CN112751164A

CN112751164A - 一种高增益天线振子

Info

Publication number: CN112751164A
Application number: CN201911038767.2A
Authority: CN
Inventors: 郭庆余; 吴震
Original assignee: BYD Co Ltd; Shanwei BYD Electronics Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd; Shanwei BYD Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-05-04

Abstract

本申请涉及一种高增益天线振子，包括天线辐射单元和馈电端，还包括设置于天线辐射单元和馈电端之间共面波导馈电单元，其中，天线辐射单元包括相同尺寸的四个环形导体，每个环形导体具有一个开口，所述共面波导馈电单元与所述四个环形导体的开口连接。本本申请天线振子为共面结构，便于加工及集成设计，也可共型设计，并且具有带宽大、损耗小等优势。

Description

一种高增益天线振子

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及一种高增益天线振子。

背景技术

单个天线振子的增益通常有限，为了获得高增益，需要将多个天线振子按照一定的规则排列及馈电，组成阵列天线。以经典的带反射金属板102的半波长偶极子天线振子101为例，如图1所示，天线振子100总长λ/2，距离反射金属板102约λ/4放置，馈电端101位于天线振子100中央位置。

此天线振子的增益在6dB左右，如果要实现更高的增益，以15dB增益为例，就需要8组这样的天线振子组成阵列天线，如图2所示，8组天线振子100之间间隔λ/2，距离发射金属板102都为λ/4，馈电先通过一个功率分配器104把1路信号平分成8路信号，这8路信号再通过8根相同长度的传输线103分别给每个天线振子100馈电，从而实现同相馈电。

这种技术的不足在于以下两点：

1.天线振子数量多，15dB增益就需要8组天线单元来组合，要实现18dB增益就得需要16组天线单元来组合！

2.馈电网络比较繁杂，以15dB增益为例，需要设计1拖8功率分配器，同时需要焊接8根相同长度的同轴线或者微带线分别连接到8组天线单元上，一方面增加成本，二来功率分配器及传输线也会引入额外的射频损耗！

发明内容

本发明现有技术中的上述缺陷或不足，提供一种高增益天线振子。具体而言本发明提供一种高增益天线振子，包括天线辐射单元和馈电端，还包括设置于天线辐射单元和馈电端之间共面波导馈电单元，其中，天线辐射单元包括相同尺寸的四个环形导体，每个环形导体具有一个开口，所述共面波导馈电单元与所述四个环形导体的开口连接。

进一步地，所述共面波导馈电单元将四个环形导体形成并联的两组，每组内两个环形导体串联连接。

进一步地，所述四个环形导体的中心在相互垂直的两轴线方向对称分布，且每个环形导体的开口方向朝向同一对称轴。

进一步地，所述同一对称轴两侧的环形导体的开口位于两者中心之间的连线上。

进一步地，所述四个环形导体同为圆形或正多边形结构。

进一步地，所述正多边形具有相互垂直的两个对称轴。

进一步地，每个环形导体内测周长为3λ/4至5/4λ，优选为1λ，任意两个相邻环形导体的中心间距为λ/2至1λ，优选为3/4λ。

进一步地，还包括金属反射板，隔着介质板设置在放置于辐射单元及馈电单元背面。

进一步地，所述金属反射板与辐射单元的距离为λ/8至λ/2，优选λ/4。

进一步地，共面波导馈电单元为“工”字形共面波导结构，具体包括第一导体、第二导体、第三导体、第四导体、第五导体和第六导体，其中，第一导体和第三导体均为同样的条形结构且平行对置；第二导体和第四导体均为平底U形结构，包括两平行的第三臂、第四臂及两端与第三臂、第四臂垂直连接的第五臂；第二导体和第四导体以第五臂临近的方式对称布置；第三臂和第四臂平行设置在第一导体和第三导体之间；第五导体从第一导体中央向第三导体垂直延伸，第六导体从第三导体中央向第一导体垂直延伸，第五导体和第六导体均平行设置于第二导体和第四导体的两条第五臂之间。

根据本申请实施例提供的技术方案，单个天线振子就可以替代由8根半波长偶极子天线组成的阵列天线，实现15dB的高增益。省略了复杂的阵列天线设计，包括多组天线振子组合排放，及特别是繁杂的馈电网络设计，本发明天线整体非常简洁，共面结构，便于加工，节省了成本及减小了射频损耗(省略了额外的功率分配器及8根同轴或微带传输线)。

本本申请天线振子既可以作为一个15dB高增益天线单独使用，又可以作为更高增益阵列天线的天线振子使用。如果作为更高增益阵列天线的天线振子，会大大简化阵列天线的设计复杂度。以18dB增益的阵列天线为例，如果用半波长偶极子天线振子，需要16根这样的天线振子组合，但是如果用本发明天线振子，仅需要两个振子组合。

本本申请天线振子为共面结构，便于加工及集成设计，也可共型设计。在这方面，类似微带贴片天线振子，但又同时具备，比如带宽宽，损耗小，等更多潜在优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术天线振子示意图；

图2为现有技术天线振子组成的天线阵列示意图；

图3为本发明天线示意图；

图4为本发明天线电连接示意图；

图5为本发明天线电流分方向示意图；

图6为本发明实施例1天线示意图，其中A是主视图；B是侧视图；

图7为本发明实施例1天线仿真所得S11频率曲线；

图8为本发明实施例1天线仿真所得远场2D辐射方向图；

图9为本发明实施例2天线示意图；

图10为本发明实施例2天线仿真所得S11频率曲线；

图11为本发明实施例2天线仿真所得远场2D辐射方向图；

图12为本发明实施例3天线示意图；

图13为本发明实施例3天线仿真所得S11频率曲线；

图14为本发明实施例3天线仿真所得远场2D辐射方向图。

具体实施方式

图中：100天线振子；101馈电端；102金属反射板；传输线103；功率分配器104；1天线辐射单元；共面波导馈电单元2；馈电端3；4,5,6,7环形导体；4.1,4.2；5.1,5.2；6.1,6.2；7.1,7.2环形导体端点；8第一导体；9第二导体；10第三导体；11第四导体；12第五导体；13第六导体；14金属反射板。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图3-7所示，本发明的高增益天线振子，天线辐射单元1，共面波导馈电单元2，馈电端3，其中：

天线辐单元1，作为天线辐射的主要载体，包括四个相同尺寸的环形导体，分别为第一环形导体4、第二环形导体5、第三环形导体6和第四环形导体7，每个环形导体具有一个开口，开口分别位于四个环形导体的第一端点4.1,5.1,6.1.7.1和第二端点4.2,5.2,6.2,7.2之间。四个环形导体4,5,6,7的中心在相互垂直的两轴线方向对称分布，即第一环形导体4和第二环形导体5、以及第三环形导体6和第四环形导体7相对第一轴对称布置；第一环形导体4和第三环形导体6、以及第二环形导体5和第四环形导体7相对与第一轴垂直的轴对称布置。且每个环形导体4,5,6,7的开口方向朝向同一对称轴。优选地，环形导体4,5的开口位于两者中心之间的连线上，环形导体6,7的开口位于两者中心之间的连线上。环形导体4,5,6,7优选为圆形或正多边形结构，更优选地，所述正多边形具有相互垂直的两个对称轴，例如正六边形、正八边形等。

共面波导馈电单元2，与环形导体的开口连接，以作为信号传输载体为辐射单元1中的四个环形导体提供平衡及同相电流信号。优选地，所述共面波导馈电单元2将四个环形导体形成并联的两组，每组内两个环形导体串联连接。

优选地，如图4所示，共面波导馈电单元2为“工”字形共面波导结构。其包括第一导体8、第二导体9、第三导体10、第四导体11；、第五导体12、第六导体13。

其中，第一导体8和第三导体10均为同样的条形结构且平行对置。

第二导体9和第四导体11均为平底U形结构，包括两平行的第三臂、第四臂及两端与第三臂、第四臂垂直连接的第五臂。其中，第二导体9和第四导体11以第五臂临近的方式对称布置。第三臂和第四臂平行设置在第一导体8和第三导体10之间。

第五导体12从第一导体8中央向第三导体10垂直延伸，第六导体13从第三导体10中央向第一导体8垂直延伸，第五导体12和第六导体13均平行设置于第二导体9和第四导体11的两条第五臂之间。

第一导体8分别跟第一环形导体4的第一端点4.1及第二环形导体5的第一端点5.1连接；第二导体9两端分别跟第一环形导体4的第二端点4.2及第三环形导体6的第一端点6.1连接；第三导体10两端分别跟第三环形导体6的第二端点6.2及第四环形导体7的第二端点7.2连接；第四导体11两端分别跟第二环形导体5的第二端点5.2及第四环形导体7的第一端点7.1连接。

第五导体12两端分别跟导体8的中点位置及馈电端3的一极连接，第六导体13两端分别跟导体10的中点位置及馈电端3的另外一极连接。

馈电端3，用于跟测试设备或信号收发机的同轴传输线相连。

优选地，如图6所示，还包括金属反射板14，隔着图中未示的介质板设置在放置于辐射单元1及馈电单元2背面。用于遮挡反射天线背面的辐射信号，从而天线只能前向单边辐射。优选地，金属反射板与辐射单元的距离约为λ/8-λ/2，优选为λ/4，具体根据实际情况调整。

优选地，每个环形导体内侧周长为3λ/4至5/4λ，优选1λ，具体根据实际情况调整。任意两个相邻环形导体的中心间距为λ/2至1λ，优选3/4λ，具体根据实际情况调整。

如图5，示出了本发明天线电流分方向，其中在馈电单元其共面波导结构，确保在四个末端间(也即输出端口)输出同相且平衡电流信号。在辐射单元中的4个环形导体上，电流为近似驻波分布，每个环形导体上的上下两点为电流驻波波节，左右两点为电流驻波波腹，而且不仅单个环形导体左右两边，而且是四个环形导体左右两边的电流大小相等方向相同，其天线在轴向(垂直方向)远场产生的辐射同相而互相增强，从而实现高天线增益。图5所示的辐射单元上的8根同向电流，直观上像极了8根前述的半波长偶极子天线振子，所以其增益相当于8根半波长偶极子天线组成的阵列天线增益。

实施例一：

附图3-7示出了本发明实施例一的高增益天线振子，其中，四个环形导体4,5,6,7,采用圆形环结构。天线基本架构及电气连接关系在前面图3及图4中阐述，这里就不再罗列，而是仅陈述其关键尺寸信息。如图6所示，金属反射板14采用圆盘形式(半径65mm,厚度1mm)，其跟天线单元1之间的距离为11mm,天线单元各导体垂直方向厚度都为1mm，圆环形导体外径为11mm,圆环对称放置且圆心间距离44mm,辐射单元1及馈电单元2的所有外沿导体(第一导体8、第二导体9、第三导体10、第四导体11)宽度为3mm，馈电单元2中连接馈电端的内沿导体(第五导体12、第六导体13)宽度为2mm,馈电单元2中第三臂和第一导体8的缝隙宽度以及第四臂和第三导体10之间的缝隙宽度2mm，第五导体12、第六导体13与两侧第五臂之间的缝隙都为1mm。

如图7所示，为此方案仿真输出的反射损耗S11的频率曲线，可以看到此天线方案的带宽非常宽，在5GHz到6GHz之间都小于-9dB,表明天线阻抗失配损耗非常小。

如图8所示，为此方案仿真输出的2D辐射方向图，其最大增益达15.2dB。

实施例二：

图9示出了本发明实施例二的高增益天线振子，其中，四个环形导体4,5,6,7,采用方形环结构，天线基本架构及电气连接关系在前面图3及图4中阐述，这里就不再罗列，而是仅陈述其关键尺寸信息。如图9所示，金属反射板14采用圆盘形式(半径65mm,厚度1mm),其跟天线单元1之间的距离为11mm,天线单元各导体垂直方向厚度都为1mm,方环导体外侧边长20mm,方环对称放置且中心间距44mm,辐射单元1及馈电单元2的所有外沿导体(第一导体8、第二导体9、第三导体10、第四导体11)宽度为3mm，馈电单元2中连接馈电端的内沿导体(第五导体12、第六导体13)宽度为2mm,馈电单元2中第三臂和第一导体8的缝隙宽度以及第四臂和第三导体10之间的缝隙宽度2mm，第五导体12、第六导体13与两侧第五臂之间的缝隙都为1mm。

如图10所示，为此方案仿真输出的反射损耗S11的频率曲线，可以看到此天线方案的带宽非常宽，在5GHz到6GHz之间都小于-8.8dB,表明天线阻抗失配损耗非常小。

如图11所示，为此方案仿真输出的2D辐射方向图，其最大增益达15.1dB。

实施例三：

图12示出了本发明实施例三的高增益天线振子，其中，四个环形导体4,5,6,7采用菱形环结构，天线基本架构及电气连接关系在前面图3及图4中阐述，这里就不再罗列，而是仅陈述其关键尺寸信息。如图12所示，金属反射板采用圆盘形式(半径65mm,厚度1mm),其跟天线单元之间的距离为11mm,天线单元各导体垂直方向厚度都为1mm,菱形环导体外测边长19mm”,菱形环对称放置且中心间距44mm,辐射单元1及馈电单元2的所有外沿导体(第一导体8、第二导体9、第三导体10、第四导体11)宽度为3mm，馈电单元2中连接馈电端的内沿导体(第五导体12、第六导体13)宽度为2mm,馈电单元2中第三臂和第一导体8的缝隙宽度以及第四臂和第三导体10之间的缝隙宽度2mm，第五导体12、第六导体13与两侧第五臂之间的缝隙都为1mm。

如图13所示，为此方案仿真输出的反射损耗S11的频率曲线，可以看到此天线方案的带宽非常宽，在5GHz到6GHz之间都小于-8dB,表明天线阻抗失配损耗非常小。

如图14所示，为此方案仿真输出的2D辐射方向图，其最大增益达15dB。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种高增益天线振子，包括天线辐射单元和馈电端，其特征在于：还包括设置于天线辐射单元和馈电端之间的共面波导馈电单元，其中，天线辐射单元包括相同尺寸的四个环形导体，每个环形导体具有一个开口，所述共面波导馈电单元与所述四个环形导体的开口连接。

2.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：所述共面波导馈电单元将四个环形导体形成并联的两组，每组内两个环形导体串联连接。

3.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：所述四个环形导体的中心在相互垂直的两轴线方向对称分布，且每个环形导体的开口方向朝向同一对称轴。

4.根据权利要求3所述的高增益天线振子，其特征在于：所述同一对称轴两侧的环形导体的开口位于两者中心之间的连线上。

5.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：所述四个环形导体同为圆形或正多边形结构。

6.根据权利要求5所述的高增益天线振子，其特征在于：所述正多边形具有相互垂直的两个对称轴。

7.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：每个环形导体内侧周长为3λ/4至5/4λ，优选为1λ，任意两个相邻环形导体的中心间距为λ/2至1λ，优选为3/4λ。

8.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：还包括金属反射板，间隔一定距离设置在辐射单元及馈电单元背面。

9.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：所述金属反射板与辐射单元的距离为λ/8至λ/2，优选λ/4。

10.根据权利要求1所述的高增益天线振子，其特征在于：共面波导馈电单元为“工”字形共面波导结构，具体包括第一导体、第二导体、第三导体、第四导体、第五导体和第六导体，其中，第一导体和第三导体均为同样的条形结构且平行对置；第二导体和第四导体均为平底U形结构，包括两平行的第三臂、第四臂及两端与第三臂、第四臂垂直连接的第五臂；第二导体和第四导体以第五臂临近的方式对称布置；第三臂和第四臂平行设置在第一导体和第三导体之间；第五导体从第一导体中央向第三导体垂直延伸，第六导体从第三导体中央向第一导体垂直延伸，第五导体和第六导体均平行设置于第二导体和第四导体的两条第五臂之间；

其中，第一导体分别跟第一环形导体的第一端点及第二环形导体的第一端点连接；第二导体两端分别跟第一环形导体的第二端点及第三环形导体的第一端点连接；第三导体两端分别跟第三环形导体的第二端点及第四环形导体的第二端点连接；第四导体两端分别跟第二环形导体的第二端点及第四环形导体的第一端点连接；第五导体两端分别跟第一导体的中点位置及馈电端的一极连接，第六导体两端分别跟第三导体的中点位置及馈电端的另外一极连接。