CN102170044B - 一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于左右手复合传输线的零阶谐振环天线，利用左右手复合传输线的零阶谐振特性，实现水平极化的全向覆盖，可用于支持无线局域网通信系统，水平极化全向天线的基本单元必需具有大小相等、方向相同的电流分布。通过采用左右手复合传输线的零次模谐振，由于其相速度为零，环天线上各段电流没有相位偏移，都是均匀同向的，解决了电大天线电流分布不均匀的问题，获得了良好的阻抗带宽。通过改变该零次模环天线的尺寸大小，可以实现不同频段的覆盖，结构简单而易于实现，天线的水平极化全向辐射特性好，为无线局域网系统或者小型化基站天线提供极化分集的单元，促进新型天线技术的发展，让小型化、多极化及低成本的全向天线成为现实。

Description

一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线

技术领域

本发明属于无线通信技术的天线设计技术领域，特别涉及一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线。

背景技术

天线作为移动通信系统的咽喉要道，是辐射和接收电磁波的系统部件。天线性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着决定性的作用。随着无线通信技术的不断完善发展，天线性能除了要满足重量轻、体积小、制作简单、成本低的特性要求，还要支持分布式天线、MIMO多天线等技术的应用。对于多径丰富的通信环境而言，极化分集近年来被认为是最优的多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术之一。在城市或者室内无线环境中，虽然基站发射的都是特定的极化信号，比如常见的垂直极化信号，但是很难直接传播到移动终端，一般要经过多径传播，才能到达移动终端。在传播的过程中，极化要发生旋转，可能既有水平极化信号，又有垂直极化信号。可以考虑在发射端和接收端分别安装两个天线，一个水平极化天线和一个垂直极化天线，以得到两个不相关的信号，这就是极化分集，它正是利用了空中水平路径和垂直路径的不相关性来实现抗快衰落的。在TD-SCDMA基站中，±45°双极化的扇区定向天线被采用来增加信道容量和提高系统性能。

然而在一些应用中，如无线局域网系统或者分布式MIMO系统，全向天线比定向天线更加合适。与采用定向天线的系统相比，采用全向天线的系统只需一组天线就可以覆盖整个小区，可以大幅度地减少系统的复杂度和成本。全向天线也更有利于MIMO技术的应用。MIMO系统实现高容量的一个重要前提就是存在着丰富的多径环境，定向天线由于自身定向反射器的遮挡效应，只能接收到有限角度的多径信号。而全向天线则可以充分地利用360度的多径资源，提供更大的信道容量。但是，已有应用报道的全向天线的多是垂直极化天线，水平极化的类型和方案并不多。所以研究新型的水平极化全向天线，满足实现极化分集的要求，非常具有现实意义。

电流分布均匀的电小环天线理论上可以等效为一个磁偶极子，从而获得一个水平极化的全向方向图。然而，由于其辐射电阻太小、电抗太高，电小环天线的阻抗匹配难以实现。电大环天线虽然可以获得理想的阻抗带宽，但它在环上的电流大小和方向都不均匀，这样就不能产生水平极化的全向方向图。因此，迫切需要提出一种新型的水平极化全向天线来支持极化分集的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线，利用左右手复合传输线的零阶谐振特性，实现水平极化的全向覆盖。该天线用于支持无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)通信系统，具有水平极化、结构简单、全向覆盖率、低成本的优点。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线，由圆形微波介质基板(10)、通过刻蚀铜箔形成的上表面元件(20)和下表面元件(30)构成，所述的圆形微波介质基板(10)为聚四氟乙烯材料，介电常数为2.65，损耗正切角为0.002，厚度为0.7mm，半径为20mm，基板双面覆铜的厚度均为0.07mm；

所述的上表面元件(20)、下表面元件(30)分别包括数条圆弧形金属，通过刻蚀的方法周期性地加工在微波介质基板(10)上；上表面的圆弧形金属条(23)，(24)，(25)，(26)，(27)和下表面的圆弧形金属条(31)，(32)，(33)，(34)，(35)，(36)大小尺寸相等，周期性地分布在一个圆周上，分别在上、下表面构成圆环。

优选的，所述下表面的圆弧形金属条与上面圆弧形金属条相互耦合引入平行板电容，相当于周期性的引入串联电容，在微波介质基板上构成左右复合传输线，从而构成零次模环天线。

优选的，同一表面相邻的圆环形金属条之间刻蚀有缝隙，下表面的圆弧形金属条的中心设于与之对应的上表面圆弧形金属条间缝隙的正下方。

优选的，上表面的圆弧形金属条(21)和(22)的总尺寸与其他圆弧形金属条相等，馈电端口位于圆弧形金属条(21)和圆弧形金属条(22)之间缝隙处；该端口一端连接圆弧形金属条(21)，另一端连接圆弧形金属条(22)。

优选的，所述圆弧形金属条长度不大于中心工作波长的1/6，其构成的零次模环天线周长不超过1.5中心工作波长。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种基于左右手复合传输线的零阶谐振环天线，利用左右手复合传输线的零阶谐振特性，实现水平极化的全向覆盖。该天线用于支持无线局域网通信系统，具有水平极化、结构简单、全向覆盖率、低成本的优点。水平极化全向天线的基本单元必需具有大小相等、方向相同的电流分布。

通过采用左右手复合传输线的零次模谐振，由于其相速度为零，环天线上各段电流没有相位偏移，都是均匀同向的，解决了电大天线电流分布不均匀的问题，保证了水平极化全向的方向图，同时又获得了良好的阻抗带宽。

通过改变该零次模环天线的尺寸大小，可以实现不同频段的覆盖，结构简单而易于实现，天线的水平极化全向辐射特性好，为无线局域网系统或者小型化基站天线提供极化分集的单元，促进新型天线技术的发展，让小型化、多极化及低成本的全向天线成为现实。

附图说明

图1为本发明提供的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线三维图；

图2为图1的A向视图即俯视图；

图3为图1的B向视图即仰视图；

图4为图1的A、B向视图结构的实施实例尺寸图，以印刷电路板上下表面分别表示，单位均为毫米(mm)；

图5为图4实施实例的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线的回波损耗测量图(S11)；

图6为图4的实施实例的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线工作于2.44GHz时的E面辐射方向图：(

分量功率增益方向图；

θ分量功率增益方向图)；

图7为图4的实施实例的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线工作于2.44GHz时的H面辐射方向图：(

分量功率增益方向图；

θ分量功率增益方向图)。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

近年来，左手材料(Left-Handed Metamaterial)是材料科学和物理学领域的研究热点，电磁波在左手材料中电场强度的方向、磁场强度的方向以及波矢量的方向满足左手规则。左手材料具有负的介电常数和负的磁导率，它具有很多右手媒质不具有的特殊性质。左右手复合传输线是左手材料在电磁领域的典型应用，由于其兼有左手媒质和右手媒质的特性，依据其构成的天线可在正负、零次模下实现谐振。工作在零次模下，左右手复合传输具有很多特殊的性质，如相速度为零而群速度不为零。

本发明提出基于左右手传输线结构的零次模环天线，实现了水平极化的全向覆盖。水平极化全向天线的基本单元必需具有大小相等、方向相同的电流分布。通过采用左右手复合传输线的零次模谐振，由于其相速度为零，环天线上各段电流没有相位偏移，都是均匀同向的，解决了电大天线电流分布不均匀的问题，保证了水平极化全向的方向图，同时又获得了良好的阻抗带宽。通过改变零次模环天线的尺寸大小，可以实现不同频段的覆盖，结构简单而易于实现，天线的全向辐射特性好，可灵活配置。

参阅图1，示出了本发明所述的一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线的三维图，具体包括圆形微波介质基板10、上表面元件20和下表面元件30；

上表面元件20和下表面元件30可采用刻蚀的方法周期性地加工在微波介质基板10上；相邻的圆环形金属条之间刻蚀有缝隙，下表面的圆弧形金属条与上面圆弧形金属条交错分布；

馈电端口位于圆弧形金属条21和圆弧形金属条22之间缝隙处，该端口一端连接圆弧形金属条21，另一端连接圆弧形金属条22；

本发明的技术方案是这样实现的：要实现水平极化的全向天线，必须获得分布均匀的环电流。本发明采用周期性的圆弧形结构，通过上下表面圆弧形金属条的耦合，引入串联电容，从而构成左右手复合传输线；根据左右手复合传输线理论，可以实现在正负、零次模下实现谐振；当其工作在零次模时，相速度变为零即相位偏移为零，圆弧形金属条构成圆环上电流均匀同向，可以等效为磁偶极子的模型，从而获得水平极化的全向方向图；通过调节圆弧形金属条的大小和数目，以及相邻单元之间的串联电容，可以获得良好的阻抗匹配。

该结构具体说明如下：

所述的左右手复合传输线的水平极化全向天线，上下表面的各个圆环形金属条大小尺寸相等，不大于中心工作波长的1/6；微波介质基板10采用低成本的聚四氟乙烯材料，介电常数为2.65，损耗正切角为0.002，厚度为0.7mm，半径为20mm；馈电端口采用同轴线馈电，特性阻抗为50Ω；其余各部份尺寸如图4所示，单位均为毫米(mm)。

以图4所示尺寸制作的实施实例的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线的S11测试结果如图5所示，该天线的回波损耗S11＜-10dB的带宽为2.39-2.53GHz(140MHz)，可以覆盖无线局域网标准的2.4GHz频段(2.40GHz-2.48GHz)。

以图4所示尺寸制作的实施实例的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线工作于2.44GHz时的E面辐射方向图和H面辐射方向图分别如图5和图6所示。在E面(X-Z平面、Y-Z平面)，该天线辐射方向图类似于倒8型，在3dB波束带宽内交叉极化均优于20dB；H面(X-Y平面)有很好的全向性，增益波动小于1.2dBi，交叉极化均优于18dB。在无线局域网标准的2.4GHz频段(2.40GHz-2.48GHz)的范围内，天线增益为2.2～2.4dBi。

可知，所述天线实现基于左右手复合传输线的水平极化全向天线的阻抗匹配良好，可以完全覆盖无线局域网标准的2.4GHz频段；辐射方向图水平面内全向性好，极化方式为水平极化；同时所述天线结构紧凑，实现了天线的小型化。本发明为无线局域网系统或者小型化基站天线提供极化分集的单元，促进新型天线技术的发展，让小型化、多极化及低成本的全向天线成为现实。

本发明的基于左右手复合传输线的水平极化全向天线不仅可以无线局域网系统中，也可以应用于移动通信的基站中，相应根据业务工作频率调整所述天线的尺寸。本发明制作工艺简单，成本低，提供水平极化的全向覆盖，且满足了低剖面、小型化的结构要求，天线稳定性好，具有很高的实用价值。

以上对本发明所提供的一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线，由圆形微波介质基板（10）、通过刻蚀铜箔形成的上表面元件（20）和下表面元件（30）构成，其特征在于：

所述的圆形微波介质基板(10)为聚四氟乙烯材料，介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，厚度为0.7mm，半径为20mm，基板双面覆铜的厚度均为0.07mm；

所述的上表面元件（20）、下表面元件（30）分别包括数条圆弧形金属条，通过刻蚀的方法周期性地加工在微波介质基板（10）上；上表面的第三圆弧形金属条（23）,第四圆弧形金属条（24）,第五圆弧形金属条（25）,第六圆弧形金属条（26）,第七圆弧形金属条（27）和下表面的第一圆弧形金属条（31）,第二圆弧形金属条（32）,第三圆弧形金属条（33）,第四圆弧形金属条（34）,第五圆弧形金属条（35）,第六圆弧形金属条（36）大小尺寸相等，周期性地分布在一个圆周上，分别在上、下表面构成圆环。

2.根据权利要求1所述的左右手复合传输线的水平极化全向天线，其特征在于：

下表面的圆弧形金属条与上表面的圆弧形金属条相互耦合引入平行板电容，相当于周期性的引入串联电容，在微波介质基板上构成左右复合传输线，从而构成零次模环天线。

3.根据权利要求1所述的左右手复合传输线的水平极化全向天线，其特征在于：

同一表面相邻的圆弧形金属条之间刻蚀有缝隙，每一个下表面的圆弧形金属条的对称轴设于与之对应的每一个上表面圆弧形金属条间缝隙的正下方。

4.根据权利要求1所述的左右手复合传输线的水平极化全向天线，其特征在于：

上表面的第一圆弧形金属条（21）和第二圆弧形金属条（22）的总尺寸与其他每一个圆弧形金属条的尺寸相等，馈电端口位于第一圆弧形金属条(21)和第二圆弧形金属条(22)之间缝隙处；该端口一端连接第一圆弧形金属条(21)，另一端连接第二圆弧形金属条(22)。

5.根据权利要求1所述的左右手复合传输线的水平极化全向天线，其特征在于：

所述圆弧形金属条长度不大于中心频率对应的工作波长的1/6，其构成的零次模环天线周长不超过1.5倍中心频率对应的工作波长。

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