CN107623183B - 一种可调谐双频带高增益天线反射结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐双频带高增益天线反射结构。主要由两块天线反射板以及放置在两块天线反射板前的天线构成，天线反射板主要是由多个双频带可调谐结构单元阵列组合布置而成，双频带可调谐结构单元包括金属铜片、第一层介质板、双介质膜、第二层介质板和接地板，金属铜片朝向天线，接地板背向天线，金属铜片由正方形铜片和方环形铜片组成，双介质膜包括内层复合介质膜和外层复合介质膜，内层复合介质膜和外层复合介质膜之间具有空气缝隙。本发明可提升无线通信天线的增益，提高天线指向性，并且可以同时覆盖无线通信两个频带，同时具有成本低廉、结构简单的特点，可以广泛应用于室内外无线通信天线设备。
Description
技术领域
本发明涉及了一种天线反射板，特别是涉及了一种可调谐双频带高增益天线反射结构。
背景技术
随着无线通信的快速发展，天线作为信号发射与接收的载体，在无线通信中有着重要的应用。随着无线通信系统性能的不断提高，通信界对天线设计提出了高增益，小型化以及低成本等一系列要求。使用低成本部件提升现有天线的性能，就有着比较强的现实意义。
近年来，为了提升现有天线的性能，研究者将一些新型电磁结构引入天线中，例如高阻抗表面的电磁带隙结构、左手材料结构等。这些新结构都有周期电磁结构的特性，可以用在提升天线的增益，去除互耦，实现天线小型化，降低天线剖面等目标。
日常使用的许多无线通信设备，例如家用路由器等，都使用单极子天线作为无线信号收发天线。单极子天线的特点是全向性。但实际使用时，有些方向需要高增益，而其余方向则不需要高增益。面对这一需求，一般单极子天线就无法满足需求。
随着技术的发展，无线通信设备的通信频带呈现逐步增加的趋势，一批使用双频带通信的无线设备已经投入使用，同时对双频带信号进行放大就具有较强的实用价值。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，为了同时提升双频带上某一方向增益，同时控制成本，本发明的目的在于提供了一种可调谐双频带高增益天线反射结构。
本发明采用的技术方案是：
本发明主要由两块天线反射板以及放置在两块天线反射板前的天线构成，两块天线反射板以V字形布置，天线放置在V字形天线反射板前。
所述的天线反射板主要是由多个双频带可调谐结构单元阵列组合布置而成，每一个双频带可调谐结构单元主要由依次从上到下层叠布置的金属铜片、第一层介质板、双介质膜、第二层介质板和接地板五层构成，金属铜片朝向天线，接地板背向天线，五层之间通过在中央贯穿设置的塑料螺钉固定连接；金属铜片由位于中心的正方形铜片和位于外围的方环形铜片组成，正方形铜片和方环形铜片之间具有空气缝隙；双介质膜包括位于中心的内层复合介质膜和位于外围的外层复合介质膜，内层复合介质膜和外层复合介质膜之间具有空气缝隙；通过上述结构的天线反射板反射信号以提升天线接收到的信号增益，并且在两个频带同时工作。
外层复合介质膜与内层复合介质膜为用于调整工作频率且可独立替换的介质膜层，具体来说是通过调谐天线反射板中内层复合介质膜和外层复合介质膜的尺寸和材料选择实现内层复合介质膜和外层复合介质膜分别工作在不同的频带。
本发明同时在两个相隔较远的频带工作，起到提高增益的效果，例如在2.4GHz和5.8GHz。
所述的两块天线反射板以90度的V字形相垂直放置。
所述的外层复合介质膜和内层复合介质膜的厚度可调。
所述的外层复合介质膜采用介电常数大于2的高介电常数材料；所述的内层复合介质膜采用介电常数大于10的高介电常数材料。
所述的内层复合介质膜最大尺寸相当于外层复合介质膜中央方孔的尺寸，在不超过最大尺寸的前提下，结合高频的工作频率，内层复合介质膜可以自由更换不同尺寸的介质膜。
所述的接地板采用铜。
所述的介质板采用常见的介质材料，如FR-4。
所述的天线紧挨放置在两块天线反射板以V字形相放置后的中间。
所述的天线反射板中的双频带可调谐结构单元沿上下左右方向等周期延拓阵列布置，组成尺寸灵活的双频带高增益天线反射板。
本发明由多个双频带可调谐结构单元组成平面板，由两个该平面板V字形放置在天线后，用于反射天线信号，提升天线前方的信号增益。在低频带上，每个双频带可调谐结构单元利用相邻金属贴片引起的电场分布可以等效为电容，介质板与接地板之间可以等效为一个短路传输线，金属贴片以及其余部分可以视为一个电感，这样就构成了一个谐振回路，在这个频率点处，表面阻抗趋近于无穷大，这样就形成了高阻抗表面。在高频带上，利用金属贴片上的空气缝隙将贴片一分为二，内侧的金属贴片利用空气缝隙与外侧的金属贴片形成等效电容，介质板与接地板之间依旧可以等效为一个短路传输线，其余部分可以视为一个电感，同样可以在高频构成谐振回路，实现高阻抗表面。利用在谐振点附近反射板呈现磁导体的性质，将单极子天线放置在反射板上，就可以实现天线电流的反射叠加，同时不会明显降低天线的辐射效率。
本发明具有的有益效果：
本发明在不改变已有天线结构的基础上实现了在工作的双频带内提高增益，可达到4-8dB，提高天线指向性，拓宽了天线的实际应用场合，同时可以根据已有天线实际工作情况，通过替换不同厚度的介质膜，进而调整已有天线的阻抗匹配，实现天线辐射效率的最大化。
本发明具有成本低廉、结构简单的特点，可以广泛应用于室内外无线通信天线设备。
附图说明
图1是本发明实例正面示意图。
图2是本发明可调谐振结构单元的立体图。
图3是安装天线反射板对天线S参数影响仿真示意图。
图4和图5是安装天线反射板对天线增益影响仿真示意图。
图中：1.天线反射板，2.可调谐振结构单元，3.天线，4.金属铜片，5.金属铜片空气缝隙，6.介质板，7.外层复合介质膜，8.内层复合介质膜，9.接地板，10.塑料螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明主要由两块天线反射板1以V字形相放置以及放置在两块天线反射板1前的天线3构成，天线3放置在V字形天线反射板前，通过天线反射板1反射信号以提升天线3接收到的信号增益。
天线反射板1主要是由多个可调谐结构单元2沿上下左右方向等周期延拓阵列布置而成，如图2所示每一个可调谐结构单元2主要由依次上下层叠布置的金属铜片4(中间带空气缝隙5)、一层介质板6、外层复合介质膜7与内层复合介质膜8组成的双介质膜、一层介质板6和接地板9五层构成，两层介质板6间的复合介质膜7、8为用于微调双频带工作频率且可替换的介质膜层，金属铜片4朝向天线3，接地板9背向天线3，五层之间通过在中央贯穿设置的塑料螺钉10固定连接。
具体实施的天线反射板1呈正方形结构，最上方是一层金属铜片4，金属铜片之下是两层介质板6，这复合介质膜7，8位于两层介质板6中间，是一层高介电常数的复合介质膜，两层介质层6的间距是可调的，也就是复合介质膜7，8厚度是可调的，同时内层复合介质膜8的最大尺寸与外层复合介质膜7中央方孔的尺寸相当，在不超过最大尺寸的前提下，内层复合介质膜8的大小尺寸是可调的。在介质板6之下的是一层接地板9，其长宽尺寸与单元一致，可调谐振结构单元2中央是用于固定的塑料螺钉10。
本发明的实施例及其实施过程如下：
本发明具体实施的可调谐高增益天线反射板实例如图1所示，使用多个可调谐振单元2组成平面板1，每一块反射板横向有3个可调谐振结构单元2，纵向有6个可调谐振结构单元2，平面板长120mm，宽60mm，厚3.6mm，两个平面板1V字形放置，平面板1放置夹角为90°。将2.4GHz与5.8GHz双频带单极子天线3放置在V形中央，平面板1与天线3紧贴。
本发明提供的可调谐振结构单元2实例如图2所示，顶层是一个方形金属贴片4，中间有一个空气缝隙5，中间层6是两片FR-4介质板，两片介质,6夹一层F4B-300与TP-2000相结合的复合介质膜7和8，底层是与谐振单元2长宽尺寸相同的接地板9。每个可调谐振结构单元2的长度和宽度都是20mm，顶层为金属铜片4，厚度为0.018mm，长宽都是18.7mm，铜片4位居可调谐振结构单元2中央，铜片中间空气缝隙层边长是10mm，缝隙宽度是0.3mm。中间层6是两片FR-4介质板，长宽尺寸都是20mm，相对介电常数是4.6，损耗正切角是0.025，相对磁导率是1。靠近金属铜片4的FR-4介质板6厚度是1.5mm，另一片FR-4介质板6厚度是2mm，两片介质板6中间是一层F4B-300与TP-2000相结合的复合介质膜7和8，外层复合介质膜长宽尺寸都是20mm，材质是F4B-300，相对介电常数是3，损耗正切角是0.003，相对磁导率是1，外层复合介质膜7中间方形孔尺寸是14mm；内层复合介质膜8长宽尺寸是13.4mm，材质是TP-2000，相对介电常数是20，损耗正切角是0.0035，相对磁导率是1。复合介质膜7和8的厚度是0.5mm。底层是接地板9，材质是铜，厚度是0.018mm，长宽尺寸都是20mm。
当电磁波入射到双频带可调谐高增益天线反射板时，因上层贴片单元尺寸远小于波长，就可以等效为一个LC谐振回路。此时，在低频下，相邻金属贴片单元电场分布可以等效为电容，介质板与接地板可以等效为一个长为hl，也就是等效介质板厚度的短路传输线，金属贴片本身以及介质层可以视为与电感相关。在低频条件下，该结构的表面阻抗Zls可以表示为：
其中，j表示虚数符号，ω表示频率，Cl表示电容，Llh表示由介质厚度带来的电感。
此时，低频的谐振频率是在此频率处，表面阻抗趋近于无穷大，形成了高阻抗表面，呈现磁导体性质。又有等效电感与介质层厚度有关。通过传输线理论可以得知：
其中，XlL表示感抗，μ0表示材料的磁导率，ε0表示真空的介电常数，εlr表示介质材料的相对介电常数，hl表示介质材料的厚度。
假定hl∝λd，λd是介质中的波长，就可以近似得到：
Llh＝μ0hl
本发明设计的可调谐振结构单元2，通过调整两片介质板6中高介电常数外层复合介质膜7的厚度，调整整个介质层的厚度hl，进而调整等效电感数值，最终达到调整低频谐振频率的目的。
在高频下，利用金属贴片上的空气缝隙将贴片一分为二，内侧的金属贴片利用空气缝隙与外侧的金属贴片形成等效电容，介质板与接地板可以等效为一个长为hh，也就是等效介质板厚度的短路传输线，金属贴片本身以及介质层可以视为与电感相关。在高频条件下，该结构的表面阻抗Zhs可以表示为：
其中，j表示虚数符号，ω表示频率，Ch表示电容，Lhh表示由介质厚度带来的电感。
此时，高频的谐振频率是在此频率处，表面阻抗趋近于无穷大，形成了高阻抗表面，呈现磁导体性质。又有等效电感与介质层厚度有关。通过传输线理论可以得知：
其中，XhL表示感抗，μ0表示材料的磁导率，ε0表示真空的介电常数，εhr表示介质材料的相对介电常数，hh表示介质材料的厚度。
假定hh∝λd，λd是介质中的波长，就可以近似得到：
Lhh＝μ0hh
本发明设计的可调谐振结构单元2，通过调整两片介质板6中高介电常数外层复合介质膜7的厚度，调整整个介质层的厚度hh；或者改变高介电常数内层复合介质膜8的大小尺寸，间接调整介质层的厚度hh，进而调整等效电感数值，最终达到调整高频谐振频率的目的。
本实例中的可调谐高增益天线双频带反射板效果较为显著，图3是安装天线反射板对天线S参数影响仿真示意图，图中虚线是未安装天线反射板时天线的S参数，这表明天线工作频点是2.4GHz和5.8GHz；实线是安装天线反射板后天线的S参数，这表明安装反射板后，天线的工作频点仍然是2.4GHz与5.8GHz，天线在2.4GHz和5.8GHz处阻抗匹配影响不大。图4是安装天线反射板对天线增益影响仿真示意图，图中虚线是未安装天线反射板时天线在2.4GHz的远场增益，此时增益是2dB，图中实线是安装天线反射板后远场增益，在0°方向，也就是反射板指向方向，天线增益是10dB。仿真显示，在2.4GHz附近，单极子天线阻抗匹配几乎不受到影响，增益提高了8dB。达到了提高增益的目的。图5是安装天线反射板对天线增益影响仿真示意图，图中虚线是未安装天线反射板时天线在5.8GHz的远场增益，此时增益是2dB，图中实线是安装天线反射板后远场增益，在0°方向，也就是反射板指向方向，天线增益是6dB。仿真显示，在5.8GHz附近，单极子天线阻抗匹配几乎不受到影响，增益提高了4dB。达到了提高增益的目的。
本发明的工作频率是2.4GHz与5.8GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作频率调整可调谐振结构单元的尺寸。
以上所述，仅是本发明在2.4GHz与5.8GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上事例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可调谐双频带高增益天线反射结构，主要由两块天线反射板(1)以及放置在两块天线反射板(1)前的天线(3)构成，两块天线反射板(1)以V字形布置，其特征在于：
所述的天线反射板(1)主要是由多个双频带可调谐结构单元(2)阵列组合布置而成，每一个双频带可调谐结构单元(2)主要由依次从上到下层叠布置的金属铜片(4)、第一层介质板(6)、双介质膜、第二层介质板(6)和接地板(9)五层构成，金属铜片(4)朝向天线(3)，接地板(9)背向天线(3)，五层之间通过在中央贯穿设置的塑料螺钉(10)固定连接；金属铜片(4)由位于中心的正方形铜片和位于外围的方环形铜片组成，正方形铜片和方环形铜片之间具有空气缝隙(5)；双介质膜包括位于中心的内层复合介质膜(8)和位于外围的外层复合介质膜(7)，内层复合介质膜(8)和外层复合介质膜(7)之间具有空气缝隙；通过上述结构的天线反射板(1)反射信号以提升天线(3)接收到的信号增益，并且在两个频带同时工作。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐双频带高增益天线反射结构，其特征在于：所述的两块天线反射板(1)以90度的V字形相垂直放置。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐双频带高增益天线反射结构，其特征在于：所述的外层复合介质膜(7)采用介电常数大于2的高介电常数材料；所述的内层复合介质膜(8)采用介电常数大于10的高介电常数材料。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐双频带高增益天线反射结构，其特征在于：所述的接地板(9)采用铜。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐双频带高增益天线反射结构，其特征在于：所述的天线(3)紧挨放置在两块天线反射板(1)以V字形相放置后的中间。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐双频带高增益天线反射结构，其特征在于：所述的天线反射板(1)中的可调谐结构单元(2)沿上下左右方向等周期延拓阵列布置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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