CN101505003B

CN101505003B - 一种水平全向平面印刷天线

Info

Publication number: CN101505003B
Application number: CN 200910058505
Authority: CN
Inventors: 陈星�; 黄卡玛; 刘长军; 郭庆功; 赵翔; 华伟; 闫丽萍; 杨晓庆
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: CN101505003A

Abstract

本发明公开了一种水平全向平面印刷天线，其特点是该平面印刷天线包括三层金属层和两层介质层，上、下金属层为金属地层(1，3)，中间金属层为馈电层(2)，馈电层中央印刷有金属导带(5)，金属导带与上下金属地层一起构成带状线传输线，在上下金属地层(1，3)沿金属导带方向对称地制作出若干矩形隙缝(6)，在金属地层(1，3)与馈电层(2)之间分别设有介质层(4)。它具有高增益、良好的水平全向特性、制作简便和成本低的优点。

Description

一种水平全向平面印刷天线

技术领域

本发明涉及一种水平全向平面印刷天线，属于无线电设备中的天线领域。

背景技术

天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响电波信号的质量，因而，天线在无线电通讯中占有极其重要的地位。一个结构合理，性能优良的天线系统可以最大限度的降低对整个无线系统的要求，从而节约系统成本，同时提高整个无线系统的性能。

随着现代无线通讯的发展，众多的基站天线需要同各个方向的通讯终端实现通讯，因此要求基站天线能够实现水平面360度的发射或接收覆盖，即辐射方向图在水平面全向。为满足各类无线通讯的实际应用，对水平全向基站天线不但要求具有良好的水平全向辐射特性，还要求其具有重量轻、加工简便、成本低廉和容易大批量生产等优点。

为满足无线通讯对水平全向天线的需求，人们研制了多种类型的水平全向天线。如串馈螺旋倒相振子天线。该天线由数个振子倒相串联而成，设计容易、结构简单、造价低、但是由于移相线圈的电损耗较大，不容易实现高增益，天线的效率也较低；双锥天线，由两个金属圆锥和一根同轴馈线组成，同轴线的内外导体分别接到双圆锥的两个顶点。此天线工作频带宽，设计简单，但增益较低；同轴开槽天线，利用硬同轴线直接制作，基本原理是采用同轴线从天线底部馈电，根据不同的工作频率，按照一定的间隔切去外导体，使介质裸露，这样裸露介质部分的内导体形成辐射单元，等效于一个振子天线，其方向图在水平面是全向的。此天线结构简单，增益较大，但是对加工精度有较高要求。

现有全向天线中，有相当一部分采用平面印刷结构，即直接将天线通过印刷技术制作在印刷电路板(printed circuit board，PCB)上。由于采用印刷技术，该类天线具有重量轻、加工精度高、成本低廉和容易批量生产的优点，在无线通讯应用中得到了广泛的应用。但由于平面结构不具备轴对称性，因此难以实现好的全向辐射特性。此外，平面印刷天线属于谐振天线，其工作频带通常较窄。

《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》1998年第46期上论文“A back-to-back rectangular patch antenna feed by a CPW”介绍一种全向平面印刷天线，该天线的结构简单，制作成本低，两个矩形微带贴片背对背分布在两块共地的基片上，采用中间共面波导对矩形贴片馈电。在1.9GHz的工作频率上设计的该天线，不圆度小于3dB，基本实现水平面上方向图全向，但工作频带较窄，只有1.7％，没有同时兼顾高增益和宽频带的要求；《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》2004年第52期上论文“Omni-directional planar dipole array antenna”介绍了另一种平面印刷天线，四组印刷偶极振子分两对背对背的分布在基片上。与上一篇文章不同的是，这两对偶极振子的朝向是互补的。在以2.4GHz为中心的工作频带上最大增益6.1dBi，不圆度只能控制在2dB以内；2005年国际微波进展会议亚太区分会上论文“Analysis and simulation of cylindricalconformal omni-directional antenna”提出了一种围绕圆柱形基片构建的辐射单元阵列全向天线，这种天线也是由基本的共地天线衍生而来，不过以前的平面基片由圆柱体基片取代，取得了不错的仿真效果，实际加工中难度比较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种水平全向平面印刷天线。其特点是结构简单、易于加工生产、成本低廉、具有低不圆度和高增益等良好的水平全向辐射特性。

本发明的目的由以下技术措施实现：

水平全向平面印刷天线

水平全向平面印刷天线为多层结构，包括三层金属层和两层介质层；在上下金属层为金属地层，中间金属层为馈电层；馈电层中央印刷有一条金属导带，金属导带与上下金属地层一起构成带状线传输线(Stripline transmission line)，带状线传输线原理上允许电磁能量在金属导带和金属地之间无辐射地传输；在上下金属地层沿金属导带方向对称地制作出若干矩形隙缝，通过矩形隙缝破坏了带状线传输线对电磁能量无辐射传输的条件，将电磁能量耦合到矩形隙缝中并辐射，多个矩形隙缝辐射的电磁能量在空间中叠加，形成具有一定增益的水平全向辐射特性，矩形缝隙数量越多，该天线的全向增益越大；在上下金属地层与馈电层之间分别设有介质层。

水平全向平面印刷天线通过印刷技术制作在多层印刷电路板。

介质层为聚四氟乙烯或者环氧树脂。

本发明具有如下优点：

1.天线辐射单元印刷在PCB板上，代替传统的金属辐射振子，减轻了天线重量。同时减少天线制作中的机械加工量，降低了天线制作时间和成本。

2.印刷平面缝隙阵列可以采用光刻技术加工，加工精度高，大幅度降低加工误差对天线性能的影响。

3.天线由多个缝隙单元所构成的阵列组成，保证了高增益的特性。

4.天线由完全对称的印刷在印刷电路板两边的缝隙阵列组成，保证了良好的水平全向特性，不圆度可以压缩至很低。

5.天线方向图主瓣角指向水平面，方便可调。

6.带状线传输线结构实现天线辐射单元的馈电和阻抗匹配，天线结构更加紧凑，并且不需要额外的巴伦以完成阻抗变换，简化了天线设计、制作和调试。

附图说明

图1为水平全向平面印刷天线多层结构的侧视图

图2为水平全向平面印刷天线馈电层正视图

图3为水平全向平面印刷天线金属地层正视图

图4为水平全向平面印刷天线在5.8GHz的三维辐射方向图

1，3金属地层，2.馈电层，4.介质层，5.金属导带，6.缝隙单元

具体实施例

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例：

水平全向平面印刷天线的结构如图1～3所示，它包括缝隙阵列，印刷电路板，带状线传输线馈电网络。

带状线传输线馈电网络由金属地层1，3和馈电层2，介质层4组成，实现了天线缝隙阵列的统一馈电和阻抗匹配，如图1所示。馈电层2包含金属导带5，如图2所示。

缝隙阵列由一组或多组缝隙单元6组成，现以8组缝隙单元为例，缝隙单元印刷在PCB板上下两层金属地层1，3中，如图3所示。

经数值仿真计算和天线测试，水平全向平面印刷天线的工作频段从5.66GHz延伸到5.94GHz，带宽达到4.7％。在工作频率5.75GHz下，水平全向平面印刷天线的增益达到9.44dBi，远高于其他全向天线(约5-7dBi)；水平全向平面印刷天线的不圆度为0.1dB，也远优于其他全向天线(约1.5dB)；水平全向平面印刷天线的主瓣角水平下倾1度，完全满足远距离无线通讯的要求。

Claims

1.一种水平全向平面印刷天线，其特征在于该平面印刷天线包括三层金属层和两层介质层，上、下金属层为金属地层(1，3)，中间金属层为馈电层(2)，馈电层中央印刷有金属导带(5)，金属导带与上下金属地层一起构成带状线传输线，在上下金属地层(1，3)中，沿金属导带方向，相对于馈电层(2)对称地制作出若干矩形隙缝(6)，在金属地层(1，3)与馈电层(2)之间分别设有介质层(4)。

2.如权利要求1所述水平全向平面印刷天线，其特征在于平面印刷天线通过印刷技术制作在多层印刷电路板上。

3.如权利要求1所述水平全向平面印刷天线，其特征在于介质层(4)为聚四氟乙烯或环氧树脂。