CN106505322B - 一种高增益单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高增益单极子天线，适用于WLAN通信技术领域，包括一个单极子辐射体、一个圆形地板、一个环形扼流器和一个馈电网络；环形扼流器包括水平方向的圆环和垂直方向的套筒；环形扼流器通过垂直方向的套筒与圆形地板相连实现扼流；单极子辐射体位于圆形地板中心轴线上，且其底部与馈电网络相连实现阻抗匹配；本发明解决了单极子天线由于地板尺寸减小导致的增益下降问题，具有天线尺寸小、结构简单、辐射增益高和交叉极化小等优点。

Description

一种高增益单极子天线
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计领域，特别涉及一种具有高增益全向方向图的单极子天线。
背景技术
由于工作在无需授权的ISM频段(2.4-2.48GHz)，无线局域网WLAN目前已经得到了广泛的应用。天线作为发送和接收电磁波的转换装置，其性能直接影响着整个WLAN通信系统的性能。为了保证较大的空间角度覆盖，同时兼顾较简单的天线结构，当前WLAN通信系统通常采用单极子天线作为收发装置以提供水平全向覆盖。
天线的增益是影响链路预算的关键因素之一。根据链路预算公式，在接收功率不变的前提下，增加天线的增益能够减小发射功率。因此，提高单极子天线的增益是改善WLAN通信系统性能的有效方式。
经过对现有技术的文献和专利检索发现，当前主要有2种增加单极子天线增益的方法。第一种方法是增加单极子的长度。周乐兵的发明专利“三分支2.4G高增益柱状单极子天线”提出用三个分支串联的技术提高天线增益。第二种方法是在大地板上放置多个单极子。2010年12月发表在《Microwave and Optical Technology Letters》的论文“High-gain,short-circuited six-monopole-antenna system for concurrent,dual-bandWLAN access points”提出用多个单极子组阵的思想提高增益。然而，这两种方法均具有天线尺寸大、结构复杂的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高增益单极子天线，其结构紧凑、辐射增益高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高增益单极子天线，包括一个单极子辐射体1、一个圆形地板2、一个环形扼流器3和一个馈电网络4，其中环形扼流器3包括水平方向的圆环3a和垂直方向的套筒3b；环形扼流器3通过套筒3b与圆形地板2相连，单极子辐射体1的底部与馈电网络4相连。
所述单极子辐射体1为圆柱形金属导体，电长度为0.25波长，且位于圆形地板2的中心轴线上。
所述单极子辐射体1位于圆形地板2的中心。
所述环形扼流器3的圆环3a的外半径与圆形地板2的半径相等。
所述套筒3b的上/下沿连接在圆环3a的内环边沿，下/上沿与圆形地板2相连。
所述环形扼流器3与圆形地板2组成了一个环形开路槽，且开路槽沿径向的电长度为0.25波长。
所述馈电网络4可以为集总元件或分布式微带线。
本发明的可能变化形式有：
将单极子从圆柱形变为圆锥形或者金属片；将圆柱形单极子变为顶端圆盘加载的单极子；将扼流环从地板上方翻转到地板下方；将馈电网络从集总元件变为分布式元件等。
本发明的突出有益效果：
在地板尺寸较小的情况下，不需要改变单极子天线的结构即可提供具有高增益的全向方向图，而且天线的结构简单，制作成本低，适用于以无线路由器为代表的各种小型终端天线设计。
附图说明
图1为本发明优选实施例的三维结构图。
图2为具体实施方式中单极子天线的侧视图。
图3为具体实施方式中单极子天线仿真的回波损耗特性图。
图4为具体实施方式中单极子天线在2.45GHz仿真的归一化方向图；其中(a)为xz平面的归一化方向图，(b)为xy平面的归一化方向图。
图5为具体实施方式中单极子天线在45度仰角处仿真的增益图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
作为本发明的一种优选实施例，本发明所述高增益单极子天线的三维结构图和侧视图如图1和图2所示。本天线包括圆柱形金属棒结构的单极子辐射体1、圆形地板2、环形扼流器3以及馈电网络4。单极子辐射体1位于圆形地板2的中心轴线上，其底部通过塑料螺钉固定在馈电网络4的介质基板上。馈电网络4包括一段微带线、一个并联电容和一个SMA馈电口。环形扼流器3通过一体成型锻造在金属地板2上，其整体轮廓与金属地板2的轮廓相同。
本实施例的中心工作频率选定为2.45GHz，带宽为2.4～2.48GHz，覆盖WLAN通信系统的工作频段。
本实施例的单极子辐射体1的材料为铝材料，长度为28mm，该尺寸约为四分之一波长，半径为1mm。圆形地板2的材料为铝材料，半径为50mm。环形扼流器3的材料为铝材料，水平方向的圆环外半径和内半径分别为50mm和26mm，内外半径之差约为四分之一波长，竖直方向的高度为8mm。馈电网络4的介质基板为FR4单面覆铜板，基板的平面尺寸为4*3mm2，基板的厚度为0.8mm，微带线的宽度为1.5mm，对应的特征阻抗约为50欧姆，并联电容的值为1.5pf。
本发明的技术方案是这样实现的：通过将环形扼流器的开路槽电长度设置为0.25波长，扼流器的开口处与单极子之间的距离小于0.5波长，天线的增益有了显著改善。第一，开路槽实现了扼流的作用，它能够将开路电阻转换为短路电阻，从而遏制了地板上的电流沿半径向外流动。第二，扼流器的开路槽与单极子产生同向叠加的电场，从而增强了天线的方向性。此外，考虑到单极子的阻抗一般不是50欧姆，而且扼流器的引入会改变输入电阻，因此，可以通过集总电容电感的串并联或者四分之一阻抗变换线将输入阻抗匹配到50欧姆，本实例采用一个并联电容作为馈电网络。
本发明馈电网络4是为了将输入阻抗匹配到50欧姆，不同的单极子形式对应的输入阻抗不同，如果输入阻抗恰好在50欧姆附近，则可以直接将单极子与SMA头相连，如果单极子的输入阻抗偏离了50欧姆，则可以通过串并联电容电感或者分布式的微带线将单极子的阻抗匹配到50欧姆。因此，馈电网络4根据具体天线形式决定。
图3为本发明的高增益单极子天线仿真的回波损耗特性图。天线的中心频率为2.45GHz，带宽为110MHz(2.39～2.5GHz)，覆盖了WLAN的工作频段。
图4为本发明的高增益单极子天线在2.45GHz仿真的归一化方向图。天线在xz平面内为八字形，且波束上翘，最大增益在45度仰角处。平面内的交叉极化均在-30dB以下。天线在xy平面内为全向方向图，整个水平内的增益波导在1dB范围内，且平面内的交叉极化均在-30dB以下。
图5为本发明的高增益单极子天线在45度仰角处仿真的增益图。天线的增益在整个观测频段内均在4dBi以上，且波动范围在1dB范围内。传统没有加扼流环的单极子天线增益在1.5dBi左右。在WLAN频段内，本发明的天线的增益为4.5dBi，传统单极子的增益为1.5dBi，因而扼流环能有效提高3dB的增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种高增益单极子天线，其特征在于，包括一个单极子辐射体(1)、一个圆形地板(2)、一个环形扼流器(3)和一个馈电网络(4)，其中环形扼流器(3)包括水平方向的圆环(3a)和垂直方向的套筒(3b)；环形扼流器(3)通过套筒(3b)与圆形地板(2)相连，单极子辐射体(1)的底部与馈电网络(4)相连，所述环形扼流器(3)与圆形地板(2)组成了一个环形开路槽，且开路槽沿径向的电长度为0.25波长。
2.根据权利要求1所述的高增益单极子天线，其特征在于，所述单极子辐射体(1)为圆锥形或者金属片或者顶端圆盘加载的单极子。
3.根据权利要求1所述的高增益单极子天线，其特征在于，所述单极子辐射体(1)为圆柱形金属导体，电长度为0.25波长，且位于圆形地板(2)的中心轴线上。
4.根据权利要求1所述的高增益单极子天线，其特征在于，所述环形扼流器(3)的圆环(3a)的外半径与圆形地板(2)的半径相等。
5.根据权利要求1或4所述的高增益单极子天线，其特征在于，所述套筒(3b)的上沿连接在圆环(3a)的内环边沿，下沿与圆形地板(2)相连。
6.根据权利要求1所述的高增益单极子天线，其特征在于，所述馈电网络(4)为集总元件或分布式微带线。
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