CN106953171A - 一种天线和无线路由器 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电学领域，提供了一种天线和无线路由器。所述天线包括介质基板、附着于介质基板的正面的金属贴片、位于介质基板的底面侧的金属接地板、以及连通金属贴片和金属接地板的电壁。该天线具有实现了单极子或者偶极子类型天线的全部电特性的能力，即：辐射方向图在水平面方向全向，电场极化方向为垂直极化，且相比较于传统单极子天线结构，该天线又具备结构上极低剖面和高增益等优点。

Description

一种天线和无线路由器
技术领域
本发明属于电学领域，尤其涉及一种天线和无线路由器。
背景技术
现有技术的单极子天线包括以下电特性：辐射方向图在水平面方向全向；电场极化方向为垂直极化，即远区辐射场的电场方向在水平方向上垂直于水平面；具有2dBi以上的天线增益(决定于天线金属地尺寸)。
在现有技术条件下，实现上述电特性主要有4种手段：
1、使用传统的偶极子天线或者单极子天线，即偶极子或者鞭状单极子天线。
2、使用EBG(电磁场带隙)结构形成平面零阶谐振天线。该结构采用了等效磁流辐射和对偶天线原理，当EBG结构处于零阶谐振时，其电场在EBG结构内部呈均匀分布状态，即电场在EBG结构内部处处相等，且由于电场方向为z方向，此时，依据等效磁流公式可知，磁流在EBG结构开口处呈现出环绕EBG结构中心轴流动的且幅度相等的特性，该特性类似于环天线的电流分布，而磁流与电流恰好对偶，因此，基于BEG结构的零阶谐振天线与环天线互为对偶天线，对偶天线在电特性上的具体表现为方向图和极化方向完全相反。由于单极子天线也与环天线互为对偶天线，因此BEG结构的零阶谐振天线的电特性与单极子天线相同。
3、复合左右手(CRLH)开路零阶谐振天线，该天线利用零阶谐振时，电流与环天线类似的方式，将天线垂直于水平面摆放，实现了类单极子天线的电特性。
4、倒F天线，该天线利用了微带贴片天线电磁场分布在贴片的中心位置为零的特性，在微带贴片天线的中心插入一个接地点，从而实现了一种与倒F形状类型的天线，该天线具有方向图在水平面全向辐射且极化垂直于水平面的特性。
虽然上述四种天线均能实现类似单极子天线的电特性，但是上述四种天线均有其各自缺点，具体如下：
1、偶极子天线或者单极子天线要实现应有的电气性能，必须要求偶极子天线或者单极子天线的电高度的尺寸为二分之一波长或者四分之一波长，以2.4GHz天线为例，偶极子天线和单极子天线分别需要约60mm和30mm的长度才能获得较好的电性能，因此，偶极子天线或者单极子天线用以实现上述的三点电特性，天线的高度无法降低太多，从而导致天线剖面过大。
2、EBG结构的零阶谐振天线能满足类单极电性能的同时，具有很低的剖面，但是该天线辐射效率很低，正常技术条件下无法满足实际应用要求，如需提高天线的辐射效率，则需要将天线的厚度提高，同时降低EBG贴片与地之间的基材换介电常数，该做法将导致EBG贴片到地的金属化通孔被探针代替，增加了焊接量，导致生产工艺复杂化，成本上升。
3、用CRLH零阶谐振实现的类单极子天线辐射性能较好，其辐射效率较高，且驻波比(VoltageStandingWaveRatio，VSWR)带宽也比较宽，但是该类型天线需要竖直放置才能实现类单极性能，因此，其天线剖面比EBG结构大的多。此外，由于该类型天线需要在侧面放置连接上下两面地的侧面地，导致天线在水平相的辐射方向图不圆度较差，除此外，该类型天线的交叉极化鉴别率性能也远不如偶极子天线、单极子天线和EBG类型天线高。
4、倒F天线本身具有单极子天线和微带贴片天线的特点，该特点导致天线的长度必须为四分之一波长才能实现理想性能，因此，该类型天线难以小型化，同时由于微带贴片天线本身的交叉极化鉴别率较差，这也导致了从微带贴片天线演化而来的倒F天线交叉极化鉴别率性能比偶极子天线、单极子天线和EBG结构的零阶谐振天线差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天线和无线路由器，旨在解决偶极子天线或者单极子天线的天线剖面过大、EBG结构的零阶谐振天线辐射效率低、CRLH零阶谐振天线在水平相的辐射方向图不圆度较差和倒F天线交叉极化鉴别率差的问题。
一方面，本发明提供了一种天线，所述天线包括介质基板、附着于介质基板的正面的金属贴片、位于介质基板的底面侧的金属接地板、以及连通金属贴片和金属接地板的电壁。
进一步地，所述位于介质基板的底面侧的金属接地板具体是：附着于介质基板的底面的金属接地板。
进一步地，所述电壁是一金属柱或者是由多个周期性间隔排列的金属化孔组成的阵列。
进一步地，所述电壁包括位于介质基板和金属接地板之间的金属接地柱，以及由多个周期性间隔排列的金属化孔组成的阵列，所述由多个周期性间隔排列的金属化孔组成的阵列连通金属贴片和金属接地柱。
进一步地，介质基板的底面具有用于连通金属化孔和金属接地柱的金属贴片。
进一步地，所述天线还包括加载在金属贴片与电壁之间的周期性电感，电感形式为折弯线、金属高阻线、或者集总电感。
另一方面，本发明提供了一种无线路由器，所述无线路由器包括上述的天线。
在本发明中，由于天线包括附着于介质基板的正面的金属贴片、位于介质基板的底面侧的金属接地板、以及连通金属贴片和金属接地板的电壁，因此介质基板、金属贴片和电壁共同组成半模基片集成波导结构，该天线具有实现了单极子或者偶极子类型天线的全部电特性的能力，即：辐射方向图在水平面方向全向，电场极化方向为垂直极化，且相比较于传统单极子天线结构，该天线又具备结构上极低剖面和高增益等优点。
具体优点如下：
1.低剖面特性，该天线厚度与EBG零阶谐振天线厚度相当，比其他几类非平面EBG零阶谐振天线小。
2.辐射效率高，该天线辐射效率与偶极子、单极子、CRLH零阶谐振天线以及倒F天线相当，但是远高于EBG类型天线
3.水平方向上的辐射方向图不圆度与偶极子、单极子和EBG零阶谐振天线相当，但是比倒F和CRLH零阶谐振天线好
4.交叉极化较比率高，从下文中的理论分析中可知，该类型天线的交叉极化鉴别率接近于零，因此，该天线的交叉极化鉴别率与偶极子、单极子和EBG零阶谐振天线相当，但是比倒F和CRLH零阶谐振天线高。
又由于天线还包括位于介质基板和金属接地板之间的金属接地柱，因此工艺简单，不要过多的对地焊接，可直接使用螺钉紧固金属接地柱和半模基片集成波导的方法接地安装即可。
又由于天线还包括加载在金属贴片与电壁之间的周期性电感，因此大幅缩小了天线的尺寸。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的天线的分解图。
图2是本发明实施例一提供的天线的组装图。
图3是本发明实施例一提供的天线的侧视图。
图4是本发明实施例一提供的天线中，金属贴片呈方形的天线组装图。
图5是本发明实施例一提供的天线的等效电路图。
图6是本发明实施例二提供的天线的分解图。
图7是本发明实施例二提供的天线的组装图。
图8是本发明实施例二提供的天线的侧视图。
图9是本发明实施例二提供的天线中，金属贴片呈方形的天线组装图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
本发明实施例提供的天线包括介质基板、附着于介质基板的正面的金属贴片、位于介质基板的底面侧的金属接地板、以及连通金属贴片和金属接地板的电壁，电壁是理想导体，其电特性可以等效为一个电感。
本发明实施例还提供了一种包括本发明实施例提供的天线的无线路由器。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
请参阅图1至图3，本发明实施例一提供的天线包括介质基板11、附着于介质基板11的正面的金属贴片12、附着于介质基板11的底面的金属接地板13以及连通金属贴片12和金属接地板13的电壁14，电壁是理想导体，在本发明实施例一中可以等效为一个电感。
在本发明实施例一中，电壁14可以是一金属柱或者是由多个周期性间隔排列的金属化孔141组成的阵列(如图1所示)。
金属贴片12可以呈方形、圆形、扇形等任意形状。其中，图1所示的金属贴片12呈圆形，图4所示的金属贴片22呈方形。金属贴片可以是完整的贴片，也可以是中间镂空的贴片。图1所示的金属贴片12和图4所示的金属贴片22是中间镂空的贴片。当金属贴片是中间镂空的贴片时，介质基板可以是完整的基板或者是于金属贴片的镂空位置相应的位置镂空的基板。
多个周期性间隔排列的金属化孔141可以呈圆形周期性间隔排列，也可以呈方形周期性间隔排列。
介质基板11、金属贴片12和金属接地板13与电壁14配合的位置分别开设有通孔111、121、131。金属贴片12和金属接地板13与电壁14配合的位置也可以是分别开设有盲孔。
本发明实施例一的天线，电壁14连通金属贴片12和金属接地板13，从而使电壁14形成波导侧壁，介质基板11、金属贴片12和电壁14共同组成半模基片集成波导结构，电磁能量首先在半模基片集成波导结构内形成谐振，然后通过半模基片集成波导结构的开放空间辐射出去，从而形成天线。半模基片集成波导结构是由基片集成波导结构演变而来的新型平面波导结构，半模基片集成波导结构的具体原理为在基片集成波导的中间插入波导磁壁，将原基片集成波导结构一分为二；由于该处磁场为零，因此，波导磁壁加入后原电磁场分布不发生改变。在实际的实现中，波导磁壁一般由开放空间结构实现，即开路结构。开路结构引入后，半模基片集成波导结构和基片集成波导结构的电场分布基本没有发生改变，但是却能减少一半的尺寸。
为了获得天线的完整性能，本发明实施例分别从辐射场理论与电路原理对半模基片集成波导结构的天线进行分析，并证明电磁场理论及电路原理的分析是一致的。
1、半模基片集成波导结构(HMSIW)腔模原理以及辐射场分析
需首先从腔模原理开始。当整个HMSIW结构的厚度很薄时，HMSIW谐振器中谐振的模式为TMnm模，其电场分布以及边界条件为：
Ez|r＝a＝0 (1-2)
HΦ|r＝b＝0 (1-3)
由(1-1)到(1-3)可以解得本征解表达式。
其中χnm＝knma。令则B＝1，此时有电场Ez：
利用磁流与Ez关系，得到磁流分布为：
再使用电失位和格林函数积分，最后得到的远场辐射为：
由(3)、(5-1)、(5-2)可知，当n＝0时，即HMSIW谐振于TM0m模时，上述公式可以化简为：
谐振腔电场分布为：
远区辐射电场为：
EΦn＝0 (6-3)
由(6-1)、(6-2)、(6-3)可知在TM0m驱动下，电磁场分布状态的两个结论：
a)不管是谐振腔内场还是远区的辐射场，在TM0m驱动下，电场幅度与水平方位角Φ没有任何关系，其幅度分布只与r和垂直面方位角θ有关。这意味着在辐射远区场处，水平面方向图呈现全向分布，其辐射方向图与单极子天线类似。
b)(6-2)、(6-3)表面，辐射只有Eθ方向的极化，而没有EΦ方向的极化，即在水平方向上，辐射电场只有垂直极化而没有水平极化，因此该天线的极化方向也与单极子类型天线完全相同，并且在理论上无交叉极化出现。
另外，根据(6-2)计算可知，当m＝1，即天线工作于主模TM01模时，该天线增益增益通过调节金属地的尺寸，增益可以突破单极子天线2dBi的限制，因此，半模基片集成波导结构天线具有单极子天线一样的方向图，并且辐射增益优于单极子天线。
2.等效电路理论分析
由于基片集成波导结构(SIW)和HMSIW结构的特殊性，金属贴片与金属接地板之间形成了等效的并联电容，电壁则形成了等效的并联电感，而金属贴片自身还形成的等效串联电感，因此，该结构的等效电路图如图5所示。
图5所示的等效电路为一个去掉串联电容的复合左右手传输线(CRLH)，该类型传输线的特性可以通过分析其传输相位进行分析：
其中ω为角频率，LL左手并联电感，LR为右手串联电感，CR为右手电容。由(7)可知当时，β(ω)＝0。且电磁波处于截至频带上，此时电磁波无法在传输线中传输。这意味着该类型的传输线组成环形谐振器后，其谐振主模为位于β(ω)＝0的谐振频率上，工作于该频率处的信号传输相位为零，因此，该谐振也被称零阶谐振。由于时，信号截止，故在低于零阶谐振的频率将不会再出现谐振。
由于零阶谐振发生于时，因此，零阶谐振器可等效为一个并联谐振电路，此时该电路的Q值(也即天线辐射Q值)为：
其中G为天线的辐射电导。
综合(7)、(8)两式，可得基于电路理论设计半模基片集成波导结构天线的三点结论。
a)基于CRLH传输线理论分析可知，当谐振器处于零阶谐振时，信号的传输相位为零，此时，信号在谐振腔内呈现静止状态，电场在谐振腔只与半径有关而与方位角无关，该结论与基于电磁理论分析得到的TM01模一致，因此，基于电路理论分析得到的零阶谐振即为电磁场辐射理论分析得到的主模TM01模。
b)由谐振频率关系可知，提高LR或者CR都能降低谐振频率，从而为小型化半模基片集成波导结构天线提供了一种思路，即可以使用集总元件补偿LR与CR以完成天线的小型化。
c)由(8)式可知，当LR增加，CR减少时，天线的辐射Q值可以大幅减少，从而提高天线效率。
综合b)、c)两点可知应尽可能增加半模基片集成波导结构天线的LR而减少CR，从而达到天线小型化和提升天线效率的效果。
总之，本发明不管是从电磁场理论的角度还是从电路理论的角度分析，都论证了半模基片集成波导结构天线能解决偶极子天线或者单极子天线的天线剖面过大、EBG结构的零阶谐振天线辐射效率低、CRLH零阶谐振天线在水平相的辐射方向图不圆度较差和倒F天线交叉极化鉴别率差的问题，具备高效率、垂直极化、辐射方向图水平全向，并且具有极低的电剖面特性。在尺寸与结构上均比传统天线小和紧凑。
实施例二：
为更进一步提高天线效率以及小型化半模基片集成波导结构，利用零阶谐振特性的谐振频率特性和式(8)，将半模基片集成波导的高度适当提高，并将电感加载于金属贴片中。请参阅图6至图8，本发明实施例二提供的天线包括介质基板31、附着于介质基板31的正面的金属贴片32、位于介质基板31的底面侧的金属接地板33、以及连通金属贴片32和金属接地板33的电壁，电壁包括位于介质基板31和金属接地板33之间的金属接地柱35、以及由多个周期性间隔排列的金属化孔341组成的阵列34，所述由多个周期性间隔排列的金属化孔341组成的阵列34连通金属贴片32和金属接地柱35，电壁是理想导体，在本发明实施例二中可以等效为一个电感。
在本发明实施例二中，介质基板的底面可以具有用于连通金属化孔和金属接地柱的金属贴片312，以增强通金属化孔和金属接地柱之间的电气连接。
在本发明实施例二中，在金属贴片与电壁之间加载有周期性的电感，电感形式为折弯线、金属高阻线、或者集总电感等电特性为电感的元件。
本发明实施例二的天线，由于介质基板和金属接地板之间设置有金属接地柱，从而将半模基片集成波导结构的零阶天线的高度适当提高，使介质基板与金属接地板之间填充空气，使用金属接地柱将金属贴片、电壁和金属接地板连接，并加载周期性的电感于金属贴片与电壁之间。由于加载电感的引入和高度的小幅提高，使得该天线的效率提升非常显著，其最终辐射效率已经接近98％。
金属贴片32可以呈方形、圆形、扇形等任意形状。其中，图6所示的金属贴片32呈圆形，图9所示的金属贴片42呈方形。金属贴片可以是完整的贴片，也可以是中间镂空的贴片。图6所示的金属贴片32和图9所示的金属贴片42是中间镂空的贴片。当金属贴片是中间镂空的贴片时，介质基板可以是完整的基板或者是于金属贴片的镂空位置相应的位置镂空的基板。
多个周期性间隔排列的金属化孔341可以呈圆形周期性间隔排列，也可以呈方形周期性间隔排列。
介质基板31和金属贴片32与电壁34配合的位置分别开设有通孔311、321。金属贴片32与电壁34配合的位置也可以开设有盲孔。
本发明实施例二的天线，电壁34通过金属接地柱35连通金属贴片32和金属接地板33，从而使电壁34形成波导侧壁，介质基板31、金属贴片32和电壁34共同组成半模基片集成波导结构，电磁能量首先在半模基片集成波导结构内形成谐振，然后通过半模基片集成波导结构的开放空间辐射出去，从而形成天线。半模基片集成波导结构是由基片集成波导结构演变而来的新型平面波导结构，半模基片集成波导结构的具体原理为在基片集成波导的中间插入波导磁壁，将原基片集成波导结构一分为二；由于该处磁场为零，因此，波导磁壁加入后原电磁场分布不发生改变。在实际的实现中，波导磁壁一般由开放空间结构实现，即开路结构。开路结构引入后，半模基片集成波导结构和基片集成波导结构的电场分布基本没有发生改变，但是却能减少一半的尺寸。
本发明实施例还提供了一种包括本发明实施例一或二提供的天线的无线路由器。
在本发明中，由于天线包括附着于介质基板的正面的金属贴片、位于介质基板的底面侧的金属接地板、以及连通金属贴片和金属接地板的电壁，因此介质基板、金属贴片和电壁共同组成半模基片集成波导结构，该天线具有实现了单极子或者偶极子类型天线的全部电特性的能力，即：辐射方向图在水平面方向全向，电场极化方向为垂直极化，且相比较于传统单极子天线结构，该天线又具备结构上极低剖面和高增益等优点。
具体优点如下：
1.低剖面特性，该天线厚度与EBG零阶谐振天线厚度相当，比其他几类非平面EBG零阶谐振天线小。
2.辐射效率高，该天线辐射效率与偶极子、单极子、CRLH零阶谐振天线以及倒F天线相当，但是远高于EBG类型天线
3.水平方向上的辐射方向图不圆度与偶极子、单极子和EBG零阶谐振天线相当，但是比倒F和CRLH零阶谐振天线好
4.交叉极化较比率高，从下文中的理论分析中可知，该类型天线的交叉极化鉴别率接近于零，因此，该天线的交叉极化鉴别率与偶极子、单极子和EBG零阶谐振天线相当，但是比倒F和CRLH零阶谐振天线高。
又由于天线还包括位于介质基板和金属接地板之间的金属接地柱，因此工艺简单，不要过多的对地焊接，可直接使用螺钉紧固金属接地柱和半模基片集成波导的方法接地安装即可。
又由于天线还包括加载在金属贴片与电壁之间的周期性电感，因此大幅缩小了天线的尺寸。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种天线，其特征在于，所述天线包括介质基板、附着于介质基板的正面的金属贴片、位于介质基板的底面侧的金属接地板、以及连通金属贴片和金属接地板的电壁。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述位于介质基板的底面侧的金属接地板具体是：附着于介质基板的底面的金属接地板。
3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述电壁是一金属柱或者是由多个周期性间隔排列的金属化孔组成的阵列。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电壁包括位于介质基板和金属接地板之间的金属接地柱，以及由多个周期性间隔排列的金属化孔组成的阵列，所述由多个周期性间隔排列的金属化孔组成的阵列连通金属贴片和金属接地柱。
5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述天线还包括加载在金属贴片与电壁之间的周期性电感，电感形式为折弯线、金属高阻线、或者集总电感。
6.如权利要求4所述的天线，其特征在于，介质基板的底面具有用于连通金属化孔和金属接地柱的金属贴片。
7.如权利要求3或4所述的天线，其特征在于，所述多个周期性间隔排列的金属化孔呈圆形周期性间隔排列或者呈方形周期性间隔排列。
8.如权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于，所述金属贴片呈方形、圆形或扇形。
9.如权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于，所述金属贴片是完整的贴片或者是中间镂空的贴片，当金属贴片是中间镂空的贴片时，介质基板是完整的基板或者是于金属贴片的镂空位置相应的位置镂空的基板。
10.如权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于，所述介质基板与电壁配合的位置开设有通孔；所述金属贴片与电壁配合的位置开设有通孔或者盲孔。
11.一种无线路由器，其特征在于，所述无线路由器包括权利要求1至10任一项所述的天线。
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