CN104319462A

CN104319462A - 一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线

Info

Publication number: CN104319462A
Application number: CN201410550158.6A
Authority: CN
Inventors: 张彦; 杨天杨; 洪伟; 朱晓维
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104319462B

Abstract

本发明公开了一种适用于3.5GHz(3.3-3.8GHz)无线局域网(WiFi/WiMax)接入点的低剖面双极化室内吸顶天线，天线尺寸为188×188×20(mm)。其馈线部分为基于标准印刷电路工艺的微带线，辐射单元由全钢片结构的4组主激励单元和9片寄生谐振单元构成。本发明针对工作频率在3.3-3.8GHz的无线局域网系统接入点进行了优化设计，天线形式为低剖面的平板吸顶天线，实现了具有宽带(500MHz)、中高增益(15.5±0.5dBi)、低交叉极化-共极化比(20dB)和高端口隔离度(>20dB)的，具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点。

Description

一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线

技术领域

本发明涉及通信系统综合设计领域，具体涉及一种适用于3.5GHz(3300-3800MHz)无线局域网(WiFi/WiMax)的双极化平板形式接入天线。

背景技术

随着无线局域网技术的普及和相关终端设备的大量商业化出现，无线局域网正迅速在各种建筑物内外实现布网和覆盖。目前，主流的无线局域网工作频率包括2.4GHz，5.8GHz和3.5GHz，根据各个国家和地区对无线电频谱的管理要求不同而选取不同的频率。需要注意的是，不同的工作频率对应着不同的通信标准和协议，但都能够有效的支持宽带数据传输业务。无线局域网正作为对移动通信网络的一种有效补充方式，与生产生活的联系日益紧密。

在架设和部署无线局域网时，尤其在室内场景下，相关的天线设备必须安装在特定的位置以满足对网络的覆盖要求。同时，天线的辐射特性，诸如增益、辐射方向图，也都决定了网络的覆盖特性。以3.5GHz无线局域网技术为例，为了实现较好的传输速率，天线增益要求不小于15dBi。为了有效的提升信道容量，提高数据传输速率，多天线或多通道技术正逐步取消原始的单天线或单通道技术。此外，天线的暴露安装需求，会带来美观问题，因此，无线局域网天线的小型化和美观化也是设计中必须考虑的问题。众所周知，天线的小型化与高增益之间是一对设计矛盾；此外，多天线设计必然会带来体积增加或者天线间互耦等问题。因此，研制一款同时具有中高增益(>15dBi)、双极化辐射特性和小型化或平面形式的天线是新型无线局域网天线研发中的难点。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，用于解决现有的局域网天线设备中的多天线技术无法同时兼顾小型化、高增益的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，包括介质基片、主辐射单元和寄生辐射贴片，所述介质基片上具有金属衬底，所述主辐射单元和寄生辐射贴片均悬浮设置在介质基片上；所述寄生辐射贴片共有9个并且排列成三行三列的田字格形式，所述主辐射单元共有4个且分别均匀地呈几何对称分布于田字格的4个象限内；每个主辐射单元包括上下两层贴片，其中靠近介质基片的贴片为四条长边四条短边间隔组成的八边形金属贴片，远离介质基片的贴片为正方形金属贴片；还包括两个微带线形式的馈电网络，每个馈电网络均为由3组树状二等分功率分配器形成的一分四的功率分配馈电结构；对于每个馈电网络，其末端配备一组金属线，每组金属线内包含4根与介质基片相垂直的金属线，馈电网络的4个末端与4根金属线一一对应并且通过金属线连接到八边形金属贴片中与馈电网络连接的长边中点上；每个八边形金属贴片中各有一组相邻的2个长边分别连接到两个不同的馈电网络上。

本发明在传统贴片天线阵列基础上提出了主辐射单元加寄生辐射单元结构，寄生辐射单元巧妙而紧凑地分布在主辐射单元周边，实现了紧凑化的排布设计。其中主辐射单元通过馈电网络直接激励，寄生辐射单元则由主辐射单元通过空间耦合实现二次激励。主辐射单元和寄生辐射单元共同构成了一个较大的天线辐射口径，寄生辐射单元的引入可以提高辐射口径中辐射场的均匀性，从而有效地提高天线的增益；同时，由于寄生辐射单元采用空间激励方式，避免了引入复杂的馈电网络和由馈电网络引入的插入损耗，可以有效的简化天线结构，便于设计和实现，同时可以使天线具有较高的辐射效率。此外，寄生辐射单元的引入还可以丰富天线的谐振频率，进一步拓展天线的工作带宽。

进一步的，在本发明中，位于相邻象限的两两主辐射单元之间的距离为0.8～0.9个工作波长；所述八边形金属贴片距离介质基片0.02～0.03个工作波长；所述正方形金属贴片距离介质基片0.08～0.12个工作波长；所述寄生辐射贴片距离介质基片的距离为0.06～0.07个工作波长。本发明所采用的主辐射单元为正方形金属贴片和八边形金属贴片层叠结构，贴片间距和贴片到介质基片背面金属地间距的选取符合常规贴片天线设计准则，在1％个工作波长左右。考虑到寄生辐射单元的排布需要，主辐射单元间距的选取较大，但仍小于一个工作波长以避免辐射方向图中栅瓣出现。寄生辐射单元与介质基片背面金属地之间的间距也控制在1％个工作波长左右。

进一步的，在本发明中，在寄生辐射贴片中，位于中心的一个尺寸最小，位于四个顶角上的四个尺寸相同且尺寸最大，剩余的四个尺寸相同且尺寸居中。寄生辐射贴片的尺寸设计是优选的结果，优选目标在于能够有效提升天线的增益，同时需要满足不会与主辐射单元发生交叠。

进一步的，在本发明中，主辐射单元的中心设置有金属柱，将主辐射单元支撑并固定在介质基片的金属衬底上。利用金属柱支撑固定主辐射单元为本行业内通用的做法。

进一步的，在本发明中，寄生辐射贴片的中心设置有尼龙柱，将寄生辐射贴片支撑并固定在介质基片的金属衬底上。需要指出，之所以采用尼龙柱是因为部分寄生辐射贴片中心下方存在馈电网络的微带线，如果选用金属柱会破坏馈电结构，因此采用了尼龙柱支撑。

有益效果：

本发明的天线具有较宽的工作带宽，覆盖了3.3-3.8GHz无线局域网工作频带，并且经过实验测试，工作频带内两个端口的驻波均优于14dB；同时支持双极化辐射，极化端口隔离优于20dB，两个极化辐射增益均大于15dBi，共极化交叉极化比优于22dB；

将本发明的结构制备成实物，外形尺寸长*宽*厚约为188mm×188mm×20mm，为平板结构，能够作为吸顶式天线安装在建筑物内，具有良好的隐蔽特性；

另外，本设计的天线结构简单，是由几种基本的元件以类似的方式组合而成，因此可以方便地利用印刷电路板工艺和金属片线切割工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

综上所述，本发明的无线局域网接入天线具有宽工作频带、高增益、双极化(双端口)、体积小巧(平板状)、吸顶式安装的特点，并且具有成本低、便于批量生产等优点，因此适用于无线局域网(WiFi/WiMax)系统中应用。

附图说明

图1为本发明的3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线的平面示意图；

图2为天线双端口驻波和端口间隔离测试结果；

图3为天线1端口输入时，电场平面(E面)和磁场平面(H面)辐射方向图测试结果；

图4为天线1端口输入时，电场平面(E面)和磁场平面(H面)增益测试结果；

图5为天线2端口输入时，电场平面(E面)和磁场平面(H面)辐射方向图测试结果；

图6为天线2端口输入时，电场平面(E面)和磁场平面(H面)增益测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为本发明的一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，该天线由具有金属衬底的介质基片1构成天线的地板和支撑结构，在介质基片1上表面印刷有两组微带线形式的馈电网络2、3，馈电网络2中包含了三组树状二等分功率分配器21、22、23，馈电网络3中包含了三组树状二等分功率分配器31、32、33，使得馈电网络形成一分四的等功率分配馈电结构。

天线的主辐射单元有4组，分别由悬浮在介质基片1上方的距离介质基片1约0.02～0.03个工作波长高度的下层八边形金属贴片41、43、45、47和距离介质基片1约0.1个工作波长左右高度的上层正方形金属贴片42、44、46、48一一对应构成，其中八边形金属贴片41、43、45、47的八条边由四条长边和四条短边间隔构成。每组辐射单元通过穿过其中心的金属柱51、52、53、54进行支撑并固定在介质基片1的金属衬底上；

馈电网络2通过一组包含4根与介质基片1垂直的金属线81、82，83、84分别一一对应连接到主辐射单元的下层八边形金属贴片41、43、45、47的一条长边的中点上，馈电网络3的末端通过另一组5根与介质基片1垂直的金属线85、86、87、88分别一一对应连接到主辐射单元的下层八边形金属贴片41、43、45、47的另一条长边的中点上；上述属于同一个八边形金属贴片的2条长边相互垂直。

所述天线还包括排布为三行三列的九片正方形寄生辐射贴片61～69，寄生辐射贴片61～69同样悬浮在介质基片1的上方，高度约为0.06～0.07个工作波长，由位于其中心的尼龙柱71～79将其支撑并固定在介质基片1上；其中，位于中间的寄生辐射贴片65的尺寸最小，位于四个顶角位置的寄生辐射贴片61、63、67、69具有相同尺寸且尺寸最大，剩余的寄生辐射贴片62、64、66、68具有相同尺寸且尺寸居中；所述九片寄生贴片61～69的中心点构成一个规则的田字格，前述由八边形金属贴片41、43、45、47和正方形金属贴片42、44、46、48一一对应构成的四个主辐射单元呈几何对称均匀分布分布在该田字格中，相邻的2组主辐射单元之间间距约为0.8～0.9个工作波长。

将本装置制备成实物，长*宽*高的尺寸为188mm×188mm×20mm。

本实施例的天线中心频率为3.5GHz，工作频带为3.3-3.8GHz，以馈电网络2为1号端口、馈电网络3为2号端口，工作频带内两端口的驻波均优于14dB，双端口隔离优于20dB；两个极化辐射增益均大于15dBi，共极化交叉极化比优于22dB。

实测的天线两端口的驻波（1号端口驻波|S₁₁|和2号端口驻波|S₂₂|）和隔离度（|S₁₂|）的结果示于图2，由图2可以看出，在设计频率范围内，两端口驻波满足设计要求，且两端口之间具有较高的隔离度。将天线1号端口激励时对应的辐射方向图和增益结果分别示于图3、图4；将天线2号端口激励时对应的辐射方向图和增益结果分别示于图5、图6。其中，图3和图5所给出的两个端口分别激励情况下的辐射方向图具有较好的相似性，电场平面（E面）和磁场（H面）的主极化分量在主瓣方向近似重合，最大点增益大于15dBi，并高于交叉极化分量25dB以上，具有良好的辐射特性。图4和图6所给出的两个端口分别激励下的增益曲线，可以看出在需求的工作频带3.3-3.8GHz，天线在电场平面（E面）和磁场平面（H面）内的主向增益均优于15dBi，具有高增益辐射特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，其特征在于：包括介质基片、主辐射单元和寄生辐射贴片，所述介质基片上具有金属衬底，所述主辐射单元和寄生辐射贴片均悬浮设置在介质基片上；所述寄生辐射贴片共有9个并且排列成三行三列的田字格形式，所述主辐射单元共有4个且分别均匀地呈几何对称分布于田字格的4个象限内；每个主辐射单元包括上下两层贴片，其中靠近介质基片的贴片为四条长边四条短边间隔组成的八边形金属贴片，远离介质基片的贴片为正方形金属贴片；还包括两个微带线形式的馈电网络，每个馈电网络均为由3组树状二等分功率分配器形成的一分四的功率分配馈电结构；对于每个馈电网络，其末端配备一组金属线，每组金属线内包含4根与介质基片相垂直的金属线，馈电网络的4个末端与4根金属线一一对应并且通过金属线连接到八边形金属贴片中与馈电网络连接的长边中点上；每个八边形金属贴片中各有一组相邻的2个长边分别连接到两个不同的馈电网络上。

2.根据权利要求1所述的一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，其特征在于：位于相邻象限的两两主辐射单元之间的距离为0.8～0.9个工作波长；所述八边形金属贴片距离介质基片0.02～0.03个工作波长；所述正方形金属贴片距离介质基片0.08～0.12个工作波长；所述寄生辐射贴片距离介质基片的距离为0.06～0.07个工作波长。

3.根据权利要求1所述的一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，其特征在于：在寄生辐射贴片中，位于中心的一个尺寸最小，位于四个顶角上的四个尺寸相同且尺寸最大，剩余的四个尺寸相同且尺寸居中。

4.根据权利要求1至3中任意一条所述的一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，其特征在于：主辐射单元的中心设置有金属柱，将主辐射单元支撑并固定在介质基片的金属衬底上。

5.根据权利要求1至3中任意一条所述的一种3.5GHz双极化无线局域网吸顶天线，其特征在于：寄生辐射贴片的中心设置有尼龙柱，将寄生辐射贴片支撑并固定在介质基片的金属衬底上。