CN106450701B - 一种平面半球形布置天线阵列及其布置方法 - Google Patents

一种平面半球形布置天线阵列及其布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面半球形布置天线阵列，包括基板和所述基板上设置的多个分别独立馈电、相同的单元天线，多个单元天线包括中心天线和均匀设置在以中心天线为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径的圆上的6个主扩展天线；中心天线垂直于所述基板，所述主扩展天线呈辐射状排布且与所述基板之间的夹角可调。本发明还公开了一种平面半球形布置天线阵列的布置方法。本发明通过在基板上按预定的阵列方式组成天线阵列，每个单元天线独立馈电，馈电之后通过后端电路再做匹配整合，降低天线间的阻抗匹配难度和精准度，保证了天线阵列高增益的同时增大了方向性；另外，还可根据实际要求增减单元天线的数目以达到通信需求，实用性强。

Description

一种平面半球形布置天线阵列及其布置方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种平面半球形布置天线阵列及其布置方法。
背景技术
天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起到了举足轻重的作用，是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统，尤其是全球3G和4G网络建设的飞速发展，产品对天线的要求也越来越高。一方面，需要使天线能够对微弱信号敏感，接收很远很弱的信号，发射微弱的信号到很远的距离。同时又希望天线覆盖面积大，甚至要求360°无死角。正是由于这样的需求，各类天线阵列被提出并得到蓬勃发展。
天线阵列品种样式繁多，但是主要的共同点就是组合复杂，摆阵的阵势要求严格，阻抗链接也是要求精准。大部分天线阵列是增加整体的增益，但是其方向性受伤严重。因此天线阵列在很多区域都是不得已而用之。而一般的单个天线，款式虽然多样，但是能效总是有限的。要么其增益很小，其收发能力都是很有限度的；要么是方向性很窄，辐射覆盖范围很小。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种平面半球形布置天线阵列及其布置方法，保留了原有的高增益的同时大大地扩大了原单元天线的方向性。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种平面半球形布置天线阵列，包括基板和所述基板上设置的多个分别独立馈电、相同的单元天线，多个单元天线包括中心天线和均匀设置在以所述中心天线为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径的圆上的6个主扩展天线；所述中心天线垂直于所述基板，所述主扩展天线呈辐射状排布且与所述基板之间的夹角可调。
作为其中一种实施方式，所述单元天线为高增益棒状天线。
作为其中一种实施方式，所述单元天线为弹簧型金属天线。
作为其中一种实施方式，所述单元天线为陶瓷介质棒状天线。
作为其中一种实施方式，多个单元天线还包括设于所述主扩展天线外围的至少一层副扩展天线；每层所述副扩展天线为6个，均匀设置在以所述中心天线为圆心的圆上，且所在圆的半径相比内侧的单元天线所在圆的半径尺寸递增所述平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4；自中心向所述基板边缘的方向，所述主扩展天线、所述副扩展天线与所述基板之间的夹角依次减小，且所述主扩展天线、所述副扩展天线将所述中心天线与所述基板之间的夹角均分。
作为其中一种实施方式，每个所述副扩展天线分别在所述中心天线和一个所述主扩展天线的连线上。
作为其中一种实施方式，在所述副扩展天线所在圆上，每相邻的两个所述副扩展天线的中部还设有一个附加天线。
本发明还公开了一种上述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，包括：
提供一基板；
在所述基板上布置中心天线；
在所述基板上以中心天线为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径布置主扩展天线；
调节主扩展天线的倾斜角度。
作为其中一种实施方式，所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法还包括在所述主扩展天线的外围布置副扩展天线，并相应调节所述主扩展天线、所述副扩展天线的倾斜角度。
作为其中一种实施方式，所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法还包括在所述副扩展天线所在圆周上布置附加天线，使所述副扩展天线、所述附加天线均匀、交替地分布在同一个圆上。
本发明通过在基板上按预定的阵列方式组成天线阵列，每个单元天线独立馈电，馈电之后通过后端电路再做匹配整合，降低天线间的阻抗匹配难度和精准度，保证了天线阵列高增益的同时增大了方向性；另外，还可根据实际要求增减单元天线的数目以达到通信需求，实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例的一种平面半球形布置天线阵列的俯视结构示意图。
图2为图1的平面半球形布置天线阵列未调整角度时的辐射方向示意图。
图3为图1的平面半球形布置天线阵列调整角度后的辐射方向示意图。
图4为本发明实施例的另一种平面半球形布置天线阵列的俯视结构示意图。
图5为图4的平面半球形布置天线阵列调整角度后的辐射方向示意图。
图6为本发明实施例的又一种平面半球形布置天线阵列的俯视结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1和图2所示，本发明实施例的平面半球形布置天线阵列包括基板10和基板10上设置的多个分别独立馈电、相同的单元天线，多个单元天线包括中心天线21和均匀设置在以中心天线21为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长L的1/4(即L/4)为半径的圆上的6个主扩展天线22；中心天线21垂直于基板10，主扩展天线22呈辐射状排布且与基板10之间的夹角可调。其中，该基板10为安装基板或者电路板基板。
图1～图3的实施方式中，主扩展天线22与基板10之间呈45°夹角，此种布置方式的天线适用于不要求较高的辐射方向性或面积较小的天线。
如图2和图3所示，中部的中心天线21垂直于基板10，外围的主扩展天线22呈辐射状排布并与基板10之间呈45°夹角。这里，6个主扩展天线22以中心天线21为圆心排列在其周围，每相邻的3个单元天线间构成一个等边三角形，各个单元天线间的距离均是L/4。
由于每个单元天线独立馈电，馈电之后通过后端电路再做匹配整合，降低天线间的阻抗匹配难度和精准度，保证了天线阵列高增益的同时增大了方向性。其中每个单元天线结构和参数相同，为高增益棒状天线、弹簧型金属天线、陶瓷介质棒状天线等增益高而方向性强的天线。组合后的单元天线性能基本不会改变，组合后相当于若干个天线的增益不变而方向性水平叠加的效果。为方便理解，本实施例优选高增益棒状天线为例进行说明。
如图4所示，本实施例的平面半球形布置天线阵列可根据实际需要进行调整，当方向性要求变高，可以扩展单元天线的数量。具体是，主扩展天线22外围还可以增加至少一层副扩展天线23。本实施例中，优选每层副扩展天线23为6个，均匀设置在以中心天线21为圆心的圆上，且所在圆的半径相比内侧的单元天线所在圆的半径尺寸递增平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4；自中心向基板10边缘的方向，主扩展天线22、副扩展天线23与基板10之间的夹角依次减小，且主扩展天线22、副扩展天线23将中心天线21与基板10之间的夹角均分。
作为其中一种实施方式，每个副扩展天线23分别在中心天线21和一个主扩展天线22的连线上，即每个副扩展天线23分别与中心天线21和一个主扩展天线22共线，每个主扩展天线22外围L/4处分别对应一个副扩展天线23。相邻的两个副扩展天线23之间的距离为L/2。结合图5所示，从图中可以看出其辐射方向图明显增加至近似半球形，本实施例的单元天线的数量增加后，阵列的方向图变得更加圆滑而增益基本不受影响。
更进一步地，当上述方式一级扩展后，方向性仍可增加6个天线单元继续填补。如图6所示，作为其中一种实施方式，本实施例还在副扩展天线23所在圆上，每相邻的两个副扩展天线23的中部还设有一个附加天线24，以增强相应部分的辐射方向性。可以理解的是，在更外围的副扩展天线23层，每层副扩展天线23还可按此方式增加相应的附加天线24，以实现更好的效果。
本发明还公开了一种上述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，包括：
提供一基板10；
在基板10上布置中心天线21；
在基板10上以中心天线21为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径布置主扩展天线22；
调节主扩展天线22的倾斜角度。
为优化方向性，还可在主扩展天线22的外围布置副扩展天线23，并相应调节主扩展天线22、副扩展天线23的倾斜角度。
为更进一步地优化方向性，还可以在副扩展天线23所在圆周上布置附加天线24，使副扩展天线23、附加天线24均匀、交替地分布在同一个圆上。
本发明通过合理地安排天线的排列结构方式，并设置好各个相邻单元天线间的间距以及各个单元天线间的角度，实现了单元天线的自由组合，只需根据需要增减天线阵圆环的数目以达到扩展方向性的需要，无需复杂的阻抗匹配电路且各个单元天线间的相互影响可忽略。基于本发明的通信装置，已在实验环境下使用2.4GHz，3dBi陶瓷天线等进行测试，测试证明，该装置通信稳定，效果非常好。
本发明通过在基板上按预定的阵列方式组成天线阵列，每个单元天线独立馈电，馈电之后通过后端电路再做匹配整合，降低天线间的阻抗匹配难度和精准度，保证了天线阵列高增益的同时增大了方向性；另外，还可根据实际要求增减单元天线的数目以达到通信需求，实用性强。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种平面半球形布置天线阵列，其特征在于，包括基板（10）和所述基板（10）上设置的多个分别独立馈电、相同的单元天线，多个单元天线包括中心天线（21）和均匀设置在以所述中心天线（21）为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径的圆上的6个主扩展天线（22）以及设于所述主扩展天线（22）外围的至少一层副扩展天线（23）；所述中心天线（21）垂直于所述基板（10），所述主扩展天线（22）呈辐射状排布且与所述基板（10）之间的夹角可调；自中心向所述基板（10）边缘的方向，所述主扩展天线（22）、所述副扩展天线（23）与所述基板（10）之间的夹角依次减小，且所述主扩展天线（22）、所述副扩展天线（23）将所述中心天线（21）与所述基板（10）之间的夹角均分。
2.根据权利要求1所述的平面半球形布置天线阵列，其特征在于，所述单元天线为高增益棒状天线。
3.根据权利要求1所述的平面半球形布置天线阵列，其特征在于，所述单元天线为弹簧型金属天线。
4.根据权利要求1所述的平面半球形布置天线阵列，其特征在于，所述单元天线为陶瓷介质棒状天线。
5.根据权利要求1所述的平面半球形布置天线阵列，其特征在于，每层所述副扩展天线（23）为6个，均匀设置在以所述中心天线（21）为圆心的圆上，且所在圆的半径相比内侧的单元天线所在圆的半径尺寸递增所述平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4。
6.根据权利要求5所述的平面半球形布置天线阵列，其特征在于，每个所述副扩展天线（23）分别在所述中心天线（21）和一个所述主扩展天线（22）的连线上。
7.根据权利要求5或6所述的平面半球形布置天线阵列，其特征在于，在所述副扩展天线（23）所在圆上，每相邻的两个所述副扩展天线（23）的中部还设有一个附加天线（24）。
8.一种平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，平面半球形布置天线阵列包括基板（10）和所述基板（10）上设置的多个分别独立馈电、相同的单元天线，多个单元天线包括中心天线（21）和均匀设置在以所述中心天线（21）为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径的圆上的6个主扩展天线（22）；所述中心天线（21）垂直于所述基板（10），所述主扩展天线（22）呈辐射状排布且与所述基板（10）之间的夹角可调；
所述布置方法包括：
提供一基板（10）；
在所述基板（10）上布置中心天线（21）；
在所述基板（10）上以中心天线（21）为圆心、平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4为半径布置主扩展天线（22）；
调节主扩展天线（22）的倾斜角度；
在所述主扩展天线（22）的外围布置副扩展天线（23），并相应调节所述主扩展天线（22）、所述副扩展天线（23）的倾斜角度。
9.根据权利要求8所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，所述单元天线为高增益棒状天线。
10.根据权利要求8所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，所述单元天线为弹簧型金属天线。
11.根据权利要求8所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，所述单元天线为陶瓷介质棒状天线。
12.根据权利要求8所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，多个单元天线还包括设于所述主扩展天线（22）外围的至少一层副扩展天线（23）；每层所述副扩展天线（23）为6个，均匀设置在以所述中心天线（21）为圆心的圆上，且所在圆的半径相比内侧的单元天线所在圆的半径尺寸递增所述平面半球形布置天线阵列的工作频率波长的1/4；自中心向所述基板（10）边缘的方向，所述主扩展天线（22）、所述副扩展天线（23）与所述基板（10）之间的夹角依次减小，且所述主扩展天线（22）、所述副扩展天线（23）将所述中心天线（21）与所述基板（10）之间的夹角均分。
13.根据权利要求12所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，每个所述副扩展天线（23）分别在所述中心天线（21）和一个所述主扩展天线（22）的连线上。
14.根据权利要求12所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，在所述副扩展天线（23）所在圆上，每相邻的两个所述副扩展天线（23）的中部还设有一个附加天线（24）。
15.根据权利要求8-14任一所述的平面半球形布置天线阵列的布置方法，其特征在于，还包括在所述副扩展天线（23）所在圆周上布置附加天线（24），使所述副扩展天线（23）、所述附加天线（24）均匀、交替地分布在同一个圆上。
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