CN108717993A - 一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射单元的结构形式技术领域，公开了一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线，包括天线辐射体、一体化馈电网络和反射体三部分。印刷偶极子辐射单元每面四个偶极子辐射单元间隔一定距离依次反向排列组成阵列印刷在介质板的一侧，实现了天线的高增益能量辐射；一体化馈电网络的并联馈电网络和宽带巴伦一体化集成设计，偶极子阵列与馈电网络共地连接，实现了天线的宽频带工作和紧凑的结构；天线反射体由两个相同的金属反射柱组成，两个金属反射柱间隔相同距离对称分布于天线主体两侧，改善了天线不圆度，实现了天线的全向辐射。本发明在保证宽频带、高增益全向工作的前提下，具有结构简单和横向尺寸小的优点。

Description

一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线

技术领域

本发明属于辐射单元的结构形式技术领域，尤其涉及一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着人类社会科学技术的飞速发展和社会经济发展水平的持续提升，移动无线电通信也日益普及，通信***的宽带化对天线的带宽也提出了更高的要求，导致了各种宽带、超宽带天线的出现。同时，天线***的工作环境越来越复杂，为了保证通信质量，用于移动通信的天线主要需要满足以下应用条件：应用频带宽、高增益、体积小、良好的全向辐射特性。全向天线是指在水平面可以实现360°均匀辐射，垂直面内具有一定波束宽度的天线。全向天线发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收，同时也可接收来自水平面各个方向的信号。通常，全向辐射特性的天线由振子型全向天线单元构成，如单极子、对称振子、印刷偶极子和双锥天线等，但是这类天线的主要缺点是增益较低。为了能够保证通信质量，一般要求天线的增益比较高，要实现高增益，必须使用纵向阵列来实现。天线阵列的馈电方式分为并联馈电和串联馈电。常见的串联馈电阵列工作频带较窄，适用于对工作频带要求不高的环境中。并联馈电在不同工作频率可保证各单元激励能量的幅度和相位相等，在工作频带之内可以得到稳定的方向图，可以实现宽频带工作。但是并联馈电阵列一般需要复杂的功分网络，使得尺寸加大而且水平面不圆度也比较差。一种宽带全向阵列天线，为采用平面印刷偶极子组成阵列，在介质板的两侧边缘分别引入寄生偶极子，同时在每个初始平面偶极子单元中另外引入一个垂直的金属面振子臂，从而使得该天线带宽增加。该天线工作频率为1.62-2.75GHz，相对带宽为51.7％，最大增益为7dB。但是该天线横向尺寸较大，约为0.83个介质波长；而且由于引入多个垂直振子，使得天线结构变得较为复杂，整体重量增加，不便加工；在工作带宽内，该天线水平面不圆度为2.3-3.5dB，这表明该天线在水平面内能量辐射不够均匀，全向性能有进一步提高的空间。在移动通信***中通常要求天线辐射的信号在水平面是全向覆盖的，不圆度一般要求小于3dB，解决该问题可使得天线在水平面360°内辐射更加均匀，从而有助于移动通信***通信质量的提升。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)引入多个垂直振子，使得天线结构变得较为复杂，整体重量增加，不便加工。

(2)该天线横向尺寸较大，约为0.83个介质波长。

(3)在工作带宽内，该天线水平面不圆度为2.3-3.5dB，不能满足移动通信***对于全向性能的要求。

解决上述技术问题的难度和意义：

解决上述问题难点和关键在于：

1)减少天线的辐射单元，在不引入寄生垂直振子的情况下，使天线重量减轻的同时不圆度性能得到提升。

2)在保证天线带宽和增益等电性能的同时，通过天线辐射单元及其馈电结构的合理布局，使得天线结构更加紧凑。

在移动通信***中，宽带高增益天线已经很普及，但是现有宽带高增益天线一般都采用阵列天线的结构，尺寸较大，同时全向性能还有很大提升空间。因此设计一种既能满足带宽和增益要求，又能使不圆度显著降低，同时使天线尺寸减小，结构较为简单的小型化宽带全向天线成为一种迫切需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线。

本发明是这样实现的，一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线，所述基于一体化设计的宽带高增益全向天线包括：天线辐射体、一体化馈电网络、反射体；

所述天线辐射体由印刷在介质板两面上的四个相同规格的印刷偶极子辐射单元组成；

所述一体化馈电网络由宽带巴伦、一分四并联馈电网络、阵列馈电端口和地板集成在一起；宽带巴伦和一分四并联馈电网络集成馈电；所述阵列馈电端口位于一分四并联馈电网络中心位置；

所述反射体由两个相同的反射柱组成；两个反射柱间隔相同距离对称分布于天线辐射体两侧。

通过本发明这样的设计，可以使得天线在保证工作带宽和增益的同时，不圆度性能得到提升，同时天线横向尺寸减小，结构更加紧凑。一种宽带全向阵列天线，带宽为51.7％，频带内不圆度为2.3-3.5dB，增益小于7dB，天线横向尺寸为0.83个介质波长；而本发明所述一种基于一体化的宽带高增益全向天线，带宽为52％，不圆度在全频带内小于1.5dB，增益大于7dB，天线横向尺寸为仅为0.7个介质波长。

进一步，在介质板上印刷偶极子辐射单元的另一侧对应位置，印制同样大小的偶极子辐射单元，并通过金属销钉连接双面印刷结构。这样的设计等效加粗了振子的直径，从而展宽了天线的工作带宽，单面印刷相对带宽为47％，双面印刷为52％。

进一步，四个印刷偶极子辐射单元间隔依次反向排列组成偶极子阵列。使得天线在工作频带内具有较高的增益，全频带增益在7dB以上。

进一步，所述印刷偶极子阵列由对称一分四并联馈电网络馈电，使得印刷偶极子辐射单元获得等幅同相的激励。采用印刷偶极子一分四并联馈电网络与宽带巴伦一体化集成，馈电网络的地与偶极子阵列的地板共用，使得天线结构紧凑，横向尺寸仅为0.7个介质波长，达到小型化的目的。

进一步，反射柱为金属材质的圆柱体，长度为600mm，直径为2mm，与天线主体所在的介质板之间距离天线为39mm。金属反射柱可以将方向图压缩，使得在水平面内达到均匀辐射的效果。无反射柱时，天线的不圆度大于4dB，加上反射柱后，水平面内全频带不圆度小于1.5dB。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于一体化设计的宽带高增益全向天线的移动通信***。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过对印刷偶极子间隔反向排列形成直线阵并馈以等幅同相的激励，实现了天线在A、B两个方向大小相等的高增益能量辐射；使用多级并联馈电网络和微带巴伦可以对天线输入阻抗进行变换，大大展宽天线的工作带宽；在介质板两侧使用双面印刷振子，实现天线带宽的进一步展宽；分别在C、D两方向各加一条金属反射体，使方向图在C、D两方向得到压缩，来增强A、B两方向的辐射。调整反射体离振子的距离及反射体的长度，使A、B、C、D四个方向的辐射基本均匀，使不圆度指标达到要求。对微带馈电网络与天线进行了一体化设计，使微带馈电网络的地与阵列的接地共用，馈电网络和宽带巴伦集成，构成一个结构紧凑的天线***。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的整体结构示意图；

图中：(a)正视图；(b)俯视图；

图2是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的偶极子辐射单元和巴伦结构图；

图3是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的馈电网络结构图；

图4是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的馈电网络和巴伦一体化结构图；

图5是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的电压驻波比曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的E面辐射方向图；

图7是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的H面辐射方向图；

图8是本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线的增益曲线示意图；

图中：1、印刷偶极子辐射单元；2、介质板；3、宽带巴伦；4、并联馈电网络；5、阵列馈电端口；6、反射柱；7、地板；8、金属销钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明选择宽带印刷对称振子结构作为辐射单元，组成四元纵向阵列，印刷偶极子阵列和馈电网络分列介质板两侧。天线馈电网络和印刷偶极子馈电宽带巴伦相集成，微带馈电网络的地与阵列的接地共用，构成了一个结构紧凑的馈电***。研制出的天线性能优、成本低、重量轻，可实现快速安装，提高整体结构的可靠性。

如图1所示，本发明实施例提供的基于一体化设计的宽带高增益全向天线包括：印刷偶极子辐射单元1、介质板2、宽带巴伦3、并联馈电网络4、阵列馈电端口5、反射柱6、地板7、金属销钉8。

印刷偶极子辐射单元1采用介质板2敷铜印刷的形式，并采用微带宽带巴伦进行馈电，这种结构具有较宽的阻抗带宽。介质板采用聚四氟乙烯材料，厚度为1mm，介电常数2.65，介质板宽度80mm，约为0.7个介质波长。

如图2所示，印刷偶极子臂长a约为1/2个波长，经计算取为94mm，宽度b＝18mm，振子臂离共用地的距离L0＝36mm。两振子臂之间槽缝长度s＝54mm，宽度W0为1mm；宽带巴伦3，其开路段的总线长一般选取为四分之一介质波长长度，经优化计算最终长度L1＝38.5mm，线宽W1＝1.87mm；馈电段的长度L2＝27.3mm.线宽W2＝2.7mm。

将四个相同的印刷偶极子辐射单元1依次反向排列组成偶极子直线阵印刷在介质板(2)上，偶极子辐射单元之间间距一般取为一个介质波长，经计算和仿真优化，最终间距取为140mm。

加双面振子，即在介质板2上每个印刷偶极子辐射单元1的另一侧对应位置，印制同样大小规格的偶极子辐射单元，采用在偶极子辐射单元过孔***金属销钉8来连接双面印刷结构，可进一步拓宽阻抗带宽，金属销钉8的直径为2.2mm。

如图3所示，使用一分四并联馈电网络4对印刷偶极子辐射阵列馈以等幅同相的激励，保证了天线在宽频带内能量辐射方向的稳定性，使天线在一定空间内可以获得高增益定向辐射特性。一分四并联馈电网络4，其馈电输入段阻抗应为50欧姆，经计算线宽为W3＝2.7mm；阻抗变换段阻抗应为70.7欧姆，经计算线宽为W4＝1.5mm，线长为L3＝32mm。阵列馈电端口5位于整个馈电网络的中心位置。

将并联馈电网络4和宽带巴伦3进行一体化集成设计，将馈电网络的地板7与偶极子阵列的地板7共用，使得天线结构紧凑，达到了小型化的目的。

本发明为实现水平全空域能量的均匀辐射，在振子面与馈线面上方加上两个相同的金属反射柱6，金属反射柱6平行于偶极子阵列排列方向放置。这一举措在解决方向图的不圆度上是一关键突破技术。金属反射柱6，采用两根相同的铜柱，长度为600mm，直径为2mm，与天线主体所在的介质板之间的距离为39mm。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

利用仿真软件HFSS13.0对天线模型进行了仿真，然后进行实物加工及测试。图5给出了天线的电压驻波比的测试结果。如图所示，结果表明，天线模型VSWR≤2的工作频带为1.15-1.95GHz，相对带宽为52％，可以满足宽带全向通信***的要求。

图6和图7分别是对天线测试得到的E面和H面方向图。方向图表征工作频带内天线在空间的能量分布。图6表明天线的E面方向图主瓣为倒“8”字形，最大方向指向水平面，表明天线的能量主要集中在水平面。从图7结果可以看出本发明天线在工作频带内的不圆度小于1.5dB，表明本发明天线辐射的能量在水平面较为均匀分布，即在工作频带内都具有良好的全向性，可以较好地满足全向通信要求。

图8是对实施例天线测试得到的增益随工作频率变化的曲线。从图8可以看出，本发明天线在工作频带内具有较高的增益，全频带增益在7dB以上。

本发明提出的基于一体化设计的宽带高增益全向天线具有良好的电性能指标，满足高增益、宽频带工作的基本要求，同时天线具有较好的全向辐射特性，较好地满足宽带高增益全向通信***的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于一体化设计的宽带高增益全向天线，其特征在于，所述基于一体化设计的宽带高增益全向天线包括：天线辐射体、一体化馈电网络、反射体；

所述天线辐射体由印刷在介质板两面上的四个相同规格的印刷偶极子辐射单元组成；

所述一体化馈电网络由宽带巴伦、一分四并联馈电网络、阵列馈电端口和地板集成在一起；宽带巴伦和一分四并联馈电网络集成馈电；所述阵列馈电端口位于一分四并联馈电网络中心位置；

所述反射体由两个相同的反射柱组成；两个反射柱间隔相同距离对称分布于天线辐射体两侧。

2.如权利要求1所述的基于一体化设计的宽带高增益全向天线，其特征在于，在介质板上印刷偶极子辐射单元的另一侧对应位置，印制同样大小的偶极子辐射单元，并通过金属销钉连接双面印刷结构。

3.如权利要求2所述的基于一体化设计的宽带高增益全向天线，其特征在于，四个印刷偶极子辐射单元间隔依次反向排列组成偶极子阵列。

4.如权利要求1所述的基于一体化设计的宽带高增益全向天线，其特征在于，所述印刷偶极子阵列由对称一分四并联馈电网络馈电，采用印刷偶极子一分四并联馈电网络与宽带巴伦一体化集成，馈电网络的地与偶极子阵列的地板共用。

5.如权利要求4所述的基于一体化设计的宽带高增益全向天线，其特征在于，反射柱为金属材质的圆柱体，长度为600mm，直径为2mm，与天线主体所在的介质板之间距离天线为39mm。

6.一种应用权利要求1～5任意一项所述基于一体化设计的宽带高增益全向天线的移动通信***。