一种小型化宽带天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种小型化宽带天线，包括辐射体、绝缘介质基板和金属背腔；金属背腔为1个下底面和2个左右相对的侧壁所构成的U形腔；绝缘介质基板覆盖在金属背腔的上顶面开口处；辐射体呈平面状印制于绝缘介质基板的上表面；辐射体由2个扇形单元和2条微带线组成；2个扇形单元的顶点形成辐射体的馈电点；2个扇形单元对称分布在绝缘介质基板的左右两侧，2个扇形单元的馈电点相对，并隔开一定距离；每条微带线均为弯曲状延伸的线形；微带线的两端分别接在2个扇形单元的同侧底端点上；2条微带线对称分布在绝缘介质基板的前后两侧。本发明能够减小天线的尺寸，满足系统对目标的探测要求。
【专利说明】
一种小型化宽带天线
技术领域
[0001]本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种小型化宽带天线。
【背景技术】
[0002]近年来，由于电子空间技术迅速发展，导致应用在设备上的天线种类和形式日益增多，并且对其电性能的要求也在不断提高。早期的天线，如刀形天线、单(偶)极子天线、经加载的拉杆天线等存在带宽窄、尺寸大的问题，已不能满足当下的使用要求。促使天线的小型化、宽带化的重要技术成为研究热点与趋势，在超短波天线方面尤为明显。
[0003]随着无人机各方面技术日趋成熟，其使用场合越来越广泛，作战效能也在日益突出。而天线作为无线通讯不可或缺的一部分，其性能的好坏将直接决定了无人机整个系统的效能。而对于现有的超短波天线来说，其增益较低、频带较窄，不利于目标探测技术的应用。为了使其宽带化、小型化，通常采用的方法有:电阻加载或寄生加载，但这样也会导致天线带来整个系统性能方面的问题，如效率低。所以，在保证天线其他性能方面优越性的同时，兼顾天线的小型化、宽带化是我们研究的新方向。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是现有天线无法兼顾小型化和宽带化的问题，提供一种小型化宽带天线，以减小天线的尺寸，满足系统对目标的探测要求。
[0005]为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种小型化宽带天线，包括辐射体、绝缘介质基板和金属背腔;金属背腔为I个下底面和2个左右相对的侧壁所构成的U形腔；绝缘介质基板覆盖在金属背腔的上顶面开口处;辐射体呈平面状印制于绝缘介质基板的上表面;辐射体由2个扇形单元和2条微带线组成;2个扇形单元的顶点形成福射体的馈电点；2个扇形单元对称分布在绝缘介质基板的左右两侧，2个扇形单元的馈电点相对，并隔开一定距离;每条微带线均为弯曲状延伸的线形；微带线的两端分别接在2个扇形单元的同侧底端点上;2条微带线对称分布在绝缘介质基板的前后两侧。
[0007]作为改进，上述小型化宽带天线还进一步包括有匹配器，匹配器的输入端与外部电源连接，匹配器的输出端与辐射体的馈电点连接。
[0008]上述方案中，匹配器由介质板、以及设置在介质板上的匹配电路和接地面所构成；上述匹配电路4-2包括传输线变压器、第一电感、第二电感、第一电容和第三电感;外部电源的地线与接地面连接，外部电源的馈线与第三电感的一端连接;第三电感的另一端同时连接第一电容的一端和第二电感的一端;第一电容的另一端与接地面连接;第二电感的另一端连接第一电感的一端和传输线变压器输入侧的一端;第一电感的另一端和传输线变压器输入侧的另一端同时与接地面连接;传输线变压器输出侧的一端与接地面和辐射体的其中一个扇形单元的馈电点相连，传输线变压器的输出侧的另一端与福射体的另一个扇形单元的馈电点相连。
[0009]上述方案中，匹配器设置在金属背腔的下底面和绝缘介质板的背面之间。
[0010]上述方案中，每个扇形单元上开设有至少一条沿绝缘介质基板的左右方向延伸的竖格槽。
[0011]上述方案中，当每个扇形单元上开设的竖格槽为2条以上时，这些竖格槽相互之间平行，且竖格槽的长度由每个扇形单元的对称中心向两侧逐渐变短。
[0012]上述方案中，竖格槽的槽宽度小于0.01λ，其中λ为天线最高工作频率所对应自由空间波长。
[0013]上述方案中，每条微带线朝向辐射体的内侧弯折。
[0014]上述方案中，金属背腔上开设有贯通的开槽。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下特点:
[0016]1、采用竖格槽的扇形单元和微带线相结合而成的天线的辐射体，使得天线上的电流集中分布在天线扇形单元的直边和微带线上，天线辐射体等效为两个环天线的并联，从而使天线的输入阻抗在工作频带内趋于平缓，有利于拓展带宽、减小尺寸；
[0017]2、三面背腔的加入可以有效屏蔽后向辐射和外界干扰，增强天线定向辐射方向性的要求;金属背腔上的槽孔，在保证不会产生后向辐射的前提下，减小了天线重量；
[0018]3、天线整体无有耗加载，在保证天线辐射效率的同时达到小型化的目的，相对带宽到达31%以上；
[0019]4、本发明还可以应用到其他的领域，并不仅限于无人机目标探测领域。
【附图说明】
[0020]图1为一种小型化宽带天线的主视立体结构示意图；
[0021 ]图2为一种小型化宽带天线的辐射体示意图；
[0022]图3为一种小型化宽带天线的匹配器结构图；
[0023]图4为本发明实施例天线的VSWR测试曲线图。
[0024]图中标号1、辐射体；1-1、扇形单元；1-2、微带线;2、绝缘介质基板;3、金属背腔;4、匹配器;4-1、介质板;4-2、匹配电路;4-3、接地面。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0026]在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种小型化宽带天线，如图1所示，由辐射体1、绝缘介质基板2、金属背腔3和匹配器4组成。
[0027]辐射体I由金属材料制成，呈平面状印制于绝缘介质基板2的上表面。辐射体I的材料可以为金、银、锡等金属材料，但综合考虑性能与成本，该辐射体I采用铜材料制备。辐射体I由2个扇形单元1-1和2条微带线1-2构成。2个扇形单元1-1的顶点为该天线的馈电点，2个扇形单元1-1即左天线扇形单元和右天线扇形单元的顶点相对、并隔开一定距离形成供匹配器4穿过的馈电孔。2个扇形单元1-1是关于中心坐标轴的Y轴对称，并构成一对偶极子。左扇形单元和右扇形单元的顶点之间的距离选为1-10 mm之间。在本发明优选实施例中，该距离为4mm，以便于馈电。此外，考虑到应尽量降低天线对无人机气动性能影响，在扇形单元上设计渐变竖格槽，且槽宽度小于天线最高工作频率所对应自由空间波长的0.0I，在不影响天线性能的前提下减轻天线的重量。在本发明优选实施例中，槽宽为10mm。每条微带线1-2均由弯折部和直线部构成。弯折部呈弯曲状延伸，并位于微带线1-2的中部。直线部呈直线状延伸，并位于微带线1-2也即弯折部的两侧。弯折部可以为多段弯折线和/或直线形组成，此时该弯折部具有多个弯折点，而这些弯折点可以是直角弯折点、钝角弯折点和/或锐角弯折点。且每2条直线形相接所形成的弯折点均为锐角弯折点。在实际工程应用中，根据天线的工作频段不同，微带线1-2的弯折部的弯折形状、弯折次数和弯折长度均由天线的设计需求即天线的最低工作频段决定。此外，微带线1-2的弯折部可以朝向辐射体I的外侧弯折，但为了能够有效减小天线的尺寸，所述微带线1-2的弯折部最好朝向辐射体I的内侧弯折。在本发明优选实施例中，微带线1-2的弯折部经弯折4次与直线部连接，每条微带线1-2的两端分别接在2个扇形单元1-1的同侧底端点上。参见图2。
[0028]绝缘介质基板2由绝缘介质材料制成，并覆盖在金属背腔3上顶面开口处。绝缘介质板2和金属背腔3通过螺纹孔固定连接。在本发明优选实施例中，绝缘介质基板2所处平面与金属背腔3的下底面所处平面平行。绝缘介质板2—方面作为辐射体I的载体，另一方面也影响辐射体I的尺寸，即当绝缘介质板2厚度或介电常数发生变化时，绝缘介质板2表面的辐射体I的尺寸(包括微带线1-2的线宽和扇形单元1-1的尺寸等)需要进行微调。在本发明优选实施例中，绝缘介质板2的材料为环氧树脂玻璃纤维介质板，其介电常数约为4.4，厚度介于0.5mm至3mm之间。
[0029]金属背腔3为一个由左侧面、右侧面和下底面所构成的U形腔体。金属背腔3的2个侧壁为与天线的H面相互平行的平面，金属背腔3的下底面为平面或弧面。金属背腔3可以有效屏蔽后向辐射和外界干扰，并增强天线辐射方向性，同时作为绝缘介质板2的载体。金属背腔3仅保留中空矩形腔的下底面、左侧面和右侧面三面，其前侧面和后侧面则被省略，其原因在于金属背腔3的前侧壁和后侧壁是与天线的H面相互垂直的面，辐射体I的辐射会在金属背腔3的前侧面和后侧面上来回反射，影响辐射性能，故该两侧面被去掉。在本发明优选实施例中，金属背腔3是材料厚度约1.5_的铝合金弯折制成，制备非常简便，极大地节约了成本。在本发明优选实施例中，金属背腔3的高度H为天线工作中心频率对应自由空间波长的1/8左右。此外，考虑到应尽量降低金属背腔3对无人机气动性能影响，在其上进行开槽处理，槽宽为15mm，槽与槽之间的间距为7mm，对其强度的考虑，在其1/3和2/3处设计槽间距为19.5_。金属背腔3的下底面的中部留有供匹配器4固定的孔位。
[0030]为了保证天线的输入阻抗得到良好匹配，本发明是在天线和馈线之间插入一个匹配器4。该匹配器选用由集总参数电感、电容组成的网络拓扑结构来解决在工作频带范围内的阻抗匹配问题，通过仿真优化实现了良好的宽频带阻抗匹配，从而有效提高了天线辐射效率，提高了天线增益，天线满足国防使用要求。匹配器4由介质板4-1、匹配电路4-2和接地面4-3构成。其中匹配电路4-2印制在介质板4-1的上表面，接地面4-3印制在介质板4-1的下表面，上表面接地部分和接地面4-3通过过孔相连接。上述匹配电路4-2包括传输线变压器、第一电感、第二电感、第一电容和第三电感。同轴线通过SMA连接器接入匹配器4，即匹配器和SMA接头焊接在一起，其中SMA连接器的芯线与所述匹配器4的输入端连接，SMA的地与所述匹配器4的接地面4-3相连接。第三电感的一端形成匹配电路4-2的输入端。第三电感的另一端同时连接第一电容的一端和第二电感的一端。第一电容的另一端与接地面4-3连接。第二电感的另一端连接第一电感的一端和传输线变压器输入侧的一端。第一电感的另一端和传输线变压器输入侧的另一端同时与接地面4-3连接。传输线变压器输出侧的一端形成匹配电路4-2的输出端。传输线变压器输出侧的另一端与接地面4-3连接。匹配器4的匹配电路
4-2的输出端与辐射体I的I个扇形单元1-1相连，匹配器4的接地面4-3与辐射体I的另I个扇形单元1-1相连。在实际使用时，可以将上述匹配器4制成一个长条状的凸字形，该匹配器4固定于金属背腔3的下底面和绝缘介质板2的背面之间，该匹配器4的向上凸起部穿过左天线扇形单元和右天线扇形单元的顶点之间的馈电孔，使得凸起的一侧表面与左天线扇形单元的顶点相贴，使得凸起的另一侧表面与右天线扇形单元的顶点相贴，以此形成馈电。此夕卜，匹配电路4-2的边缘设置为接地，该接地通过通孔与背面接地面4-3相连接。参见图3。
[0031]本天线未进行任何有耗加载，增益较高，能满足系统对探测距离和精度的要求。图4为本发明实施例天线的VSWR测试曲线图。如图4所示，在频带范围内，VSWR均小于2，天线的相对带宽达到31 %。
[0032]综上所述，本发明一种小型化宽带天线具有宽带、高增益、、重量轻、良好的定向辐射、馈电方式简单、端口阻抗匹配良好等特点，能满足无人机目标探测要求，同时也满足便携式设计要求。
[0033]上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和特点进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种小型化宽带天线，其特征在于:包括辐射体(I)、绝缘介质基板(2)和金属背腔(3)； 金属背腔(3)为I个下底面和2个左右相对的侧壁所构成的U形腔； 绝缘介质基板(2)覆盖在金属背腔(3)的上顶面开口处； 辐射体(I)呈平面状印制于绝缘介质基板(2)的上表面;辐射体(I)由2个扇形单元(1-1)和2条微带线(1-2)组成;2个扇形单元(1-1)的顶点形成辐射体(I)的馈电点；2个扇形单元(1-1)对称分布在绝缘介质基板(2)的左右两侧，2个扇形单元(1-1)的馈电点相对，并隔开一定距离;每条微带线(1-2)均为弯曲状延伸的线形;微带线(1-2)的两端分别接在2个扇形单元(1-1)的同侧底端点上;2条微带线(1-2)对称分布在绝缘介质基板(2)的前后两侧。2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:还进一步包括有匹配器(4)，匹配器(4)的输入端与外部电源连接，匹配器(4)的输出端与辐射体(I)的馈电点连接。3.根据权利要求2所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:匹配器(4)由介质板(4-1)、以及设置在介质板(4-1)上的匹配电路(4-2)和接地面(4-3)所构成;上述匹配电路4-2包括传输线变压器、第一电感、第二电感、第一电容和第三电感;外部电源的地线与接地面(4-3)连接，外部电源的馈线与第三电感的一端连接;第三电感的另一端同时连接第一电容的一端和第二电感的一端;第一电容的另一端与接地面(4-3)连接;第二电感的另一端连接第一电感的一端和传输线变压器输入侧的一端;第一电感的另一端和传输线变压器输入侧的另一端同时与接地面(4-3)连接;传输线变压器输出侧的一端与接地面(4-3)和辐射体(I)的其中一个扇形单元(1-1)的馈电点相连，传输线变压器的输出侧的另一端与辐射体(I)的另一个扇形单元(1-1)的馈电点相连。4.根据权利要求2或3所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:匹配器(4)设置在金属背腔(3)的下底面和绝缘介质板(2)的背面之间。5.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:每个扇形单元(1-1)上开设有至少一条沿绝缘介质基板(2)的左右方向延伸的竖格槽。6.根据权利要求5所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:当每个扇形单元(1-1)上开设的竖格槽为2条以上时，这些竖格槽相互之间平行，且竖格槽的长度由每个扇形单元(1-1)的对称中心向两侧逐渐变短。7.根据权利要求5或6所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:竖格槽的槽宽度小于0.01λ，其中λ为天线最高工作频率所对应自由空间波长。8.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:每条微带线(1-2)朝向辐射体(I)的内侧弯折。9.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线，其特征在于:金属背腔(3)上开设有贯通的开槽。
【文档编号】H01Q1/36GK105958189SQ201610377083
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】曹卫平, 曹颖楠, 李思敏, 王定雄
【申请人】桂林电子科技大学