專利名稱：超寬帶小型化分形天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種天線裝置，具體涉及ー種超寬帶小型化分形天線。
背景技術(shù)：
目前，常利用四分之一波長單極、電小天線、或常規(guī)Hilbert分形結(jié)構(gòu)來完成短波或超短波天線的設(shè)計。而上述設(shè)計方案又各存在一定的不足如利用四分之一波長單極設(shè)計短波或超短波天線，由干天線的長度與工作頻率成反比，因此在所設(shè)計的天線需要具有較低的工作頻率時，其天線的長度則較長，從而天線的機動性、可架設(shè)性、隱蔽性都比較差。 利用電小天線設(shè)計短波或超短波天線，會大大增加天線的Q值，降低天線的輻射效率，同時天線的帶寬受限。采用常規(guī)Hilbert分形結(jié)構(gòu)設(shè)計短波或超短波天線，雖能夠降低天線的尺寸，但為了保證天線的移動性和可架設(shè)性，通常只采用I階Hilbert曲線。而對于常規(guī)的Hilbert分形結(jié)構(gòu)而言，當天線的尺寸縮減到ha < O. 5 O. 6 (k0為波數(shù)，a為包圍天線的最小半徑)以后，天線的輻射效率迅速降低，天線的工作帶寬受限，而且天線饋電點的輸入阻抗隨頻率變化劇烈，因而非常不利于匹配電路的設(shè)計。另外，由于分形而導致的曲流效應可能會造成天線具有較嚴重的交叉極化特性，進ー步對方向圖特性造成嚴重影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供ー種超寬帶小型化分形天線，它能夠在有效降低天線尺寸的同時，保持較寬的頻帶、較高的輻射效率、較好的方向圖特性。為解決上述問題，本實用新型所設(shè)計的ー種超寬帶小型化分形天線，包括天線本體，所述天線本體主要由接地板、雙鞭天線和阻抗變換傳輸線構(gòu)成；其中雙鞭天線包括直立設(shè)置在接地板上的2根金屬柱；阻抗變換傳輸線水平設(shè)置在接地板的上表面、且嵌在構(gòu)成雙鞭天線的2條金屬柱之間；上述阻抗變換傳輸線包括2個或2個以上、并具有不同寬度的金屬條，這些金屬條隨其自身寬度自小而大排列、并在金屬條的長度方向上進行迭代連接，其中寬度最小的金屬條與雙鞭天線的I根金屬柱連接、寬度最大的金屬條與雙鞭天線的另I根金屬柱連接。上述方案中，所述金屬條為長方形或正方形。上述方案中，所述金屬條可以由平行雙導線、或微帶線、或帶狀線之ー構(gòu)成。上述方案中，所述金屬條最好由微帶線構(gòu)成。上述方案中，所述天線本體還包括饋源，該饋源位于阻抗變換傳輸線的其中一端。上述方案中，所述饋源位于阻抗變換傳輸線與雙鞭天線的其中I根金屬柱的相交處。上述方案中，所述饋源最好位于阻抗變換傳輸線的最小寬度金屬條與雙鞭天線的金屬柱的相交處。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下特點I、通過雙鞭天線和阻抗變換傳輸線構(gòu)成改進型Hilbert分形結(jié)構(gòu)，從而大大限制了常規(guī)Hilbert天線中的曲流效應，使得天線的輻射主要由雙鞭天線產(chǎn)生，幅度降低了天線的交叉極化水平，在寬頻帶范圍內(nèi)天線都具有較好的方向圖特性；此外，天線的工作頻帶可以通過改變雙鞭天線的高度以及阻抗變換傳輸線的長度和特性阻抗來調(diào)整；2、由于阻抗變換傳輸線采用高阻抗線結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中改變高阻抗線中不同段的特性阻抗，可以實現(xiàn)寬頻帶工作，在120MHz 300MHz的頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比彡3 ；3、選擇合適的饋電點位置，天線饋電點的輸入阻抗特性得到了很大的改善，其輸入阻抗的實部變化趨于平坦，虛部的電抗值也大幅度減小且變化范圍變小，有利于進一歩設(shè)計匹配電路；如果進ー步設(shè)計匹配電路，電壓駐波比< 3的頻率范圍達到15個倍頻程，為20 300MHz，實現(xiàn)超寬帶。

圖I為本實用新型ー種超寬帶小型化分形天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為阻抗變換傳輸線的等效電路圖；圖3為單根單極子天線的等效電路圖；圖4為圖I的等效電路圖。圖中標號1、接地板；2、雙鞭天線；3、阻抗變換傳輸線；4、饋源。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型ー種超寬帶小型化分形天線，主要由接地板I、雙鞭天線2、阻抗變換傳輸線3構(gòu)成。其中雙鞭天線2包括直立設(shè)置在接地板I上的2根金屬柱；阻抗變換傳輸線3水平設(shè)置在接地板I的上表面、且嵌在構(gòu)成雙鞭天線2的2條金屬柱之間。上述阻抗變換傳輸線3包括2個或2個以上、并具有不同寬度的金屬條，這些金屬條隨其自身寬度自小而大排列、并在金屬條的長度方向上進行迭代連接，其中寬度最小的金屬條與雙鞭天線2的I根金屬柱連接、寬度最大的金屬條與雙鞭天線2的另I根金屬柱連接。雙鞭天線2和阻抗變換傳輸線3構(gòu)成改進型Hilbert分形結(jié)構(gòu),這樣能夠在有效降低天線尺寸的同時，保持較寬的頻帶、較高的輻射效率、較好的方向圖特性；而其中阻抗變換傳輸線3采用η階形式，使得天線的工作頻帶能夠通過改變雙鞭天線2的高度以及阻抗變換傳輸線3的長度和特性阻抗來進行調(diào)整。2根金屬柱構(gòu)成ー對雙鞭天線2，即2根單極子天線構(gòu)成一對偶極子天線，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大體相同。阻抗變換傳輸線3跨接在雙鞭天線2的2根單極子天線之間，阻抗變換傳輸線3的結(jié)構(gòu)決定天線的輸入阻抗和方向圖。在本實用新型中，通過阻抗變換傳輸線3的結(jié)構(gòu)即金屬條結(jié)構(gòu)實現(xiàn)分形，以實現(xiàn)天線工作帶寬的展寬，即將η個具有不同寬度的金屬條進行首尾順次連接，即構(gòu)成了 2根單極子天線之間的η階改進型Hilbert分形結(jié)構(gòu)。所述金屬條呈長方形或正方形，并可以由實心的金屬塊或中空的金屬線構(gòu)成。在本實用新型中，所述金屬條由平行雙導線、或微帶線、或帯狀線構(gòu)成。為了減少阻抗變換傳輸線3的輻射對天線極化性能和方向圖特性的影響，在本實用新型優(yōu)選實施例中，阻抗變換傳輸線3與接地板I形成微帶線結(jié)構(gòu)又叫高阻抗線，這樣流經(jīng)阻抗變換傳輸線3上的電流產(chǎn)生的場絕大部分被限制在阻抗變換傳輸線3和接地板I之間，使阻抗變換傳輸線3上流經(jīng)的電流在空間的輻射場強大大降低，從而降低了天線的交叉極化特性。因此天線的方向圖特性能得到極大改善。為了改善天線的輸入阻抗特性，需為天線選擇合適的饋源4位置，其具體位置根據(jù)天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗來確定。在本實用新型中，所述饋源4位于阻抗變換傳輸線3的其中一端即靠近雙鞭天線2的金屬柱處。作為優(yōu)化，所述饋源4應恰好位于阻抗變換傳輸線3與雙鞭天線2的其中I根金屬柱的相交處。饋源4位于阻抗變換傳輸線3的最小寬度金屬條與雙鞭天線2的金屬柱的相交處或位于饋源4位于阻抗變換傳輸線3的最大寬度金屬條與雙鞭天線2的金屬柱的相交處，但兩處饋源4點需要設(shè)計不同的匹配電路。為了得到最優(yōu)的輸入阻抗特性，在本實用新型優(yōu)選實施例中，所述饋源4位于阻抗變換傳輸線3的最小寬度金屬條與雙鞭天線2的金屬柱的相交處。圖2為阻抗變換傳輸線3的等效電路圖，其中阻抗變換傳輸線3為3階形式。圖中，Z01, Zn)，ZM，Ztln分別對應各段微帶線的特性阻抗，表示為2,=-^=^- + 0.25^ se=^-^- + ^—^- (2 + —) +0.04lil-^
2 2 [I w, J
ζ _120π _I _ο,れ'[^//z + 1.393 + 0.6671n(^//z + 1.4444)Jsre+ ifl + 12—I
2W1JWJh>\上式中h為微帶線介質(zhì)板的厚度，Wi為第i金屬條的寬度，ε r為介質(zhì)板的介電常數(shù)。圖3為單根單極子天線的等效電路，圖中兩并聯(lián)諧振電路R1, L1, C1以及R2，L2, C2分別表示偶極子天線的第一個和第二個諧振頻率。則該電路的輸入阻抗Zin為偶極子天線的輸入阻抗，簡要表示為Zin = I^jX1。圖4為圖I的等效電路圖，其中[Zin]為圖3所示的偶極子天線的輸入阻杭，Z01,……Ztln對應圖2所述高阻抗線中各段微帶線的特性阻杭，以位置i作為天線的饋入點即饋源4的位置，則饋入點左邊的輸入阻抗為Zin(i_D，饋入點右邊的輸入阻抗為Zin(i)，分別表示為Zボ Z々て^^、
zO(Z-I)十2ブ^^0(/-1)Zin⑴=Z0i ———②
^oi + jZin(j+\)tgPdQi最后，得到天線饋入點的輸入阻抗表示為饋入點左邊以及右邊輸入阻抗的并聯(lián)Zin = Zin(H)//Zin ⑴ i = 1,2,3···③根據(jù)式①-③，改變輸入點i的位置，則Zin(i_D和Zin(i)相應發(fā)生改變，從而達到調(diào)節(jié)天線饋電點的輸入阻抗Zin的目的。天線饋電位置的選取由式④確定Zin = Z0④式中Ztl為饋線的特征阻杭，Zin由式3確定。[0038]根據(jù)式①-④的計算，選擇如圖I中的“4”位置，即阻抗變換傳輸線3的最小寬度金屬條與雙鞭天線2的金屬柱的相交處作為饋入點可以得到最優(yōu)的輸入阻抗特性。在本實用新型的基礎(chǔ)上再設(shè)計匹配電路，天線的工作頻率的帶寬會得到進ー步拓展，其電壓注波比小于3的頻帶達到15個倍頻程。在20-60MHZ頻帶范圍內(nèi)天線最大輻射效率為25% ;在60-100MHZ頻帶范圍內(nèi)天線輻射效率處于10% -25%之間；在100_180MHz頻率范圍內(nèi)天線輻射效率處于25%-50%之間；在180-300MHZ頻率范圍內(nèi)天線輻射效率大于 50%。
權(quán)利要求1.超寬帶小型化分形天線，包括天線本體，其特征在于所述天線本體主要由接地板(I)、雙鞭天線(2)和阻抗變換傳輸線(3)構(gòu)成；其中雙鞭天線(2)包括直立設(shè)置在接地板(I)上的2根金屬柱；阻抗變換傳輸線(3)水平設(shè)置在接地板(I)的上表面、且嵌在構(gòu)成雙鞭天線(2)的2條金屬柱之間；上述阻抗變換傳輸線(3)包括2個或2個以上、并具有不同寬度的金屬條，這些金屬條隨其自身寬度自小而大排列、并在金屬條的長度方向上進行迭代連接，其中寬度最小的金屬條與雙鞭天線(2)的I根金屬柱連接、寬度最大的金屬條與雙鞭天線(2)的另I根金屬柱連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超寬帶小型化分形天線，其特征在于所述金屬條為長方形或正方形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超寬帶小型化分形天線，其特征在于所述金屬條由平行雙導線、或微帶線、或帯狀線構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超寬帶小型化分形天線，其特征在于所述金屬條由微帶線構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意一項所述的超寬帶小型化分形天線，其特征在于所述天線本體還包括饋源(4)，該饋源(4)位于阻抗變換傳輸線(3)的其中一端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超寬帶小型化分形天線，其特征在干所述饋源(4)位于阻抗變換傳輸線⑶與雙鞭天線⑵的其中I根金屬柱的相交處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬帶小型化分形天線，其特征在干所述饋源(4)位于阻抗變換傳輸線(3)的最小寬度金屬條與雙鞭天線(2)的金屬柱的相交處。
專利摘要本實用新型公開一種超寬帶小型化分形天線，主要由接地板、雙鞭天線和阻抗變換傳輸線構(gòu)成；其中雙鞭天線包括直立設(shè)置在接地板上的2根金屬柱；阻抗變換傳輸線水平設(shè)置在接地板的上表面、且嵌在構(gòu)成雙鞭天線的2條金屬柱之間；上述阻抗變換傳輸線包括2個或2個以上、并具有不同寬度的金屬條，這些金屬條隨其自身寬度自小而大排列、并在金屬條的長度方向上進行迭代連接，其中寬度最小的金屬條與雙鞭天線的1根金屬柱連接、寬度最大的金屬條與雙鞭天線的另1根金屬柱連接。本實用新型能夠在有效降低天線尺寸的同時，保持較寬的頻帶、較高的輻射效率、較好的方向圖特性。
文檔編號H01Q9/34GK202487774SQ20122002005
公開日2012年10月10日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者劉揚清, 曹衛(wèi)平, 李思敏, 高喜 申請人:桂林電子科技大學