一种电阻加载的Klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线的制作方法

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种电阻加载的klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线，主要应用方向为超宽带通信系统。

背景技术：

近年来，通信系统越发要求高质量的传输语音、文字、图像和多媒体信息，因此可利用的频谱资源日趋紧张，原有的射频频谱变得非常拥挤，急需一种新技术为无线通信开辟一片新天地，超宽带技术具有解决这一问题的潜力。

作为超宽带系统的一部分，超宽带天线在系统中所担当的角色有其特殊性，其性能在很大程度上制约着整个系统的性能。传统的超宽带天线，如对数周期天线、阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线等，馈电网络设计复杂，相位中心不固定，传输时域短脉冲信号时有较严重的失真。近年来提出的超宽带天线主要以双锥天线的各种演变形式为主，这包括蝶形天线、泪滴天线、渐变槽缝天线等及其变形形式，其中由w.stohr所提出的圆片单极天线除了具有很宽的阻抗带宽之外，还具有稳定的相位中心。这种圆片单级天线虽然能够在很宽的阻抗带宽上能提供令人满意的辐射性能，但是它也存在以下技术问题，因而限制了其在某些特殊场合的应用。

1)圆片单极天线虽然阻抗带宽较宽，但在带宽范围内反射损耗起伏较大，各个频点一致性较差，一定程度上会影响整个超宽带系统的稳定性；

2)圆片单极天线及其变形形式阻抗带宽的高频端在20ghz以上，但是其低频端基本在美国联邦通信委员会(fcc，federalcommunicationscommission)规定民用超宽带通信频段的低频频点3.1ghz，如果天线工作低端频率想进一步扩展至fcc规定的ism(industrial，scientificandmedical工业，科学和医用)频段(433mhz、868mhz、915mhz及2.4ghz)，按照天线设计中存在的相似原理，亦称缩比原理(若天线的所有尺寸和工作频率按相同比例反比变化，则天线特性保持不变)上述天线的尺寸就要按频率比例急剧增大，严重制约和限制天线的使用。

考虑到上述情况，有必要为超宽带的应用开发一种全频带一致性较好的、能够扩展低频特性的超宽带天线，提供比现有的超宽带天线设计更理想的电磁特性和结构特性。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：克服现有技术的不足和缺陷，提供一种电阻加载的klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线，使其解决常用圆片单极天线及其变形形式全频带反射损耗一致性差、阻抗带宽的低频端过高不能覆盖ism频段等问题，实现天线结构可靠，具有全频带一致性好、低频扩展性好等效果。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电阻加载的klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线，其包括：天线辐射本体1、天线地板2、第一并联电阻、第二并联电阻和同轴馈电连接器5；天线辐射本体1中上部为半圆形轮廓1.a，下部为klopfenstein渐变线轮廓1.b，天线辐射本体1及天线地板2之间并联接入第一并联电阻3、第二并联电阻4，两个电阻的一端焊接在圆形轮廓与klopfenstein渐变线轮廓的交接点处，另一端垂直焊接在天线地板2上；同轴馈电连接器5穿过天线地板2与天线辐射本体1下部接触，同轴接头输出的能量从同轴馈电连接器5的馈电端馈入，进而激起天线辐射本体1的表面电流，从而产生辐射。

其中，所述天线辐射本体1一体化加工制作。

其中，所述天线辐射本体1材料为黄铜，厚度0.5mm。

其中，所述第一并联电阻3和第二并联电阻4均为50ω的色环电阻。

其中，所述天线地板2选用方形或圆形。

其中，所述天线地板2选取材料为铝。

其中，所述同轴馈电连接器5包括同轴外导体5.a、同轴介质5.b、同轴内芯5.c和同轴法兰5.d，天线地板2中间开设有与同轴馈电连接器5的同轴介质5.b外径一致的通孔，同轴馈电连接器5的同轴介质5.b插入通孔且同轴内芯5.c不与天线地板2短路；伸出通孔的圆柱形同轴内芯5.c中间开有缝隙，天线安装时，天线辐射本体1下部插入同轴内芯5.c缝隙中，在底端馈电处焊接，并用硅胶固定。

其中，所述同轴内芯5.c中间开有宽度0.6mm的缝隙。

其中，所述天线地板2上开有4个φ3.2mm的通孔，同轴馈电连接器5的同轴外导体5.a及同轴法兰5.d通过四个m3的标准不锈钢螺钉与圆形天线地板2相连接。

其中，所述同轴馈电连接器5采用sma型同轴连接器连接馈电，sma同轴馈电连接器选用西安艾力特电子实业有限公司的sma-kfd2连接器。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的电阻加载的klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线，具有以下有益效果：

1、本发明天线在辐射体下部采用klopfenstein渐变线轮廓，使得天线各个工作频点一致性较好，提高整个超宽带系统的性能稳定性；

2、本发明天线采用电阻加载，使得天线能够拓展低频带宽，同时满足ism频段等低频频段及3.1ghz～10.6ghz高频段民用超宽带需求；

3、本发明天线采用的同轴连接器内芯中间开有缝隙，使得天线片状辐射体可以插入，二者焊接后采用硅胶固定，结构稳定；

4、本发明天线地板形状可圆可方，尺寸形状可根据实际应用需求适当调整，整体天线结构及应用场合灵活。

附图说明

图1是本发明天线的正视图。

图2是本发明天线的俯视图。

图3是本发明天线与常用圆片单极天线反射损耗对比图。

图中：1.天线辐射本体1.a.辐射本体上部圆形边缘1.b.klopfenstein渐变线轮廓2.天线地板3.第一并联电阻4.第二并联电阻5.同轴馈电连接器5.a.同轴外导体5.b.同轴介质5.c.同轴内芯5.d.同轴法兰

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的基本思路为：提供一种电阻加载的klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线，天线在辐射体下部采用klopfenstein渐变线轮廓，信号的反射是由于阻抗的不连续性造成的，设计连续渐变klopfenstein渐变线轮廓更好的实现了阻抗转换，得到较小的信号反射，因此天线各个工作频点一致性较好，提高了整个超宽带系统的性能稳定性；圆片单极天线阻抗带宽的高频端在20ghz以上，但是其低频端基本在美国联邦通信委员会fcc规定民用超宽带通信频段的低频频点3.1ghz，如果天线工作低端频率想进一步扩展至fcc规定的ism等低频频段，天线的尺寸就要按频率比例急剧增大，在天线辐射体及天线地板之间并联接入两个50ω的色环电阻，可以从频率低端拓展带宽，满足ism等频段的实际应用需求。

参见图1、图2所示，本发明是一种电阻加载的klopfenstein渐变线轮廓超宽带天线，由天线辐射本体1、地板2、并联电阻3、4及插入天线结构中的同轴馈电连接器5共同构成。天线辐射本体1中上部为半圆形轮廓1.a，辐射本体1下部为klopfenstein渐变线轮廓1.b，天线辐射本体1一体化加工设计，加工为一个金属整体，选取材料为黄铜，厚度0.5mm；天线地板可根据实际需要选用方形或圆形，本实施例选取圆形地板，为减轻天线重量，选取材料为铝；圆形天线地板2中间有与同轴馈电连接器5的同轴介质5.b外径一致的通孔，使得同轴馈电连接器5的同轴介质5.b插入地板且同轴内芯5.c不与地板短路；天线辐射本体1及天线地板2之间并联接入两个50ω的色环电阻，两个电阻的一端焊接在圆形轮廓与klopfenstein渐变线轮廓的交接点处，另一端垂直焊接在天线地板2上；同轴馈电连接器5采用sma型同轴连接器连接馈电，sma同轴馈电连接器为市售产品，连接器选用西安艾力特电子实业有限公司的sma-kfd2，它本身由同轴外导体5.a、同轴介质5.b、同轴内芯5.c及同轴法兰5.d组成，其特殊之处在于伸出的圆柱形内芯5.c中间开了宽度0.6mm的缝隙；天线安装时，天线辐射本体1下部插入同轴内芯5.c缝隙结构中，在底端馈电处焊接，之后用硅胶固定，以增强其机械强度；圆形天线地板2开有4个φ3.2mm的通孔，sma同轴馈电连接器5的同轴外导体5.a及同轴法兰5.d通过四个m3的标准不锈钢螺钉与圆形天线地板2相连接，同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起天线辐射体表面电流，从而产生辐射。

在本发明中，金属天线辐射本体1是起辐射作用的最主要部件，用于向空间辐射电磁波，当发射信号时，sma同轴馈电连接器5通过连接的同轴电缆输入外接发射机的发射信号，同轴接头输出的能量激起金属天线辐射本体1上的表面电流，从而产生辐射；由于金属天线辐射本体1下部采用klopfenstein渐变线轮廓1.b，更好的实现了阻抗转换，天线各个工作频点一致性较好，提高了整个超宽带系统的性能稳定性；由于天线在天线辐射本体1及天线天线地板2之间并联接入两个50ω的色环电阻，使得天线能够拓展低频带宽，同时满足ism频段(433mhz、868mhz、915mhz及2.4ghz)等低频频段及3.1ghz～10.6ghz高频段民用超宽带需求；由于本发明天线采用内芯中间开缝隙的sma同轴连接器5，焊接天线辐射体1后采用硅胶固定，结构稳定；此外，本天线地板2形状可圆可方且尺寸可根据实际应用需求适当调整，整体天线结构及应用场合灵活。

图3是本发明天线与常用圆片单极天线反射损耗对比图。反射损耗是天线的一个重要性能参数，它反映了被测天线的阻抗特性，也决定了天线的阻抗带宽。参见图3所示，常用圆片单极天线在3～30ghz的超宽频率范围内，天线的反射损耗小于-10db，且反射损耗在频带内起伏较大，本发明天线在0.3～30ghz的频率范围内，天线的反射损耗小于-10db，且在频带内较为稳定。本发明天线拓展了常用圆片单极天线低频特性，使得天线能够同时满足ism频段(433mhz、868mhz、915mhz及2.4ghz)等低频频段及3.1ghz～10.6ghz高频段民用超宽带需求，且在频带内反射损耗较为稳定，有效扩展了天线的带宽并提高了整个超宽带系统的稳定性。

上述技术方案中所涉及到的原理性的关键点包括以下几个方面：宽带天线的阻抗匹配

传输线的特性阻抗z0是沿传输线上传播的信号电压和电流的比值。天线的阻抗za是在天线终端处电压和电流的比值。因为电压和电流的相位不同，所以它们一般都是复数。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，即za＝z0。如果za不等于z0，就会有失配，一部分输入信号就会反射回信号源，反射系数γ定义为反射波电压与入射波输入电压之比或者反射波电流与入射波输入电流之比的相反数，如下式所示：

实用中更多的是采用电压驻波比来描述传输线上的工作状态。在均匀无耗传输线上，把电压的最大振幅值与电压的最小振幅值之比称为电压驻波比，记作ρ，即：

电压驻波比ρ与反射系数γ之间的关系为：

除了反射系数和电压驻波比，反射损耗|s11|也是用来判断阻抗匹配是否良好的常用指标，其与反射系数γ之间的关系为：

|s11|＝20lg|γ|(4)

天线输入阻抗与天线自身的形状、尺寸甚至使用环境等诸多因素有关。对于窄带天线，设计时可以不考虑天线的阻抗特性，只要在射频前端和天线之间设计良好的匹配网络，就可以提高阻抗带宽。然而要对超宽带天线也设计大频带范围内的匹配网络，是相当困难的。

天线阻抗的控制

为达到需要的天线阻抗，有两种主要的阻抗控制方法。第一个方法是阻抗加载技术；第二个方法是天线几何形状的控制，即设计具有良好阻抗特性的天线。从射频前端到属于天线部分的馈线和天线辐射元，再到自由空间(或天线周围的介质)，天线系统必须具有连续的阻抗变换的能力。这样的阻抗变换技术道理上是很简单的，但在实际设计过程中是很难的一个问题。

klopfenstein渐变是最优渐变线

用渐变线理论设计天线的实质是使天线的几何形状为与反馈点距离相关的函数，以此来满足期望的阻抗特性，实现馈电传输线与自由空间的良好匹配。目前，用这种方法设计的典型天线是指数或者对数形式的加脊喇叭天线以及指数渐变的vivaldi天线。这些天线虽然具有宽带特性，但是都各自存在一些缺点，比如天线尺寸过大等，因此要尝试用其它渐变线设计性能更加良好的天线。

klopfenstein渐变是从节数无限增加的阶跃式切比雪夫变换器推导出来的，下面给出对于klopfenstein渐变的主要结论。

klopfenstein渐变特性阻抗的自然对数为：

式中γ0——零频率时的反射系数，由下式给出：

另外，函数φ(x,a)定义为：

其中，j1(x)是修正贝塞尔函数。函数φ(x,a)具有特定值φ(0,a)＝0，以及在其它情况下，函数φ(x,a)必须用数值计算。

最后得出的反射系数为：

若βl<a，则式项变为式

在上面的讨论中，通带定义为βl≥a，所以在通带内最大波纹是

即在βl>a时，|γ(θ)|在±γ0/cosha之间振荡。

从理论上来说，一个阻抗匹配渐变线有无数可能的形式来实现，需要在这其中选出“最优”的设计，klopfenstein渐变就是这个最优的设计。对于给定的渐变线长度(大于某一临界值)，klopfenstein渐变所能给出的反射系数在整个通带内是最小的；反言之，如果在通带内限定了最大反射系数值，klopfenstein渐变所给出的匹配节最短。基于这种“klopfenstein渐变是最优渐变线”的思想，设计了klopfenstein渐变单极天线。

电阻加载天线

加载天线是一种宽频带天线，它通过在天线的适当位置接入电阻或电抗元件，其目的是改善天线中的电流分布，使之尽可能的接近行波状态，从而展宽工作频带。未加载的振子天线或其它tem传输线型的天线可以看成是终端开路的一段传输线，沿线电流呈驻波分布，其输入端的阻抗会随天线的电长度变化而剧烈改变，而加载的宽频带天线，只要加载位置适当，加载元件合适，并在相当宽的频率范围内保持天线沿线或部分线段中电流接近进行波状态，就可保证天线的输入阻抗随频率的变化不大，从而得到良好的宽频带特性。

由上述技术方案可以看出，本发明天线由于馈电端采用了klopfenstein渐变线结构，使得天线各个频点一致性较好，从而整个提高超宽带系统的性能稳定性；该天线左右边缘采用电阻加载，从频率低端拓展带宽，满足ism等频段的实际应用需求；该天线用于发射和接收垂直极化电磁波，其结构简单，天线辐射体及地板仅由金属黄铜和铝构成，辐射体与地板间并联接入两个电阻，整个天线加工制作容易且成本低；该天线匹配容易，可直接用50ω同轴线馈电；该天线结构稳定，采用内芯开缝隙的同轴连接器，焊接天线辐射体后采用硅胶固定，结构稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。