO天线平面化形成了一种印刷全向天线之后，在终端增加一种非对称形终端负载，其不对称的结构可以在一定程度上平衡由于天线自身结构造成的馈电端口偏离中心而引起的辐射方向图偏移，从而在一定程度上提高了天线的增益。除此之外，在天线的馈电前端增加了一个印刷型扼流装置，该装置解决了由于使用同轴馈电而造成的天线电流沿着SMA接头外壁回流到馈电端口的同轴线外导体外表面，从而影响该天线的驻波系数和辐射增益的问题，与不带有此扼流装置的天线相比，增加此装置对天线的辐射效果有显著的改善。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线的正面结构示意图；

图2是图1的侧面结构示意图；

图3是图1的背面结构示意图；

图4是本发明具体实施方式中的带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线的具体尺寸标注图；

图5是图4侧面的具体尺寸标注图；

图6是图4背面的具体尺寸标注图；

图7为本发明的天线的反射系数图，图中|S₁₁|表示反射系数；

图8为本发明实施例中带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线和无扼流装置的天线在4.8GHz处的H面辐射方向图；

图9为本发明实施例中的带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线和无扼流装置的天线在4.8GHz处的E面辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的带有扼流装置的宽带全向高增益印刷天线，包括多个共面波导的馈线以及与之相连的馈电辐射单元、不对称的梯形辐射型终端负载和印刷型扼流装置；

同轴线馈入的电流经印刷型扼流装置后，一部分电流经共面波导的馈线流入多个馈电辐射单元上，在各个馈电辐射单元上形成电流分布，另一部分电流经共面波导的馈线流入不对称的梯形辐射型终端负载。

本实施方式中，在终端增加一种非对称形终端负载，其不对称的结构可以在一定程度上平衡由于天线自身结构造成的馈电端口偏离中心而引起的辐射方向图偏移，从而在一定程度上提高了天线的增益。同时在天线的馈电前端增加了一个印刷型扼流装置，该装置解决了由于使用同轴馈电而造成的天线电流沿着SMA接头外壁回流到馈电端口的同轴线外导体外表面，从而影响该天线的驻波系数和辐射增益的问题，与不带有此扼流装置的天线相比，增加此装置对天线的辐射效果有显著的改善。

本实施方式的天线顶端的辐射型负载采用了不对称的梯形形状，与采用等腰梯形辐射型负载的天线相比，其底边偏右可在一定程度上改善驻波系数并提高天线的辐射增益。

优选实施例中，所述印刷型扼流装置包括印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12；

同轴线馈入的电流分别经印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12流入多个共面波导的馈线上。

本实施方式引入的扼流装置实为平面印刷化的扼流套，此装置解决了馈电电流沿着同轴外导体的外表面回流而导致的天线辐射性变差的问题，该装置平面化的设计可以与天线主体一体化印刷，在不影响天线宽带全向高增益特点的同时，保证了天线的低剖面、小型化、质量小以及易于集成化的特点。

具体实施例：

如图1至图3所示，本实施例的天线工作于C波段，为双面印刷电路板结构，介质板厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，其双面印刷金属层由金属过孔连接；本实施例包括介质板1、共面波导中心馈线2、交叉中心馈线3、两个第一共面波导馈电单元4、两个第二共面波导馈电单元5、两个第三共面波导馈电单元6、两个第四共面波导馈电单元7、四对金属过孔8、四条背部跳线9、不对称辐射型终端负载10、印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12；

介质板1的正面印有共面波导中心馈线2、交叉中心馈线3、两个第一共面波导馈电单元4、两个第二共面波导馈电单元5、两个第三共面波导馈电单元6、两个第四共面波导馈电单元7、不对称辐射型终端负载10、印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12，介质板1的背面印有四条背部跳线9，四对金属过孔8穿过介质板1将介质板1的正面与背面导通。

不对称辐射型终端负载10位于介质板1的上端，印刷型扼流装置中心馈线11和印刷型扼流装置外套12位于介质板1的下端；

共面波导中心馈线2的一端与印刷型扼流装置中心馈线11连接，

交叉中心馈线3的一端与印刷型扼流装置外套12连接，交叉中心馈线3的另一端与不对称的梯形辐射型终端负载连接；

两个第一共面波导馈电单元4位于交叉中心馈线3的左侧，两个第四共面波导馈电单元7位于交叉中心馈线3的右侧；交叉中心馈线3与两个第一共面波导馈电单元4连接，两个第一共面波导馈电单元4通过金属过孔8和背部跳线9分别与两个第四共面波导馈电单元7连接；

两个第二共面波导馈电单元5位于共面波导中心馈线2的右侧，两个第三共面波导馈电单元6位于共面波导中心馈线2的左侧；

共面波导中心馈线2与两个第二共面波导馈电单元5连接，两个第二共面波导馈电单元5通过金属过孔8和背部跳线9分别与两个第三共面波导馈电单元6连接。

本实施例的天线的具体尺寸如图4至图6所示。本实施方式的电流由同轴线馈入，通过扼流装置后，一部分沿着共面波导中心馈线2和交叉中心馈线3流动到左右分别与两条馈线相连的共面波导馈电单元上，在各个单元上形成电流分布，成为此天线辐射的主体，另一部分电流沿着交叉中心馈线3流到不对称的梯形辐射型终端负载10上，此终端负载与终端的共面波导中心馈线以及馈线两侧的共面波导馈电单元一起形成了一个不对称形状的单极天线，而此单极天线之所以采用不对称的形状，是因为天线的馈电点并不在底边的中心点，在下端相对于天线整体来说有小距离的偏移，采用此不对称形状可在一定程度上改善由此造成的辐射方向图的小程度偏离，从而在一定程度上提高了天线的增益。而引入的扼流装置实为平面印刷化的扼流套，此装置解决了馈电电流沿着同轴外导体的外表面回流而导致的天线辐射性变差的问题，该装置平面化的设计可以与天线主体一体化印刷，在不影响天线宽带全向高增益特点的同时，保证了天线的低剖面、小型化、质量小以及易于集成化的特点。

本实施实施例的天线驻波系数如图7所示，本实施例和无扼流装置的天线在4.8GHz处的H面辐射方向图如图8所示，本实施例和无扼流装置的天线在4.8GHz处的E面辐射方向图如图8所示；仿真结果表明，所述天线在4.4～5.4GHz的频率范围内反射系数低于-10dB，相对带宽达到20％，在典型频率4.8GHz处水平面内全向辐射增益大于4dBi，实现了宽带全向高增益的要求。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。