專利名稱：一種寬頻帶小型化增益可控定向天線的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于寬頻帶天線技術領域，尤其涉及一種寬頻帶小型化增益可控定向天線。
背景技術：
無線通信技術的發(fā)展給人類的生活帶來了便捷性，提高了人們信息和數據交互的效率。隨著各種體制和功能的無線通信設備的發(fā)展，信息交互的私密性、安全性和可靠性逐漸受到人們的重視，比如通過無線通信技術來實現中、短距離的數據傳輸功能，因此適合于不同距離下，尤其是近距離下通信的定向天線是滿足此類應用的關鍵。目前應用于無線通信的各類定向天線大都應遠距離通信的要求而設計，天線的增益都較高，通常都在5dB以上，不具有限制通信距離的功能。而天線的增益和波束寬度是一對矛盾，天線增益的降低會帶來波束寬度的增加，甚至成為全向天線，這使得通信的私密性很難保證。微帶天線是目前無線通信系統(tǒng)中廣泛采用的一種定向天線形式，它的外形呈薄片狀，易于與其他設備進行連接和安裝，工藝先進，容易批量加工，適合工業(yè)化生產，但是微帶天線的增益通常較高，改變微帶天線的形狀或者將微帶天線制作在高介電常數的介質材料上可以降低天線增益，但會使微帶天線會變成全向天線或成本提高，并且當天線的材料和尺寸固定后，增益便不再 變化，無法滿足不同距離下通信的需求。1953年Georges A. Deschamps教授提出微帶天線理論的時候,并沒有引起天線界的重視。此后微帶天線的研究只零星進行著。最早的實用微帶天線由Howellt和Munson在1972年研制成功。到了上世紀80年代，隨著微波集成技術的發(fā)展及各種低損耗介質材料的出現，使微帶天線的制造得到保證，微帶天線才開始發(fā)展和應用。1981年IEEE天線與傳播協會會刊在I月號上刊載了微帶天線專輯。這標志著微帶天線已成為天線領域的一個專門分支。今天隨著空間技術和衛(wèi)星通信對低剖面天線的迫切需求，微帶天線的應用研究已日趨商業(yè)化。目前微帶天線技術的研究熱點是高增益、低副瓣；小型化、超寬帶；多極化、多頻段。與通常的微波天線相比，微帶天線的主要優(yōu)點是體積小、重量輕、剖面低的平面結構，可以做成共形天線；制造成本低，易于大量生產；可以做得很薄，因此，不擾動裝載飛行器的空氣動力學性能；無需作大的變動，天線就能很容易地裝在導彈、火箭和衛(wèi)星上；稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)；比較容易制成雙頻段工作的天線；不需要背腔；微帶天線適合于組合式設計(如振蕩器、放大器、可變衰減器、開關、調制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上)；饋線和匹配網絡可以和天線結構同時制作。現有微帶天線不適合中、短距離保密通信，主要因為I)天線尺寸大，無法滿足設備小型化、集成化的需求，不滿足現今對電子設備外形美化的要求；[0009]2)天線增益高，電磁波輻射距離遠，較多的能量和信息泄漏到非通信區(qū)，使得不相關設備收到電磁波，不利于通信的保密性和抗干擾，還會對環(huán)境造成一定的電磁污染；3)天線結構復雜，成本高，不利于工業(yè)生產，本實用新型采用傳統(tǒng)介質材料，微帶電路加工工藝，適宜大批量生產加工利于發(fā)明產品的普及和產業(yè)化。
發(fā)明內容本實用新型的技術解決方案在于提供一種寬頻帶小型化增益可控定向天線，旨在解決現有微帶天線尺寸大，無法滿足設備小型化、集成化的需求，不滿足現今對電子設備外形美化的要求；天線增益高，電磁波輻射距離遠，較多的能量和信息泄漏到非通信區(qū)，使得不相關設備收到電磁波，不利于通信的保密性和抗干擾，還會對環(huán)境造成一定的電磁污染；天線結構復雜，成本高，不利于工業(yè)生產，本實用新型采用傳統(tǒng)介質材料，微帶電路加工工藝，適宜大批量生產加工，有利于產品的普及和產業(yè)化的問題。為了實現上述目的，本實用新型的采用的技術方案是一種寬頻帶小型化增益可控定向天線，所述天線主要結構為天線分為三層結構，從上至下依次為信號輻射層、介質層、信號反射層；信號輻射層從內到外依次分布有金屬環(huán)、輻射環(huán)、圍邊，金屬環(huán)位于信號輻射層的中心；在圍邊和輻射環(huán)之間設有擾動元件；同軸饋電線的芯線在饋電點處穿過介質板，與輻射環(huán)相連；輻射環(huán)的外側設有過孔，集總元件置于過孔內。進一步，所述擾動 元件為開槽或離角，位于所述輻射環(huán)的一對角上。進一步，在所述饋電點位置設有一個通過改變長度微調天線的電壓駐波比的調節(jié)枝節(jié)。進一步，所述輻射環(huán)的外側到金屬底板之間的介質上均勻的打有四個過孔，分別安裝有四個集總元件。進一步，所述金屬底板與介質板尺寸相同。進一步，所述介質板為方形或圓形結構，材料為FR4 ;離角是等腰三角形；集總元件為四個貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。本實用新型的另一目的在于提供一種寬頻帶小型化增益可控定向方形微帶天線，其特征在于，該天線的結構為材料為FR4、介電常數4. 6的介質板為方形結構,邊長為32mm,厚度為3mm ；福射環(huán)采用方形結構，內外邊長為15mm 25mm,在福射環(huán)的一對角切去的條帶寬度約為2臟，離角是等腰三角形，高為2 5mm ;同軸饋電線在距介質板中心9 Ilmm處，并且位于輻射環(huán)一邊的中心，同軸饋電線的芯線穿過介質板焊接到輻射環(huán)上，同軸饋電線的外導體在介質板下表面焊接到金屬底板上；調節(jié)枝節(jié)從同軸饋電線位置向輻射環(huán)內部伸出，調節(jié)枝節(jié)的長寬分別是3mm和2mm ；金屬環(huán)的圓心位于介質板的中心，金屬環(huán)的內外半徑為1. 5mm 4. 5mm，金屬圍邊的寬度是I 3mm ；過孔為長方形孔，長寬分別是1. 5mm和O. 5mm ；[0026]集總元件為四個阻值為100歐姆的貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。本實用新型的另一目的在于提供一種寬頻帶小型化增益可控定向圓形微帶天線，其特征在于，該天線的結構為材料為FR4、介電常數4. 6的介質板為圓形結構,半徑為16mm,厚度為3mm ；輻射環(huán)為圓環(huán)結構，內外半徑為7mm 13mm，在輻射環(huán)上與垂直方向夾角45度為兩個長方形切槽，切槽的長寬分別為3mm和2mm ；同軸饋電線在距介質板圓心IOmm處左右，同軸饋電線的芯線穿過介質板焊接到輻射環(huán)上，同軸饋電線的外導體在介質板下表面焊接到金屬底板上；調節(jié)枝節(jié)從同軸饋電線位置向輻射圓環(huán)內部伸出，調節(jié)枝節(jié)的長寬分別是3mm和2mm ；·金屬環(huán)的圓心位于介質板的圓心，金屬環(huán)的內外半徑取1. 5mm 4. 5mm,金屬圍邊的寬度是I 3mm ；過孔為長方形孔,長寬分別是1. 5mm和O. 5mm ；集總元件為四個阻值為100歐姆的貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。本實用新型的優(yōu)點和積極效果I)本實用新型提供的天線在形成定向波束的同時具有較低增益的特點，適合于中、短距離保密通信的要求，主要因為在天線設計中在輻射單元上對稱加載了集總元件，采取該方法設計的天線增益可控，可根據需要的通信距離確定集總元件值，使天線輻射的電磁波限定在一定距離內，可解決近距離通信中的保密性和抗干擾性問題。2)本實用新型提供的天線與典型的同頻率微帶天線相比，面積減小了 81%，有兩方面的意義，其一，不用采用特殊材料大大減小了天線尺寸，降低了生產成本，其二，小尺寸天線有利于與設備的集成和安裝，不會顯著增加設備體積，有利于環(huán)境美化。3)本實用新型提供的天線在與便攜設備通信時，對便攜設備的姿態(tài)無要求，主要因為采用開槽或者切角使天線工作在圓極化狀態(tài)，人們在使用便攜設備與標簽通信時，如限定通信時的姿態(tài)，將大大降低設備的易用性和友好性，采用本實用新型天線將解決該問題。4)本實用新型提供的天線具有較寬的工作頻帶，主要因為在天線設計中加載了集總元件，隨著電子設備的發(fā)展，在有限的空間內無線電設備越來越多，如采用本天線，其一，可以使天線與設備配套的適用性更強，一付天線即可滿足大部分頻段的需求，其二，可以多個設備共用一付天線，消除天線間的相互干擾，節(jié)省空間。

圖1為本實用新型實施例提供的天線的整體結構圖。圖2為本實用新型實施例提供的天線的上表面俯視圖。圖3為本實用新型實施例提供的天線圓形結構的上表面俯視圖。圖4為本實用新型實施例提供的天線的增益方向圖。圖5為本實用新型實施例提供的天線的電壓駐波比。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。本實用新型實施例提供的天線首先按照微帶天線的設計方法來設計天線，采用微帶電路印刷板制造工藝實現天線制作，天線的輻射單元采用環(huán)形輻射單元來減小天線輻射體的尺寸，實現天線的小型化，在環(huán)形輻射單元上對稱的位置開槽或切角形成圓極化工作，傳統(tǒng)技術中采用在輻射單元上加載非對稱結構的短路釘或集總元件可對線極化天線減小尺寸或增加帶寬，本實用新型在輻射單元上對稱的位置加載集總元件，根據通信距離需求優(yōu)化出合適的元件值，可使圓極化微帶天線的增益可控，并具有寬頻帶特性，滿足在不同距離下保密通信的要求。上述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，在輻射單元的內側和外側還附加了金屬環(huán)結構，可以限制微帶天線方向圖的波束寬度，保證在有限的范圍內進行通信。利用上述設計方法，本實用新型可采用微帶電路印制板工藝加工，按照設計圖紙，通過激光刻蝕，得到天線母板，再將優(yōu)化得出的集總元件焊接在相應加載位置，再將同軸饋電線的芯線穿過介質板與福射環(huán)焊接，同時，同軸饋電線外皮與底板焊接。圖1、2、3示出了本實用新型實施例提供的寬頻帶小型化增益可控定向天線的結構。為了便于說明，僅僅示出了與本實用新型相關的部分。天線分為三層結構，從上至下依次為信號輻射層、介質層、信號反射層；信號輻射層從內到外依次分布有金屬環(huán)5、福射環(huán)1、金屬圍邊4,金屬環(huán)5位于信號福射層的中心；在圍邊4和輻射環(huán)I之間設有擾動元件；同軸饋電線10的芯線在饋電點處穿過介質板6與輻射環(huán)I相連；輻射環(huán)I的外側設有過孔7，集總元件8置于過孔7內。該天線的上表面通過激光刻蝕技術得到輻射環(huán)1，離角2(在圓形天線里面叫開槽，如圖3所示),調節(jié)枝節(jié)3,金屬圍邊4,金屬環(huán)5。金屬環(huán)5位于介質板6上表面的中心,福射環(huán)I在金屬環(huán)5的外圍，離角2位于輻射環(huán)I的一對角上，輻射環(huán)I的四邊外側的介質板6上設有四個過孔7，集總元件8置于過孔7內，金屬圍邊4在輻射環(huán)I的外圍。介質板6可選用常規(guī)的或特殊的介電常數材料，介質板6的上下表面敷有金屬層，同軸饋電線10的外導體與金屬底板9相連。在本實用新型實施例中，介質板6的上表面一次激光刻蝕出輻射環(huán)1、離角2 (開槽)、調節(jié)枝節(jié)3、金屬圍邊4和金屬環(huán)5。在本實用新型實施例中，輻射環(huán)I位于上表面的主要部分，它是從輻射片演變而來的，在輻射片的內部挖出一個同心的孔，改變輻射環(huán)1內外尺寸可以改變工作頻率以及天線的輸入阻抗。在本實用新型實施例中，離角2是在輻射方環(huán)的一組對角切去一條帶后形成，調節(jié)條帶的寬度以及離角2的尺寸可以使天線工作在圓極化狀態(tài)，離角2與輻射方環(huán)存在一定的耦合，有利于改善圓極化指標，開槽是在輻射圓環(huán)的一組正對的位置切出的長方形槽，調節(jié)長方形槽的長寬可以調節(jié)天線的圓極化性能。在本實用新型實施例中，同軸饋電線10的芯線在饋電點處穿過介質板6，與輻射環(huán)I相連，同軸饋電線的外導體與金屬底板相連，在饋電點位置有一調節(jié)枝節(jié)3，改變其長度可以微調天線的電壓駐波比。在本實用新型實施例中，輻射環(huán)I的外側到金屬底板之間的介質上均勻的打有四個過孔7，分別安裝有四個集總元件，選擇合適的元件值可以控制天線的增益，還有利于改善天線的工作帶寬。在本實用新型實施例中，在上表面輻射環(huán)I的外側設計有一個金屬圍邊4，上表面中心有一個金屬環(huán)5，它們可以限制天線方向圖的波束寬度。在本實用新型實施例中，金屬底板使微帶天線具有定向輻射特性，為控制天線尺寸，可使金屬底板與介質板6尺寸相同。
以下結合附圖和具體實施例，對本實用新型進行詳細說明。實施例1方形結構微帶天線如圖1、2所示,介質板為方形結構,邊長為32mm,厚度為3mm,介質板的材料為FR4,介電常數4. 6。福射環(huán)采用方形結構，內外邊長為15mm 25mm,在福射環(huán)的一對角切去的條帶寬度約為2臟，離角是等腰三角形，高為2 5mm。同軸饋電線在距介質板中心IOmm處左右，并且位于輻射環(huán)一邊的中心，同軸饋電線的芯線穿過介質板焊接到輻射環(huán)上，同軸饋電線的外導體在介質板下表面焊接到金屬底板上。調節(jié)枝節(jié)從同軸 饋電線位置向輻射環(huán)內部伸出，調節(jié)枝節(jié)的長寬分別是3mm和2mm ο金屬環(huán)的圓心位于介質板的中心，金屬環(huán)的內外半徑可取1. 5mm到4. 5mm,金屬圍邊的寬度是I 3mm。過孔為長方形孔,長寬分別是1. 5mm和O. 5mm。集總元件為四個阻值為100歐姆的貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。本實用新型天線的方形結構的性能如圖1、2所示，天線增益小于_13dB，在2GHz到3GHz的范圍內，40%以上的寬頻帶內電壓駐波比小于2。實施例2圓形結構微帶天線參照圖3,介質板為圓形結構,半徑為16mm,厚度為3mm,介質板的材料為FR4,介電
常數4.6。輻射環(huán)為圓環(huán)結構，內外半徑為7mm 13mm，在輻射環(huán)上與垂直方向夾角45度為兩個長方形切槽，切槽的長寬分別為3_和2mm。同軸饋電線在距介質板圓心IOmm處左右，同軸饋電線的芯線穿過介質板焊接到輻射環(huán)上，同軸饋電線的外導體在介質板下表面焊接到金屬底板上。調節(jié)枝節(jié)從同軸饋電線位置向輻射圓環(huán)內部伸出，調節(jié)枝節(jié)的長寬分別是3mm和2mm ο金屬環(huán)的圓心位于介質板的圓心，金屬環(huán)的內外半徑為1. 5mm 4. 5mm,金屬圍邊的寬度是I 3mm。過孔為長方形孔,長寬分別是1. 5mm和O. 5mm。[0076]集總元件為四個阻值為100歐姆的貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。天線處于發(fā)射狀態(tài)時,高頻電流通過同軸饋電線流入福射環(huán),在合適的尺寸下,在輻射環(huán)上激勵起同頻率的主模表面電流，在切角或者開槽的作用下，主模分離成兩個正交的模式TMki和TMtll，這兩個模式相位差90度，可以形成圓極化表面電流，進而向空間輻射，同時，在集總元件的作用下，一部分電流重新流回底板并被吸收，不再向外輻射，從而降低天線增益，金屬圍邊對電磁波有反射的作用，可以限制波束寬度，金屬環(huán)有引導電磁波的作用，也會控制電磁波的發(fā)散。圖4是本實用新型天線的典型增益方向圖，從圖上可以看出天線的輻射能量主要集中在上半空間，形成了定向波束，并且增益的最大值小于-13dB，比典型微帶天線增益小18dB，這說明本發(fā)明天線在限定的范圍內具有較低增益特性。圖5是本實用新型天線的電壓駐波比，圖中曲線為對樣件進行測量得到，測量頻段為從2GHz到3GHz的范圍，從圖上可以看出在40%以上的寬頻帶內電壓駐波比小于2，這可以充分滿足各無線通信頻段對工作帶寬的需求。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。`
權利要求1.一種寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述天線主要結構為 天線分為三層結構，從上至下依次為信號輻射層、介質層、信號反射層；信號輻射層從內到外依次分布有金屬環(huán)、福射環(huán)、圍邊，金屬環(huán)位于信號福射層的中心；在圍邊和福射環(huán)之間設有擾動元件；同軸饋電線的芯線在饋電點處穿過介質板，與輻射環(huán)相連；輻射環(huán)的外側設有過孔，集總元件置于過孔內。
2.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述擾動元件為開槽，位于所述輻射環(huán)的一對角上。
3.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述擾動元件為離角，位于所述輻射環(huán)的一對角上。
4.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，在所述饋電點位置設有一個通過改變長度微調天線的電壓駐波比的調節(jié)枝節(jié)。
5.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述輻射環(huán)的外側到金屬底板之間的介質上均勻的打有四個過孔，分別安裝有四個集總元件。
6.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述金屬底板與介質板尺寸相同。
7.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述介質板為方形；離角是等腰三角形；集總元件為四個貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。
8.如權利要求1所述的寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述介質板為圓形結構；離角是等腰三角形；集總元件為四個貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。
9.根據權利要求1所述的一種寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述的介質板為方形結構，邊長為32mm,厚度為3mm,其材料為FR4、介電常數4. 6 ； 福射環(huán)采用方形結構，內外邊長可選擇15mm 25mm,在福射環(huán)的一對角切去的條帶寬度約為2臟，離角是等腰三角形，高為2 5mm ; 同軸饋電線在距介質板中心IOmm處左右，并且位于福射環(huán)一邊的中心，同軸饋電線的芯線穿過介質板焊接到輻射環(huán)上，同軸饋電線的外導體在介質板下表面焊接到金屬底板上； 調節(jié)枝節(jié)從同軸饋電線位置向福射環(huán)內部伸出，調節(jié)枝節(jié)的長寬分別是3mm和2mm ； 金屬環(huán)的圓心位于介質板的中心，金屬環(huán)的內外半徑可取1. 5mm 4. 5mm,金屬圍邊的寬度是I 3mm ； 過孔為長方形孔，長寬分別是1. 5mm和O. 5mm ； 集總元件為四個阻值為100歐姆的貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。
10.根據權利要求1所述的一種寬頻帶小型化增益可控定向天線，其特征在于，所述的介質板為圓形結構，半徑為16mm,厚度為3mm,其材料為FR4、介電常數4. 6 ； 福射環(huán)為圓環(huán)結構，內外半徑為7mm 13mm,在福射環(huán)上與垂直方向夾角45度為兩個長方形切槽，切槽的長寬分別為3mm和2mm ； 同軸饋電線在距介質板圓心10_處左右，同軸饋電線的芯線穿過介質板焊接到福射環(huán)上，同軸饋電線的外導體在介質板下表面焊接到金屬底板上； 調節(jié)枝節(jié)從同軸饋電線位置向輻射圓環(huán)內部伸出，調節(jié)枝節(jié)的長寬分別是3mm和2mm;金屬環(huán)的圓心位于介質板的圓心，金屬環(huán)的內外半徑取1. 5mm 4. 5mm,金屬圍邊的寬度是I 3_ ； 過孔為長方形孔，長寬分別是1. 5mm和O. 5mm ； 集總元件為四個阻值為100歐姆的貼片電阻，安裝在過孔內，貼片電阻的兩個焊點分別與輻射環(huán)和金屬底板焊接。
專利摘要一種寬頻帶小型化增益可控定向天線，分三層結構，從上至下依次為輻射層、介質層、反射層；輻射層從內到外依次分布有金屬環(huán)、輻射環(huán)、圍邊，金屬環(huán)位于輻射層的中心；在圍邊和輻射環(huán)之間設有擾動元件；同軸饋電線的芯線在饋電點處穿過介質板，與輻射環(huán)相連；輻射環(huán)的外側設有過孔，集總元件置于過孔內。輻射單元采用環(huán)形來減小天線輻射體的尺寸，實現天線的小型化；在輻射單元對稱的位置開槽或切角形成圓極化工作，在輻射單元對稱的位置加載集總元件，根據通信距離需求優(yōu)化出合適的元件值，可使天線的增益可控，并具有寬頻帶特性，滿足不同距離下保密通信的要求。該天線滿足設備小型化、集成化的需求，結構簡單，成本低，利于產品的普及和產業(yè)化。
文檔編號H01Q1/38GK202905942SQ20122047575
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權日2012年9月18日
發(fā)明者陳曦, 李博濤, 梁紹博, 閔海 申請人:陜西海創(chuàng)中盈信息技術有限公司