一种宽带高效率高方向性电小天线.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104134859 A (43)申请公布日 2014.11.05 CN 104134859 A (21)申请号 201410406437.5 (22)申请日 2014.08.18 H01Q 1/36(2006.01) H01Q 15/14(2006.01) H01Q 19/30(2006.01) (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正街 174 号 (72)发明人 唐明春 理查德齐奥尔科夫斯基 (74)专利代理机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 11275 代理人 赵荣之 (54) 发明名称 一种宽带高效率高方向性电小天线 (57) 。

2、摘要 本发明涉及一种宽带高效率高方向性电小天 线， 属于天线技术领域。该天线包括激励单元、 上 寄生单元、 下寄生单元、 两薄圆柱体形介质板、 同 轴馈线 ； 所述两薄圆柱体形介质板半径相同， 中 心对准， 上下平行放置 ； 激励单元、 上寄生单元分 别设置于上薄圆柱体形介质板底面和顶面， 下寄 生单元设置于下薄圆柱体形介质板顶面 ； 同轴馈 线的内、 外导体分别连接激励单元的两块金属片 ； 同轴馈线的馈电端穿过下薄圆柱体形介质板延向 其下侧一段距离， 与 50 信号源相接。本天线设 计简单， 结构紧凑， 易于制造， 可应用于工作频率 在 1GHz 附近的宽带无线通信系统中。 (51)Int.。

3、Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104134859 A CN 104134859 A 1/1 页 2 1. 一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 包括激励单元、 上寄生单元、 下寄 生单元、 两薄圆柱体形介质板、 同轴馈线 ； 所述两薄圆柱体形介质板半径相同， 中心对准， 上下平行放置 ； 激励单元、 上寄生单元 分别设置于上薄圆柱体形介质板底面和顶面， 下寄生单元设置于下薄圆柱体形介质板顶 面 ； 同轴馈线的内、 外导体分别连接激励。

4、单元的两块金属片 ； 同轴馈线的馈电端穿过下薄 圆柱体形介质板延向其下侧一段距离， 与 50 信号源相接。 2. 根据权利要求 1 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述激励 单元的金属片组成战斧形状， 该战斧形金属片由直条金属臂连接两块弧形金属片组成， 两 块金属片中的一块连接同轴馈线内导体， 另一边对称设置的金属片连接同轴馈线外导体。 3. 根据权利要求 1 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述上寄 生单元由两战斧形金属片合并而成， 呈一条形金属臂连接顶端两弧形金属片结构， 在受激 励情况下， 与底面战斧形激励单元耦合， 实现 LC 谐振， 产。

5、生一个谐振模式。 4. 根据权利要求 1 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述下寄 生单元的中心为一环形金属片， 环形金属片的两边连接由直条金属臂与弧形金属片组合形 成的战斧形金属片， 环形金属片与同轴馈线没有接触 ； 下寄生单元与战斧形激励单元、 上寄 生单元发生 LC 谐振， 产生新的谐振模式。 5. 根据权利要求 1 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述 上、 下薄圆柱体形介质板的材料为 RogersDuroid6010， 电介质常数 10.2， 相对磁导率 为 1.0， 损耗正切角值 0.0023， 半径为 30-34mm， 厚度为 1.。

6、20-1.33mm， 表面敷铜的厚度为 0.016-0.019mm。两介质板中心距离为 27-30mm。 6. 根据权利要求 2 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述激励 单元两战斧形金属臂宽度为 2.56-2.83mm， 臂长度为 19-21mm， 弧形部分外半径为 25-27mm， 弧宽度为 5.5-6.5mm， 两弧间隙为 31-33mm。 7. 根据权利要求 3 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述上寄 生单元中间金属臂宽度为 4.1-4.7mm， 臂长度为 47-49mm， 顶端弧形外半径为 31-33mm， 弧宽 度为 7.5-8.5。

7、mm， 两弧间隙为 31-33mm。 8. 根据权利要求 4 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述下 寄生单元中心环形金属片内半径为 2.4-2.7mm， 外半径为 5.3-5.9mm， 直条金属片长度为 17.5-19.5mm， 宽度为 3.5-6.9mm， 顶端弧形外半径为 31-33mm， 宽度为 7.5-8.5mm， 两弧间隙 为 27-30mm。 9. 根据权利要求 1 所述的一种宽带高效率高方向性电小天线， 其特征在于 ： 所述同轴 馈线内导体呈实圆柱体形， 半径为 0.5-0.7mm， 长度为 50-55mm， 外导体呈薄壁空心圆柱体 形， 半径为 1.5。

8、-1.7mm， 长度为 50-55mm， 内外导体之间填充绝缘层， 以满足 50 欧姆特性阻 抗 ； 上、 下薄圆柱体形介质板之间的同轴馈线外导体的半边被削去。 权 利 要 求 书 CN 104134859 A 2 1/5 页 3 一种宽带高效率高方向性电小天线 技术领域 0001 本发明属于天线技术领域， 涉及一种宽带高效率高方向性电小天线。 背景技术 0002 随着无线通信射频前端设备朝着小型化、 紧凑化、 集成化、 多功能方向不断的推 进， 对电小天线的设计提出了越来越苛刻的要求。近年来， 随着研究不断地深入， 天线工作 者尝试性地尽量降低天线的整体电尺寸， 以至于达到物理结构设计极限水。

9、平， 并保持良好 的辐射性能， 取得了一定的研究成果。首先， 在实现天线小型化、 多功能设计方面， 目前较 为流行的技术有 ： 自身物理结构的改进与优化， 如开槽、 弯折天线 ； 加载技术， 如在天线单 元上加载容性或感性元件 ； 使用人工电磁特异材料结构作为近场寄生谐振单元， 如负介电 常数介质材料、 近场寄生谐振器等 ； 可重构技术， 如通过加载 PIN 开关、 变容二极管等集总 元件扩展天线可利用的频率范围。 其次， 在提高天线定向辐射性能方面， 如方向性、 增益、 效 率、 前后比等， 目前所使用的技术包括 ： 通过构造由基本电小电偶极子和磁偶极子组成的惠 更斯源 ； 在激励单元的近场。

10、区域加载容性或感性分布元件 ； 集成具有电磁带隙结构的谐振 反射板以及其它结构形式的接地板等。 0003 本质上， 依据电小天线设计理论， 电小天线的电尺寸、 效率、 工作带宽等性能指标 存在着相互制约， 使得它们在实际的研制开发中面临设计极限， 如 “Chu 极限” 理论所述。可 见， 同时具有电小、 宽带、 高效率、 定向辐射的天线设计具有异常艰巨的挑战性。由此可见， 它的成功设计在实际的工程应用中具有非常重要的应用价值。 发明内容 0004 有鉴于此， 本发明的目的在于提供一种宽带高效率高方向性电小天线， 该天线能 够在天线电尺寸较小的前提下， 满足宽带高增益的需求。 0005 为达到上。

11、述目的， 本发明提供如下技术方案 ： 0006 一种宽带高效率高方向性电小天线， 该天线包括激励单元、 上寄生单元、 下寄生单 元、 两薄圆柱体形介质板、 同轴馈线 ； 所述两薄圆柱体形介质板半径相同， 中心对准， 上下平 行放置 ； 激励单元、 上寄生单元分别设置于上薄圆柱体形介质板底面和顶面， 下寄生单元设 置于下薄圆柱体形介质板顶面 ； 同轴馈线的内、 外导体分别连接激励单元的两块金属片 ； 同轴馈线的馈电端穿过下薄圆柱体形介质板延向其下侧一段距离， 与 50 信号源相接， 如 此长的同轴馈线设计是为了考虑存在于天线系统近场的馈线对天线整体的工作性能的影 响。 0007 进一步， 所述激。

12、励单元的金属片组成战斧形状， 该战斧形金属片由直条金属臂连 接两块弧形金属片组成， 两块金属片中的一块连接同轴馈线内导体， 另一边对称设置的金 属片连接同轴馈线外导体。 0008 进一步， 所述上寄生单元由两战斧形金属片合并而成， 呈一条形金属臂连接顶端 两弧形金属片结构， 在受激励情况下， 与底面战斧形激励单元耦合， 实现 LC 谐振， 产生一个 说 明 书 CN 104134859 A 3 2/5 页 4 谐振模式。上寄生单元与战斧形激励单元合成辐射场形式与传统电偶极子辐射场形式相 似， 两者组成战斧形电偶极子。 0009 进一步， 所述下寄生单元的中心为一环形金属片， 环形金属片的两边连。

13、接由直条 金属臂与弧形金属片组合形成的战斧形金属片， 环形金属片与同轴馈线没有接触 ； 加载这 种结构的寄生单元具有类似八木天线反射器的作用， 使电小天线总的辐射场朝向正上方 向， 以利于良好实现边射特性。下寄生单元与战斧形激励单元、 上寄生单元发生 LC 谐振， 产 生新的临近谐振模式， 从而进一步展宽了天线工作频带。 0010 进一步， 所述上、 下薄圆柱体形介质板的材料为 RogersDuroid6010， 电介质常数 10.2， 相对磁导率为1.0， 损耗正切角值0.0023， 半径为30-34mm， 厚度为1.20-1.33mm， 表面 敷铜的厚度为 0.016-0.019mm。两介。

14、质板中心距离为 27-30mm。 0011 进一步， 所述激励单元两战斧形金属臂宽度为 2.56-2.83mm， 臂长度为 19-21mm， 弧形部分外半径为 25-27mm， 弧宽度为 5.5-6.5mm， 两弧间隙为 31-33mm。 0012 进一步， 所述上寄生单元中间金属臂宽度为 4.1-4.7mm， 臂长度为 47-49mm， 顶端 弧形外半径为 31-33mm， 弧宽度为 7.5-8.5mm， 两弧间隙为 31-33mm。 0013 进一步， 所述下寄生单元中心环形金属片内半径为 2.4-2.7mm， 外半径为 5.3-5.9mm， 直条金属片长度为 17.5-19.5mm， 宽。

15、度为 3.5-6.9mm， 顶端弧形外半径为 31-33mm， 宽度为 7.5-8.5mm， 两弧间隙为 27-30mm。 0014 进一步， 所述同轴馈线内导体呈实圆柱体形， 半径为 0.5-0.7mm， 长度为 50-55mm， 外导体呈薄壁空心圆柱体形， 半径为 1.5-1.7mm， 长度为 50-55mm， 内外导体之间填充绝缘 层， 以满足 50 欧姆特性阻抗 ； 上、 下薄圆柱体形介质板之间的同轴馈线外导体的半边被削 去。 0015 本发明的有益效果在于 ： 本技术方案中， 同轴馈线直接连接战斧形激励单元， 使激 励部分尺寸较小从而与 50 信号源进行良好匹配 ； 战斧形激励单元与。

16、上寄生单元组成战 斧形电偶极子形式， 近似构成八木天线的受激单元， 它们之间的耦合谐振使天线在保持电 小尺寸的同时， 具有很高的辐射效率。 设计战斧形下寄生单元构成八木天线的反射器， 使天 线总的辐射方向朝天线正上方， 提高了天线的方向性。 同时， 上寄生单元和下寄生单元的工 作频段相互重叠， 明显扩展了天线的工作带宽。本发明提供的天线设计简单， 结构紧凑， 易 于制造， 可应用于工作频率在 1GHz 附近的宽带无线通信系统中。 附图说明 0016 为了使本发明的目的、 技术方案和有益效果更加清楚， 本发明提供如下附图进行 说明 ： 0017 图 1 为本发明所述的电小天线的整体结构图 ； 0。

17、018 图 2 为本发明所述的电小天线的主视图 ； 0019 图 3 为本发明所述的电小天线的俯视图 ； 0020 图 4 为本发明所述的电小天线的侧视图 ； 0021 图 5 为仿真本发明所述的电小天线的 S 参数曲线图 ； 0022 图 6 为仿真本发明所述的电小天线的 E 平面辐射场方向图 ； 0023 图 7 为仿真本发明所述的电小天线的 H 平面辐射场方向图 ； 说 明 书 CN 104134859 A 4 3/5 页 5 0024 图中标识 1 为上薄圆柱体形介质板， 2 为下薄圆柱体形介质板， 3 为同轴传输线内 导体， 4 为同轴传输线外导体， 5 为上寄生单元， 6 为激励单。

18、元， 7 为战斧形金属片金属臂部 分， 8 为下寄生单元， 9 为下寄生单元中圆环部分。 具体实施方式 0025 下面将结合附图， 对本发明的优选实施例进行详细的描述。 0026 本发明所述的宽带高效率高方向性电小天线的整体结构图、 主视图、 俯视图、 侧视 图分别如图 1、 图 2、 图 3、 图 4 所示。该天线包括激励单元 6、 上寄生单元 5、 下寄生单元 8、 上薄圆柱体形介质板 1、 下薄圆柱体形介质板 2、 同轴馈线内导体 3、 同轴馈线外导体 4。两 薄圆柱体形介质板厚度表示为 H1， 采用材料 RogersDuroid6010， 其介电常数为 10.2， 相对 磁导率 1.0。

19、， 损耗正切值为 0.0023。激励单元、 上寄生单元、 下寄生单元金属片的的厚度均 相同。仿真得到天线的最优尺寸如表 1 所示 ,组成的电小天线电尺寸较小， ka 0.696( 其 中 k 2/r， k 表示自由空间波数， r为谐振频率 fr 0.94GHz 处自由空间波长， a 为 包围整个天线球体的最小半径 )。 0027 激励单元 6 由对称放置的战斧形金属片组成， 其位置、 结构如图 1、 图 3 所示， 处于 上介质板 1 底面。战斧形金属片中间金属臂 7 长 L1， 宽度 W1， 其顶端连接的金属弧弯形结 构外半径 R1， 宽度 W2， 两弧间隙 L2。同轴馈线外导体 4 与左边。

20、战斧形金属片相连， 内导体 3 连接右边战斧形金属片。天线馈电时， 左、 右战斧形金属片同时被激励， 产生表面激励电 流而生成辐射场。 两战斧形金属片结构对称， 中间金属臂未相连而相隔一间隙， 在天线等效 电路分析中等效为电容， 与加载的感性单元实现 LC 谐振。战斧形激励单元这种结构比较紧 凑， 与之耦合的寄生单元同样具有紧凑的结构， 使整个天线的电尺寸较小， 以利于保证天线 小型化的设计。 0028 上寄生单元5结构如图1、 图3所示， 处于上介质板1顶面， 由两战斧形金属片合并 而成， 中间金属臂长 L3， 宽度 W3， 顶端弧形金属结构宽度 W4， 弧外半径 R2， 两弧间隙 L4。上。

21、 寄生单元在激励单元的近场产生耦合谐振。理论上， 该单元加载可以等效于引入负介电常 数介质覆盖在天线的周围实现天线的小型化、 高效率、 以及良好匹配。当信号源激励时， 上 寄生单元弧形金属部分在等效电路中表现出感性， 中间直金属臂缝隙部分表现为容性， 与 底面容性战斧形激励单元实现低频处的 LC 谐振模式， 产生高效辐射场。上寄生单元与战斧 形激励单元形状相似、 距离很近而具有很好的阻抗匹配。当战斧形激励单元近场耦合激励 时， 上寄生单元中间金属臂上产生强度较大的感应电流， 其幅度较战斧形激励单元上的电 流大， 是所设计电小天线主要的辐射单元。 上寄生单元与激励源距离非常近， 两者组成一战 斧。

22、形电偶极子， 所产生的辐射场与电偶极子辐射场的形式相似， 在该等效八木天线中充当 了受激单元。上寄生单元、 战斧形激励单元、 下寄生单元相互耦合， 与同轴馈线一起共同匹 配 50 信号源。 0029 下寄生单元 8 结构如图 1、 图 3 所示， 位于下介质板顶面， 形状与上寄生单元 5 相 似。中心圆环 9 内半径 R3， 外半径 R4， 圆环 9 连接的金属臂宽 W5， 长度 L5， 顶端弧形结构尺 寸与上寄生单元 5 相同， 两弧间隙 L6。同轴馈线与下寄生单元 8 没有接触。下寄生单元结 构与战斧形激励单元、 上寄生单元结构相似， 具有很好的匹配度， 受激励时， 表面产生极化 方向相互。

23、平行的感应电流。 在作用辐射场方面， 该寄生单元与激励单元形状相近， 位于其底 说 明 书 CN 104134859 A 5 4/5 页 6 部。 该放置方式可以使下寄生单元与上面的激励单元和上寄生单元间具有适宜的相位差和 空间距离。这样能够使下寄生单元扮演着类似八木天线中的反射器角色， 使所设计电小天 线总的辐射场方向朝向正上方向， 明显提高该天线系统的方向性。 该单元未与同轴馈线内、 外导体相连， 距离激励单元较近， 具有近场谐振器的作用， 与战斧形激励源的耦合产生新的 谐振模式， 使电小天线在新的更低谐振频率点附近工作， 从而展宽了电小天线的工作频带。 0030 同轴馈线结构如图 1、 。

24、图 2、 图 4 所示， 内导体 3 呈实圆柱体形， 半径 R5， 长度 L7， 外 导体 4 呈薄壁空心圆柱体形， 半径 R6， 长度 L7。在上介质板 1 与下介质板 2 区间段， 长度 L8 外导体被削去右半边， 这样便于使馈线内、 外导体分别与右、 左战斧形金属片连接， 减小外 导体表面电流对天线辐射特性的影响。 外导体与下介质薄圆柱体底面有接触， 内、 外导体与 下寄生单元金属均没有接触。 0031 使用高频电磁仿真软件 HFSS13.0 对上述建立的天线结构模型进行仿真实验， 得 出电小天线结构尺寸最优值如表 1 所示。 0032 表 1 HFSS13.0 仿真得电小天线最优尺寸 。

25、0033 0034 表中 H2 为激励单元、 上寄生单元、 下寄生单元覆铜的厚度。 0035 在本实施例中， 使用HFSS13.0仿真了天线性能参数， 分别对天线S参数、 方向图进 行仿真分析。 0036 图 5 为仿真得到的天线 S 参数曲线图。如图所示， 所设计的电小天线有两个谐 振频率点， 分别为 0.94GHz、 0.99GHz， -10dB 的带宽范围为 0.93-1.03GHz， 工作频带宽度为 100MHz。谐振频率点 0.99GHz 的反射损耗值 -47.8dB 低于谐振频率点 0.94GHz 的反射损耗 值-11.3dB。 两个谐振频率分别主要由引入的上、 下两寄生谐振单元产。

26、生。 在电小天线等效 电路中， 寄生单元等效为电容和电感串联， 战斧形激励单元将为等效电路提供相应的等效 电容， 两者形成 LC 谐振， 使得天线能够在较低频点良好工作。由于上寄生单元与战斧形激 励单元距离很近， 形状相似而能够较好的电耦合， 谐振产生辐射场辐射效率高。 相比而言上 寄生单元的总体极化电流路径较短， 使其作用产生的谐振频率高。下寄生单元的总体极化 电流路径较长， 使其作用产生的谐振频率低。 说 明 书 CN 104134859 A 6 5/5 页 7 0037 图 6-7 为仿真得到频率点 0.94GHz、 0.96GHz、 1.00GHz 的天线辐射场 E 面、 H 面方 向。

27、图， 从图中可以观察到， 电小天线 E、 H 面辐射场具有朝天线正上方的辐射方向， H 面辐射 场具有近似于全向辐射的特性， E 面辐射场呈不对称的 “8” 字形。在频率点 0.94GHz， 电小 天线的 E、 H 面辐射场的最大增益值为 4.38dBi， 朝着边射方向。随着频率的升高， E、 H 面辐 射场正上方向增益值减小。E 面辐射场的方向图的后向辐射存在一定的不对称性 ( 尤其在 低频段 )， 主要原因为天线采用同轴线缆的不平衡结构的直接馈电方式。在频率较低时， 朝 天线正上方辐射场增益较大， 其原因是在低频段时， 主要由于下寄生单元与战斧形激励单 元间的耦合谐振， 它们间的相位差和空。

28、间距离使得辐射方向图呈边射形式。 相对而言， 在高 频段时， 主要由于上寄生单元与战斧形激励单元间的耦合谐振， 它们在极其近的距离时， 所 形成的方向图呈传统偶极子形式。因为两个谐振频段相互重叠， 使得天线在高频处也表现 为一定的边射特性。 0038 最后说明的是， 以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述， 但本领域技术人员应当理解， 可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变， 而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 说 明 书 CN 104134859 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104134859 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104134859 A 9 3/4 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104134859 A 10 4/4 页 11 图 7 说 明 书 附 图 CN 104134859 A 11 。