一种电小尺寸分形单极子天线制造技术

本发明专利技术公开了一种电小尺寸分形单极子天线(长-0.049·λc，宽-0.041·λc，高-0.068·λc；λc为谐振频率)，其特征在于，它包括圆形金属地板、天线辐射体，天线辐射体包括分别由圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构造的辐射体、分别与两分形曲线辐射体连接的左右相互对称两条倒L形导体段、连接于左侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一、连接于右侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的水平圆环，其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体直接短路至金属地板，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体则与同轴馈线连接。本发明专利技术实现电小单极子天线的理想阻抗匹配、较高增益和良好效率，具有思路新颖、原理清晰、方法普适、加工容易等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信天线设备
，特别是涉及一种电小尺寸分形单极子天线。
技术介绍
天线是无线通信系统中最重要的部件之一。由于天线具有与工作波长可比拟的尺寸，因此当频率很低时，它的尺寸往往很大，如岸潜极低频(VLF)通信天线、坦克超高频(UHF)通信单鞭天线等。小型化和轻量化是现代无线通信设备始终追求的目标，天线已成为实现该目标的关键和瓶颈之一。当为了适应安装空间而将天线尺寸设计成远小于工作波长如小于0.1·λ甚至更小(电小天线)时，如寻呼机内置电小环天线，天线性能如带宽、增益、效率等指标会大大降低。尤其是电小尺寸天线，其输入阻抗通常实部RA很小，虚部XA则有很大的电抗分量，使得与标准50Ω同轴馈线匹配变得十分困难。这会引起天馈阻抗严重失配，造成天线反射损耗很大，因而增益和效率极低，例如常见的车载AM/FM广播天线。为了弥补小型化所带来的性能恶化，电小天线通常加载有源放大电路，将天线接收到的微弱信号放大数倍后再输入处理电路，从而达到近电尺度天线所具备的接收效果。然而，有源电小天线是仅考虑接收效果改善而不注重工作效率的一种天线。若用作发射天线，有源天线极低的效率使得其在工程实践中无法使用，因此常用作接收天线。综上所述，要改善电小天线的性能，首先得提高其输入阻抗，使其接近于50Ω，并努力降低Q值以增大带宽。这有赖于良好精巧的结构设计和合适的材料选用，这跟任何其他类型天线设计一样。电小天线也常采用加载集总元件如电阻、电感和电容的方法实现阻抗匹配，然而集总元件自身的高Q值和损耗会造成天线带宽及效率大大降低。而其他小型化方法如几何弯折、高介电常数材料、磁性材料等，则会造成输入阻抗减小、带宽变窄、增益和效率下降等。分形是近二十年以来新出现的实现天线小型化的有效方法，它利用分形几何的自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)来实现天线的多谐频和小型化。分形天线能在保持辐射特性基本不变的情况下，使几何尺寸显著缩减。然而，与常规几何弯折一样，分形天线在实现谐振频率显著降低的同时，其输入电阻也将大大减小。鉴于电小天线是工程应用中的一类重要天线，如何提升其性能成为天线研究领域中的一个重要方向。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在为UHF超高频通信提供一种电小尺寸、全向性、高增益、高效率的移动终端天线，并为一般的电小尺度线天线提供一种与50Ω标准阻抗实现理想匹配的方法。本专利技术是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种电小尺寸分形单极子天线(长-0.049·λc，宽-0.041·λc，高-0.068·λc；λc为谐振频率)，其特征在于，它包括设置有同轴线馈电孔和同轴线的圆形金属地板、直立于金属地板上的天线辐射体。天线辐射体包括：分别由两条经一次迭代的周期性圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构造的辐射体、分别与两分形导线 连接的左右相互对称的两条倒L形导体段、连接于左侧的倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一、连接于右侧的倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的水平圆环；其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体直接短路至金属地板，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体则与50Ω馈电同轴线连接。作为上述方案的进一步说明，所述圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端加载倒L形导体段，倒L形导体段的竖直部位下端连接圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端。一种电小尺寸分形单极子天线，其特征在于，它的设置方式包括以下步骤：步骤一，在XOZ平面构造一条宽度为Wi、水平长度为L0和迭代次数为Ii的格西普·皮亚诺平面分形曲线(Guiseppe Peano Curve)，各次迭代Ii的水平长度li与竖直高度mi之比为δi＝li/mi(i为迭代次数Ii)；步骤二，在直角坐标系下，按照步骤一所述方法，用直径为W1的导线构造一条一次迭代I1圆弧格西普·皮亚诺空间分形曲线，其水平段和竖直段分别为圆弧段和直线段，圆弧半径和弧度分别为R0和步骤三，按照步骤二所述方法，沿着+Z轴方向依次构造出N条一次迭代I1圆弧格西普·皮亚诺分形曲线；然后，将这些单元分形曲线首尾相连，构成一条更长的、周期性格西普·皮亚诺分形曲线；其竖直高度H等于各单元高度与初始段高度的总和，即H＝l0+(2·N+1)·l1(N为单元数目，N≥1)；步骤四，将步骤三中的N单元周期性分形曲线沿YOZ平面进行镜像复制，复制后左右两部分(X轴负/正半轴部分)间隔距离为s；步骤五，在步骤四所述的两条空间分形曲线末端(顶端)分别加载两条相同的倒L形导体段，其前段竖直部分高为l1，后段水平部分长为l；步骤六，在步骤五所述的两条倒L形导体水平段的末端分别加载一个长、宽、厚分别Lp、WP、TP为的竖直导体板，两导体板间隔距离为(s-TP)；步骤七，在步骤五所述的两条倒L形导体水平段中间偏竖直段位置分别加载一个竖直圆柱螺旋，螺旋直径、升角和线径分别为Dh、αh、Wh，旋向为左旋或右旋；步骤八，将步骤七所述的两条圆柱螺旋底端用一个直径和线径分别为DL和WL的圆环连接，连接点位于圆环的水平直径上；步骤九，在天线底端水平放置一个金属地板，金属地板上表面与步骤四所述+X轴部分的N单元周期性格西普·皮亚诺分形曲线始端平齐；步骤十，在步骤九所述的圆形金属地板与分形曲线始端平齐位置钻一圆孔，孔径等于50Ω标准同轴线外导体内径Dc，在该孔处安装带法兰盘的同轴连接头，如SMA型、N型、BNC型、TNC型头；步骤十一，将步骤四所述的-X轴部分N单元周期性格西普·皮亚诺分形曲线末端则短路到金属地板。作为上述方案的进一步说明，电小分形单极子天线选用的分形曲线类型为一次迭代格西普·皮亚诺分形曲线I1。优选地，电小分形单极子天线采用空间圆弧而非平面折线形式的一次迭代格西普·皮亚诺分形曲线I1来实现天线尺寸更显著的小型化。优选地，电小分形单极子天线采用两臂对称、折合的形式以实现阻抗加倍。优选地，所述电小分形单极子天线采用分布式电容电感串联加载的方法来实现电小尺寸下的理想阻抗匹配。优选地，迭代格西普·皮亚诺分形曲线的制作材料是宽度为Wi的印制导线或直径为Di的金属导线。优选地，所述金属地板形状为圆形、椭圆、方形或正多边形。优选地，电小分形单极子天线的分形曲线、加载的圆柱螺旋电感以及金属地板采用铜、铝或不锈钢材料制作。本专利技术采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：本专利技术独特地采用分形几何和分布式加载相结合的方法，使常规的超高频UHF频段单极子天线仅依靠精巧的结构设计即在较宽频带内实现了电小尺寸工作(＜＜0.1·λ；长-0.049·λc，宽-0.041·λc，高-0.068·λc；λc为谐振频率)；带内阻抗匹配良好、方向全向性好、增益和效率较高；尤其是谐振点，其输入阻抗几乎等于50Ω，增益和效率分别高达1.5dBi和95％。同时，本专利技术具有思路清晰、原理普适、结构简单、加工方便等特点等优点，使得单/偶极子天线这一天线领域中最原始、最简单、应用最广泛的的天本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电小尺寸分形单极子天线，其特征在于，它包括设置有同轴线馈电孔和同轴线的金属地板、直立于金属地板上的天线辐射体，天线辐射体包括分别由两条一次迭代的空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构造的辐射体、分别与两分形曲线辐射体连接的左右相互对称两条倒L形导体段、连接于左侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一、连接于右侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的水平圆环，其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体直接短路至金属地板，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体与同轴馈线连接。

【技术特征摘要】
1.一种电小尺寸分形单极子天线，其特征在于，它包括设置有同轴
线馈电孔和同轴线的金属地板、直立于金属地板上的天线辐射体，天线辐
射体包括分别由两条一次迭代的空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构
造的辐射体、分别与两分形曲线辐射体连接的左右相互对称两条倒L形导
体段、连接于左侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一、连接于右侧倒
L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的
水平圆环，其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体直接短路至金属
地板，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体与同轴馈线连接。
2.根据权利要求1所述的一种电小尺寸分形单极子天线，其特征在
于，所述圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端加载倒L形导体段，
倒L形导体段的竖直段下端连接圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶
端。
3.一种如权利要求1或2所述的电小尺寸分形单极子天线，其特征
在于，它的设置方式包括以下步骤：
步骤一，在XOZ平面构造一条宽度为Wi、水平长度为L0和迭代次数
为Ii的格西普·皮亚诺平面分形曲线，各次迭代Ii的水平长度li与竖直高度
mi之比为δi＝li/mi，i为迭代次数Ii；
步骤二，在直角坐标系下，按照步骤一所述方法，用直径为W1的导
线构造一条一次迭代I1圆弧格西普·皮亚诺空间分形曲线，其水平段和竖
直段分别为圆弧段和直线段，圆弧半径和弧度分别为R0和步骤三，按照步骤二所述方法，沿着+Z轴方向依次构造出N条一次
迭代I1圆弧格西普·皮亚诺分形曲线；然后，将这些单元分形曲线首尾相

\t连，构成一条更长的、周期性格西普·皮亚诺分形曲线；其竖直高度H等
于各单元高度与初始段高度的总和，即H＝l0+(2·N+1)·l1，N为单元数目，
N≥1；
步骤四，将步骤三中的N单元周期性分形曲线沿YOZ平面进行镜像
复制，复制后左右两部分，分别为X轴负半轴部分和X轴正半轴部分，
两部分间隔距离为s；
步骤五，在步骤四所述的两条空间分形曲线末端分别加载两条相同的
倒L形导体段，其前段竖直部分高为l1，后段水平部分长为l；
步骤六，在步骤五所述的两条倒L形导...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道铁，
申请(专利权)人：广东盛路通信科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44