專利名稱：小型水平極化超高頻縫隙天線的制作方法
技術領域：
本發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，屬于無線通信領域。
背景技術：
目前，以移動通信為代表的無線通信發展迅速。隨著通信容量、質量、內容等要求的提高和集成電路技術的發展，多媒體數字通信方式越來越受到人們的重視，同時移動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。例如最近上海市數字電視已經開播，而公交車、各類小轎車等將是主要用戶之一。我國電視發射大都采用水平極化方式，因此研究開發小型水平極化UHF(超高頻)接收天線成為當務之急。同時這類天線也是采用水平極化的通信系統中車載設備的關鍵部分。
天線形式成千上萬，但小型水平極化UHF天線一直是天線設計中的一個難點，主要矛盾在于要求在限定的幾何參數和物理條件下在UHF波段實現水平極化接收。經文獻檢索發現，1946年由Andrew Alford提出的哀福特縫隙(Alford Slot)天線具有水平極化收、發功能，其結構是在一個圓形金屬空心管上沿軸向開一條縫隙。但有關這一天線的輻射機理還不清楚、設計方法還不成熟。為了滿足數字電視移動接收的需要，最近歐、美的天線研究者進行了哀福特縫隙天線的設計和測試，在httP∥www.qsl.ncl/kd2b/atv.html上報道了“Measured Performance Of The WB0QCD Alford-Slot Antenna”(WB0QCD哀福特縫隙天線的測量性能)，報道說″5.6dBd gain...flat VSWR and good gainbandwidth performance over the entire 420-440 MHz band...″(增益5.6dB，在整個420-440MHz頻帶內具有平坦的駐波特性和良好的增益帶寬性能)。但是這一研究結果還很不成熟，增益、方向圖、輸入電壓駐波比等參數隨著頻率敏感變化。方向圖在俯仰面內可能出現柵瓣并且最大值不在水平方向，天線增益測試結果極不穩定，起伏可能大于4dB，最小駐波比僅為在420-440MHz頻帶內2∶1。即使認可其水平極化輻射特性而放寬對其他電性能參數的要求，大于2倍波長的結構在UHF波段也很難在實際車載系統中使用的。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，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特性又具有緊湊的幾何結構，能夠適合于車載等移動場合應用需要并具有高增益。本發明是通過以下技術方案實現的，為了實現小電尺寸水平極化接收，本發明采用端點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電率的金屬空心管材或進行鍍銀等處理。
本發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，切角的起始點和終止點分別為兩條縫隙的中心軸線的曲折處端點。將金屬空心管展開后，兩個縫隙的相對位置為任何相同點之間(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；如果應用場合對長度限制嚴格，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。
本發明天線在縫隙下方饋電點平衡饋電，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，另一頭芯線對芯線、外導體對外導體連接，然后分別與75歐姆饋電同軸電纜線的芯線和外導體連接；由于天線饋電點輸入阻抗還與金屬空心管材料、厚度等有關，并可能引入電抗分量，可以調節上述二分之一波長同軸電纜線的長度，抵消電抗分量，實現匹配；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連接處均為內外導體分別對應連接；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現調節阻抗匹配的目的。
本發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際移動數字電視接收中使用的缺點。實驗表明，縫隙波長大于實際波長，約為1.5倍。因此在1.5倍波長的范圍內，縫隙上的等效磁流將是同相分布的，可以用單個天線實現大于普通振子天線的增益。換言之，如果進行終端加載，就可以在比普通加載振子天線更大的范圍內實現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，由于移動數字電視接收等實際使用中天線安裝在汽車上，由鏡象原理，將能夠達到近似二分之一波長天線的效果。為了進一步減小尺寸，進行終端加載，以提高縱向長度內的有效長度。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，將不會增加天線的幾何尺寸。同時為了提高增益并克服折縫引起的結構不對稱導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，由于天線空間旋轉角度與相位延遲等價(如螺旋天線等)，上述兩條縫隙就可以實現空間輻射同相迭加。
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增加E面方向圖的均勻性。
本發明具有實質性特點和顯著進步，實現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現了大于普通半波振子天線1dB以上的增益；實現了水平極化接收，克服了傳統哀福特縫隙天線幾何參數、電特性對頻率敏感變化的缺點(如在UHF波段的13MHz的頻率范圍內，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，更便于設計、調試；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，但比后者更穩定，而且除了兩個凹陷區域，其他區域波動很小，由于城市中多徑效應復雜，來波信號方向將不是唯一的，這一方向圖將足以滿足城市移動數字電視的接收要求。


圖1本發明雙折縫天線結構示意2本發明雙折縫天線軸向展開示意3本發明雙門形縫隙天線結構示意4本發明雙門形縫隙天線軸向展開示意圖具體實施方式
如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明采用端點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，切角的起始點和終止點分別為兩條縫隙的中心軸線的曲折處端點，金屬空心管3展開后，兩個縫隙的相對位置為任何相同點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。
本發明在縫隙1和2下方饋電點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4，另一頭芯線對芯線、外導體對外導體連接，然后分別與75歐姆饋電同軸電纜線的芯線和外導體連接；抵消電抗分量，實現匹配通過調節上述二分之一波長同軸電纜線的長度實現；四條縫隙的情況下，用四分之一波長同軸電纜線從饋電點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連接處均為內外導體分別對應連接，改變二分之一波長同軸電纜線的長度實現調節阻抗的匹配。
結合本發明的內容提供以下實施例實施例1雙折縫天線實際加工了一副雙折縫天線，并實驗測量了該天線的主要電性能參數S11、電壓駐波比、增益和方向圖。該天線設計調諧于800MHz。S11和電壓駐波比的實際測量結果顯示實際上存在兩個諧振點，分別為800MHz和815MHz，駐波比小于1.6的帶寬達58MHz(766-824MHz)。該例天線的E面(θ＝90°，水平面內)方向圖實驗測量結果表明在120°范圍內方向圖起伏小于2dB、在270°范圍內方向圖起伏小于5dB。最大凹陷深度為12dB。有兩個凹陷點，發生的位置基本對稱。實測天線增益大于2dBi。
實施例2雙門形縫天線實際加工了一副雙門形縫隙天線，并實驗測量了該天線的主要電性能參數S11、電壓駐波比、增益和方向圖。該天線設計調諧于722MHz(39頻道)。S11和電壓駐波比的實際測量結果顯示實際上存在兩個諧振點，分別為722MHz和748MHz，駐波比小于1.6的帶寬達48MHz(706.5-754.5MHz)。該例天線的E面(θ＝90°，水平面內)方向圖實驗測量結果表明在120°范圍內方向圖起伏小于1dB、在260°范圍內方向圖起伏小于5dB。最大凹陷深度為14dB。有兩個凹陷點，發生的位置基本對稱。實測天線增益大于3dBi。
權利要求
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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，切角的起始點和終止點分別為兩條縫隙的中心軸線的曲折處端點，金屬空心管(3)展開后，兩個縫隙的相對位置為任何相同點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.根據權利要求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(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換器。
6.根據權利要求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(4)，另一頭芯線對芯線、外導體對外導體連接，然后分別與75歐姆饋電同軸電纜線的芯線和外導體連接，抵消電抗分量，實現匹配通過調節上述二分之一波長同軸電纜線的長度實現。
7.根據權利要求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(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連接處均為內外導體分別對應連接，改變二分之一波長同軸電纜線的長度實現調節阻抗的匹配。
8.根據權利要求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域。本發明采用端點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。本發明實現了大于相同尺寸普通振子天線的增益；實現了水平極化接收，克服了傳統哀福特縫隙天線幾何參數、電特性對頻率敏感變化的缺點，更便于設計、調試；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，但比后者更穩定，而且除了兩個凹陷區域，其他區域波動很小，這一方向圖將足以滿足城市移動數字電視的接收要求。
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 優先權日2002年12月30日
發明者金榮洪 申請人:上海交通大學