寬帶印刷小型化對數周期天線的制作方法
【專利摘要】寬帶印刷小型化對數周期天線，涉及超寬帶天線小型化技術。它為了解決現有的對數周期天線尺寸過大，導致印刷電路板尺寸較大的問題。本發(fā)明線的饋線兩側共有14個陣子，其中一側的七個陣子從短陣子向長陣子方向依次為一號陣子至七號陣子，另一側的七個陣子從短陣子向長陣子方向依次為八號陣子至十四號陣子；一號陣子、二號陣子、三號陣子、八號陣子、九號陣子和十號陣子均為“一”字形；四號陣子、五號陣子、十一號陣子、十二號陣子和十三號陣子均為“T”形；六號陣子、七號陣子和十四號陣子均為“山”字形。通過對天線的尺寸進行優(yōu)化，尺寸能夠減小50％以上，進而使得印刷電路板尺寸大大減小。本發(fā)明適用于寬帶無線傳輸。
【專利說明】寬帶印刷小型化對數周期天線
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及超寬帶天線小型化技術。
【背景技術】
[0002] 對數周期天線產生于20世紀50年代末，是根據"相似"概念構成的非頻變天線的 一種類型，具有很好的寬頻特性，在寬帶無線傳輸中有著廣泛的應用。在微波波段，可以作 為反射面天線或者透鏡天線的照射器、相控陣天線的輻射單元等；在超短波波段，可以作為 全頻道的電視接收天線或應用于其它寬頻帶場合；在短波波段，它是目前唯一的能利用一 副天線工作于整個短波波段并保持優(yōu)良電性能的寬帶天線。隨著我們使用頻段的不斷增 高，對數周期天線也越來越小，其帶來的好處就在于能夠通過印刷電路板的工藝完成對其 的加工。同時我們也可以更加便捷對其進行形狀等結構特性的改進，以使之達到我所需要 的小型化，寬頻帶的效果。一般的傳統(tǒng)對數周期天線及初期的印刷對數周期天線存在一些 缺陷，主要問題是其尺寸過大，天線大小由最低工作頻率（波長最長）而決定。在此情況下 印刷電路板尺寸較大，嚴重地限制了天線的應用空間。通常的分形方式能夠使天線尺寸縮 減比例普遍小于30%，超過30%的分形情況加工將過于復雜。對于低頻段的振子而言，常 見的"T"型結構會出現上下表面金屬重合的情況，從而導致嚴重的耦合，對天線特性產生極 大破壞。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現有的對數周期天線尺寸過大，導致印刷電路板尺寸較 大的問題，提供一種寬帶印刷小型化對數周期天線。
[0004] 本發(fā)明所述的寬帶印刷小型化對數周期天線的饋線兩側共有14個陣子，其中一 側的七個陣子從短陣子向長陣子方向依次為一號陣子至七號陣子，另一側的七個陣子從短 陣子向長陣子方向依次為八號陣子至十四號陣子；
[0005] -號陣子、二號陣子、三號陣子、八號陣子、九號陣子和十號陣子均為"一"字形；
[0006] 四號陣子、五號陣子、十一號陣子、十二號陣子和十三號陣子均為"T"形；
[0007] 六號陣子、七號陣子和十四號陣子均為"山"字形。
[0008] 本發(fā)明采用后饋形式的駐波結構，在輻射特征保持不變的情況下，通過對其尺寸 進行優(yōu)化，尺寸能夠減小50%以上，進而使得印刷電路板尺寸大大減小，增大了天線的應用 空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 圖1為實施方式一中的饋電結構原理圖；
[0010] 圖2為實施方式一所述的寬帶印刷小型化對數周期天線的結構示意圖；
[0011] 圖3為實施方式二中的"一"字形陣子的尺寸定義；
[0012] 圖4為實施方式二中的"T"形陣子的尺寸定義；
[0013] 圖5為實施方式二中的"山"字形陣子的尺寸定義；
[0014] 圖6為實施方式二中的陣子間距的定義；
[0015] 圖7為實施方式三中的七號陣子與漸變線的距離的定義；
[0016] 圖8為實施方式二中，反射系數與頻率的關系的仿真結果；
[0017] 圖9為實施方式二中，工作頻率為8GHz時，E面與Η面的輻射特性；
[0018] 圖10為實施方式二中，工作頻率為12GHz時，Ε面與Η面的輻射特性；
[0019] 圖11為實施方式二中，工作頻率為18GHz時，Ε面與Η面的輻射特性。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0020] 一：結合圖1和2說明本實施方式，本實施方式所述的寬帶印刷小型 化對數周期天線，該對數周期天線的饋線兩側共有14個陣子，其中一側的七個陣子從短陣 子向長陣子方向依次為一號陣子1至七號陣子7,另一側的七個陣子從短陣子向長陣子方 向依次為八號陣子8至十四號陣子14 ;
[0021] 一號陣子1、二號陣子2、三號陣子3、八號陣子8、九號陣子9和十號陣子10均為 "一"字形；
[0022] 四號陣子4、五號陣子5、十一號陣子111、十二號陣子12和十三號陣子13均為"Τ" 形；
[0023] 六號陣子6、七號陣子7和十四號陣子14均為"山"字形。
[0024] 如圖1所示，為使饋電更加方便，本實施方式所述的寬帶印刷小型化對數周期天 線采用后饋形式的駐波結構，而不采用一般對數周期天線使用的前饋行波結構。通過短路 子中心饋電帶條15與頂面帶條連接，這樣中心饋電帶條與底面帶條共同構成一對平行的 終端短路傳輸線。而中心饋電帶條與其底面金屬帶條開路，共同構成了終端開路的另一對 傳輸線，由于終端短路時反射系數為-1，開路時為1，使得兩對傳輸線上傳輸的導行電磁波 相位差180度，從而完成對同一位置上一對振子的對稱饋電。
[0025] 為了增大尺寸縮減比例，本實施方式采用終端加載的方式。加載陣子選用"Τ"型 結構和"山"字形結構，使用端電容效應來完成。為減小耦合，將"Τ"型結構末端加載過長 的部分折回，形成"山"字形結構，仿真結果證明：折回與不折回的輻射效果差距不大，而互 耦帶來的破壞則大大減小。
[0026] 采用本實施方式所述的寬帶印刷小型化對數周期天線的結構，通過對其尺寸進行 優(yōu)化，尺寸能夠減小50%以上，進而使得印刷電路板尺寸大大減小，增大了天線的應用空 間。
【具體實施方式】 [0027] 二：結合圖3至圖6、圖8至圖11說明本實施方式，本實施方式是對 實施方式一所述的寬帶印刷小型化對數周期天線的進一步限定，本實施方式中，所述的對 數周期天線的寬度為8. 60mm ;
[0028] 一號陣子1為"一"字形，其長度為1. 66謹，寬度為0· 13謹；
[0029] 二號陣子2為"一"字形，其長度為2. 46mm，寬度為0· 19mm ;
[0030] 三號陣子3為"一"字形，其長度為3. 61mm，寬度為0· 28mm ;
[0031] 四號陣子4為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為3. 25mm， 寬度為〇. 4mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為1. 62mm，寬度為0. 4mm ;
[0032] 五號陣子5為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為3. 08mm， 寬度為0. 57mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為3. 24mm，寬度為0. 57mm ;
[0033] 六號陣子6為"山"字形，該"山"字形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 2. 82mm，寬度為0· 83mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為4. 75mm，寬度為0· 83mm ;該 "山"字形的兩個凹槽的深度為0.42mm，寬度為1. 13mm;
[0034] 七號陣子7為"山"字形，該"山"字形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 2. 45mm，寬度為1. 20mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為6. 20mm，寬度為1. 20mm ;該 "山"字形的兩個凹槽的深度為1.80mm，寬度為1.30mm;
[0035] 八號陣子8為"一"字形，其長度為1.35mm，寬度為0. 11mm;
[0036] 九號陣子9為"一"字形，其長度為2. 02mm，寬度為0· 16mm ;
[0037] 十號陣子10為"一"字形，其長度為2. 98mm，寬度為0· 23mm ;
[0038] 十一號陣子111為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 3. 32mm,寬度為0· 33mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為1. 19mm,寬度為0· 33mm ;
[0039] 十二號陣子12為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 3. 17mm，寬度為0· 48mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為2. 42mm，寬度為0· 48mm ;
[0040] 十三號陣子13為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 2. 96mm，寬度為0. 69mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為4. 07mm，寬度為0. 69mm ;
[0041] 十四號陣子14為"山"字形，該"山"字形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度 為2. 65mm，寬度為1. 00mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為5. 52mm，寬度為1. 10mm ; 該"山"字形的兩個凹槽的深度為1. 11mm，寬度為1.23mm;
[0042] 陣子的中心線定義為該陣子在饋線長度方向上的對稱軸，任意兩個陣子的間距定 義為所述兩個陣子的對稱軸在饋線長度方向上的距離；
[0043] 一號陣子1與二號陣子2的間距為1. 84mm ;
[0044] 二號陣子2與三號陣子3的間距為2. 66mm ;
[0045] 三號陣子3與四號陣子4的間距為3. 83mm ;
[0046] 四號陣子4與五號陣子5的間距為5. 53mm ;
[0047] 五號陣子5與六號陣子6的間距為7. 98mm ;
[0048] 六號陣子6與七號陣子7的間距為11. 52mm ;
[0049] 在饋線的長度方向上，二號陣子2與七號陣子7分別位于一號陣子1的兩側；
[0050] 一號陣子1與七號陣子7的間距為0. 70mm ;
[0051] 八號陣子8與九號陣子9的間距為1. 53mm ;
[0052] 九號陣子9與十號陣子10的間距為2. 21mm ;
[0053] 十號陣子1〇與^^一號陣子111的間距為3. 19mm ;
[0054] -| 號陣子111與十二號陣子12的間距為4. 61mm ;
[0055] 十二號陣子12與十三號陣子13的間距為6. 65mm ;
[0056] 十三號陣子13與十四號陣子14的間距為9. 78mm。
[0057] 本實施方式所述的寬帶印刷小型化對數周期天線是針對頻率在8GHz - 18GHz范 圍內設計的。
[0058] 如圖3所示，對于"一"字形陣子，其長度為L1，寬度為W1，一號陣子1的L1的值 為 1. 66mm，W1 的值為 0· 13mm。
[0059] 如圖4所示，對于"T"形陣子，與饋線長度方向垂直的部分的長度為L2,寬度為W2 ; 與饋線長度方向平行的部分的長度為L3,寬度為W3,四號陣子4的L2的值為3. 25mm，W2的 值為0· 4mm，L3的值為1. 62mm，W3的值為0· 4_。
[0060] 如圖5所示，對于"山"字形陣子，與饋線長度方向垂直的部分的長度為L4,寬度為 W4 ;與饋線長度方向平行的部分的長度為L5,寬度為W5 ;該"山"字形的兩個凹槽的深度為 山寬度為W6,六號陣子6L4的值為2. 82mm，W4的值為0· 83mm，L5的值為4. 75mm，W5的值為 0· 83mm，d 的值為 0· 42mm，W6 的值為 L 13_。
[0061] 陣子的中心線與饋線長度方向垂直，每個陣子在饋線長度方向上關于其中心線對 稱，兩個陣子的間距即為所述兩個陣子的中心線的距離。如圖6所示，一號陣子1與二號陣 子2的間距S12 = 1. 84mm,五號陣子5與六號陣子6的間距S56 = 7. 98mm。
[0062] 上述對數周期天線的寬度W = 8. 60mm。
[0063] 對本實施方式所述的對數周期天線的特性進行仿真。反射系數低于-10dB，則認為 匹配較好。如圖8所示，頻率在8GHz - 18GHz范圍內，反射系數均低于-10dB。圖9至圖 11中，E面是指經過最大輻射方向且與電場方向平行的平面，Η面是指經過最大輻射方向且 與磁場方向平行的平面。圖9中，Ε8和Η8分別為工作頻率為8GHz時，Ε面與Η面的輻射 特性曲線。圖10中，Ε12和Η12分別為工作頻率為12GHz時，Ε面與Η面的輻射特性曲線。 圖11中，Ε18和Η18分別為工作頻率為18GHz時，Ε面與Η面的輻射特性曲線。從圖9至 圖11可以看出，本實施方式所述的對數周期天線在尺寸明顯減小的情況下，其輻射特性并 沒有變差。
[0064] 本實施方式所述的對數周期天線具有以下優(yōu)點：
[0065] (1)能夠達到8-18G的工作帶寬，頻帶寬且頻率高，傳統(tǒng)的對數周期天線的工作頻 率很難做到18GHz ;
[0066] (2)高增益，增益可以達到6dB以上，而在同尺寸下的漸變結構寬帶天線增益無法 達到這么高；
[0067] (3)明顯的橫向尺寸縮減，本實施方式中的天線寬度為8.6mm，而在自由空間中 8GHz時的半波長為18. 75mm，尺寸縮減比例能夠達到54. 1 %，而一般小型化的天線難以達 到如此大幅度的尺縮特性；
[0068] (4)后向帶狀線饋電，傳統(tǒng)的對數周期天線都是前向饋電的行波結構，而本實施方 式的天線結構是后向饋電的駐波結構，解決了印刷天線本身的前向饋電困難的問題；
[0069] (5)終端加載貼邊，這種終端加載的陣列天線的橫向尺寸還可以進一步縮小。
【具體實施方式】 [0070] 三：結合圖6和圖7說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所 述的寬帶印刷小型化對數周期天線的進一步限定，本實施方式中，所述的一號陣子1的中 心線到所述對數周期天線的兩個短邊中與其較近的短邊的距離為3. 95_，八號陣子8的中 心線到上述短邊的距離為3. 26mm，七號陣子7的中心線與饋線的漸變線在饋線長度方向上 的距離為4. 68mm。
[0071] 如圖 7 所示，SOI = 3. 95mm，S08 = 3. 26mm。如圖 7 所示，S7 = 4. 68mm。
【權利要求】
1. 寬帶印刷小型化對數周期天線，其特征在于：該對數周期天線的饋線兩側共有14個 陣子，其中一側的七個陣子從短陣子向長陣子方向依次為一號陣子（1)至七號陣子（7)，另 一側的七個陣子從短陣子向長陣子方向依次為八號陣子（8)至十四號陣子（14); 一號陣子（1)、二號陣子（2)、三號陣子（3)、八號陣子（8)、九號陣子（9)和十號陣子 (10)均為"一"字形； 四號陣子（4)、五號陣子（5)、十一號陣子（11)、十二號陣子（12)和十三號陣子（13)均 為"T"形； 六號陣子（6)、七號陣子（7)和十四號陣子（14)均為"山"字形。
2. 根據權利要求1所述的寬帶印刷小型化對數周期天線，其特征在于：該對數周期天 線的寬度為8. 60mm ; 一號陣子⑴為"一"字形，其長度為1. 66mm，寬度為0· 13mm ; 二號陣子⑵為"一"字形，其長度為2. 46mm，寬度為0· 19mm ; 三號陣子（3)為"一"字形，其長度為3. 61mm，寬度為0· 28mm ; 四號陣子⑷為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為3. 25mm，寬 度為0. 4mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為1. 62mm，寬度為0. 4mm ; 五號陣子（5)為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為3. 08mm，寬 度為0. 57mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為3. 24mm，寬度為0. 57mm ; 六號陣子（6)為"山"字形，該"山"字形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 2. 82mm，寬度為0· 83mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為4. 75mm，寬度為0· 83mm ;該 "山"字形的兩個凹槽的深度為0.42mm，寬度為1. 13mm; 七號陣子（7)為"山"字形，該"山"字形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 2. 45mm，寬度為1. 20mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為6. 20mm，寬度為1. 20mm ;該 "山"字形的兩個凹槽的深度為1.80mm，寬度為1.30mm; 八號陣子（8)為"一"字形，其長度為1.35mm，寬度為0. 11mm; 九號陣子（9)為"一"字形，其長度為2. 02mm，寬度為0· 16mm ; 十號陣子（10)為"一"字形，其長度為2. 98mm，寬度為0. 23mm ; 十一號陣子（11)為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為3. 32_， 寬度為0. 33mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為1. 19mm，寬度為0. 33mm ; 十二號陣子（12)為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為3. 17_， 寬度為0. 48mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為2. 42mm，寬度為0. 48mm ; 十三號陣子（13)為"T"形，該"T"形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為2. 96mm， 寬度為0. 69mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為4. 07mm，寬度為0. 69mm ; 十四號陣子（14)為"山"字形，該"山"字形中，與饋線長度方向垂直的部分的長度為 2. 65mm，寬度為1. 00mm ;與饋線長度方向平行的部分的長度為5. 52mm，寬度為1. 10mm ;該 "山"字形的兩個凹槽的深度為1. 11mm，寬度為1.23mm; 陣子的中心線定義為該陣子在饋線長度方向上的對稱軸，任意兩個陣子的間距定義為 所述兩個陣子的對稱軸在饋線長度方向上的距離； 一號陣子（1)與二號陣子（2)的間距為1.84mm; 二號陣子（2)與三號陣子（3)的間距為2. 66mm ; 三號陣子（3)與四號陣子（4)的間距為3. 83mm ; 四號陣子（4)與五號陣子（5)的間距為5. 53mm ; 五號陣子（5)與六號陣子（6)的間距為7. 98mm ; 六號陣子（6)與七號陣子（7)的間距為11.52mm; 在饋線的長度方向上，二號陣子（2)與七號陣子（7)分別位于一號陣子（1)的兩側； 一號陣子（1)與七號陣子（7)的間距為0· 70mm ; 八號陣子（8)與九號陣子（9)的間距為1. 53mm ; 九號陣子（9)與十號陣子（10)的間距為2. 21mm ; 十號陣子（10)與十一號陣子（11)的間距為3. 19mm ; 十一號陣子（11)與十二號陣子（12)的間距為4. 61mm; 十二號陣子（12)與十三號陣子（13)的間距為6. 65mm; 十三號陣子（13)與十四號陣子（14)的間距為9. 78mm。
3.根據權利要求2所述的寬帶印刷小型化對數周期天線，其特征在于：所述的一號陣 子（1)的中心線到所述對數周期天線的兩個短邊中與其較近的短邊的距離為3. 95_，八號 陣子（8)的中心線到上述短邊的距離為3. 26mm，七號陣子（7)的中心線與饋線的漸變線在 饋線長度方向上的距離為1. 58mm。
【文檔編號】H01Q1/38GK104092011SQ201410336579
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權日:2014年7月15日
【發(fā)明者】傅佳輝, 孫權, 崔健, 呂博, 陳晚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學