CN110867655A - 一种高前后比定向天线 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高前后比定向天线，包括相互平行设置的电偶极子天线单元和磁偶极子天线单元；磁偶极子天线单元设置在电偶极子天线单元的后方，可激发形成与电偶极子天线单元发射的信号波频率相同的电磁波，并且磁偶极子天线单元激发电磁波的方向图与电偶极子天线单元发射信号波的方向图互补，以形成电屏和互补电屏关系，以利用方向图叠加原理，通过阵列天线方向图合成，形成定向辐射，提高天线前后比。本申请提供的高前后比定向天线结构简单，易于量产，在保证天线具有良好定向辐射特性的同时，有效提高天线的前后比。

Description

一种高前后比定向天线

技术领域

本申请涉及无线通信设备技术领域，尤其涉及一种高前后比定向天线。

背景技术

前后比是天线的一个重要参数，能够反映天线的主瓣功率密度和后瓣功率密度之比，直接影响信号的传输距离和覆盖范围。采用高前后比的天线可以有效抑制来自天线后向的同频干扰，从而提高天线的通信容量。定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收的电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收的电磁波则为零或极小的一种天线。定向天线通常由辐射单元和置于辐射单元下方的无源金属反射板共同组成，辐射单元用于发射和接收电磁波，再利用反射板对电磁波的反射作用，实现天线的定向性。

为了提高天线的前后比，一种方法加大金属反射板的尺寸，使辐射单元发射的电磁波信号，通过反射板边缘绕射到天线后向的能量比例不断减少，提高天线前后比。这种方法需采用大尺寸反射板，虽然简单有效却增大天线的整体尺寸，在高度集成化的终端产品设计中显然是不切实际的。因此，为了缩小天线的整体尺寸，另一种提高天线前后比的方法为：在有限尺寸的金属反射板情况下，优化设计辐射单元的形式和结构，使辐射单元泄露到下方的电磁波减小，提高天线前后比。但这种设计方法往往导致辐射单元结构非常复杂，不仅量产性低而且价格昂贵。

还可以如申请号为201820341032.1的专利申请中示出的方法，在两个相邻的反射板单体之间开缝，并在反射板背侧设置朝向所开缝隙的谐振腔，使谐振腔的谐振频率覆盖天线后向辐射电磁波的频率，提高定向天线的前后比。但这种方法需要在反射板背侧增加谐振腔体结构，又在另一个方向增加天线的剖面高度，即增加了天线的整体体积。

发明内容

本申请提供了一种高前后比定向天线，以解决传统定向天线结构复杂且整体体积大的问题。

本申请提供一种高前后比定向天线，包括相互平行设置的电偶极子天线单元和磁偶极子天线单元；

所述磁偶极子天线单元设置在与所述电偶极子天线单元的主辐射方向相反的所述电偶极子天线单元的后方；所述磁偶极子天线单元垂直于电偶极子天线单元的主辐射方向；

所述电偶极子天线单元发射信号波的频率与所述磁偶极子天线单元所激发的信号波频率相同；所述磁偶极子天线单元的方向图与所述电偶极子天线单元的方向图互补，以形成电屏和互补电屏关系。

可选的，所述电偶极子天线单元包括天线辐射臂和PCB板，所述磁偶极子天线单元包括金属基板和激励缝隙；

所述天线辐射臂设置在所述PCB板上；所述PCB板平行于金属基板；所述激励缝隙设置在所述金属基板上所述天线辐射臂的正投影位置。

可选的，所述电偶极子天线单元还包括寄生元件；所述寄生元件设置在所述PCB板上，所述天线辐射臂的两侧，形成单极化天线结构。

可选的，所述激励缝隙为设置在所述金属基板上的一字形缝隙结构；所述激励缝隙的中心与所述天线辐射臂的中心共线。

可选的，所述PCB板上设有多个所述天线辐射臂；多个所述天线辐射臂组成十字形结构，以形成正交极化天线结构。

可选的，所述激励缝隙为设置在所述金属基板上的十字形缝隙结构；所述激励缝隙的中心与多个所述天线辐射臂形成的十字结构的中心共线。

可选的，所述PCB板上设有多个所述天线辐射臂；多个所述天线辐射臂呈45°相交，以形成﹢45°或-45°极化天线结构。

可选的，所述PCB板上均匀设置有多个所述天线辐射臂；相邻两个所述天线辐射臂之间的距离满足如下关系：D＝0.5λ～1λ；其中，λ为所述电偶极子天线单元的工作频段波长。

可选的，所述激励缝隙的长度满足如下关系：L＝0.5λ。

可选的，所述高前后比定向天线还包括功能电路，所述功能电路包括馈电模块和收发模块；所述收发模块通过所述馈电模块连接所述电偶极子天线单元，以通过所述电偶极子天线单元发射或接收信号波。

由以上技术方案可知，本申请提供一种高前后比定向天线，包括相互平行设置的电偶极子天线单元和磁偶极子天线单元；磁偶极子天线单元设置在电偶极子天线单元的后方，可激发形成与电偶极子天线单元发射的信号波频率相同的电磁波，并且磁偶极子天线单元激发电磁波的方向图与电偶极子天线单元发射信号波的方向图互补，以形成电屏和互补电屏关系，以利用方向图叠加原理，通过阵列天线方向图合成，形成定向辐射，提高天线前后比。本申请提供的高前后比定向天线结构简单，易于量产，在保证天线具有良好定向辐射特性的同时，有效提高天线的前后比。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种高前后比定向天线的结构示意图；

图2为本申请电场辐射方向图；

图3(a)为单个电偶极子天线的E面辐射方向图；

图3(b)为电偶极子天线下方加载相同尺寸的反射板构成的定向天线的E面辐射方向图；

图3(c)为电偶极子天线下方加载同频互补磁偶极子天线构成的定向天线的E面辐射方向图；

图4为本申请另一种高前后比定向天线的结构示意图；

图5为本申请一种多辐射单元天线结构示意图；

图6为本申请另一种多辐射单元天线结构示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的***和方法的示例。

本申请提供的技术方案中，所述天线具有广义性和狭义性，其中广义的天线是指能够收发电磁波信号的电子设备，可实现远距离通信，即广义上的天线除包括天线本体(包括振子单元、辐射板等)外，还包括与天线本体配合的功能电路(例如馈电电路、信号发生电路、信号接收电路以及信号转化电路等)。狭义上的天线是指天线本体，即直接进行电磁波辐射的器件。

所述定向天线是指天线的辐射出的电磁信号波具有方向性，即天线辐射体发出的信号不是全方向的，以增强在设定方向上具有足够的强度。定向天线通常由辐射单元和置于辐射单元下方的无源金属反射板共同组成，利用反射板对电磁波的反射原理，实现天线的定向性。传统方法为通过不断加大反射板尺寸、优化和设计辐射单元的形式和结构、反射板间开缝，并在反射板背侧设置朝向所开缝隙的谐振腔以及在反射板的上方添加具有高阻表面特性的超材料片层等方法提高天线前后比。这些方法要么天线尺寸过大，难以应用在高度集成化的移动终端设备中，并且结构复杂、价格昂贵不利于应用在低成本的移动通信产品中。

针对以上不足，本申请通过在辐射天线单元下方构造一个与原辐射天线方向图互补的新天线，利用方向图叠加原理，通过阵列天线方向图合成，形成需要的定向辐射，进而表现出提高天线前后比的特性。所述方法与现有提高天线前后比的方法相比，不仅结构、工艺简单，而且天线尺寸和价格相当。

参见图1，为本申请一种高前后比定向天线的结构示意图。

由图1可知，本申请提供的高前后比定向天线，包括相互平行设置的电偶极子天线单元1和磁偶极子天线单元2。其中，电偶极子天线单元1为整个天线的主要辐射部件，用于向周围环境中发送电磁信号波，以及接收无线电信号。磁偶极子天线单元2为电偶极子天线单元1的信号辅助部件，可利用方向图叠加原理，通过阵列天线方向图合成，形成需要的定向辐射。

进一步地，所述电偶极子天线单元1包括天线辐射臂11和PCB板12，天线辐射臂11设置在所述PCB板12上。其中，天线辐射臂11可以为按照预设天线辐射类型制作的特定形状的天线振子，天线辐射臂11可以通过焊接的方式设置在PCB板12上，以实现与功能电路3的连接，传递待发送的无线信号。

为了实现定向辐射，所述磁偶极子天线单元2设置在与所述电偶极子天线单元1的主辐射方向相反的所述电偶极子天线单元1的后方。所述电偶极子天线单元1发射信号波的频率与所述磁偶极子天线单元2所激发的信号波频率相同；所述磁偶极子天线单元2的方向图与所述电偶极子天线单元1的方向图互补，以形成电屏和互补电屏关系。

所述磁偶极子天线单元2包括金属基板21和激励缝隙22。PCB板12平行于金属基板21，从而使所述磁偶极子天线单元2垂直于电偶极子天线单元1的主辐射方向。激励缝隙22设置在金属基板21上天线辐射臂11的正投影位置，即激励缝隙22的设置位置与天线辐射臂11的位置相对应。

例如，如图1所示，本申请在电偶极子天线单元1的下方构造一个磁偶极子天线单元2，该磁偶极子天线单元2可以由金属基板21构成，金属基板21垂直于电偶极子天线单元1的中心，并且其上还设有激励缝隙22，激励缝隙22的长度L约等于0.5λ，(λ为电偶极子天线单元1工作频段所对应的波长)。

当电偶极子天线单元中的天线辐射臂11被信号激励时，将产生向上和向下的双向能量辐射。其中，向下辐射的能量可以根据电磁场巴比涅互补原理，激励所述激励缝隙22产生类似于磁偶极子天线的辐射特性，即形成磁偶极子天线单元2。电偶极子天线单元1和激励缝隙22形成的磁偶极子天线单元2，可以进一步构成电屏和互补电屏的关系，使得两种天线单元的激励位置相同都在整个天线的中间部位，但两种源的电场方向垂直。

实际应用中，当计算远区辐射场时，辐射源可以看做是一个点源，根据电磁场理论，电偶极子点源旋转90度后产生的场，等价于对偶于电偶极子点源的磁偶极子点源产生的场，因此两种天线完全满足电屏和互补电屏的互补关系。

设电偶极子天线单元1在E面和H面方向上的辐射场为

和

磁偶极子天线单元2的辐射场为

和

以图1示出的方式建立空间直角坐标系，即坐标系中x轴为水平方向(图1中左右的方向)，y轴为垂直方向，z轴为竖直方向(图1中上下的方向)。如果电偶极子天线单元1的主辐射方向为竖直向上，由于没有z<0(0xy面以下)的区域的源，因此在z＜0区域的辐射场强分别为

则应用互补原理可知：

即：

如图2所示，电偶极子天线单元1的电场辐射方向图，在E面为“8”字型辐射，在H面为“O”字型辐射；而磁偶极子天线单元2电场辐射方向图，在E面为“O”型辐射，在H面为“8”字型辐射。可见，本申请提供的定向天线的辐射方向图，正是电偶极子天线单元1和下方被激励起的磁偶极子天线单元2的方向图的合成，因此所述定向天线的前向辐射会得到加强而后向辐射会相互抵消，得到类似“心”形的辐射方向图，提高定向天线的前后比。

图3(a)为单个电偶极子天线的E面辐射方向图；图3(b)为电偶极子天线下方加载相同尺寸的反射板构成的定向天线的E面辐射方向图；图3(c)为电偶极子天线下方加载同频互补磁偶极子天线构成的定向天线的E面辐射方向图。如图3所示，通过对比可知，图3(a)中单个电偶极子天线为全向天线；图3(b)中电偶极子天线下方加载相同尺寸的反射板构成定向天线,但所形成的定向天线的后向辐射较大，前后比约为10dB；图3(c)中，电偶极子天线单元1下方加载同频互补磁偶极子天线单元2构成定向天线,所形成的定向天线的后向辐射大幅减小，前后比约为22dB。因此，本申请通过在电偶极子天线单元1下方构造同频互补磁偶极子天线单元2的方式能大幅提高天线的前后比。

进一步地，为了实现信号传输，所述高前后比定向天线还包括功能电路3，所述功能电路3包括馈电模块31和收发模块32；所述收发模块32通过所述馈电模块31连接所述电偶极子天线单元1，以通过所述电偶极子天线单元1发射或接收信号波。

由以上技术方案可知，本申请提供一种高前后比定向天线，包括相互平行设置的电偶极子天线单元1和磁偶极子天线单元2；磁偶极子天线单元2设置在电偶极子天线单元1的后方，可激发形成与电偶极子天线单元1发射的信号波频率相同的电磁波，并且磁偶极子天线单元2激发电磁波的方向图与电偶极子天线单元1发射信号波的方向图互补，以形成电屏和互补电屏关系，以利用方向图叠加原理，通过阵列天线方向图合成，形成定向辐射，提高天线前后比。本申请提供的高前后比定向天线结构简单，易于量产，在保证天线具有良好定向辐射特性的同时，有效提高天线的前后比。

本申请提供的电偶极子天线单元1的辐射单元形式可以根据实际通信环境和需求进行设定，可以通过天线辐射臂11构建多种极化形式的辐射单元，例如，单极子天线、微带贴片天线、双极化天线等形式，还可以在单极子天线的基础上再通过增加寄生元件13，获得以天线辐射臂11加寄生元件13形式的辐射单元。

即在本申请的部分实施例中，所述电偶极子天线单元1还包括寄生元件13。寄生元件13为能够实现电磁耦合馈电的元件，用于宽展频带。所述寄生元件13设置在所述PCB板12上，所述天线辐射臂11的两侧，形成单极化天线结构。对于上述辐射单元结构，相应的所述激励缝隙22可以为设置在所述金属基板21上的一字形缝隙结构。并且，保持所述激励缝隙22的中心与所述天线辐射臂11的中心共线。

例如，如图1所示，天线辐射臂11可以为矩形结构，PCB板12上设有两个沿同一条直线布置的天线辐射臂11，以形成长条形结构，在两个天线辐射臂11形成的长条形结构的两侧中部位置，可以设置有寄生元件13，以宽展天线辐射臂11的频带。

在本申请的另一个实施例中，所述PCB板12上设有多个所述天线辐射臂11；多个所述天线辐射臂11组成十字形结构，以形成正交极化天线结构。相应地，所述激励缝隙22为设置在所述金属基板21上的十字形缝隙结构；所述激励缝隙22的中心与多个所述天线辐射臂11形成的十字结构的中心共线。

例如，如图4所示，天线辐射臂11为一端为直角尖状的矩形条结构，PCB板12上设有4个天线辐射臂11，相邻部分的天线辐射臂11相互垂直，并且，4个天线辐射臂11通过在直角尖状位置形成相互拼接的结构，从而形成“十”字形。通过十字形结构的辐射单元，可以实现正交极化天线结构，以适应正交极化结构的情形。

此外，所述PCB板12上还可以设有多个所述天线辐射臂11；多个所述天线辐射臂11呈45°相交设置在PCB板12上，以形成﹢45°或-45°极化天线结构。

例如，PCB板12上设有4个天线辐射臂11，4个天线辐射臂11两两对应，以相互拼接形成交叉结构，交叉结构的角度为45°(或135°)，从而形成﹢45°或-45°极化天线结构，以适应不同的应用场景。

在本申请的部分实施例中，可以根据实际天线的用途，在PCB板12上设置多个天线辐射臂11，进而形成多个辐射单元。其中，每个辐射单元可以由单个天线辐射臂11构成，也可以由多个天线辐射臂11构成。为了便于信号辐射，单个或多个天线辐射臂11所形成的辐射单元之间可以保持相等的间距，以形成天线阵列。天线阵列的方式可以为线阵或面阵或者其他阵列形式。通过多个天线辐射臂11可以增强天线的天线收发能力。

实际应用中，如果所述PCB板12上均匀设置有多个所述天线辐射臂11，则相邻两个所述天线辐射臂11之间的距离满足如下关系：D＝0.5λ～1λ；其中，λ为所述电偶极子天线单元1的工作频段波长。

如果所述PCB板12上均匀设置有多个所述天线辐射臂11，则在金属基板21上可以相对应的设置多个激励缝隙22，即在金属基板21上也等间距设置多个激励缝隙22，每个激励缝隙22对应一个天线辐射臂11。因此，相连两个所述激励缝隙22之间的距离也满足W＝0.5λ～1λ；其中，λ为所述电偶极子天线单元1的工作频段波长。

实际应用中，所述电偶极子天线单元1的工作频段波长λ可以按照下式进行计算，即：

λ＝300/f

式中，f为电偶极子天线单元1的中心频率。

例如，如图5所示，电偶极子天线单元1的中心频率为3GHz，根据上述计算公式，工作频段波长为100mm。在PCB板12上，可以均布4个辐射单元，每个辐射单元中包含2个天线辐射臂11和2个寄生元件13。以两个天线辐射臂11之间区域的中心点作为辐射单元的中心点。

如果取相邻两个辐射单元之间的距离D＝0.7λ，则相邻两个辐射单元之间的距离D＝0.7×100＝70mm。

在金属基板21上可以设置对应每个辐射单元的4个激励缝隙22，激励缝隙22的长度L＝0.5λ＝0.5×100＝50mm，4个激励缝隙22之间保持相同的缝隙延伸方向，以激励缝隙22的中点为准，可以确定相邻两个激励缝隙22之间的距离也为70mm。

同理，如图6所示，多个天线辐射臂11还可以在所述PCB板12上以其他方式构成多个辐射单元，例如：在PCB板12上以16个天线辐射臂11形成4个“十”字形正交极化结构的辐射单元，则相应的在金属基板21上也设置有4个“十”字形缝隙。其中，激励缝隙22的长度仍然满足L＝0.5λ，缝隙之间的中心间距也满足W＝0.5λ～1λ。需要说明的是，当激励缝隙22为“十”字形缝隙结构时，其长度是指十字形结构的中整个“横”或整个“竖”的长度。另外，上述实施例中天线辐射臂11形成的辐射单元的形式，不局限于电偶极子天线单元1的形式，激励缝隙22形式也不局限于“十”字缝隙。

由以上实施例可知，本申请提供的高前后比定向天线，可以包括电偶极子天线阵和磁偶极子天线阵，其中，电偶极子天线阵包括多个辐射单元，每个辐射单元包括天线辐射臂11、PCB板12或者寄生元件13等信号辐射元件。磁偶极子天线阵包括多个激励缝隙22。辐射单元的间距为可以根据实际项目指标需求，在0.5λ—1λ之间。并且，磁偶极子天线单元2中激励缝隙22的间距与电偶极子天线单元1中辐射单元的间距相同。从而在多个辐射单元上形成同频互补，提高天线的前后比。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种高前后比定向天线，其特征在于，包括相互平行设置的电偶极子天线单元(1)和磁偶极子天线单元(2)；

所述磁偶极子天线单元(2)设置在与所述电偶极子天线单元(1)的主辐射方向相反的所述电偶极子天线单元(1)的后方；所述磁偶极子天线单元(2)垂直于电偶极子天线单元(1)的主辐射方向；

所述电偶极子天线单元(1)发射信号波的频率与所述磁偶极子天线单元(2)所激发的信号波频率相同；所述磁偶极子天线单元(2)的方向图与所述电偶极子天线单元(1)的方向图互补，以形成电屏和互补电屏关系。

2.根据权利要求1所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述电偶极子天线单元(1)包括天线辐射臂(11)和PCB板(12)，所述磁偶极子天线单元(2)包括金属基板(21)和激励缝隙(22)；

所述天线辐射臂(11)设置在所述PCB板(12)上；所述PCB板(12)平行于金属基板(21)；所述激励缝隙(22)设置在所述金属基板(21)上所述天线辐射臂(11)的正投影位置。

3.根据权利要求2所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述电偶极子天线单元(1)还包括寄生元件(13)；所述寄生元件(13)设置在所述PCB板(12)上，所述天线辐射臂(11)的两侧，形成单极化天线结构。

4.根据权利要求2或3所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述激励缝隙(22)为设置在所述金属基板(21)上的一字形缝隙结构；所述激励缝隙(22)的中心与所述天线辐射臂(11)的中心共线。

5.根据权利要求2所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述PCB板(12)上设有多个所述天线辐射臂(11)；多个所述天线辐射臂(11)组成十字形结构，以形成正交极化天线结构。

6.根据权利要求5所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述激励缝隙(22)为设置在所述金属基板(21)上的十字形缝隙结构；所述激励缝隙(22)的中心与多个所述天线辐射臂(11)形成的十字结构的中心共线。

7.根据权利要求2所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述PCB板(12)上设有多个所述天线辐射臂(11)；多个所述天线辐射臂(11)呈45°相交，以形成﹢45°或-45°极化天线结构。

8.根据权利要求2所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述PCB板(12)上均匀设置有多个所述天线辐射臂(11)；相邻两个所述天线辐射臂(11)之间的距离满足如下关系：D＝0.5λ～1λ；其中，λ为所述电偶极子天线单元(1)的工作频段波长。

9.根据权利要求2所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述激励缝隙(22)的长度满足如下关系：L＝0.5λ。

10.根据权利要求1所述的高前后比定向天线，其特征在于，所述高前后比定向天线还包括功能电路(3)，所述功能电路(3)包括馈电模块(31)和收发模块(32)；所述收发模块(32)通过所述馈电模块(31)连接所述电偶极子天线单元(1)，以通过所述电偶极子天线单元(1)发射或接收信号波。

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