CN106816695B - 三频段高增益全向偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三频段高增益全向偶极子天线,其包括三频振子阵列、平衡馈线,以及上下依次设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板,该平衡馈线设置在第二介质板顶底两面,沿三频振子单元轴线方向印制,该平衡馈线为平行双线传输线,该三频振子阵列中的三频振子单元印制于第一介质板和第三介质板,并且各三频振子单元之间馈电点通过该平衡馈线连接,该三频振子单元包括有镜像对称设置的上臂和下臂,该上臂和下臂分别包括沿平行轴线设置的第一枝节、第二枝节、第三枝节,该第二枝节、第三枝节对称设置在第一枝节两侧,并且底端通过水平枝节连接为一体,该上臂和下臂的中心突起处为平衡馈电点。本发明高增益、全向性、高效率、尺寸较小、成本低廉,并为其他多频或宽带高增益全向阵列天线的优化设计提供有效或有益的参考。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种移动通信终端/基站天线设备与技术,特别是涉及一种三频段高增益全向偶极子天线及其技术。
【背景技术】
目前,移动蜂窝网络已基本实现无线信号广域连续覆盖,基站数量越来越多,密度也愈来愈大。随着无线网络日益完善,终端接入设备越来越多。由于终端设备相对于基站发射台的位置和方位是任意的,一般使用全向天线才能保证良好的通信效果。这要求辐射方向图必须在水平面具有理想的均匀性,即不圆度较好。其次,终端天线必须具有较高增益(G≥3dBi),才能在距离基站较远处获得较高的信噪比和数据传输率。另外,由于终端设备是广泛部署,需要大量采购,其普遍具有尺寸小、功耗低、价格便宜等要求,故常采用全向辐射、垂直极化、结构简单、成本低廉的印制单/偶极子天线。再者,终端天线要求覆盖的频段越来越多,通常是2G/3G/4G/WLA/WiFi(0.698-0.96GHz/1.71-2.70GHz/3.5GHz/5.5GHz)频带内的两个或以上且彼此间隔很宽的频段。考虑到上述要求,在外形、尺寸、成本等严格受限的情况下,采用常规胖块单/偶极子以连续覆盖各频段的超宽带方案,将不能很好地满足不圆度的要求。常规的印制单/偶极子天线,增大其宽长比,即将两臂由细线形变成胖块状,即可有效展宽带宽,见图2。然而,由于振子宽度较宽,相对于高频是电大尺寸,故高频方向图不圆度较差。而且,为了获得更高增益,宽带偶极子必须共线组阵。考虑到方向图的不圆度,阵列馈电宜采用与轴线重合的中心串馈式网络,即馈线端口位于阵列中点,能量往阵列两端依次馈入各阵元。由于馈线与阵元共面,为了使两者不相交,需要将阵元中间部分切除,这时胖块偶极子带宽将显著变窄,见图3,由超宽带蜕变成单宽频天线后,无法覆盖上述间隔较大的多个频段。另外,终端设备往往更偏爱窄的长条状天线设计,使得外观更加优美协调。这使得靠增大振子宽度展宽带宽的传统方法变得不可行,必须进行深度创新才能满足上述要求。
【发明内容】
本发明旨在为2G/3G/4G/WiFi/WLAN无线通信设计一种三频段、高增益、全向性、高效率、尺寸较小、成本低廉的终端/基站天线,并为其他多频或宽带高增益全向阵列天线的优化设计提供有效或有益的参考方法。
为实现本发明目的,提供以下技术方案:
本发明提供一种三频段高增益全向偶极子天线,其包括三频振子阵列、平衡馈线,以及上下依次设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板,该平衡馈线设置在第二介质板顶底两面,沿三频振子单元轴线方向印制,该平衡馈线为平行双线传输线,该三频振子阵列中的三频振子单元印制于第一介质板和第三介质板,并且各三频振子单元的馈电点通过该平衡馈线连接,该三频振子单元包括有镜像对称设置的上臂和下臂,该上臂和下臂分别包括沿平行轴线设置的第一枝节、第二枝节、第三枝节,该第二枝节、第三枝节对称设置在第一枝节的两侧,并且底端通过水平枝节连接为一体,该上臂和下臂的中心突起处为平衡馈电点。
通过三频阵子单元共轴或共线组阵方式实现高增益全向辐射,该第一枝节、第二枝节、第三枝节平行轴线并排放置以实现多谐频特性。
优选的,各三频振子单元的上臂和下臂对称地分布到平衡馈线的上下两侧,上臂印制在第一介质板,下臂印制在第三介质基板上;或者是下臂印制在第一介质板,上臂印制在第三介质基板上。
优选的,各三频振子单元之间的间距为(0.50~0.75)×λL,该平衡馈线长度大于相邻两个三频振子单元之间的间距,其长宽厚分别为Ld2×Wd2×Td2,介电常数为εr2、损耗角正切为tanδ2。
优选的,在该第一枝节中心开设有纵向缝隙,以改善高频阻抗匹配。
优选的,该平衡馈线的两端通过金属化过孔分别与第一介质板上的振子上臂和第二介质板上的振子下臂连接。
优选的,该平衡馈线中点设置为馈电点,连接同轴电缆,其内外导体分别连接平衡馈线的上下导体。优选的,该同轴电缆阻抗为50Ω。
优选的,该三频振子单元的上臂和下臂分别还包括有在第一枝节两侧平行对称设置的第N枝节,N大于等于3,该第N枝节在底端通过水平枝节与第一枝节、第二枝节连接为一体,各对枝节平行轴线并排放置,按短到长的顺序由近及远依次对称排列于中心轴线两侧。所述三频段高增益全向偶极子天线的谐频数与对称枝节的对数相同,即一对枝节对应一个频段。
优选的,该三频振子单元的各对枝节的长度为(0.22~0.25)×λL,其中λL为所对应频段的最低频率波长,每对枝节的宽度与长度之比约为0.1~0.3。优选的,相邻枝节彼此平行且间隔一定的距离。优选的,每对枝节的末端不齐整,起始端也不平齐。
优选的,该平衡馈线由多节不等宽的四分之一波长阻抗变换段组成。
优选的,该第一介质板是一块长宽厚分别为Ld1×Wd1×Td1的单面介质板,介电常数为εr1、损耗角正切为tanδ1。
优选的,该三频振子阵列包括至少两个共轴或共线组阵排列的所述三频振子单元,通过三频阵子单元共轴或共线组阵方式实现高增益全向辐射。
优选的,该第二介质板与第三介质基板的尺寸与材料特性相同,中间的馈电基板材料可与之相同或不同。
优选的,第一介质板、第二介质板、第三介质板等长宽,三者通过层压工艺结合在一起。
本发明通过如下构建步骤实现上述目的:步骤一,建立空间直角坐标系;步骤二,构造三频振子单元;步骤三,构造三频振子两单元阵列;步骤四,设计馈电网络;步骤五,振子平衡馈电;步骤六,连接同轴线。
对比现有技术,本发明具有以下优点:
本发明首先设计了一个并排形式的三频半波振子单元,即振子一臂有六个长短不一的枝节,两两对称排列于振子中心轴线两旁,外侧为一对长枝节,中间排列一对短枝节。长短枝节分别对应低频、中频和高频。通过优化每个枝节的长度、宽度和相对间距,该偶极子实现了1.71-2.17GHz/2.40-2.70GHz/3.40-3.80GHz三频工作,且各频段均有理想的半波振子方向图,增益为1.7-3.0dBi,不圆度小于1.24dB。为了提高增益,将至少两个该单元共轴组阵,并采用上述的中心串馈式网络。由于靠近中间馈线的两枝节彼此相隔很近,馈线只能变窄后自间隙处穿过,这将使高频阻抗匹配变得十分困难。因此,在多枝节密集并排的情况下,馈线与振子单元不能共面排列,只能分层布局。在这一思路下,本发明将平行双线馈线印制于一块介质基板的正反两面,再在该基板上下两侧对称放置另两块相同的介质基板。然后,将阵列各单元的左右两臂分别印制于上下基板的外表面,中心馈线通过过孔与上下振子臂相连。通过设置恰当的阵元间距,为馈线和振子选用合适的基板材料,优化馈线节数和各节宽度,本发明实现两单元阵列三频工作(1.71-2.17GHz/2.40-2.70GHz/3.40-3.80GHz,|S11|<-10dB);增益为3.73-6.09dBi;且各频段均有理想全向方向图,不圆度小于1.72dBi;旁瓣电平低于-10dB,效率大于85%;尺寸较小,长宽厚分别为:0.872×λL、0.125×λL和0.011×λL(λL-最低工作频率)。
另外,该设计可采用成熟的印刷电路工艺制作,成本低廉,可靠性高,易于批量生产,是适合终端/基站设备的理想全向天线方案。另外,该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、简单易行等特点,对于其他更多频段、更高增益的全向及定向天线的设计和改进也是适用和有效的。
【附图说明】
图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图;
图2为现有技术中胖块状超宽带印制偶极子天线的模型图;
图3为现有技术中宽带高增益全向偶极子阵列天线的模型图;
图4为本发明三频段半波振子单元天线的几何模型图;
图5为本发明三频段半波振子单元共轴组阵的几何模型图;
图6为本发明两单元三频段半波振子阵列天线的平衡馈线的几何模型俯视图;
图7为本发明两单元三频段半波振子阵列天线的平衡馈线的几何模型正视图;
图8为本发明两单元三频段半波振子阵列天线带平衡馈线的完整几何模型俯视图;
图9为图8的局部放大俯视图;
图10为本发明两单元三频段半波振子阵列天线带平衡馈线的整体正视图;
图11为本发明两单元三频段半波振子阵列天线带平衡馈线的馈电连接图;
图12为本发明两单元三频段半波振子阵列天线带平衡馈线的整体立体示意图;
图13为本发明三频段半波振子单元天线的输入阻抗Zin频率特性曲线;
图14为本发明三频段半波振子单元天线的反射系数|S11|曲线;
图15为本发明三频段半波振子单元天线的驻波VSWR曲线;
图16~18为三频段半波振子单元天线在低频fL=1.71GHz、中频fC=2.50GHz和高频fH=3.60GHz各频段的实增益方向图;
图19为两单元三频段振子阵列天线的输入阻抗Zin频率特性曲线;
图20为两单元三频段振子阵列天线的反射系数|S11|曲线;
图21为两单元三频段振子阵列天线的驻波VSWR曲线;
图22~24为两单元三频段振子阵列天线在低频fL=1.71GHz、中频fC=2.50GHz和高频fH=3.60GHz各频段的实增益方向图;
图25为两单元三频段振子阵列天线的增益G随频率f变化曲线;
图26为两单元三频段振子阵列天线的E面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线;
图27为两单元三频段振子阵列天线的H面不圆度随频率f变化曲线;
图28为两单元三频段振子阵列天线的效率ηA随频率f变化曲线;
本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的具体实施例一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制或限定。
【具体实施方式】
下面结合附图给出本发明的较佳实施例,以详细说明本发明的技术方案。需要说明的是,这里所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限制或限定本发明。
请参阅图1以及图4~12,本发明三频段高增益全向偶极子天线的构建步骤如下:
步骤一,建立空间直角坐标系,见图1;
步骤二,构造三频振子单元:在XOY平面,顺着Y轴方向,构建一长宽分别为L1×W1的第一枝节11。然后,在距第一枝节11两侧D1和D2处分别对称放置一对第二枝节12和第三枝节13,长宽分别为L2×W2和L3×W3,三个枝节相互平行,长度依次增大,即L1<L2<L3。然后,沿X轴方向画一中心朝下突起的水平枝节,将三个竖直枝节在底端处连接为一体,形成偶极子的上臂,随后,将其沿X轴镜像对称复制出偶极子下臂,上下两臂构成一个三频振子单元,两臂的中心突起处为平衡馈电点31,最后,将三频振子单元印制于第一介质板21,该第一介质板是一块长宽厚分别为Ld1×Wd1×Td1的单面介质板,介电常数为εr1、损耗角正切为tanδ1,见图4;
步骤三,构造两单元阵列:将步骤二的三频振子单元沿Y轴平移复制一次,构成一个两单元、间距为(0.50~0.75)×λL的共轴线阵列,见图5;
步骤四,设计馈电网络:在步骤三的第一介质板的正下方,沿两单元阵列轴线方向设置一条平衡馈线41,该平衡馈线为平行双线传输线,其长度稍大于阵元间距,将它单独印制于第二介质板20的顶底两面,其长宽厚分别为Ld2×Wd2×Td2,介电常数为εr2、损耗角正切为tanδ2,见图6和图7;
步骤五,振子平衡馈电:将步骤四的平衡馈线两端分别与三频振子阵列的两个三频振子单元相连,由于馈线是上下重合的平行双导线结构,故也需将各三频振子单元的两臂对称地分布到馈线的上下两侧,这就需要在第二介质板20的正下方设置第三介质基板22,其尺寸与材料特性与第一介质板21完全相同。如此,各三频振子单元的上臂或下臂将统一印制在第一介质板21上,下臂或上臂则印制在第三介质基板22上,反之亦然;另外,在第一枝节11中心开纵向缝隙,以改善高频阻抗匹配;然后,将平衡馈线41两端与第一介质板21和第三介质基板22的振子上臂和下臂通过金属化过孔连接,见图8~12;
步骤六,连接同轴线:将步骤四的平衡馈线41中点设置为馈电点,连接50Ω同轴电缆,其内外导体分别连接平衡馈线的上下导体,见图8~12。
由上述步骤构建的本发明三频段高增益全向偶极子天线,具体实施例其包括三频振子阵列、平衡馈线41,以及上下依次设置的第一介质板21、第二介质板20和第三介质板22,该平衡馈线41设置在第二介质板20顶底两面,沿三频振子单元轴线方向印制,该平衡馈线为平行双线传输线,该三频振子阵列中的两个三频振子单元印制于第一介质板21和第三介质板22,并且各三频振子单元之间馈电点通过该平衡馈线41连接。
该三频振子单元包括有镜像对称设置的上臂和下臂,该上臂和下臂分别包括沿平行轴线设置的第一枝节11、第二枝节12、第三枝节13,该第二枝节、第三枝节对称设置在第一枝节两侧,并且底端通过水平枝节连接为一体,该上臂和下臂的中心突起处为平衡馈电点31。通过三频阵子单元共轴或共线组阵方式实现高增益全向辐射,该第一枝节、第二枝节、第三枝节平行轴线并排放置以实现多谐频特性。
该第一介质板是一块长宽厚分别为Ld1×Wd1×Td1的单面介质板,介电常数为εr1、损耗角正切为tanδ1。该第二介质板20与第三介质基板22的尺寸与材料特性相同,中间的馈电基板材料可与之相同或不同。第一介质板、第二介质板、第三介质板等长宽,三者通过层压工艺结合在一起。
该三频振子单元的各对枝节的长度为(0.22~0.25)×λL,其中λL为所对应频段的最低频率波长,每对枝节的宽度与长度之比约为0.1~0.3。相邻枝节彼此平行且间隔一定的距离,每对枝节的末端不齐整,起始端也不平齐。
在另一实施例中,该三频振子单元的上臂和下臂分别包括第一枝节211、第二枝节212、第三枝节213,在该第一枝节11中心开设有纵向缝隙210,以改善高频阻抗匹配。
请参阅图11和12,各三频振子单元的上,和下臂对称地分布到平衡馈线的上下两侧51,上臂101、201印制在第一介质板21,下臂102、202印制在第三介质基板22上。
各三频振子单元之间的间距为(0.50~0.75)×λL,该平衡馈线长度大于相邻两个三频振子单元之间的间距,其长宽厚分别为Ld2×Wd2×Td2,介电常数为εr2、损耗角正切为tanδ2。
该平衡馈线41的两端通过金属化过孔分别与第一介质板上的振子上臂和第二介质板上的振子下臂连接。
该平衡馈线41中点设置为馈电点,连接50Ω同轴电缆,其内外导体分别连接平衡馈线的上下导体。
请参阅图6,该平衡馈线由多节不等宽的四分之一波长阻抗变换段510、511、512组成。
本发明三频段高增益全向偶极子天线参数性能良好,具体频率特性可参考图13~28所示。
图13为本发明三频段半波振子单元天线的输入阻抗Zin频率特性曲线;其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是输入阻抗Zin,单位为Ω;实线表示实部Rin,虚线表示虚部Xin。
图14为本发明三频段半波振子单元天线的反射系数|S11|曲线;其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是S11的幅度|S11|,单位为dB。由图知,单元天线在LTE频段(1.71-2.17GHz,BW=460MHz,23.71%)、LTE+WLAN频段(2.43-2.69GHz,BW=250MHz,9.72%)和WLAN/WiFi频段(3.37-4.95GHz,BW=1580MHz,37.90%)均实现了良好的阻抗匹配(|S11|≤-10dB),实现了三频段工作。
图15为本发明三频段半波振子单元天线的驻波VSWR曲线;其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是驻波VSWR。由图知,单元天线在LTE频段(1.71-2.17GHz,BW=460MHz,23.71%)、LTE+WLAN频段(2.43-2.69GHz,BW=250MHz,9.72%)和WLAN/WiFi频段(3.37-4.95GHz,BW=1580MHz,37.90%)均具有良好的驻波比(VSWR≤2.0),实现了三频段工作。
图16~18分别为三频段半波振子单元天线在低频fL=1.71GHz、中频fC=2.50GHz和高频fH=3.60GHz各频段的实增益方向图;其中,图中实线表示H-面(Phi=0°,XOZ平面),虚线表示E-面(Phi=90°,YOZ平面)。由图知,各频段都具有理想的半波振子方向图,增益G=1.70-3.01dBi,E面半功率波束宽度HPBW=64.5~83.0°,H面不圆度小于1.05dBi。
图19为两单元三频段振子阵列天线的输入阻抗Zin频率特性曲线;其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是输入阻抗Zin,单位为Ω;实线表示实部Rin,虚线表示虚部Xin。
图20为两单元三频段振子阵列天线的反射系数|S11|曲线;其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是S11的幅度|S11|,单位为dB。由图知,阵列天线在LTE频段(1.72-2.01GHz,BW=290MHz,15.55%)、LTE+WLAN频段(2.44-2.775GHz,BW=335MHz,12.86%)和WLAN/WiFi频段(3.0-4.11GHz,BW=1110MHz,31.22%)均实现了良好的阻抗匹配(|S11|≤-10dB),实现了三频段工作。
图21为两单元三频段振子阵列天线的驻波VSWR曲线;其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是驻波VSWR。由图知,阵列天线在LTE频段(1.72-2.01GHz,BW=290MHz,15.55%)、LTE+WLAN频段(2.44-2.775GHz,BW=335MHz,12.86%)和WLAN/WiFi频段(3.0-4.11GHz,BW=1110MHz,31.22%)均具有良好的驻波比(VSWR≤2.0),实现了三频段工作。
图22~24为两单元三频段振子阵列天线在低频fL=1.71GHz、中频fC=2.50GHz和高频fH=3.60GHz各频段的实增益方向图;其中,图中实线表示H-面(Phi=0°,XOZ平面),虚线表示E-面(Phi=90°,YOZ平面)。由图知,各频段都具有理想的半波振子方向图,增益G=3.87-6.13dBi,E面半功率波束宽度HPBW=23.5~51.0°。
图25为两单元三频段振子阵列天线的增益G随频率f变化曲线;由图知,在低中高三个频段,增益G分别为:G=2.82~4.05dBi、3.02~5.32dBi和3.98~6.65dBi。
图26为两单元三频段振子阵列天线的E面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线;由图知,在低中高三个频段,E面半功率波束宽度分别为:HPBW=43.80~48.30°、23.80~33.27°和23.45~26.78°。
图27为两单元三频段振子阵列天线的H面不圆度随频率f变化曲线;由图知,在低中高三个频带内,H面不圆度分别小于1.04dBi、0.83dBi和2.36dBi。
图28为两单元三频段振子阵列天线的效率ηA随频率f变化曲线;由图知,在低中高三个频带内,天线效率分别大于80%、90%和91%(最高达94%)。
以上仅为本发明的优选实例而已,并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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,均应包含在本发明所声明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,其包括
三频振子阵列、平衡馈线,以及上下依次设置的第一介质板、第二介质板和第三介质板,
该平衡馈线设置在第二介质板顶底两面,沿三频振子单元轴线方向印制,该平衡馈线为平行双线传输线,
该三频振子阵列中的三频振子单元印制于第一介质板和第三介质板,并且各三频振子单元之间馈电点通过该平衡馈线连接,该三频振子单元包括有上臂和下臂,该上臂和下臂分别包括沿平行轴线设置的第一枝节、第二枝节、第三枝节,该第二枝节、第三枝节对称设置在第一枝节两侧,并且底端通过水平枝节连接为一体,该上臂和下臂的中心突起处为平衡馈电点。
2.如权利要求1所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,各三频振子单元的上臂和下臂镜像对称设置,并且对称地分布到平衡馈线的上下两侧,上臂印制在第一介质板,下臂印制在第三介质基板上;或者是下臂印制在第一介质板,上臂印制在第三介质基板上。
3.如权利要求2所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,各三频振子单元之间的间距为(0.50~0.75)×λL,λL为所对应频段的最低频率波长,该平衡馈线长度大于相邻两个三频振子单元之间的间距,其长宽厚分别为Ld2×Wd2×Td2,介电常数为εr2、损耗角正切为tanδ2。
4.如权利要求3所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,在该第一枝节中心开设有纵向缝隙。
5.如权利要求4所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,该平衡馈线的两端通过金属化过孔分别与第一介质板上的振子上臂和第三介质板上的振子下臂连接。
6.如权利要求1~5任一项所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,该平衡馈线中点设置为馈电点,连接同轴电缆,其内外导体分别连接平衡馈线的上下导体。
7.如权利要求1所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,该三频振子单元的上臂和下臂分别还包括有在第一枝节两侧平行对称设置的第N枝节,N为大于3的自然数,该第N枝节在底端通过水平枝节与第一枝节、第二枝节、第三枝节连接为一体,各对枝节平行轴线并排放置,按短到长的顺序由近及远依次对称排列于中心轴线两侧。
8.如权利要求1或7所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,该三频振子单元的各对枝节的长度为(0.22~0.25)×λL,λL为所对应频段的最低频率波长,每对枝节的宽度与长度之比为0.1~0.3。
9.如权利要求1~5任一项所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,该平衡馈线由多节不等宽的四分之一波长阻抗变换段组成。
10.如权利要求1~5任一项所述的三频段高增益全向偶极子天线,其特征在于,第一介质板、第二介质板、第三介质板等长宽,三者通过层压工艺结合在一起。
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