基于折叠振子的对数周期天线

1.本发明涉及微波天线技术领域技术领域，具体涉及一种基于折叠振子的对 数周期天线。


背景技术：

2.目前，天线作为电磁波接收和发射的器件起到越来越重要的作用，尤其是 宽带天线应用越来越广泛。对数周期天线作为宽带天线的一种，具有天线频带 宽、结构简单、加工方便且不需要投入太多成本等优点，同时还可以通过各种 途径实现该天线小型化，因此对数周期天线广泛应运于各种领域。
3.从应用角度来看，根据不同的实际工程量身定制尺寸合适的结构也是天线 发展的一种趋势。一般来说，当天线的工作频率确定以后，波长也相应的确定， 要改变天线尺寸和结构势必会引起天线特性阻抗的变化。而通过一系列措施可 以补偿特性阻抗的变化，减少尺寸结构变化对天线性能的影响。
4.相关技术中，申请公布号为cn114583445a的中国发明专利申请公开了一 种应用于脑部微波检测成像系统的微带对数周期天线，包括从上到下设置的基 板正面金属结构、介质基板以及基板背面金属结构，基板正面金属结构包括对 称设置的第一辐射部和第二辐射部；基板背面金属结构包括若干折叠部分和馈 电微带线，馈电微带线通过金属化通孔与第一辐射部的远地端相连接，第一辐 射部和第二辐射部的天线振子通过金属化通孔与相对设置的折叠部分相连接。 其中，若干第一天线振子从外到内交替设置于所述第一中心连接微带线的两侧 且尺寸依次减小，若干第二天线振子从外到内交替设置于所述第二中心连接微 带线的两侧且尺寸依次减小。因此，该对数周期天线的天线振子只进行穿过金 属化通孔对半折叠，天线振子等效长度较小，增益较弱，小型化程度低。
5.申请公布号为cn107275764a的中国发明专利申请公开了一种基于单元 弯折的小型化印刷对数周期天线，其通过将振子末尾进行弯折，为平面折弯， 没有利用立体空间，天线小型化程度较低。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于如何实现对数周期天线的小型化。
7.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
8.本发明提出了一种基于折叠振子的对数周期天线，包括：金属贴片和介质 基板，所述介质基板的上、下表面排布有长度不同的天线振子，所述天线振子 的一端连接平行双线，所述金属贴片设置在长度最短的天线振子处，金属贴片 通过平行双线对所述天线振子进行馈电；
9.在所述介质基板上沿每个天线振子的排布方向对应设置若干金属过孔，所 述金属过孔贯穿所述介质基板且所述金属过孔的轴向与介质板垂直，所述天线 振子的另一端依次穿过其对应位置上的若干金属过孔。
10.本发明在原始对数周期天线的结构上进行改善，通过在介质板打垂直的金 属过孔，较为方便，天线振子依次穿过金属过孔，实现在立体空间的多次折叠， 可有效地缩减横向尺寸，天线的小型化程度高；而且后期可通过调整折叠的长 度和集合线的长度等来改善天线性能，最终该天线可达到良好的匹配状态并保 持良好的辐射特性；以覆盖频率为8-12ghz的对数周期振子天线为例，通过 折叠振子，该天线的横向尺寸缩小了32.64％，且对天线的匹配和辐射性能影 响不大。
11.进一步地，每个所述天线振子的排布方向上设置的所述金属过孔呈一排布 置，所述天线振子的另一端依次穿过金属过孔。
12.进一步地，所述金属过孔呈两排布置，第一排所述金属过孔的数量大于第 二排所述金属过孔的数量，所述天线振子的另一端先后交替穿过第一排中所述 金属过孔和第二排中所述金属过孔，使得所述天线振子呈螺旋折叠。
13.进一步地，每一所述天线振子排布方向上设置的若干金属过孔等间距排 布。
14.进一步地，每一所述天线振子排布方向上设置的金属过孔的直径与该天线 振子的宽度相同。
15.进一步地，每一所述天线振子排布方向上设置的金属过孔的数量为基于该 天线振子的长度仿真确定。
16.进一步地，所述天线振子穿过所述金属过孔时，天线的电尺寸以仿真优化 结果设定的工作频率所对应的电尺寸为基准。
17.进一步地，所述金属过孔中填充的介质为铜。
18.进一步地，所述介质基板为长方体，材料为f4b。
19.进一步地，所述介质基板的宽度s
x
＝18mm，长度sy＝28.2mm，厚度t＝1mm， 介电常数εr＝2.6，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。
20.进一步地，天线的集合线纵向长度l＝23.702mm且宽度为w＝3mm。
21.本发明的优点在于：
22.(1)本发明在原始对数周期天线的结构上进行改善，通过设置金属过孔， 天线振子依次穿过金属过孔，实现在立体空间的多次折叠，可有效地缩减横向 尺寸，天线的小型化程度高；而且后期可通过调整折叠的长度和集合线的长度 等来改善天线性能，最终该天线可达到良好的匹配状态并保持良好的辐射特性； 以覆盖频率为8-12ghz的对数周期振子天线为例，通过折叠振子，该天线的 横向尺寸缩小了32.64％，且对天线的匹配和辐射性能影响不大。
23.(2)本发明中天线的起始端和末端之间相距较远，在同一尺寸下达到了 最大的辐射孔径，增益较高。
24.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.图1是本发明一实施例中基于折叠振子的对数周期天线的三维结构示意 图；
26.图2是本发明一实施例中基于折叠振子的对数周期天线的顶视图；
27.图3是本发明一实施例中基于折叠振子的对数周期天线的s11参数曲线图；
28.图4中(a)、(b)、(c)分别为本发明基于折叠振子的对数周期天线的工作频 率为8ghz、10ghz、12ghz时的e面辐射方向图；
29.图5中(a)、(b)、(c)分别为本发明基于折叠振子的对数周期天线的工作频 率为8ghz、10ghz、12ghz时的h面辐射方向图；
30.图6是本发明另一实施例中基于折叠振子的对数周期天线的三维结构示 意图；
31.图7是本发明另一实施例中基于折叠振子的对数周期天线的顶视图。
32.图中：
33.第一振子1；第二振子2；第三振子3；第四振子4；第五振子5；金属过 孔6；激励端口7；集合线8。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.参照图1至图2，本发明实施例提出了一种基于折叠振子的对数周期天线， 包括：金属贴片和介质基板，所述介质基板的上、下表面排布有长度不同的天 线振子，所述天线振子的一端连接平行双线，所述金属贴片设置在长度最短的 天线振子处，金属贴片通过平行双线对所述天线振子进行馈电；
37.在所述介质基板上沿每个天线振子的排布方向对应设置若干金属过孔，所 述金属过孔贯穿所述介质基板且所述金属过孔的轴向与天线轴线方向平行，所 述天线振子的另一端依次穿过其对应位置上的若干金属过孔。
38.本实施例中长度不同的天线振子均对应设置多个金属过孔，天线振子依次 穿过各金属过孔，实现在立体空间的多次折叠，可有效地缩减横向尺寸，天线 的小型化程度高；而且后期可通过调整折叠的长度和集合线的长度等来改善天 线性能，最终该天线可达到良好的匹配状态并保持良好的辐射特性；以覆盖频 率为8-12ghz的对数周期振子天线为例，通过折叠振子，该天线的横向尺寸 缩小了32.64％，且对天线的匹配和辐射性能影响不大。
39.在一实施例中，每一所述天线振子排布方向上设置的若干金属过孔等间距 排布。
40.具体到本实施例中，同一天线振子对应的若干金属过孔中，根据天线的尺 寸、也为了提高天线的s
11
参数，相邻的金属过孔之间间距1mm，可以保证 s
11
参数小于-10dbm。
41.在一实施例中，每一所述天线振子排布方向上设置的金属过孔的直径与该 天线振子的宽度相同。
42.本实施例通过将每个振子对应的金属过孔的直径设置为与该振子的宽度 一致，以保证振子与金属过孔接触并可以通过。
43.在一实施例中，每一所述天线振子排布方向上设置的金属过孔的数量为基 于该天线振子的长度仿真确定。
44.需要说明的是，本实施例中通过天线仿真确定每种长度的天线振子对应的 金属
过孔的数量，以确保可天线振子可穿出最后一个金属过孔。如此，天线的 起始端和末端之间相距较远，在同一尺寸下达到了最大的辐射孔径，增益较高。
45.在一实施例中，所述天线振子穿过所述金属过孔时，天线的电尺寸以仿真 优化结果设定的工作频率所对应的电尺寸为基准。
46.需要说明的是，本实施例以天线振子折叠前的电尺寸为初始值，在折叠过 程中，天线振子的电尺寸以仿真优化结果设定的工作频率所对应的电尺寸为基 准。
47.在一实施例中，所述金属过孔中填充的介质为铜，铜的导电性能良好。
48.在一实施例中，所述介质基板为长方体，材料为f4b，所述介质基板的宽 度s
x
＝18mm，长度sy＝28.2mm，厚度t＝1mm，介电常数εr＝2.6，介质基板的损 耗角tanδ＝0.0009。
49.在一实施例中，天线的集合线8纵向长度l＝23.702mm且宽度为w＝3mm。
50.需要说明的是，集合线8为用于给各天线振子进行馈电的一端平行线，集 合线8一端设置激励端口7，本实施例可通过调整折叠的长度和集合线的长度 等来改善天线性能，最终该天线可达到良好的匹配状态并保持良好的辐射特性。
51.在一实施例中，所述介质基板上、下表面分别排布有五种长度的天线振子， 其中，第一振子1尺寸为l1＝4.691mm、宽度w1＝0.735mm，第二振子2尺 寸为l2＝3.588mm、宽度w2＝0.647mm，第三振子3尺寸为l3＝3.025mm、 宽度w3＝0.569mm，第四振子4尺寸为l4＝2.763mm、宽度w4＝0.501mm， 第五振子5尺寸为l5＝2.012mm、宽度w5＝0.441mm。
52.通过天线仿真确定第一振子1、第二振子2和第三振子3对应的金属过孔 6为3个，第四振子4和第五振子5对应的金属过孔6个数均为2个，那么设 置的金属过孔6的总数为26个。
53.在一实施例中，设空间直角坐标系o-xyz，包括：原点o、x轴、y轴、z 轴，本实施例中天线振子在三维空间内进行折叠，形成的半模矩形波导平行于 空间直角坐标系o-xyz的xoy面。
54.需要说明的是，本实施例所设计的对数周期天线对应s
11
参数曲线图如图 3所示，在有效工作频段内其值均低于-10db，可见通过调整集合线长度和微 调振子长度等参数，天线的达到了良好的匹配状态。
55.并且根据结果对比可知，本实施例所提出的基于半模矩形金属波导的对数 周期天线结构是有意义的。图4和图5是分别是本结构天线的e面和h面的 天线辐射方向图。
56.实施例2
57.参照图7所示，本实施例提出基于折叠振子的对数周期天线在上述实施例 1提出的天线结构的基础上，将每一天线振子排布方向上对应设置的金属过孔 呈两排布置，且两排金属过孔数量不同，可设置第一排中金属过孔的数量比第 二排金属过孔的数量多一个，所述天线振子的另一端先后交替穿过第一排中所 述金属过孔和第二排中所述金属过孔，使得所述天线振子呈螺旋折叠。
58.本实施例通过将长度不同的天线振子先后交替穿过第一排和第二排中的 金属过孔，实现在立体空间的多次折叠，且天线振子呈螺旋折叠，进一步缩减 横向尺寸，天线的小型化程度更高。
59.应当理解的是，本实施例所述基于折叠振子的对数周期天线的其他结构与 上述实施例1提出的天线结构相同，该处不再赘述。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、
ꢀ“
具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明 书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描 述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中 以合适的方式结合。
61.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相 对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第 二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多 个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
62.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施 例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明 的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，包括：金属贴片和介质基板，所述介质基板的上、下表面排布有长度不同的天线振子，所述天线振子的一端连接平行双线，所述金属贴片设置在长度最短的天线振子处，金属贴片通过平行双线对所述天线振子进行馈电；在所述介质基板上沿每个天线振子的排布方向对应设置若干金属过孔，所述金属过孔贯穿所述介质基板且所述金属过孔的轴向与天线轴线方向平行，所述天线振子的另一端依次穿过其对应位置上的若干金属过孔。2.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，所述金属过孔呈两排布置，第一排所述金属过孔的数量大于第二排所述金属过孔的数量，所述天线振子的另一端先后交替穿过第一排中所述金属过孔和第二排中所述金属过孔，使得所述天线振子呈螺旋折叠。3.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，每一排中的若干所述金属过孔等间距排布。4.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，每一所述天线振子排布方向上设置的金属过孔的直径与该天线振子的宽度相同。5.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，每一所述天线振子排布方向上设置的金属过孔的数量为基于该天线振子的长度仿真确定。6.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，所述天线振子穿过所述金属过孔时，天线的电尺寸以仿真优化结果设定的工作频率所对应的电尺寸为基准。7.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，所述金属过孔中填充的介质为铜。8.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，所述介质基板为长方体，材料为f4b。9.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，所述介质基板的宽度s
x
＝18mm，长度s
y
＝28.2mm，厚度t＝1mm，介电常数ε
r
＝2.6，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。10.如权利要求1所述的基于折叠振子的对数周期天线，其特征在于，天线的集合线纵向长度l＝23.702mm且宽度为w＝3mm。

技术总结
本发明公开一种基于折叠振子的对数周期天线，属于微波天线技术领域，包括金属贴片和介质基板，介质基板的上、下表面排布有长度不同的天线振子，天线振子的一端连接平行双线，金属贴片设置在长度最短的天线振子处，金属贴片通过平行双线对天线振子进行馈电；实施例一：在介质基板上沿每个天线振子的排布方向对应设置若干金属过孔，金属过孔贯穿介质基板且金属过孔的轴向与天线轴线方向平行，天线振子的另一端依次穿过其对应位置上的若干金属过孔。实施例二：在介质板上打若干金属化过孔，可以使天线的振子依次通过，如实施例二的结构图所示，可以将天线振子螺旋化折叠。本发明通过设置金属过孔，天线振子依次穿过金属过孔，实现在立体空间的多次折叠，可有效地缩减横向尺寸，天线的小型化程度高。天线的小型化程度高。天线的小型化程度高。


技术研发人员：徐光辉 刘俐伸 朱浩然 沈慧宇 黄志祥 吴先良
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/1