專利名稱：小型水平極化超高頻縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水平極化接收天線，特別是一種小型水平極化超高頻縫隙天線，屬于無線通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，以移動(dòng)通信為代表的無線通信發(fā)展迅速。隨著通信容量、質(zhì)量、內(nèi)容等要求的提高和集成電路技術(shù)的發(fā)展，多媒體數(shù)字通信方式越來越受到人們的重視，同時(shí)移動(dòng)接收因其極大地滿足用戶的需求而成為主要通信方式之一。因而對接收天線也提出了越來越高的要求。例如最近上海市數(shù)字電視已經(jīng)開播，而公交車、各類小轎車等將是主要用戶之一。我國電視發(fā)射大都采用水平極化方式，因此研究開發(fā)小型水平極化UHF(超高頻)接收天線成為當(dāng)務(wù)之急。同時(shí)這類天線也是采用水平極化的通信系統(tǒng)中車載設(shè)備的關(guān)鍵部分。
天線形式成千上萬，但小型水平極化UHF天線一直是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，主要矛盾在于要求在限定的幾何參數(shù)和物理?xiàng)l件下在UHF波段實(shí)現(xiàn)水平極化接收。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，1946年由Andrew Alford提出的哀福特縫隙(Alford Slot)天線具有水平極化收、發(fā)功能，其結(jié)構(gòu)是在一個(gè)圓形金屬空心管上沿軸向開一條縫隙。但有關(guān)這一天線的輻射機(jī)理還不清楚、設(shè)計(jì)方法還不成熟。為了滿足數(shù)字電視移動(dòng)接收的需要，最近歐、美的天線研究者進(jìn)行了哀福特縫隙天線的設(shè)計(jì)和測試，在httP∥www.qsl.ncl/kd2b/atv.html上報(bào)道了“Measured Performance Of The WB0QCD Alford-Slot Antenna”(WB0QCD哀福特縫隙天線的測量性能)，報(bào)道說″5.6dBd gain...flat VSWR and good gainbandwidth performance over the entire 420-440 MHz band...″(增益5.6dB，在整個(gè)420-440MHz頻帶內(nèi)具有平坦的駐波特性和良好的增益帶寬性能)。但是這一研究結(jié)果還很不成熟，增益、方向圖、輸入電壓駐波比等參數(shù)隨著頻率敏感變化。方向圖在俯仰面內(nèi)可能出現(xiàn)柵瓣并且最大值不在水平方向，天線增益測試結(jié)果極不穩(wěn)定，起伏可能大于4dB，最小駐波比僅為在420-440MHz頻帶內(nèi)2∶1。即使認(rèn)可其水平極化輻射特性而放寬對其他電性能參數(shù)的要求，大于2倍波長的結(jié)構(gòu)在UHF波段也很難在實(shí)際車載系統(tǒng)中使用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種小型水平極化超高頻縫隙天線，使其既滿足水平極化收發(fā)特性又具有緊湊的幾何結(jié)構(gòu)，能夠適合于車載等移動(dòng)場合應(yīng)用需要并具有高增益。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)小電尺寸水平極化接收，本發(fā)明采用端點(diǎn)饋電的四分之一縫隙波長的縫隙天線，并加折縫以提高天線的有效長度，而為了提高增益，在對稱位置開另一個(gè)相同縫隙，兩者之間用二分之一波長傳輸線連接饋電，在金屬空心管上開有兩條倒L形折縫，縫隙下端開口，開口兩端處平衡饋電。在電視頻段金屬空心管可以用銅管或鋁管，若在更高波段使用，可以使用具有更高導(dǎo)電率的金屬空心管材或進(jìn)行鍍銀等處理。
本發(fā)明天線金屬空心管底部開口，縫隙從底部起垂直(沿金屬空心管軸向)向上，經(jīng)一定距離后垂直(沿周向)曲折。縫隙曲折處上部沿45度角切角，切角的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)分別為兩條縫隙的中心軸線的曲折處端點(diǎn)。將金屬空心管展開后，兩個(gè)縫隙的相對位置為任何相同點(diǎn)之間(如底部開口處中心軸線之間)距離為二分之一周長，兩條縫隙曲折方向相同。
如果應(yīng)用中允許長度略大于四分之一縫隙波長，可以采用直縫縫隙形式；如果應(yīng)用場合對長度限制嚴(yán)格，可以采用折縫、門形縫縫隙形式，折縫、門形縫總長度為四分之一縫隙波長，總長度包括沿金屬空心管軸向的垂直部分長度、沿金屬空心管周向的曲折部分長度和縫隙曲折引起的等效長度，該等效長度等于縫隙寬度。折縫的目的在于在同樣幾何長度下提高天線有效長度。由于雙折縫天線的彎曲部分不得超過二分之一周長，在小尺寸限制了有效長度的提高的情況下，可以采用門形縫隙形式，即在沿周向彎曲一定距離后再向下彎曲。
為了提高天線增益，可以在圓周上對稱地開多條縫隙，如圓周上以180°為間隔對稱開兩條縫隙；或圓周上以90°為間隔對稱開四條縫隙。
本發(fā)明天線在縫隙下方饋電點(diǎn)平衡饋電，同軸電纜線饋電的情況下可以采用磁性線圈(balun)、二分之一波長U形管、四分之一波長扼流槽等平衡一不平衡轉(zhuǎn)換器；兩條縫隙的情況下兩槽之間用二分之一波長對稱傳輸線連接；兩條縫隙的情況下也可以用兩根二分之一波長75歐姆同軸電纜線，一頭直接連接在饋電點(diǎn)，另一頭芯線對芯線、外導(dǎo)體對外導(dǎo)體連接，然后分別與75歐姆饋電同軸電纜線的芯線和外導(dǎo)體連接；由于天線饋電點(diǎn)輸入阻抗還與金屬空心管材料、厚度等有關(guān)，并可能引入電抗分量，可以調(diào)節(jié)上述二分之一波長同軸電纜線的長度，抵消電抗分量，實(shí)現(xiàn)匹配；四條縫隙的情況下，可以首先用四分之一波長同軸電纜線從饋電點(diǎn)引出，并兩兩相接；然后再分別與二分之一波長同軸電纜線連接；最后兩條二分之一波長同軸電纜線再相接并與饋電同軸電纜線相接；同軸電纜線之間的各個(gè)連接處均為內(nèi)外導(dǎo)體分別對應(yīng)連接；為了克服材料、管壁厚度等引起的阻抗的變化和抵消電抗分量，可以改變二分之一波長同軸電纜線的長度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻抗匹配的目的。
本發(fā)明利用哀福特縫隙天線原理克服了其幾何尺寸過大無法在實(shí)際移動(dòng)數(shù)字電視接收中使用的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，縫隙波長大于實(shí)際波長，約為1.5倍。因此在1.5倍波長的范圍內(nèi)，縫隙上的等效磁流將是同相分布的，可以用單個(gè)天線實(shí)現(xiàn)大于普通振子天線的增益。換言之，如果進(jìn)行終端加載，就可以在比普通加載振子天線更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更均勻的等效磁流分布，在相同長度下提高了天線增益，而沿縫隙的磁流對應(yīng)于水平方向的電場分布，使得天線具有水平極化的性能。
鑒于以上原理，本發(fā)明采用終端加載縫隙，為了減小尺寸，采用四分之一波長縫隙，由于移動(dòng)數(shù)字電視接收等實(shí)際使用中天線安裝在汽車上，由鏡象原理，將能夠達(dá)到近似二分之一波長天線的效果。為了進(jìn)一步減小尺寸，進(jìn)行終端加載，以提高縱向長度內(nèi)的有效長度。加載的方式有很多種，如終端彎曲。由于彎曲是沿著金屬空心管的周向的，將不會(huì)增加天線的幾何尺寸。同時(shí)為了提高增益并克服折縫引起的結(jié)構(gòu)不對稱導(dǎo)致的方向圖不均勻性，采用多縫隙方式，如在對稱位置開兩條相同的縫隙，兩者之間用二分之一波長傳輸線連接，由于天線空間旋轉(zhuǎn)角度與相位延遲等價(jià)(如螺旋天線等)，上述兩條縫隙就可以實(shí)現(xiàn)空間輻射同相迭加。
由于雙折縫天線的彎曲部分不得超過二分之一周長，在小尺寸情況下限制了有效長度的提高，可以采用雙門形縫隙形式，將進(jìn)一步提高縫隙上等效磁流分布的均勻性，并且在兩條縫隙之間增加了隔離，減少了互耦影響。上述諸因素將提高天線的增益的同時(shí)增加E面方向圖的均勻性。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了大于相同尺寸普通振子天線的增益，雙折縫天線以接近四分之一縫隙波長的縫隙達(dá)到與普通半波振子天線相同的增益，而雙門形縫隙更是以略長于四分之一縫隙波長的縫隙長度實(shí)現(xiàn)了大于普通半波振子天線1dB以上的增益；實(shí)現(xiàn)了水平極化接收，克服了傳統(tǒng)哀福特縫隙天線幾何參數(shù)、電特性對頻率敏感變化的缺點(diǎn)(如在UHF波段的13MHz的頻率范圍內(nèi)，0.75波長的縫隙長度，增益從大于普通振子天線1.5dB減少到小于普通振子天線)，減少了縫隙長度對頻率、方向圖等的敏感性，更便于設(shè)計(jì)、調(diào)試；方向圖特性在全向性方面差于理想情況下的哀福特縫隙天線，但比后者更穩(wěn)定，而且除了兩個(gè)凹陷區(qū)域，其他區(qū)域波動(dòng)很小，由于城市中多徑效應(yīng)復(fù)雜，來波信號方向?qū)⒉皇俏ㄒ坏?，這一方向圖將足以滿足城市移動(dòng)數(shù)字電視的接收要求。


圖1本發(fā)明雙折縫天線結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明雙折縫天線軸向展開示意3本發(fā)明雙門形縫隙天線結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明雙門形縫隙天線軸向展開示意圖具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明采用端點(diǎn)饋電的四分之一波長的縫隙天線，縫隙開在金屬空心管3上，加折縫、下端開口處平衡饋電的縫隙1，在金屬空心管3對稱位置開另一個(gè)相同縫隙2，兩者之間用二分之一波長傳輸線連接饋電，縫隙1和縫隙2為倒L形并下端開口，縫隙1和縫隙2開口兩端處平衡饋電。
金屬空心管3底部開口，縫隙1和2從底部起沿金屬空心管軸向垂直向上，經(jīng)一定距離后沿周向垂直曲折，縫隙1和2曲折處上部沿45度角切角，切角的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)分別為兩條縫隙的中心軸線的曲折處端點(diǎn)，金屬空心管3展開后，兩個(gè)縫隙的相對位置為任何相同點(diǎn)之間的距離為二分之一周長，兩條縫隙1和2曲折方向相同。
本發(fā)明天線采用直縫或采用折縫、門形縫縫隙形式，折縫、門形縫總長度為四分之一縫隙波長，總長度包括沿金屬空心管3軸向的垂直部分長度、沿金屬空心管3周向的曲折部分長度和縫隙曲折引起的等效長度，該等效長度等于縫隙寬度；雙折縫天線的彎曲部分小于二分之一周長，在小尺寸限制了有效長度提高的情況下，采用雙門形縫隙形式，即在沿周向彎曲后再向下彎曲。
提高天線增益通過在圓周上對稱地開多條縫隙，如圓周上以180°為間隔對稱開兩條縫隙；或圓周上以90°為間隔對稱開四條縫隙。
本發(fā)明在縫隙1和2下方饋電點(diǎn)4平衡饋電，同軸電纜線饋電的情況下采用磁性線圈、二分之一波長U形管、四分之一波長扼流槽等平衡一不平衡轉(zhuǎn)換器；兩條縫隙的情況下，兩縫隙之間用二分之一波長對稱傳輸線連接，或用兩根二分之一波長75歐姆同軸電纜線，一頭直接連接在饋電點(diǎn)4，另一頭芯線對芯線、外導(dǎo)體對外導(dǎo)體連接，然后分別與75歐姆饋電同軸電纜線的芯線和外導(dǎo)體連接；抵消電抗分量，實(shí)現(xiàn)匹配通過調(diào)節(jié)上述二分之一波長同軸電纜線的長度實(shí)現(xiàn)；四條縫隙的情況下，用四分之一波長同軸電纜線從饋電點(diǎn)4引出，并兩兩相接，再分別與二分之一波長同軸電纜線連接，最后兩條二分之一波長同軸電纜線再相接并與饋電同軸電纜線相接，同軸電纜線之間的各個(gè)連接處均為內(nèi)外導(dǎo)體分別對應(yīng)連接，改變二分之一波長同軸電纜線的長度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻抗的匹配。
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例實(shí)施例1雙折縫天線實(shí)際加工了一副雙折縫天線，并實(shí)驗(yàn)測量了該天線的主要電性能參數(shù)S11、電壓駐波比、增益和方向圖。該天線設(shè)計(jì)調(diào)諧于800MHz。S11和電壓駐波比的實(shí)際測量結(jié)果顯示實(shí)際上存在兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為800MHz和815MHz，駐波比小于1.6的帶寬達(dá)58MHz(766-824MHz)。該例天線的E面(θ＝90°，水平面內(nèi))方向圖實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明在120°范圍內(nèi)方向圖起伏小于2dB、在270°范圍內(nèi)方向圖起伏小于5dB。最大凹陷深度為12dB。有兩個(gè)凹陷點(diǎn)，發(fā)生的位置基本對稱。實(shí)測天線增益大于2dBi。
實(shí)施例2雙門形縫天線實(shí)際加工了一副雙門形縫隙天線，并實(shí)驗(yàn)測量了該天線的主要電性能參數(shù)S11、電壓駐波比、增益和方向圖。該天線設(shè)計(jì)調(diào)諧于722MHz(39頻道)。S11和電壓駐波比的實(shí)際測量結(jié)果顯示實(shí)際上存在兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為722MHz和748MHz，駐波比小于1.6的帶寬達(dá)48MHz(706.5-754.5MHz)。該例天線的E面(θ＝90°，水平面內(nèi))方向圖實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明在120°范圍內(nèi)方向圖起伏小于1dB、在260°范圍內(nèi)方向圖起伏小于5dB。最大凹陷深度為14dB。有兩個(gè)凹陷點(diǎn)，發(fā)生的位置基本對稱。實(shí)測天線增益大于3dBi。
權(quán)利要求
1.一種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征在于采用端點(diǎn)饋電的四分之一波長的縫隙天線，縫隙開在金屬空心管(3)上，加折縫、下端開口處平衡饋電的縫隙(1)，在金屬空心管(3)對稱位置開另一個(gè)相同縫隙(2)，兩者之間用二分之一波長傳輸線連接饋電，縫隙(1)和縫隙(2)為倒L形并下端開口，縫隙(1)和縫隙(2)開口兩端處平衡饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是采用直縫或采用折縫、門形縫縫隙形式，折縫、門形縫總長度為四分之一縫隙波長，總長度包括沿金屬空心管(3)軸向的垂直部分長度、沿金屬空心管(3)周向的曲折部分長度和縫隙(1)和(2)曲折引起的等效長度，該等效長度等于縫隙寬度，雙折縫天線的曲折部分小于二分之一周長。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是在小尺寸限制了有效長度提高的情況下，采用門形縫隙形式，即在沿周向彎曲后再向下彎曲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是金屬空心管(3)底部開口，縫隙(1)和(2)從底部起沿金屬空心管軸向垂直向上，經(jīng)一定距離后沿周向垂直曲折，縫隙(1)和(2)曲折處上部沿45度角切角，切角的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)分別為兩條縫隙的中心軸線的曲折處端點(diǎn)，金屬空心管(3)展開后，兩個(gè)縫隙的相對位置為任何相同點(diǎn)之間的距離為二分之一周長，兩條縫隙(1)和(2)曲折方向相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是在縫隙(1)和(2)下方饋電點(diǎn)(4)平衡饋電，同軸電纜線饋電的情況下采用磁性線圈、二分之一波長U形管、四分之一波長扼流槽等平衡一不平衡轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是兩條縫隙的情況下，兩縫隙之間用二分之一波長對稱傳輸線連接，或用兩根二分之一波長75歐姆同軸電纜線，一頭直接連接在饋電點(diǎn)(4)，另一頭芯線對芯線、外導(dǎo)體對外導(dǎo)體連接，然后分別與75歐姆饋電同軸電纜線的芯線和外導(dǎo)體連接，抵消電抗分量，實(shí)現(xiàn)匹配通過調(diào)節(jié)上述二分之一波長同軸電纜線的長度實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是四條縫隙的情況下，用四分之一波長同軸電纜線從饋電點(diǎn)(4)引出，并兩兩相接，再分別與二分之一波長同軸電纜線連接，最后兩條二分之一波長同軸電纜線再相接并與饋電同軸電纜線相接，同軸電纜線之間的各個(gè)連接處均為內(nèi)外導(dǎo)體分別對應(yīng)連接，改變二分之一波長同軸電纜線的長度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻抗的匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種小型水平極化超高頻縫隙天線，其特征是提高天線增益通過在圓周上對稱地開多條縫隙。
全文摘要
一種小型水平極化超高頻縫隙天線屬于無線通信領(lǐng)域。本發(fā)明采用端點(diǎn)饋電的四分之一波長的縫隙天線，縫隙開在金屬空心管上，加折縫、下端開口處平衡饋電的縫隙，在金屬空心管對稱位置開另一個(gè)相同縫隙，兩者之間用二分之一波長傳輸線連接饋電，縫隙和縫隙為倒L形并下端開口，縫隙和縫隙開口兩端處平衡饋電。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了大于相同尺寸普通振子天線的增益；實(shí)現(xiàn)了水平極化接收，克服了傳統(tǒng)哀福特縫隙天線幾何參數(shù)、電特性對頻率敏感變化的缺點(diǎn)，更便于設(shè)計(jì)、調(diào)試；方向圖特性在全向性方面差于理想情況下的哀福特縫隙天線，但比后者更穩(wěn)定，而且除了兩個(gè)凹陷區(qū)域，其他區(qū)域波動(dòng)很小，這一方向圖將足以滿足城市移動(dòng)數(shù)字電視的接收要求。
文檔編號H01Q1/36GK1424788SQ02160689
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者金榮洪 申請人:上海交通大學(xué)