CN104966899B - 一种全向天线和全向天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向天线和全向天线阵列，全向天线包括：介质基板以及第一全向辐射单元；第一全向辐射单元包括：主偶极子、寄生偶极子和金属底板；主偶极子包括：印刷在介质基板一表面的第一金属片以及与介质基板垂直并插入第一金属片的第二金属片；其中，第一金属片、寄生偶极子以及金属底板印刷在介质基板的一表面，第一金属片印刷在金属底板的前方，寄生偶极子印刷在第一金属片的前方。本发明的这种全向天线通过设置寄生偶极子既拓展了天线的带宽，又减小了天线的不圆度；此外，采用三维结构的主偶极子，能提供更大的带宽。

Description

一种全向天线和全向天线阵列

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，具体涉及一种全向天线和全向天线阵列。

背景技术

全向天线是指能在水平面实现360°均匀辐射的一类天线。此类天线被广泛用于移动通信中的基站天线，例如，在移动用户密度较低的市郊、农村地区，采用全向天线可以实现大范围的覆盖。此外，在安防和军用领域，全向天线也被广泛用于对信号的侦测和干扰。

随着移动通信技术日新月异的发展，目前各种制式并存的局面要求基站天线的带宽尽可能宽，能够覆盖较多的频段。例如，2G系统中的GSM 1800和GSM 1900频段分别为1710–1880MHz和1850–1990MHz，3G系统中的CDMA-2000、WCDMA和TD-SCDMA覆盖了1920–2170MHz。长期演进(LTE)系统，例如LTE2300和LTE2500，使用了2300–2400MHz和2500–2690MHz的频段。如果要覆盖以上所述所有的频段(1.71GHz-2.69GHz)，天线就必须有44.5％的带宽。

现有的天线有的可以实现大带宽的要求，但是会增益较低，有的可能满足增益的条件，但是达不到规定的带宽。因此在当前的移动通信以及安防和军用领域中，对于高增益和高带宽的全向天线的需求越来越迫切。

发明内容

本发明提供了一种全向天线和全向天线阵列，以解决现有天线增益或者带宽不大，不能满足现实需求的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种全向天线，该全向天线包括：介质基板以及第一全向辐射单元；

第一全向辐射单元包括：主偶极子、寄生偶极子和金属底板；

主偶极子包括：印刷在介质基板一表面的第一金属片以及与介质基板垂直并插入第一金属片的第二金属片；

其中，第一金属片、寄生偶极子以及金属底板印刷在介质基板的一表面，在同一平面内，第一金属片印刷在金属底板的前方，寄生偶极子印刷在第一金属片的前方。

可选地，全向天线还包括：第二全向辐射单元；

第二全向辐射单元与第一全向辐射单元的结构相同，且第二全向辐射单元的金属底板与第一全向辐射单元的金属底板连接在一起。

可选地，全向天线还包括：馈电网络和馈电电缆；

馈电网络包括：金属带和微带线，金属带印刷在介质基板的一表面；

第一金属片与金属底板通过一对金属带连接，一对金属带平行设置且一对金属带间有缝隙；

微带线印刷在介质基板另一表面的能够对应覆盖缝隙的位置；

金属底板上设置有馈电点；

馈电电缆以及微带线与馈电点连接，通过馈电点向微带线馈电并将能量耦合到金属带上，进而向第一全向辐射单元和第二全向辐射单元馈电。

可选地，馈电电缆的外皮焊接到印刷在介质基板一表面的金属底板上；

馈电电缆的内芯穿过馈电点与印刷在介质基板另一表面的微带线连接。

可选地，微带线包括：第一微带线、第二微带线与阻抗变换线；

第一微带线设在能够对应覆盖缝隙的位置，第一微带线的一端开路，另一端与阻抗变换线的一端相连；

阻抗变换线的另一端与第二微带线的一端相连；

第二微带线与馈电点处的馈电电缆的内芯相连。

可选地，第一全向辐射单元的第二微带线的长度与第二全向辐射单元的第二微带线的长度不相等。

可选地，主偶极子和寄生偶极子的尺寸分别为0.37λ_L和0.23λ_L；

其中，λ_L对应最低工作频率1.65GHz的波长。

可选地，介质基板为矩形，并且介质基板的介电常数为2.55，厚度为1.5mm。

可选地，第一金属片与金属底板的距离为12毫米，寄生偶极子与第一金属片的距离为5毫米；

缝隙的长度和宽度分别为：19毫米和1.2毫米。

此外，本发明还提供了一种全向天线阵列，该全向天线阵列包括：三个如本发明一个方面所述的全向天线；

三个全向天线在垂直面组成天线阵列，且三个全向天线的两两介质基板之间的夹角为120°。

本发明的有益效果是：1、本发明的这种全向天线包括：主偶极子和寄生偶极子，通过采用寄生偶极子，并将寄生偶极子印刷在主偶极子的第一金属片的前方，由寄生偶极子引入新的谐振模式，从而大大拓展本发明这种全向天线的带宽。其次，通过寄生偶极子可以减小该全向天线的不圆度，寄生偶极子起到了引向器的作用，可以让天线的波束更均匀，从而减小不圆度。2、本发明的全向天线中采用三维结构的主偶极子，即由印刷在介质基板上的第一金属片以及与第一金属片垂直的第二金属片形成三维结构的主偶极子，由于三维结构的主偶极子所占用的空间更大，Q值更小，因此能提供更大的带宽。3、本发明采用第二金属片垂直插入介质基板，并与介质基板上的第一金属连接在一起的方式构造三维结构的主偶极子加工制造简单、组装方便、成本低、并适合大批量生产，提高了全向天线的市场竞争力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种全向天线的介质基板一表面示意图；

图2是本发明另一个实施例的一种全向天线的介质基板一表面示意图；

图3是图2所示的全向天线的介质基板另一表面示意图；

图4是图2所示的全向天线的结构示意图；

图5是本发明一个实施例的全向天线阵列的结构示意图；

图6是现有技术的天线阵列的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：针对现有技术中的天线不能同时满足高增益、大带宽需求的技术问题，本发明提出一种全向天线，通过使用三维结构的主偶极子以及引入寄生偶极子，大大拓展了天线的带宽，实现了1.65GHz–2.76GHz频段内电压驻波比VSWR≤1.5(VSWR，voltage standing wave ratio,电压驻波比)，该频段覆盖了2G系统中的GSM 1800和GSM1900频段，3G系统中的CDMA-2000、WCDMA和TD-SCDMA频段和LTE系统的LTE2300和LTE2500频段，非常适合移动通信基站使用。该全向天线在水平面的增益能够达到3dB到5.7dB。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线的重要的参数之一，天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

实施例一

图1是本发明一个实施例的一种全向天线的介质基板一表面示意图，参见图1，本发明实施例中全向天线包括：介质基板11以及第一全向辐射单元；

第一全向辐射单元包括：主偶极子、寄生偶极子15和金属底板12；

主偶极子包括：印刷在介质基板11一表面的第一金属片13以及与介质基板11垂直并插入第一金属片13的第二金属片14；

其中，第一金属片13、寄生偶极子15以及金属底板12印刷在介质基板11的一表面，第一金属片13印刷在金属底板12的前方，寄生偶极子15印刷在第一金属片13的前方。这里的前方是以金属底板为参照，从图1可以看出在同一平面内(即x-z面)，第一金属片13在金属底板12的前方，寄生偶极子15在第一金属片13的前方。

本实施例中，全向天线的主偶极子是一个三维立体结构，通过采用三维立体结构的主偶极子使得本发明的这种全向天线的带宽更大，此外，该全向天线还包括寄生偶极子，寄生偶极子与主偶极子的第一金属片均印刷的介质基板的一表面，通过引入寄生偶极子，由寄生偶极子引入新的谐振模式，从而进一步拓展本发明这种全向天线的带宽。其次，通过寄生偶极子可以减小天线的不圆度，寄生偶极子起到了引向器的作用，可以让波束更均匀，减小不圆度。全向天线的不圆度是指在水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值的偏差。其中，平均值是指水平面方向图中最大间隔不超过5°方位上电平(dB)值的算术平均值。

实施例二

图2是本发明另一个实施例的一种全向天线的介质基板一表面示意图，参见图2，本发明的这种全向天线还包括：第二全向辐射单元，第二全向辐射单元与第一全向辐射单元的结构相同，并且第二全向辐射单元的金属底板与第一全向辐射单元的金属底板连接在一起。即第二全向辐射单元也包括金属底板22、第一金属片23、第二金属片24、寄生偶极子25，第一金属片23与第二金属片24组成三维立体结构的主偶极子，第一金属片23印刷在金属底板22的前方，寄生偶极子25印刷在第一金属片23的前方。第一全向辐射单元和第二全向辐射单元共用一个金属底板22，即在同一个介质基板21一表面上印刷一块较大的金属底板22，供第一全向辐射单元和第二全向辐射单元来使用。

需要说明的是，在本实施例中，第二全向辐射单元可以看作是将第一全向辐射单元向下或向上平移而得到。

参见图2，在本实施例中，全向天线还包括：馈电网络和馈电电缆29；

馈电网络包括：金属带26和微带线，金属带26印刷在介质基板21的一表面；

第一金属片23与金属底板22通过一对金属带26连接，一对金属带26平行设置且一对金属带26间有缝隙27；

微带线印刷在介质基板21另一表面(图2中没有显示)的能够对应覆盖缝隙27的位置；

金属底板21上设置有馈电点28；

馈电电缆29以及微带线与馈电点28连接，通过馈电点28向微带线馈电并将能量耦合到金属带26上，进而向第一全向辐射单元和第二全向辐射单元馈电。

具体参见图2，该全向天线是由2×2个偶极子辐射单元组成，每个偶极子辐射单元包括一个主偶极子和位于其前方的寄生偶极子。两个偶极子辐射单元背靠背，再加上中间的一块金属底板可以产生全向辐射，称之为一个全向辐射单元。两个全向辐射单元(即第一全向辐射单元和第二全向辐射单元)在同一块介质基板上垂直面组阵，再加上馈电网络和馈电电缆组成了本实施例的宽带高增益全向天线。每个主偶极子由印刷在介质基板一表面(x-z面)的第一金属片23和插在该第一金属片23上且与介质基板21垂直的第二金属片24(y-z面)组成，即主偶极子是一个三维的立体结构。寄生偶极子在该全向天线中也起到了重要的作用。首先，它在高频段引入了新的谐振，极大增加了该全向天线的带宽。其次，它可以减小本实施例全向天线的不圆度。如果没有寄生偶极子，天线在图2和图3所示的坐标系的x轴方向的辐射会大于在y轴方向的辐射，且随着频率升高越来越明显。寄生偶极子起到了引向器的作用，通过寄生偶极子将波束向y方向牵引，且随着频率升高越来越明显，因此可以让波束更均匀，减小了天线的不圆度。

图3是图2所示的全向天线的介质基板另一表面示意图，参见图3和图2，在本实施例中，馈电网络指的是图3中所有微带线的总和，它们起到了将馈电点28的能量传输分配至各偶极子的作用。此外，主偶极子的第一金属片23，寄生偶极子25，馈电网络和金属底板22用PCB工艺加工印刷在介质基板21上。也就是说该全向天线的主体结构是一块大的PCB印制板，上面印刷主偶极子的第一金属片、寄生偶极子、馈电网络，并用方形的第二金属片插入第一金属片中，焊接即可。无论是加工还是组装，都比较容易，且成本很低，适合大批量生产。

参见图2，在本实施例中，主偶极子的第一金属片23的物理长度和宽度分别为68mm(毫米)和6.5mm(毫米)，寄生偶极子25的物理长度和宽度分别为41mm(毫米)和4mm(毫米)，金属底板22的物理长度和宽度分别为190mm(毫米)和9mm(毫米)。此外，主偶极子和寄生偶极子的电长度分别约为0.37λ_L和0.23λ_L，其中，λ_L对应该全向天线的最低工作频率1.65GHz的波长。在相同介质中，不同频率下，天线的工作波长不同，频率越高，波长越短，天线的电性能与电长度对应，物理长度则需要进行换算。参见图2，主偶极子的第一金属片23到金属底板22的距离为12mm，寄生偶极子25到主偶极子的第一金属片23的距离为5mm。

图4是图2所示的全向天线的结构示意图，参见图4和图2，该全向天线的主偶极子的第二金属片24与介质基板21相互垂直，并插入介质基板21上的第一金属片23的长臂里，从而使得主偶极子从平面结构(印刷在介质基板上这一个平面结构)变成了三维结构，大大增加了主偶极子的体积，降低了主偶极子的Q值(即品质因数)，增加了天线的带宽。在谐振器(指产生谐振频率的电子元件)理论中，品质因数Q值是衡量谐振程度的参数，品质因数Q越小，说明谐振越弱，带宽越宽。在本实施例中，第二金属片24的物理尺寸分别为25mm×40mm×1mm。

在本实施例中，主偶极子的馈电采用的是与之集成在一起的巴伦。巴伦是平衡不平衡转换器的英文音译，按天线理论，偶极子天线属于平衡型天线，而馈电同轴电缆(即馈电电缆)属于不平衡传输线，若将其直接与偶极子天线连接，则馈电同轴电缆的外皮就有高频电流流过(按同轴电缆传输原理，高频电流应在电缆内部流动，外皮是屏蔽层，是没有电流的)，这样一来，就会影响天线的辐射(可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射)。因此，就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。

参见图2和图3，该巴伦(即馈电网络)由印刷在介质基板21一表面的一对平行金属带26和印刷在介质基板21另一表面的微带线组成，其中，微带线包括：第一微带线30、第二微带线32与阻抗变换线31；第一微带线30设在能够对应覆盖缝隙27的位置，第一微带线30的一端开路，另一端与阻抗变换线31的一端相连；阻抗变换线31的另一端与第二微带线32的一端相连；第二微带线32与馈电点28处的馈电电缆29的内芯相连。

参见图2，第一微带线30是一个50Ω(欧姆)微带线，平行的一对金属带26与主偶极子的第一金属片23相连，且一对金属带26中间开有缝隙27，在本实施例中，缝隙27的长度(x轴方向)和宽度(y轴方向)分别为19mm和1.2mm。

参见图3，50Ω微带线(即第一微带线30)跨过缝隙(即将50Ω微带线设置在缝隙27对面介质基板上，并能够覆盖缝隙27的位置)，将能量耦合到一对平行的金属带26上，50Ω微带线的一端开路，另一端与对面的(即第二全向辐射单元的)50Ω微带线会聚于介质基板21中间。两段50Ω微带线并联后的阻抗为25Ω，再通过一段50Ω四分之一波长的阻抗变换线31将25Ω的阻抗变换到100Ω。最终两段100Ω的微带线(即第二微带线32)会聚到馈电点28处，并联得到50Ω的阻抗，刚好可以与馈电电缆29(阻抗为50欧姆)的阻抗匹配。馈电电缆29的外皮焊在介质基板21一表面的金属底板22上，到了馈电点28处，金属底板上有一个圆型非金属区域，馈电电缆的29内芯在此处穿过介质基板21与另一表面的100Ω微带线相连。

此外，为了保证全向天线的上下两个全向辐射单元(即第一全向辐射单元和第二全向辐射单元)等相位(否则在垂直面的波束会发生偏移)，馈电点28需仔细调整，馈电点28并不在介质基板21的中心点处，也就是说馈电点28上下两侧的100Ω微带线长度不相等，即第一全向辐射单元的第二微带线的长度与第二全向辐射单元的第二微带线的长度不相等。其中，第一全向辐射单元的第二微带线长度为25.5mm，第二全向辐射单元的第二微带线的长度为22.75mm。

在本实施例中，由于将主偶极子的馈电巴伦与主偶极子印刷集成在一块介质基板上，因此不会占用额外的空间，使得全向天线的体积更小，结构更加紧凑。并且通过调节50Ω微带线与缝隙27的相对位置(调整跨越缝隙的位置，例如，在缝隙的中间或者在缝隙的一头)，以及50Ω微带线开路端的长度、缝隙27的长宽，可以很好地实现该巴伦对各偶极子的馈电。在本实施例中，50Ω微带线的宽度为2.75mm，100Ω微带线的宽度为0.75mm。介质基板21为矩形，并且介质基板21的介电常数为2.55，厚度为1.5mm。

由图2至图4可知，本发明提出的宽带高增益全向天线，通过使用三维结构的主偶极子以及引入寄生偶极子，大大拓展了天线的带宽，实现了1.65GHz–2.76GHz频段内电压驻波比VSWR≤1.5，天线其带宽达到了50.3％。该频段覆盖了2G系统中的GSM 1800和GSM 1900频段，3G系统中的CDMA-2000、WCDMA和TD-SCDMA频段和LTE系统的LTE2300和LTE2500频段。该天线在水平面的增益可以达到3dB到5.7dB。如果需要更高的增益，该天线可以很方便地在垂直面(z面)组阵，馈电电缆可以沿全向天线一表面的金属底板走线而不会对天线的性能造成影响。

实施例三

图5是本发明一个实施例的全向天线阵列的示意图，参见图5，本发明的这种全向天线阵列包括：三个如本发明一个方面所述的全向天线；

三个全向天线51在垂直面组成天线阵列，且三个全向天线51的两两介质基板之间的夹角为120°。

具体应用时，利用实施例二中的三个全向天线组成全向天线阵列可以获得更高的增益，三个全向天线组阵时，通过将三个全向天线依次旋转120度，此时整个频段内(1.65GHz–2.76GHz)，水平面方向图的不圆度都会在1dB以内。并且在不计馈电电缆和功分器损耗的情况下，整个频段内水平面的增益可以大约在7.8dB到9.3dB之间。

而现有技术中的组阵如图6所示，图6是现有技术的天线阵列的结构示意图，参见图6，现有技术中的天线在垂直面组成阵列时，两两天线之间的夹角是0度，与本发明实施例提供的图5中的全向天线阵列相比，水平面方向图的不圆度较大。

综上所述，本发明的这种全向天线的优点总结如下：

1.应用寄生偶极子并将寄生偶极子放置在主偶极子前方；由寄生偶极子引入新的谐振模式，大大拓展了天线的带宽。其次，寄生偶极子可以减小天线的不圆度。如果没有寄生偶极子，天线在x轴方向的辐射会大于在y轴方向的辐射，且随着频率升高越来越明显。寄生偶极子起到了引向器的作用，通过将波束向y方向牵引，且随着频率升高越来越明显，因此可以让波束更均匀，减小不圆度。

2.采用三维结构的主偶极子。尽管平面印刷的偶极子结构更简单，但在需要更宽的带宽时，三维结构的偶极子由于所占用的空间更大，Q值更小，因此能提供更大的带宽。本发明的全向天线采用方形的第二金属片垂直插入介质基板，并与介质基板上的第一金属片焊在一起的方式构造三维结构的主偶极子，加工制造简单，成本低。

3.将馈电网络与偶极子集成在一起的技术。本发明实施例的全向天线可以将馈电网络与偶极子集成在一块介质基板上，不会占用额外的空间，并且馈电网络的阻抗的调整非常灵活。

此外，本发明还提供了一种利用上述全向天线的全向天线阵列，由于该全向天线阵列是由上述全向天线组阵而成的，因而该全向天线阵列除了具有上述全向天线的优点外，与单个全向天线相比，该全向天线阵列还具有增益更高(例如，全向天线阵列的增益可以达到7.8dB到9.3dB之间，而单个全向天线增益在3dB到5.7dB之间)，水平面方向图的不圆度更低的优点(例如单个全向天线的不圆度小于2.9dB，而全向天线阵列的不圆度小于1dB)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全向天线，其特征在于，所述全向天线包括：介质基板以及第一全向辐射单元；

所述第一全向辐射单元包括：主偶极子、寄生偶极子和金属底板；

所述主偶极子包括：印刷在所述介质基板一表面的第一金属片以及与所述介质基板垂直并插入所述第一金属片的第二金属片；

其中，所述第一金属片、所述寄生偶极子以及所述金属底板印刷在所述介质基板的一表面，在同一平面内，所述第一金属片印刷在所述金属底板的前方，所述寄生偶极子印刷在所述第一金属片的前方。

2.如权利要求1所述的全向天线，其特征在于，所述全向天线还包括：第二全向辐射单元；

所述第二全向辐射单元与所述第一全向辐射单元的结构相同，且所述第二全向辐射单元的金属底板与所述第一全向辐射单元的金属底板连接在一起。

3.如权利要求2所述的全向天线，其特征在于，所述全向天线还包括：馈电网络和馈电电缆；

所述馈电网络包括：金属带和微带线，所述金属带印刷在所述介质基板的一表面；

所述第一金属片与所述金属底板通过一对所述金属带连接，一对所述金属带平行设置且一对所述金属带间有缝隙；

所述微带线印刷在所述介质基板另一表面的能够对应覆盖所述缝隙的位置；

所述金属底板上设置有馈电点；

所述馈电电缆以及所述微带线与所述馈电点连接，通过所述馈电点向所述微带线馈电并将能量耦合到所述金属带上，进而向所述第一全向辐射单元和所述第二全向辐射单元馈电。

4.如权利要求3所述的全向天线，其特征在于，所述馈电电缆的外皮焊接到印刷在所述介质基板一表面的所述金属底板上；

所述馈电电缆的内芯穿过所述馈电点与印刷在所述介质基板另一表面的微带线连接。

5.如权利要求4所述的全向天线，其特征在于，所述微带线包括：第一微带线、第二微带线与阻抗变换线；

所述第一微带线设在能够对应覆盖所述缝隙的区域内，所述第一微带线的一端开路，另一端与所述阻抗变换线的一端相连；

所述阻抗变换线的另一端与所述第二微带线的一端相连；

所述第二微带线与所述馈电点处的馈电电缆的内芯相连。

6.如权利要求5所述的全向天线，其特征在于，所述第一全向辐射单元的第二微带线的长度与所述第二全向辐射单元的第二微带线的长度不相等。

7.如权利要求1所述的全向天线，其特征在于，所述主偶极子和所述寄生偶极子的尺寸分别为0.37λ_L和0.23λ_L；

其中，λ_L对应最低工作频率1.65GHz的波长。

8.如权利要求1或2所述的全向天线，所述介质基板为矩形，并且所述介质基板的介电常数为2.55，厚度为1.5mm。

9.如权利要求3所述的全向天线，其特征在于，所述第一金属片与所述金属底板的距离为12毫米，所述寄生偶极子与所述第一金属片的距离为5毫米；

所述缝隙的长度和宽度分别为：19毫米和1.2毫米。

10.一种全向天线阵列，其特征在于，所述全向天线阵列包括：三个如权利要求2所述的全向天线；

所述三个全向天线在垂直面组成天线阵列，且所述三个全向天线的两两介质基板之间的夹角为120°。