CN110676575B - 一种小型化的高增益双频wifi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种小型化的高增益双频WIFI天线，包括介质板、微带馈电网络、焊盘、两个对称偶极子辐射单元、非对称偶极子辐射单元和“u”形枝节，所述微带馈电网络包括印制在介质板上层和下层的阶梯形微带线；每个偶极子单元包括印制在介质板上层和下层两个偶极子臂，偶极子臂由低频辐射枝节和高频辐射枝节组成，分别覆盖低频和高频带宽；偶极子单元均位于微带馈电网络的同侧，实现了天线的小型化；非对称偶极子单元与其中一个对称偶极子单元并联再与另一个对称偶极子单元串联，使天线辐射单元的电流同相，进而达到提高天线增益的目的；“u”形枝节起到调节天线相位的作用。本发明解决了天线尺寸过大、增益较低及全向性较差的技术问题。

Description

一种小型化的高增益双频WIFI天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的一种基于偶极子阵列天线形式的WIFi天线，该天线可用于路由器的外置收发天线，在空间受限的情况下可以提升路由器的高增益特性并同时保证天线的全向辐射特性。
背景技术
随着移动通信的飞速发展，WIFI终端成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。双频WIFI天线作为WIFI终端的必要组成部分经广泛应用于各种路由器设备中，双频WIFI天线按照安装方式可分为内置式和外置式两种。由于尺寸、成本、安装方式和位置等因素，内置式天线相对于外置天线其性能有所不足。外置式天线一般应用单极子天线或交叉偶极子天线形式，由于其结构简单，增益高而且全向性好等优点广泛应用于路由器设备中。但外置式天线一般尺寸较大，因此外置式WIFI天线的小型化也成为了目前必须解决的问题。
例如，2018年，广州创锦通信技术有限公司的唐江华等人在其申请的名称为“双频全向天线”(申请号201811421990.0，公开号CN 109728444 A)的专利文献中，公开了一种高增益的双频全向天线，包括高频双面覆铜PCB板、同轴电缆和射频连接器，高频双面覆铜PCB板的正面设有第一2.4GHz频段辐射振子、第一5GHz频段辐射振子、分频合一线路、馈电连接点、第一2.4GHz频段传输线路和第一5GHz频段传输线路，高频双面覆铜PCB板的背面设有第二2.4GHz频段辐射振子、第二5GHz频段辐射振子、平衡-不平衡转换器、第二2.4GHz频段传输线路和第二5GHz频段传输线路；分频合一线路中靠近所述第一5GHz频段辐射振子的一端设有一个阻抗匹配器。本发明具有较好的全向性以及较高的增益，但是尺寸较大，长度为297.85mm～299.25mm，宽度为26.46mm～27.55mm，使其应用受到极大的限制。
例如，2019年，广东盛路通信科技股份有限公司的杨华等人在其申请的名称为“一种双频双馈全向天线”(申请号201910522347.5，公开号CN 110190373 A)的专利文献中，公开了一种双频双馈全向天线，包括PCB基板；在PCB基板的一侧设置有第一同轴电缆、低频振子，第一同轴电缆的屏蔽线与低频振子的接地部分连接，第一同轴电缆的芯线与低频振子的辐射部分连接；在PCB基板的另一侧设置有第二同轴电缆、第三同轴电缆、第一高频振子、第二高频振子和高频段信号馈电点连接部分，第二同轴电缆的一端与第一高频振子连接，第二同轴电缆的另一端与第二高频振子和高频段信号馈电点连接部分连接，第三同轴电缆的一端与第二高频振子和高频段信号馈电点连接部分连接，高频段信号馈电点连接部分设置在第二高频振子的辐射体部分与接地部分之间。本发明在2.4-2.5GHz和5.15-5.85GHz工作频段内的增益分别大于2.3dBi和3.75dBi，由此可见增益较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种小型化的高增益双频WIFI天线，以解决现有的WIFI天线尺寸大和增益较低的技术问题。
实现本发明的具体思路是：采用具有低频枝节和高频枝节的偶极子作为主要辐射结构，通过阶梯形微带馈电线连接各个辐射单元，使各辐射单元的电流同相，并添加“u”形枝节来进一步调节辐射单元的相位，从而达到提高天线增益的目的，最后通过将天线辐射单元均放置于微带馈电网络的同侧来实现天线的小型化。
为实现上述目的，本发明的具体实现方案如下：
一种小型化的高增益双频WIFI天线，包括介质板、微带馈电网络、焊盘、两个对称偶极子辐射单元、非对称偶极子辐射单元和“u”形枝节，所述的焊盘由三个相同的长方形焊盘和一个环形焊盘组成，
所述微带馈电网络包括印制在介质板的上层阶梯形微带线和下层阶梯形微带线；所述两个对称偶极子单元分别位于介质板的两端；每个对称偶极子单元包括印制在介质板上层和下层的两个相同结构的偶极子臂，该偶极子臂由第一低频枝节和第一高频枝节组成；该上层和下层的偶极子臂分别与上层阶梯形微带馈电线和下层阶梯形微带馈电线相连；所述非对称偶极子单元包括印制在介质板的上层偶极子臂和下层偶极子臂，上层偶极子臂由第二低频枝节和第二高频枝节组成，且与上层阶梯形微带线相连，所述下层偶极子臂由第三低频枝节和第三高频枝节组成，且与下层阶梯形微带线相连；该非对称偶极子单元与两个对称偶极子单元均位于微带馈电网络的同侧；该非对称偶极子单元与其中一个对称偶极子单元并联再与另一个对称偶极子单元串联；所述“u”形枝节由长枝节和短枝节组成，该“u”形枝节与上层的阶梯形微带线相连接，以实现调节天线相位的作用。
上述权利要求中，所述的介质板的长度和宽度分别为L11和L12，其中，L11＝166～170mm，L12＝9～13mm。
上述权利要求中，所述的两个对称偶极子单元的上层偶极子臂与非对称偶极子单元的上层偶极子臂之间的间距分别为L21和L22，其中，L21＝63～67mm，L22＝52～56mm。
上述权利要求中，所述的第一低频枝节与第一高频枝节的长度分别为L41和L42，其中，L41＝17.3～19.3mm，L42＝12～14mm；第一低频枝节的宽度为L43，其中，L43＝4.3～6.3mm。
上述权利要求中，所述的第二低频枝节与第二高频枝节的长度分别为L51和L52，其中L51＝21.3-23.3mm，L52＝12～14mm；第三低频枝节与第三高频枝节长度分别为L53和L54，其中L53＝17.3～19.3mm，L54＝L52＝12～14mm。
上述权利要求中，所述的“u”形枝节的长枝节与短枝节的长度分别为L61和L62，其中，L61＝8.3～10.3mm，L62＝5～7mm；长枝节与短枝节的间距为L63，其中，L63＝2.7～3.7mm。
上述权利要求中，所述的三个相同的长方形焊盘之间的间距为L3，其中，L3＝12.6～14.6mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用两个对称偶极子单元和一个非对称偶极子单元，一个对称偶极子单元和非对称偶极子单元并联，再在相距非对称偶极子单元一个波长的距离处串联另一个对称偶极子单元，以此达到三个辐射单元电流同相的目的，同时，相对于四个偶极子单元的设计，大大减小了天线的总长度，克服了现有技术中天线尺寸大和增益较低的技术问题，实现天线的小型化设计和较高的增益。
2、本发明中的偶极子辐射单元均位于微带馈电网络的一侧，与采用沿着馈电线对称放置辐射枝节的方式相比，这样不仅极大地减小了天线结构的宽度，实现天线的小型化，而且对于天线的增益和全向性的影响很小。
3、本发明中介质板采用FR4介质板，且采用双面覆铜的印刷加工方式，使天线具有剖面低，结构简单易于加工且成本低等优点。
附图说明
图1为本发明WIFI天线的整体结构示意图
图2为本发明WIFI天线的平面结构示意图
图2的(a)为本发明WIFI天线介质板上层的平面结构示意图
图2的(b)为本发明WIFI天线介质板下层的平面结构示意图
图3为本发明WIFI天线焊盘结构示意图
图4为本发明WIFI天线对称偶极子辐射单元结构示意图
图5为本发明WIFI天线非对称偶极子辐射单元结构示意图
图6为本发明WIFI天线“u”形枝节结构示意图
图7为本发明WIFI天线VSWR仿真结果示意图
图8为本发明WIFI天线峰值增益仿真结果示意图
图9为本发明WIFI天线水平面峰值增益仿真结果示意图
图10为本发明WIFI天线在2.44GHz频点的水平面辐射方向图
图11为本发明WIFI天线在5.5GHz频点的水平面辐射方向图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1
参照附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和附图6
一种小型化的高增益双频WIFI天线，包括介质板1、微带馈电网络2、焊盘3、两个对称偶极子辐射单元4、非对称偶极子辐射单元5和“u”形枝节6，所述的焊盘3由三个相同的长方形焊盘3.1和一个环形焊盘3.2组成；
所述微带馈电网络2包括印制在介质板1的上层阶梯形微带线2.1和下层阶梯形微带线2.2；所述两个对称偶极子单元4分别位于介质板1的两端；每个对称偶极子单元4包括印制在介质板1上层和下层的两个相同结构的偶极子臂4.1，该偶极子臂4.1由第一低频枝节4.1.1和第一高频枝节4.1.2组成；该上层和下层的偶极子臂4.1分别与上层阶梯形微带馈电线2.1和下层阶梯形微带馈电线2.2相连；所述非对称偶极子单元5包括印制在介质板的上层偶极子臂5.1和下层偶极子臂5.2，上层偶极子臂5.1由第二低频枝节5.1.1和第二高频枝节5.1.2组成，且与上层阶梯形微带线2.1相连，所述下层偶极子臂5.2由第三低频枝节5.2.1和第三高频枝节5.2.2组成，且与下层阶梯形微带线2.2相连；该非对称偶极子单元5与两个对称偶极子单元4均位于微带馈电网络2的同侧；该非对称偶极子单元5与其中一个对称偶极子单元4并联再与另一个对称偶极子单元4串联；所述“u”形枝节6由长枝节6.1和短枝节6.2组成，该“u”形枝节6与上层的阶梯形微带线2.1相连接，以实现调节天线相位的作用。
本发明中的微带馈电网络2设计为阶梯形微带线是为了调节微带馈电线的阻抗，使得天线获得更好的阻抗匹配特性；本发明中的非对称偶极子单元5与其中一个对称偶极子单元4并联，在相距非对称偶极子单元5约一个波长处与另一个对称偶极子单元4串联，这种排布方式使得天线辐射单元上的电流具有良好的同相特性，进而起到提高天线增益的目的；本发明中的非对称偶极子单元5和对称偶极子单元4均位于微带馈电网络2的同侧，这种设计极大地减小了天线的尺寸，实现了天线的小型化设计。
所述的介质板1的长度和宽度分别为L11和L12，其中，L11＝166～170mm，L12＝9～13mm，长度优选L11＝168mm，L12＝10.5mm。
所述的两个对称偶极子单元4的上层偶极子臂4.1与非对称偶极子单元5的上层偶极子臂5.1之间的间距分别为L21和L22，其中，L21＝63～67mm，L22＝52～56mm，长度优选为L21＝64mm，L22＝54mm。
所述的第一低频枝节4.1.1与第一高频枝节4.1.2的长度分别为L41和L42，其中，L41＝17.3～19.3mm，L42＝12～14mm，长度优选为L41＝18.3mm，L42＝14mm；第一低频枝节4.1.1的宽度为L43，其中，L43＝4.3～6.3mm，长度优选为L43＝5.3mm。
本发明中第一低频枝节4.1.1与第一高频枝节4.1.2分别作为低频辐射枝节和高频辐射枝节，长度分别为低频段和高频段的约四分之一个工作波长，因此在低频段和高频段均产生谐振，并能够覆盖2.4-2.5以及5.15-5.85GHz频段。
所述的第二低频枝节5.1.1与第二高频枝节5.1.2的长度分别为L51和L52，其中L51＝21.3-23.3mm，L52＝12～14mm，长度优选为L51＝22.3mm，L52＝13mm；第三低频枝节5.2.1与第三高频枝节5.2.2长度分别为L53和L54，其中L53＝17.3～19.3mm，L54＝L52＝12～14mm，长度优选为L53＝18.3mm和L54＝13mm。
本发明中非对称偶极子单元5的两个偶极子臂是不对称的，这是为了调整天线相位，使得天线单元上的电流尽量达到同相的状态，以此达到提高天线增益的目的。
所述的“u”形枝节6的长枝节6.1与短枝节6.2的长度分别为L61和L62，其中，L61＝8.3～10.3mm，L62＝5～7mm长度优选为L61＝9.3mm和L62＝6mm；长枝节与短枝节的间距为L63，其中，L63＝2.7～3.7mm，长度优选为L63＝3.2mm。
本发明中“u”形枝节也是起到调节相位的作用，使得辐射单元上的电流同相性更好，以此来达到进一步提高天线增益的目的。
所述的三个相同的长方形焊盘3.1之间的间距为L3，其中，L3＝12.6～14.6mm，长度优选为L3＝13.6mm。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：
所述的介质板1的长度和宽度分别为L11和L12，其中，L11＝166～170mm，L12＝9～13mm，L11＝166mm，L12＝9mm。
所述的两个对称偶极子单元4的上层偶极子臂4.1与非对称偶极子单元5的上层偶极子臂5.1之间的间距分别为L21和L22，其中，L21＝63～67mm，L22＝52～56mm，L21＝63mm，L22＝52mm。
所述的第一低频枝节4.1.1与第一高频枝节4.1.2的长度分别为L41和L42，其中，L41＝17.3～19.3mm，L42＝12～14mm，L41＝17.3mm，L42＝12mm；第一低频枝节4.1.1的宽度为L43，其中，L43＝4.3～6.3mm，L43＝4.3mm。
所述的第二低频枝节5.1.1与第二高频枝节5.1.2的长度分别为L51和L52，其中L51＝21.3-23.3mm，L52＝12～14mm，L51＝21.3mm，L52＝12mm；第三低频枝节5.2.1与第三高频枝节5.2.2长度分别为L53和L54，其中L53＝17.3～19.3mm，L54＝L52＝12～14mm，L53＝17.3mm，L54＝L52＝12mm。
所述的“u”形枝节6的长枝节6.1与短枝节6.2的长度分别为L61和L62，其中，L61＝8.3～10.3mm，L62＝5～7mm，L61＝8.3mm，L62＝5mm；长枝节与短枝节的间距为L63，其中，L63＝2.7～3.7mm，L63＝2.7mm。
所述的三个相同的长方形焊盘3.1之间的间距为L3，其中，L3＝12.6～14.6mm，长度优选为L3＝12.6mm。
实施例3
所述的介质板1的长度和宽度分别为L11和L12，其中，L11＝166～170mm，L12＝9～13mm，L11＝170mm，L12＝13mm。
所述的两个对称偶极子单元4的上层偶极子臂4.1与非对称偶极子单元5的上层偶极子臂5.1之间的间距分别为L21和L22，其中，L21＝63～67mm，L22＝52～56mm，L21＝67mm，L22＝56mm。
所述的第一低频枝节4.1.1与第一高频枝节4.1.2的长度分别为L41和L42，其中，L41＝17.3～19.3mm，L42＝12～14mm，L41＝19.3mm，L42＝14mm；第一低频枝节4.1.1的宽度为L43，其中，L43＝4.3～6.3mm，L43＝6.3mm。
所述的第二低频枝节5.1.1与第二高频枝节5.1.2的长度分别为L51和L52，其中L51＝21.3-23.3mm，L52＝12～14mm，L51＝23.3mm，L52＝14mm；第三低频枝节5.2.1与第三高频枝节5.2.2长度分别为L53和L54，其中L53＝17.3～19.3mm，L54＝L52＝12～14mm，L53＝19.3mm，L54＝L52＝14mm。
所述的“u”形枝节6的长枝节6.1与短枝节6.2的长度分别为L61和L62，其中，L61＝8.3～10.3mm，L62＝5～7mm，L61＝10.3mm，L62＝7mm；长枝节与短枝节的间距为L63，其中，L63＝2.7～3.7mm，L63＝3.7mm。
所述的三个相同的长方形焊盘3.1之间的间距为L3，其中，L3＝12.6～14.6mm，长度优选为L3＝14.6mm。
以下结合仿真试验，对本发明的技术效果做进一步描述：
参照附图7，横轴表示频率，纵轴表示天线的驻波。图中曲线表示为本发明的驻波仿真曲线。从天线驻波随频率的变化曲线可以看出，该发明完全覆盖2.4-2.5GHz以及5.15-5.85GHz，且在工作频段内VSWR<2。
参照附图8，横轴表示频率，纵轴表示天线的峰值增益。图中曲线表示为本发明峰值增益的仿真曲线。从天线的峰值增益随频率的变化曲线可以看出，在2.4-2.5GHz频段内，低频增益大于4.5dBi，在5.15-5.85GHz频段内，峰值增益大于5.9dBi。
参照附图9，横轴表示频率，纵轴表示天线的水平面峰值增益。图中曲线表示为本发明水平面峰值增益的仿真曲线。从天线的峰值增益随频率的变化曲线可以看出，在2.4-2.5GHz频段内，水平面峰值增益大于4.4dBi，在5.15-5.85GHz频段内，水平面峰值增益大于5.45dBi。
参照附图10，图中曲线表示为本发明在2.44GHz频点的水平面辐射方向图。由此可以看出本发明的不圆度较好，不圆度是衡量天线全向性辐射的重要指标，因此可以说明，在低频段天线具有良好的全向辐射特性。
参照附图11，图中曲线表示为本发明在5.5GHz频点的水平面辐射方向图。由此可以看出本发明在高频段仍具有良好的全向辐射特性。
以上仿真结果说明，本发明在低频2.4～2.5GHz和高频5.15～5.85GHz频带内都具有良好的匹配、高增益以及全向辐射特性。
以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化的高增益双频WIFI天线，包括介质板(1)、微带馈电网络(2)、焊盘(3)、两个对称偶极子单元(4)、非对称偶极子单元(5)和“u”形枝节(6)，所述的焊盘(3)由三个相同的长方形焊盘(3.1)和一个环形焊盘(3.2)组成，其特征在于：
所述微带馈电网络(2)包括印制在介质板(1)的上层阶梯形微带线(2.1)和下层阶梯形微带线(2.2)；所述两个对称偶极子单元(4)分别位于介质板(1)的两端；每个对称偶极子单元(4)包括印制在介质板(1)上层和下层的两个相同结构的偶极子臂(4.1)，该偶极子臂(4.1)由第一低频枝节(4.1.1)和第一高频枝节(4.1.2)组成；该上层和下层的偶极子臂(4.1)分别与上层阶梯形微带线(2.1)和下层阶梯形微带线(2.2)相连；所述非对称偶极子单元(5)包括印制在介质板的上层偶极子臂(5.1)和下层偶极子臂(5.2)，上层偶极子臂(5.1)由第二低频枝节(5.1.1)和第二高频枝节(5.1.2)组成，且与上层阶梯形微带线(2.1)相连，所述下层偶极子臂(5.2)由第三低频枝节(5.2.1)和第三高频枝节(5.2.2)组成，且与下层阶梯形微带线(2.2)相连；该非对称偶极子单元(5)与两个对称偶极子单元(4)均位于微带馈电网络(2)的同侧；该非对称偶极子单元(5)与其中一个对称偶极子单元(4)并联再与另一个对称偶极子单元(4)串联；所述“u”形枝节(6)由长枝节(6.1)和短枝节(6.2)组成，该“u”形枝节(6)与上层的阶梯形微带线(2.1)相连接，以实现调节天线相位的作用。
2.根据权利要求1所述的一种小型化的高增益双频WIFI天线，其特征在于：所述的介质板(1)的长度和宽度分别为L11和L12，其中，L11＝166～170mm，L12＝9～13mm。
3.根据权利要求1所述的一种小型化的高增益双频WIFI天线，其特征在于：所述的两个对称偶极子单元(4)的上层偶极子臂(4.1)与非对称偶极子单元(5)的上层偶极子臂(5.1)之间的间距分别为L21和L22，其中，L21＝63～67mm，L22＝52～56mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型化的高增益双频WIFI天线，其特征在于：所述的第一低频枝节(4.1.1)与第一高频枝节(4.1.2)的长度分别为L41和L42，其中，L41＝17.3～19.3mm，L42＝12～14mm；第一低频枝节(4.1.1)的宽度为L43，其中，L43＝4.3～6.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种小型化的高增益双频WIFI天线，其特征在于：所述的第二低频枝节(5.1.1)与第二高频枝节(5.1.2)的长度分别为L51和L52，其中L51＝21.3-23.3mm，L52＝12～14mm；第三低频枝节(5.2.1)与第三高频枝节(5.2.2)长度分别为L53和L54，其中L53＝17.3～19.3mm，L54＝L52＝12～14mm。
6.根据权利要求1所述的一种小型化的高增益双频WIFI天线，其特征在于：所述的“u”形枝节(6)的长枝节(6.1)与短枝节(6.2)的长度分别为L61和L62，其中，L61＝8.3～10.3mm，L62＝5～7mm；长枝节与短枝节的间距为L63，其中，L63＝2.7～3.7mm。
7.根据权利要求1所述的一种小型化的高增益双频WIFI天线，其特征在于：所述的三个相同的长方形焊盘(3.1)之间的间距为L3，其中，L3＝12.6～14.6mm。
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