CN106025527A - 一种带耦合线的宽带水平极化全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带耦合线的宽带水平极化全向天线，包括天线辐射单元、宽带巴伦、微带线阻抗匹配网络、调谐圆盘阻抗匹配网络和介质基板，所述介质基板的正面蚀刻天线辐射单元、宽带巴伦正面部分和微带线阻抗匹配网络，介质基板的背面则蚀刻宽带巴伦背面部分和调谐圆盘阻抗匹配网络。本发明具有尺寸小、全向性好、水平极化、带宽宽，适用于移动通信。

Description

一种带耦合线的宽带水平极化全向天线
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别是一种带耦合线的宽带水平极化全向天线。
背景技术
随着科技的发展，无线通信在人们生活中不可替代的一部分，而天线是无线通信中必不可少的部分。随着4G的广泛使用，为了满足移动用户数据需求量迅速增长，通信系统不断扩容，多种制式系统并存。其中在2GHz频段附近就包括2G的PCS、DCS标准；3G中包括WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000标准；4G包括的TDD、FDD标准，为了满足这些频段多个标准的需求，1.61-2.72GHz全频段覆盖的宽带天线的设计具有非常重要的意义。宽带天线不仅能够满足设备之间大量信息高速传递的需求，且可以使一副天线工作于多个通信系统中，从而减少载体上天线数目，降低成本。
全向水平极化天线指的是一种在水平方位面内360°均匀辐射信号或接收信号并且在水平面内极化的天线。它被广泛应用在广播电视、卫星通信、射频识别、移动通信、无线传感器以及空间飞行器等场合，其有效覆盖的范围更大。
传统的通信天线，其极化方式一般为垂直极化，当极化为垂直或者水平的信号自远处传播而来，均要经过多径传播，因为多径效应会使得信号的极化方式发生不可预知的旋转，以至于最终到达极化方式为水平极化或者垂直极化的移动终端时，部分信号会遇到极化失配的问题，整体信号的能量幅度将会衰减。大量文献研究表明，发射端和接收端均采用水平极化天线的设备比发射端和接收端均采用垂直极化天线的设备可以至少多获得平均10dB的功率。因此，相比于其它极化方式的全向天线，全向水平极化天线可以大大地增加通信的有效范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种带耦合线的宽带水平极化全向天线，该天线是一种小尺寸、宽带的水平极化的全向天线。它是由多个印刷振子和宽带巴伦对称排布加上阻抗匹配网络组成。使用一个单天线提供对1.61-2.72GHz内频段的全频覆盖，并且水平面内不管用户移动方向如何都能确保覆盖。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种带耦合线的宽带水平极化全向天线，包括天线辐射单元、宽带巴伦、微带线阻抗匹配网络、调谐圆盘阻抗匹配网络和介质基板，所述介质基板的正面蚀刻天线辐射单元、宽带巴伦正面部分和微带线阻抗匹配网络，介质基板的背面则蚀刻宽带巴伦背面部分和调谐圆盘阻抗匹配网络。
所述天线辐射单元是由印刷振子组成，四对印刷振子组成正方形状天线辐射体，每对振子长度均为0.5λ。其中，λ为中心频率2GHz所对应自由空间的波长，每对矩形印刷振子宽度相同，均为9.6mm。每对相邻振子间有间隔，对称振子臂之间用槽线隔断。其中一侧的振子臂通过短路针连接宽带巴伦背面部分，另一侧的振子臂上刻有耦合线，并且连接宽带巴伦正面部分。
所述的每个宽带巴伦形状相同，宽带巴伦正面部分和背面部分类似等边梯形，宽度渐变；其中背面部分还包括一段与短路针连接的连接体。宽带巴伦正面部分连接刻有耦合线的天线振子和微带线阻抗匹配网络。宽带巴伦背面部分通过短路针连接天线振子和调谐圆盘阻抗匹配网络。
微带线阻抗匹配网络中心点连接同轴电缆的馈电中心，另一端连接宽带巴伦正面部分。
调谐圆盘阻抗匹配网络包括调谐圆盘和正方形微扰。调谐圆盘中心区域连接同轴电缆的地端，正方形微扰嵌入在调谐圆盘外边缘上，同样外边缘也连接宽带巴伦背面部分。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下优点和有益效果：
1、均匀同相电流环是实现水平极化全向辐射的关键，由于大环天线电流分布不均匀，故采用多个印刷振子按正方形排布以得到近似均匀电流环的辐射。其中正方形和圆形排布的天线的远区场辐射是一样的。方案中利用四对矩形印刷振子组成一个正方形，每对矩形印刷振子的长度都约为0.5λ，振子上电流方向相同，正方形上电流近似均匀分布。
2、矩形印刷振子的宽度对天线全向性的影响可以忽略，但是会影响天线带宽和匹配程度；相邻振子间间隔距离对天线的全向性和阻抗匹配性能均有影响。
3、宽带巴伦和阻抗匹配网络影响天线的带宽和阻抗匹配性能，对天线全向特性几乎无影响。宽带巴伦和阻抗匹配网络四对矩形印刷振子等幅同相馈电，实现了宽带阻抗匹配，10dB的回波损耗带宽可达到51%。
4、该天线是全平面化、紧凑型结构，易于制作，实现了1.61-2.72GHz全频段覆盖，水平面不圆度小于3dB，主极化分量比交叉分量大15dB以上的参数指标，满足了尺寸小、全向性、水平极化和宽带的要求。
附图说明
图1是本带有耦合线的宽带水平极化天线正面结构示意图。
图2是本带有耦合线的宽带水平极化天线反面结构示意图。
图3是本带有耦合线的宽带水平极化天线正面参数示意图。
图4是本带有耦合线的宽带水平极化天线反面参数示意图。
图5是本带有耦合线的宽带水平极化天线回波损耗图。
图1和图2中各附图标记说明如下：A-1～A-2表示天线辐射单元振子；A-3表示耦合线；A-4表示槽线，A-5表示短路针；A-6和C-1表示宽带巴伦正面和背面；A-7表示微带线阻抗匹配网络；A-8表示同轴电缆馈电中心；C-2表示调谐圆盘阻抗匹配网络的调谐圆盘；C-3表示调谐圆盘阻抗匹配网络的正方形微扰；B表示介质基板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线，包括天线辐射单元、宽带巴伦、微带线阻抗匹配网络、调谐圆盘阻抗匹配网络和介质基板，所述介质基板的正面蚀刻天线辐射单元、宽带巴伦正面部分和微带线阻抗匹配网络，介质基板的背面则蚀刻宽带巴伦背面部分和调谐圆盘阻抗匹配网络。
每对相邻振子间有间隔，对称振子臂之间用槽线隔断，其中一侧的振子A-2臂通过短路针A-5连接宽带巴伦背面部分C-1，另一侧振子A-1臂上刻有耦合线A-3，并与宽带巴伦正面部分A-6相连接，对称振子之间通过槽线A-4分割开。微带线阻抗匹配网络A-7一端连接同轴电缆馈电中心A-8，另一端连接宽带巴伦正面部分A-6。将辐射单元、宽带巴伦正面部分和微带线阻抗匹配网络组合后，依次旋转90°，180°，270°，组成阵列。四对印刷振子分别与正方形介质基板B的四条边平行。
如图2所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线背面结构示意图，包括宽带巴伦和调谐圆盘阻抗匹配网络。其中，宽带巴伦背面部分C-1通过短路针A-5连接振子A-1，另一边连接调谐圆盘C-2的外边缘。调谐圆盘C-2中心区域连接同轴电缆的地端，同时外边缘上还嵌入正方形微扰C-3。将宽带巴伦背面部分和正方形微扰组合后，依次旋转90°，180°，270°，组成阵列。宽带巴伦背面部分和正面部分平行。
介质基板B是厚度为2mm高频板FR4板材，相对介电常数4.5，损耗角正切是0.0027，边长为85mm。
同轴电缆采用半钢同轴RG-178，直径为2.5mm，特征阻抗为50Ω。
如图3所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线正面参数示意图，四对矩形印刷振子长度L均相等，约为0.5λ，其中λ为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。天线振子宽9.6mm（W3），一侧的振子长28.3mm（L5），其上刻有耦合线，耦合线宽0.8mm（W1）。突出的交指部分长5mm（L4），宽1.8mm（W2），共有4个交指。另一侧长24.6mm（L6），通过半径为0.35mm（R3）的短路针连接到宽带巴伦背面部分。对称振子之间通过槽线隔断。
如图3所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线正面参数示意图，宽带巴伦正面部分可以看作是一个等腰三角形减去头顶的尖角形成的等边梯形。其中这个尖角的角度为6.2°（θ1）。
如图3所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线正面参数示意图，微带线阻抗匹配网络宽1mm（W4），中心点连接同轴电缆的馈电圆盘，圆盘半径1.7mm（R1）。
如图4所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线背面参数示意图，宽带巴伦背面部分可以看作是宽带巴伦正面部分平移到背面外加一段与短路针连接的连接体，连接体长6mm（L7），宽9.6mm（W3）。
如图4所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线背面参数示意图，背面的调谐圆盘半径为10mm（R2），在背面的宽带巴伦之间插入了4个正方形的微扰，正方形的边长为8mm（L8）。
如图5所示，一种带耦合线的宽带水平极化全向天线背面回波损耗图，天线的回波损耗在1.61-2.72GHz之间都小于-10dB，表现了良好的宽带性能。

Claims (6)

1.一种带耦合线的宽带水平极化全向天线，其特征在于，包括天线辐射单元、宽带巴伦、微带线阻抗匹配网络、调谐圆盘阻抗匹配网络和介质基板，所述介质基板的正面蚀刻天线辐射单元、宽带巴伦正面部分和微带线阻抗匹配网络，介质基板的背面则蚀刻宽带巴伦背面部分和调谐圆盘阻抗匹配网络。
2.根据权利要求1所述的带耦合线的宽带水平极化全向天线，其特征在于，所述天线辐射单元是由印刷振子组成，四对印刷振子组成正方形状天线辐射体，每对矩形印刷振子长度相同，均为0.5λ，其中，λ为中心频率2GHz所对应自由空间的波长；每对矩形印刷振子宽度相同，均为9.6mm。
3.根据权利要求1所述的带耦合线的宽带水平极化全向天线，其特征在于，每对相邻振子间有间隔，对称振子臂之间用槽线隔断，其中一侧的振子臂通过短路针与宽带巴伦背面部分连接；另一侧的振子臂上刻有耦合线，并且连接宽带巴伦正面部分。
4.根据权利要求1所述的带耦合线的宽带水平极化全向天线，其特征在于，所述的每个宽带巴伦形状相同，宽带巴伦正面部分和背面部分类似等边梯形，宽度渐变；其中背面部分还包括一段与短路针连接的连接体。
5.根据权利要求1所述的带耦合线的宽带水平极化全向天线，其特征在于，所述微带线阻抗匹配网络一侧连接宽带巴伦正面部分，另一侧连接同轴电缆的馈电中心。
6.根据权利要求1所述的带耦合线的宽带水平极化全向天线，其特征在于，所述调谐圆盘阻抗匹配网络包括调谐圆盘和正方形微扰；其中，调谐圆盘中心部分连接同轴电缆的地端，调谐圆盘外边缘连接着宽带巴伦背面部分，正方形微扰也嵌入在调谐圆盘外边缘上。
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