CN104037496B - 一种全向圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

一种全向圆极化天线，包括：水平放置的上下两层具有相同轮辐形状的金属带，每层所述金属带由中心部分和多个与所述中心部分相连接的辐条组成，所述多个辐条在所述轮辐形状的圆周位置处具有沿所述圆周朝同一个方向延伸的延伸部分，其中，所述上下两层金属带上辐条的所述延伸部分的延伸方向相反；与所述金属带上的辐条数量相同的金属柱，将所述上下两层金属带上每个辐条的所述延伸部分的末端上下互相连接；同轴连接器，包括加长内导体和外导体，其中，所述加长内导体与所述上层金属带的中心相连接，所述外导体与所述下层金属带的中心相连接。

Description

一种全向圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及全向圆极化天线。
背景技术
近年来，无线室内覆盖正日益成为无线通信技术领域的热点，其中，关于天线技术的研究尤为引起行业内的关注。
目前为止的研究已经表明，圆极化波与线极化波相比，具有抗多径衰减，对极化方向不敏感等优点，因此圆极化天线被广泛应用于卫星通信和广播。并且，近来的工作进一步发现，由于可以降低用户终端天线极化方向对接收信噪比的影响，圆极化天线亦可应用于增强室内覆盖。
然而，大多数现有的圆极化天线都是非全向的，例如切角正方形贴片天线，双/四馈贴片天线和螺旋天线等等。由于它们的方向图都有方向性，这些天线并不适合室内无线覆盖。此外，这些天线带宽窄、结构复杂。
虽然在调频和电视广播频段，有几款经典的全向圆极化天线，例如林登布列(Lindenblad)天线和cycloiddipole天线。但如果将它们按比例缩小到室内无线覆盖常用的频段(0.8～2.5GHz)，这些天线将由于体积过大或者结构不稳定而变得不实用。
因此需要一种新型的全向圆极化天线，并且需要具有宽轴比带宽、结构简单且稳定的特点，同时还要求该天线可以工作在常用的无线频段，以实现室内无线覆盖。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种新的全向圆极化天线，使用垂直短偶极子作为馈电网络的一部分来激励几段并联的导线。这些导线沿偶极子的轴线放置，一起构成一个环天线。在偶极子和每段导线上的电流构成半波谐振，因此偶极子和每段导线上的电流都是同相的。通过调整偶极子的高度和并联导线的数量，远区场的水平和垂直分量都可以进行调整，以实现圆极化的全向辐射。
具体地，根据本发明的第一方面，提出了一种全向圆极化天线，包括：水平放置的上下两层具有相同轮辐形状的金属带，每层所述金属带由中心部分和多个与所述中心部分相连接的辐条组成，所述多个辐条在所述轮辐形状的圆周位置处具有沿所述圆周朝同一个方向延伸的延伸部分，其中，所述上下两层金属带上辐条的所述延伸部分的延伸方向相反；与所述金属带上的辐条数量相同的金属柱，将所述上下两层金属带上每个辐条的所述延伸部分的末端上下互相连接；同轴连接器，包括加长内导体和外导体，其中，所述加长内导体与所述上层金属带的中心相连接，所述外导体与所述下层金属带的中心相连接。
优选地，所述天线的所述上下两层金属带分别设置在上下两层印刷电路板中。
优选地，所述天线的所述上下两层金属带设置在一层印刷电路板中。
更优选地，所述天线根据其工作频率调整所述加长内导体的高度和所述辐条的数量。
根据本发明的第二方面，提出了一种无线通信设备，包括上述任意一种天线。优选地，所述天线的所述上下两层金属带设置在一层印刷电路板中。
优选地，所述设备还包括外置宽带匹配网络。
根据本发明的第三方面，提出了一种无线通信系统，包括上述的设备。
本发明中，提出了一个简单、实用的全向圆极化天线设计以用于室内覆盖，与传统的全向圆极化天线相比，提出的天线具有两个显著的优点：首先，整个天线主要基于2个印刷电路板和几个金属柱实现，其结构比其他的圆极化天线简单很多，此外在更高的频率，提出的天线甚至可以在单个印刷电路板上实现，因此，本发明提出的结构更容易制造且更稳定；其次，根据本发明提出的圆极化天线的轴比带宽远宽于其它传统的圆极化天线。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优势将会更为明显。
图1示出了根据本发明的全向圆极化天线一种实施方式的透视图；
图2示出了根据本发明的全向圆极化天线一种实施方式的侧视图；
图3示出了根据本发明的全向圆极化天线一种实施方式的俯视图；
图4示出了根据本发明的全向圆极化天线一种实施方式的反射损耗和最大方位角平面轴比示意图；
图5示出了根据本发明的全向圆极化天线一种实施方式的中心频率的方位角平面轴比和仰角平面轴比示意图；
图6(a)和(b)示出了根据本发明的全向圆极化天线一种实施方式的中心频率归一化方向图。
其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征或装置/模块。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
首先，根据电磁理论，由同一电流激励的垂直短偶极子和水平小环的远区场相互垂直且相位相差90度。因此通过叠加偶极子和环天线的远区场，并且调整激励幅度，就可以在所有方向实现圆极化的辐射场。
基于上面的理论，本发明的基本思想是：用偶极子作为馈电网络的一部分来激励几段并联的导线，这些导线沿偶极子的轴线放置，一起构成一个环天线。在偶极子和每段导线上的电流构成半波谐振，因此偶极子和每段导线上的电流都是同相的。通过调整偶极子的高度和并联导线的数量，远区场的水平和垂直分量都可以进行调整，以实现圆极化的全向辐射。
通过上述思想还可以看出，基于本发明的全向圆极化天线通过对偶极子高度和并联导线数量的调整，可以工作在一个很宽范围的无线频段，典型的，可以工作在室内无线覆盖常用的频段(0.8～2.5GHz)；但基于本发明的天线并不仅限于上述频段，实际上，本发明的天线也适用于毫米波波段，因此以下描述中指明的频率仅是为了叙述方便起见，并不是对本发明应用场景的一种限制。
附图1至附图3表示了根据本发明，工作在1.6GHz的一个全向圆极化天线具体实现方式。
如图所示，整个结构主要包括两层分别有轮辐形状金属带110、140的印刷电路板130。上下两层轮辐形金属带拥有同样数量的辐条，在每个辐条的末端具有沿圆周方向的延伸部分，在单层金属带上这些延伸部分朝同一个方向；而上下两层轮辐形金属带的延伸部分的方向相反。上层轮辐形金属带110的中心与同轴连接器150的加长内导体120连接，而下层轮辐形金属带140的中心与同轴连接器150的外导体连接。数个位于圆周的金属柱160连接上下两层轮辐形金属带的各个辐条延伸部分的顶端。电流由同轴连接器150的内导体出发，经过加长内导体120，上层轮辐形金属带110，金属柱160和下层轮辐形金属带140，最后回到馈电同轴线150的外导体。
由于处于半波谐振状态，在这些结构上的电流均为同相。上下两层金属带的每一对由金属柱160相连接的辐条构成了前述沿偶极子轴向放置的数段并联导线中的一段，所有的轮辐形状金属带上辐条的延伸部分一起等效实现了一个同相激励的环天线。因为上下每一对辐条的径向部分的电流幅度相同，方向相反，轮辐形金属带辐条径向部分作为其延伸部分的馈电传输线。这一结构产生了一个与小环天线相似的远区方向图。而同轴连接器150的加长内导体120一方面作为一个短偶极子工作，另一方面作为轮辐形状金属带辐条延伸部分的馈电结构的一部分。
根据上述具体实施方式，一个工作在1.6Ghz的天线原型被设计出来用于测试本发明的有益效果。该设计的目标是保持一个低的方位角平面轴比，同时最大化阻抗和轴比带宽。反射损耗和最大方位角平面轴比，中心频率的方位角平面轴比和仰角平面轴比，中心频率归一化方向图分别由附图4至附图6给出，其中附图6(a)示出了方位角平面，附图6(b)示出了仰角平面。如图所示，可以发现：
(1)-10dB阻抗带宽为12.2％(1.54～1.73GHz)，而3dB轴比带宽为95％(0.95～2.65GHz)，因此总的重叠带宽仅取决于阻抗带宽；
(2)方向图为水平全向，且为右旋极化(RHCP)；
(3)在中心频率，整个平面的轴比均低于-2dB。天线在中心频率的增益为1.2dB。
上述天线原型的测试结果充分说明根据本发明的全向圆极化天线，能够以简单且易生产的结构，较小的体积，实现全向的圆极化辐射场，并且相对于传统的圆极化天线，可以提供更宽的轴比带宽。
此外，根据本发明的全向圆极化天线可以根据其工作频率，调整加长内导体120的高度和辐条的数量以满足不同的工作频率，从而适用于包括毫米波波段在内的各种无线频段。
需要指出的是，上述实施方式中，上下两层金属带分别位于两层印刷电路板中；但是当根据本发明的全向圆极化天线工作在更高的频率时，由于作为短偶极子的加长内导体120的高度更短，因此上下两层金属带也可以设置在一层印刷电路板中。
相应的，本发明还提出了一种无线通信设备，该设备使用了根据本发明的全向圆极化天线。
进一步的，该设备通过采用其他阻抗带宽展宽技术，如外置宽带匹配网络，还可以进一步扩展带宽。
相应的，本发明还提出了一种无线通信系统，该系统包括了带有根据本发明的全向圆极化天线的上述无线通信设备。
以上对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于特定的系统、设备和具体协议，本领域内技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。
那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在本发明中，“第一”、“第二”仅表示名称，不代表次序关系。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (7)

1.一种全向圆极化天线，包括：
水平放置的上下两层具有相同轮辐形状的金属带，每层所述金属带由中心部分和多个与所述中心部分相连接的辐条组成，所述多个辐条在所述轮辐形状的圆周位置处具有沿所述圆周朝同一个方向延伸的延伸部分，其中，所述上下两层金属带上辐条的所述延伸部分的延伸方向相反；
与所述金属带上的辐条数量相同的金属柱，将所述上下两层金属带上每个辐条的所述延伸部分的末端上下互相连接；
同轴连接器，包括加长内导体和外导体，其中，所述加长内导体与所述上层金属带的中心相连接，所述外导体与所述下层金属带的中心相连接；其中，所述加长内导体与每段所述金属柱及由每段所述金属柱所连接的分别位于上下两层金属带上的每对所述金属辐条上的电流构成半波谐振。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述上下两层金属带分别设置在上下两层印刷电路板中。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，所述上下两层金属带设置在一层印刷电路板中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，根据其工作频率调整所述加长内导体的高度和所述辐条的数量。
5.一种无线通信设备，包括权利要求1至4中任一项所述的天线。
6.根据权利要求5所述的无线通信设备，其中，还包括外置宽带匹配网络。
7.一种无线通信系统，包括权利要求5或6所述的设备。
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