CN107069239A - 柱状双频全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微带天线。本发明公开了一种柱状双频全向天线，以简单的柱状立体结构，实现微带天线辐射全方向覆盖。本发明的技术方案是，柱状双频全向天线，由介质基板围成的棱柱构成，所述介质基板背面为接地面，所述介质基板正面布置有微带天线单元，所述接地面相互连接构成所述棱柱的内表面，所述介质基板正面为所述棱柱外表面；所述微带天线单元包括第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件，所述第一辐射元件和第二辐射元件具有不同的工作频段。本发明利用介质基板围成的棱柱构成，棱柱外表面的微带天线单元实现了360°全向辐射。棱柱内表面的接地面构成了微带天线的反射板，两个具有不同的工作频段的独立辐射元件实现了双频工作模式。

Description

柱状双频全向天线
技术领域
本发明涉及微带天线，特别涉及一种微带天线阵列，具体来说是一种柱状双频全向微带天线系统。
背景技术
微带天线是一种常见天线，由于其体积小，重量轻，易生产，易共形，易集成，所以目前被广泛使用。
微带天线是在介质基板正面用光刻腐蚀或其他方法制成一定形状的导电贴片(通常由金属箔片或导电涂层构成)，作为微带天线的辐射元件，就构成了最简单的微带天线单元。导电贴片常见的形状有矩形和圆形，导电贴片的尺寸决定了天线的工作频段。大多数微带天线单元还包括一些耦合元件、隔离元件，有些还在介质基板背面附上导电薄层作为接地面，用于改善天线性能和增加一些功能。辐射元件的馈电可以采用微带线、同轴探针或者耦合缝等。通常，这些耦合元件、隔离元件或微带线等也是由各种形状的金属箔片或导电涂层构成。
由同轴线馈电的微带天线工作原理是：导电贴片相当于一个电感电容并联谐振电路，通过同轴探针把电磁波馈到导电贴片上，导电贴片产生电磁谐振，把电磁波能量辐射出去。
对于同轴线馈电的微带天线，需要确定同轴探针馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗，在微带天线系统应用中通常是使用50Ω的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω。
对于矩形导电贴片，微带天线的谐振频率由导电贴片的宽度决定的，其宽度等于谐振频率的二分之一波长。在这里，谐振频率就是微带天线工作的中心频率。
为了实现全向辐射，现有技术的全向天线通常采用移相器、定向耦合器等方式，或者相控阵天线来实现。现有技术的双频天线是通过在单一贴片上开槽、缝等实现，并通过去耦网络、寄生单元、接地面缺陷结构、归一化技术等提高端口之间隔离度。如果要构成天线阵列，通常阵列中每个单元都需要单独配置反射板。
现有技术的缺点主要是，移相器、定向耦合器等附加结构会增大天线的尺寸和设计成本。相控天线阵结构复杂。单一贴片实现双频段，频段之间距离不能太远，工作频段不好控制。去偶网络增加天线成本和尺寸，接地面缺陷提高隔离度的方法使得后向辐射增大，天线增益减小，隔离效果不佳。近距离的情况下，寄生单元的只要发生细微的变化就会对耦合电流产生很大的影响，这使得能采用这种方法降低耦合的天线的种类十分受限。单独配置反射板将会增加天线重量，使天线结构复杂化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种柱状双频全向天线，以简单的柱状立体结构，实现微带天线辐射全方向覆盖。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，柱状双频全向天线，由介质基板围成的棱柱构成，所述介质基板背面为接地面，所述介质基板正面布置有微带天线单元，所述接地面相互连接构成所述棱柱的内表面，所述介质基板正面为所述棱柱外表面；所述微带天线单元包括第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件，所述第一辐射元件和第二辐射元件具有不同的工作频段。
本发明的柱状双频全向天线，利用介质基板围成的棱柱构成，棱柱外表面的微带天线单元实现了360°全向辐射。棱柱内表面的接地面构成了微带天线的反射板，微带天线单元中两个具有不同的工作频段的独立辐射元件实现了双频工作模式。微带隔离元件增强了两个辐射元件的隔离度，双频配置更加灵活，工作频段选择也更自由。
优选的，所述棱柱为由三块结构相同的介质基板构成的正三棱柱。
该方案以一种最简单的棱柱实现了全向辐射，两个相邻介质基板背面的接地面构成另一个介质基板正面天线单元的反射板，三个介质基板正面的天线单元辐射角度只要≥120°就能够实现360°全向辐射。具有结构简单、稳定，成本低廉的优点。
优选的，所述棱柱为由四块结构相同的介质基板构成的正四棱柱。
正四棱柱也是一种结构比较简单的棱柱，同样具有低成本的优势。
进一步的，所述接地面、第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件由金属箔片构成。
本方案的柱状双频全向天线，可以采用双面印刷电路板(PCB)构成棱柱。双面印刷电路板背面的覆铜板就可以构成接地面，正面的覆铜板可以采用光刻、蚀刻等工艺制作辐射元件和隔离元件等，具有取材方便，制造工艺成熟，成本低的优点。
进一步的，所述接地面、第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件由导电涂层构成。
该方案可以采用通过喷涂、印刷等工艺，在介质基板上形成导电涂层，构成本发明的接地面、辐射元件和微带隔离元件，可以选用陶瓷介质基板、有机介质基板等材料制作天线，是也是一种工艺成熟的微带电路加工技术。
进一步的，所述第一辐射元件和/或第二辐射元件通过同轴线馈电。
辐射元件的馈电是微带天线的重要技术，采用同轴线馈电具有阻抗匹配容易实现，馈电点反射小，两个馈电点相互干扰低等优点。
进一步的，所述第一辐射元件和/或第二辐射元件设置有开槽。
本方案通过在辐射元件上开槽，实现天线的小型化。开槽相当于增加了电流路径的长度，有利于降低谐振频率，或在相同谐振频率下缩小辐射元件尺寸。
优选的，所述第一辐射元件和/或第二辐射元件为矩形辐射元件。
矩形辐射元件具有加工方便，加工尺寸精度高，谐振频率比较好控制的特点，可以由一个矩形构成，也可以是由几个矩形组合构成。
进一步的，所述第一辐射元件嵌套在所述第二辐射元件中，所述微带隔离元件为曲折线并位于所述第一辐射元件和第二辐射元件之间。
本方案采用嵌套结构，可以进一步降低天线尺寸，节约材料成本。种种结构使得位于第一辐射元件和第二辐射元件之间的微带隔离元件成了曲折线，以便嵌入两个辐射元件之间发挥隔离作用。
进一步的，所述微带隔离元件具有对称结构，其对称点与接地面电连接。
本方案微带隔离元件具有对称结构，并且其对称点与接地面电连接，能够提高隔离效果，并降低微带隔离元件对辐射元件的干扰。
本发明的有益效果是，天线结构简单，成本低，体积小。柱状立体结构，能实现天线辐射全向覆盖，每一柱面的介质基板分开加工，再按照设计要求组合起来，结构相对简单。本发明的天线系统不需要附加金属反射板，可以降低天线整体重量。两个独立的辐射元件，在有限空间实现了双频工作模式。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例1的结构示意图；
图2是图1的仰视图；
图3是实施例2的结构示意图。
其中：1为微带天线单元；2为接地面；3为介质基板；10为第一辐射元件；11为第一辐射元件的开槽；20为第二辐射元件；21为第二辐射元件的开槽；30为微带隔离元件；31为接地点；α、β和γ为相邻介质基板之间的夹角。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
本例柱状双频全向天线，由三块结构相同的介质基板3组成的正三棱柱构成，如图1所示。这种正三棱柱结构的天线，以数量最少的介质基板实现360°全向覆盖，天线方向图表明辐射电磁场空间分布比较均匀。任意两个介质基板3之间形成60°夹角，如图1中∠α、∠β和∠γ所示。每一块介质基板3背面为接地面2，接地面2相互连接构成棱柱的内表面。任意两个介质基板3的接地面2构成另一介质基板3微带天线单元1的反射板，反射后向辐射，提高微带天线单元增益。本例天线系统具有结构简单、稳固，成本低廉的优点。
介质基板3正面为棱柱外表面，每一块介质基板正面都布置有结构相同的微带天线单元1，参见图2。本例微带天线单元1包括第一辐射元件10、第二辐射元件20和微带隔离元件30。第一辐射元件10和第二辐射元件20都是由矩形金属箔片构成的矩形辐射元件，第二辐射元件20可以看成是3块矩形连接构成的“U”型结构，第一辐射元件10尺寸小于第二辐射元件20的尺寸，并嵌套在第二辐射元件20的U型开口中，第一辐射元件10工作在高频段，第二辐射元件20工作在低频段。本例微带隔离元件30也是金属箔片，由于两个辐射元件的嵌套结构，本例微带隔离元件30为曲折线并位于第一辐射元件10和第二辐射元件20之间，由图2可见微带隔离元件30具有对称结构，其对称点31与接地面2电连接。这种隔离措施提高了两个辐射元件之间的隔离度，降低了高频段和低频段之间的干扰，有利于提高天线系统的增益。第一辐射元件10和第二辐射元件20的嵌套结构压缩了本例天线尺寸，减小了天线体积。
本例柱状双频全向天线，两个辐射元件都采用同轴线馈电，同轴线从正三棱柱内表面穿过接地面2，同轴线外导体(屏蔽层)与接地面2电连接，同轴线内导体(芯线)穿过介质基板3连接到辐射元件上。采用同轴线馈电能够减小馈线对辐射的影响，有利于提高系统稳定性。通过调整馈电点(芯线连接位置)，可以方便地实现阻抗匹配。
由图2可以看出，本例两个辐射元件都采用开槽结构，如图2中的开槽11和开槽21。这种开槽结构能够进一步降低金属贴片的尺寸，有利于缩小天线体积，并有利于扩展频带，提高天线性能。
实施例2
本例天线由四块结构相同的介质基板3构成的正四棱柱组成，如图3所示。其中任意三块介质基板3背面的接地面2相互连接，构成另一块介质基板3正面天线单元的反射板。本例天线其他机构可以参见实施例1的描述。正四棱柱构成的全向天线，也是一种结构比较简单的阵列天线结构形式。
上述实施例仅仅用于说明本发明的技术方案，便于本领域技术人员理解和实施本发明，但上述实施例并不能理解为对本发明的限制。如上述实施例中的接地面、第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件也可以采用导电涂层构成，并不影响本发明的实施。

Claims (10)

1.柱状双频全向天线，由介质基板围成的棱柱构成，所述介质基板背面为接地面，所述介质基板正面布置有微带天线单元，所述接地面相互连接构成所述棱柱的内表面，所述介质基板正面为所述棱柱外表面；所述微带天线单元包括第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件，所述第一辐射元件和第二辐射元件具有不同的工作频段。
2.根据权利要求1所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述棱柱为由三块结构相同的介质基板构成的正三棱柱。
3.根据权利要求1所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述棱柱为由四块结构相同的介质基板构成的正四棱柱。
4.根据权利要求1所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述接地面、第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件由金属箔片构成。
5.根据权利要求1所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述接地面、第一辐射元件、第二辐射元件和微带隔离元件由导电涂层构成。
6.根据权利要求1所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述第一辐射元件和/或第二辐射元件通过同轴线馈电。
7.根据权利要求1所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述第一辐射元件和/或第二辐射元件设置有开槽。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述第一辐射元件和/或第二辐射元件为矩形辐射元件。
9.根据权利要求8所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述第一辐射元件嵌套在所述第二辐射元件中，所述微带隔离元件为曲折线并位于所述第一辐射元件和第二辐射元件之间。
10.根据权利要求9所述的柱状双频全向天线，其特征在于，所述微带隔离元件具有对称结构，其对称点与接地面电连接。
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