CN107634322A

CN107634322A - 双频高增益全向天线

Info

Publication number: CN107634322A
Application number: CN201710676560.2A
Authority: CN
Inventors: 李道铁; 吴中林; 刘木林
Original assignee: Tongyu Communication Inc
Current assignee: Tongyu Communication Inc
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2018-01-26

Abstract

本发明提供一种双频高增益全向天线，其包括设置在基板上的至少两个双频半波振子单元，相邻两个双频振子单元之间设置有高频振子单元，该双频振子单元和高频振子单元通过印制平行双导体馈线进行馈电。本发明为移动通信提供了一种双频段、高增益、全向性、高效率、小型化、成本低廉的AP站点/终端天线，并为其他频段的双频或多频全向天线的优化设计提供有效或有益的参考方法。

Description

双频高增益全向天线

【技术领域】

本发明涉及一种移动通信基站/终端天线设备与技术，特别是涉及一种双频高增益全向天线及其技术。

【背景技术】

“万物自由互联”、“信息随心所至”的梦想将在5G时代得以实现。5G通信的一个崭新的应用领域便是物联网。物联网(IoT,Internet of Things)，顾名思义是在物品中嵌入无线模块并通过无线接入点(AP,Access Point)联网，使之成为一个网络终端，可对其进行访问和监管。由于物品数量之多、品类之众，接入物联网的终端设备数量是海量的，而无线接入点数量则相对较少。由于终端设备与AP的相对位置及方位是任意的，两者使用全向天线可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，AP天线应比终端天线具有更高增益(G≥3dBi)，才能在距离较远处的终端获得较高的信噪比和数据传输率。另外，由于AP基站和终端设备广泛部署，需大量采购，其普遍具有价格便宜、经济性高等要求，故常采用全向辐射、单极化、结构简单、成本低廉的印制单/偶极子天线。其次，这类天线要求覆盖的频段越来越多，通常是2G/3G/4G/WLAN/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，如图2所示的偶极子天线两臂101。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。如图3所示，由于馈线102与阵元103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。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。再者，效率也是AP站点/终端天线的一个重要指标，它决定了设备的电池使用寿命和待机时间。最后，天线尺寸往往严格受限，此时难以通过增加阵元的方式来提高增益，而必须另觅他法以充分利用空间，从而提高增益。

【发明内容】

本发明旨在为移动通信提供一种全向性、高效率、小型化、成本低廉的双频高增益全向天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种双频高增益全向天线，其包括设置在基板上的至少两个双频振子单元，相邻两个双频振子单元之间设置有高频振子单元，该双频振子单元和高频振子单元通过双导体馈线进行连接馈电。

优选的，所述双频振子单元为半波振子，两个振子臂分别包括对称设置的内枝节，在内枝节外侧对称设置的外枝节，内枝节和外枝节底端通过水平枝节连接为一体。优选的，该内枝节长宽为L₁×W₁，其末端为较宽段；该外枝节长宽为L₂×W₂。

优选的，该高频振子单元包括一组短枝节对称排列于轴线两侧。

优选的，外枝节和内枝节两组枝节相互平行，且外枝节比内枝节长，即L₁<L₂。

优选的，该水平枝节中心朝下突起，设为平衡馈电点，内枝节和外枝节的起始端不平齐，水平枝节外边缘为弯折段。振子两臂间隔一定距离，且两臂中心边缘不平齐；中心高频振子与两端的双频振子中间的高频部分外形可相同或不同。

优选的，相邻两个双频振子单元的间距为d，所述至少两个双频振子单元共轴或共线组阵，相邻两阵元的间距为(0.50～0.75)×λ_C，λ_C为中心频率波长。

优选的，内枝节和外枝节的长度约为各自所对应频段中心波长的0.22～0.25倍；每对枝节的宽度与长度之比约为0.1～0.3。

优选的，至少两个双频振子单元和高频振子单元的上臂位于基板正面，下臂则位于基板反面，该双导体馈线设置在该基板正反两面，并沿阵列中心轴线方向设置，双导体馈线的上下馈线分别将两个双频振子单元以及高频振子单元的上臂和下臂相连接，构成对称阵列的上臂和下臂。

优选的，双导体馈线包括级联的多节不等宽的四分之一波长阻抗变换段。

优选的，体馈线的馈线中心作为阵列的馈电点，连接同轴电缆，具体为50Ω同轴电缆。优选的，电缆的内外导体分别连接双导体馈线的上下导体，焊接于上下导体的馈点焊盘。在双导体馈线的两末端，用金属化过孔将双频振子单元上下短路连接。优选的，过孔距离振子底端约(0.10～0.15)·λ_C，λ_C为中心频率波长。

优选的，该双导体馈线的宽度小于所述双频振子单元其中一臂的两个内枝节的间距2×D₁，长度则比阵元间距d长0.25×λ_C，λ_C为中心频率波长。

优选的，所述振子臂的内枝节和外枝节，这两组平行枝节的长短不一，工作于不同频段；内枝节为短枝节，工作于高频；外枝节为长枝节，工作于低频，内枝节和外枝节的长度约为各自所对应频段中心波长的0.22～0.25倍；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。

优选的，该基板为单面覆铜板，长宽厚为L_d1×W_d1×T_d1、介电常数和损耗角正切分别为ε_r1和tanδ₁。优选的，选用各类常见的双面覆铜板或空气做为介质基板，介电常数ε_r为1～10，采用印制工艺或钣金工艺加工成形。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的积极进步效果在于：一、设计多枝节并排的双频半波振子单元；二、阵列中心附加高频振子单元；三、中心串联式平行双导线馈电；四、馈线末端短路，中心点馈电，本发明实现了两单元阵列在GSM和LTE双频超宽带工作(840-960MHz/1710-2170MHz，VSWR<2.32，BW＝25.33％、>31.17％)；高低频增益分别为5～6.5dBi、4～5dBi；且各频段均有理想全向方向图，不圆度小于1.23dBi，效率大于84％；尺寸较小，长宽分别为：1.03×λ_L、0.106×λ_L(λ_L为最低工作频率波长)。

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，对于其他频段的双频或多频、更高增益的全向或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为常规胖块状超宽带印制偶极子天线的模型图。

图3为常规宽带高增益全向偶极子阵列天线的模型图。

图4为双频高增益全向天线的几何模型图。

图5为两单元双频振子单元共轴组阵的几何模型图。

图6为两单元双频振子单元阵列中间添加高频振子单元的几何模型图。

图7为平行双导线馈电的双频高增益全向天线的两元振子阵列的几何模型图。

图8为平行双导线馈电的双频高增益全向天线的两元振子阵列的末端短路点局部放大图。

图9为平行双导线馈电的双频高增益全向天线的两元振子阵列的中心馈电点局部放大图。

图10为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线。

图11为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的反射系数|S₁₁|曲线。

图12为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的驻波VSWR曲线。

图13为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₁＝0.84GHz的增益方向图。

图14为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₂＝0.96GHz的增益方向图。

图15为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₃＝1.71GHz的增益方向图。

图16为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₄＝1.88GHz的增益方向图。

图17为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₅＝2.17GHz的增益方向图。

图18为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的增益G随频率f变化曲线。

图19为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的E面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线。

图20为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的H面不圆度随频率f变化曲线。

图21为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的效率η_A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。

本发明旨在为移动通信GSM900和DCS1800/PCS1900设计一种双频段、高增益、全向性、高效率、小型化、成本低廉的AP站点/终端天线，并为其他频段的双频或多频全向天线的优化设计提供有效或有益的参考方法。

请参阅图1～9，所述双频高增益全向天线的设计方法包括以下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造双频振子单元：在XOY平面，在+X轴D₁处、顺着+Y轴构造一长宽为L₁×W₁的内枝节20，其末端为较宽段21；然后，复制出位于-X轴D₁处的镜像内枝节20，见图4的部分20；然后，在枝节20外侧位于X轴和-X轴D₂处构造一对对称的外枝节10，其长宽为L₂×W₂，见图4的部分10；外枝节10和内枝节20两组枝节相互平行，且外枝节10比内枝节20长，即L₁<L₂；然后，沿X轴方向构造一中心朝下突起的水平枝节30，水平枝节30将外枝节10和内枝节20在底端处连接为一体，形成振子的上臂，各枝节的底端40不平齐，水平枝节30外边缘为弯折段，见图4；随后，将振子上臂沿X轴镜像复制出振子下臂，上下两臂构成一个双频振子单元，上下两臂的中心突起处为平衡馈电点60，见图4；最后，将一块长宽厚为L_d1×W_d1×T_d1、介电常数和损耗角正切分别为ε_r1和tanδ₁的单面覆铜板放置于振子背面，作为印制振子的基板50，见图4；

步骤三，构造两单元阵列：将步骤二的双频振子单元沿Y轴平移复制1次，构成一个两单元、间距为d的共轴线阵；两振子的上臂位于基板50正面，下臂则位于基板50反面，见图5；

步骤四，附加高频振子单元：在步骤三的两单元阵列中心，附加一对高频振子单元70，跟步骤三的两振子单元一样，其上下臂也分别位于介质基板50的正反两面，见图6；

步骤五，设置平衡馈电网络：在步骤四的介质基板正反两面，沿阵列中心轴线方向设置一条双导体馈线80，其宽度小于所述双频振子单元其中一臂的两个内枝节20的间距2×D₁，长度则比阵元间距d长约0.25×λ_C，其中λ_C为中心波长；双导体馈线的上下馈线分别将两个双频振子单元以及高频振子单元的上臂和下臂连为一体，构成对称阵列的上臂和下臂，并将双导体馈线的馈线中心91作为阵列的馈电点，见图7；

步骤六，添加直流短路点和馈电点。在双导体馈线的两末端，用金属化过孔90将双频振子单元上下短路，并在导体中心馈电点91连接50Ω同轴电缆，其内外导体分别焊接于上下导体的馈点焊盘，见图8、图9。

本发明通过上述步骤构建了双频高增益全向天线，其包括设置在基板50上的至少两个双频振子单元，相邻两个双频振子单元之间设置有高频振子单元，该双频振子单元和高频振子单元通过双导体馈线进行连接馈电。

所述双频振子单元的两个振子臂分别包括对称设置的内枝节20，在枝节20外侧对称设置的外枝节10，内枝节20和外枝节10底端通过水平枝节30连接为一体。该内枝节20长宽为L₁×W₁，其末端为较宽段21；该外枝节10长宽为L₂×W₂。该高频振子单元包括一组短枝节70对称排列于轴线两侧，该短枝节70末端有加宽段71。

该外枝节10和内枝节20两组枝节相互平行，且外枝节10比内枝节20长，即L₁<L₂。该水平枝节30中心朝下突起，设为平衡馈电点60，内枝节和外枝节的起始端40不平齐，水平枝节30外边缘为弯折段。振子两臂间隔一定距离，且两臂中心边缘不平齐；中心高频振子与两端的双频振子中间的高频部分外形可相同或不同。内枝节和外枝节的长度约为各自所对应频段中心波长的0.22～0.25倍；每对枝节的宽度与长度之比约为0.1～0.3。相邻两个双频振子单元的间距为d，所述至少两个双频振子单元共轴或共线组阵，相邻两阵元的间距为(0.50～0.75)×λ_C，λ_C为中心频率波长。

所述振子臂的内枝节和外枝节，这两组平行枝节的长短不一，工作于不同频段；内枝节为短枝节，工作于高频；外枝节为长枝节，工作于低频，内枝节和外枝节的长度约为各自所对应频段中心波长的0.22～0.25倍；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。

所述至少两个双频振子单元和高频振子单元的上臂位于基板50正面，下臂则位于基板50反面，该双导体馈线80设置在该基板正反两面，并沿阵列中心轴线方向设置，双导体馈线的上下馈线分别将两个双频振子单元以及高频振子单元的上臂和下臂相连接，构成对称阵列的上臂和下臂。

双导体馈线包括级联的多节不等宽的四分之一波长阻抗变换段。体馈线的馈线中心作为阵列的馈电点91，连接同轴电缆，具体为50Ω同轴电缆。电缆的内外导体分别连接双导体馈线的上下导体，焊接于上下导体的馈点焊盘。在双导体馈线的两末端，用金属化过孔90将双频振子单元上下短路连接。金属化过孔90距离振子底端约(0.10～0.15)·λ_C。

该双导体馈线80的宽度小于所述双频振子单元其中一臂的两个内枝节20的间距2×D₁，长度则比阵元间距d长0.25×λ_C，其中λ_C为中心波长。

该基板为单面覆铜板，长宽厚为L_d1×W_d1×T_d1、介电常数和损耗角正切分别为ε_r1和tanδ₁。选用各类常见的双面覆铜板或空气做为介质基板，介电常数ε_r为1～10，采用印制工艺或钣金工艺加工成形。

本发明首先设计了一个多枝节并排式的双频半波振子单元，即振子一臂有四个长短不一的枝节，两两对称排列于振子中心轴线两旁，外侧为一对低频长枝节，内侧则排列一对高频短枝节。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GSM 824-960MHz和LTE1710-2170MHz双频工作，且两频段均有理想的半波振子方向图，增益为2-3dBi，不圆度小于1dB。为了将增益提高到4dBi以上，将两个该单元共轴组阵，并采用上述的中心串馈式网络。由于中心的双导体馈线色散严重，高低频振子阵元无法同时满足同相分布，故高低频增益差异很大(高频达5-6dBi，低频仅2dBi)，不满足应用需求。如前所述，只能充分利用已有尺寸空间。在不增加阵列长度的情况下，通过在阵列中心增加一对高频振子单元，本发明实现了两单元阵列在GSM和LTE双频超宽带工作(840-960MHz/1710-2170MHz，VSWR<2.32，BW＝25.33％、>31.17％)；高低频增益分别为5～6.5dBi、4～5dBi；且各频段均有理想全向方向图，不圆度小于1.23dBi，效率大于84％；尺寸较小，长宽分别为：1.03×λ_L、0.106×λ_L，λ_L为最低工作频率波长。

具体参数可参考图10～21。

图10为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的输入阻抗Z_in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Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。

图11为双频高增益全向天线的两元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GSM频段(0.84-1.04GHz，BW＝242MHz，25.33％)和LTE频段(1.62-2.2GHz，BW>577MHz，>30.17％)均实现了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-8.13dB)，实现了双频段工作。

图12为双频高增益全向天线的两元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GSM频段(0.84-1.04GHz，BW＝242MHz，25.33％)和LTE频段(1.62-2.2GHz，BW>577MHz，>30.17％)均实现了良好的阻抗匹配(VSWR≤2.32dB)，实现了双频段工作。

图13为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₁＝0.84GHz的增益方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由图知，天线在该频点具有理想的半波振子方向图，增益G＝4.125dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝37.71°，H面不圆度小于0.34dBi。

图14为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₂＝0.96GHz的增益方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由图知，天线在该频点具有理想的半波振子方向图，增益G＝4.862dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝34.51°，H面不圆度小于0.41dBi。

图15为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₃＝1.71GHz的增益方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由图知，天线在该频点具有理想的半波振子方向图，增益G＝4.924dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝22.64°，H面不圆度小于0.23dBi。

图16为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₄＝1.88GHz的增益方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由图知，天线在该频点具有理想的半波振子方向图，增益G＝6.74dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝23.97°，H面不圆度小于0.76dBi。

图17为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线在f₅＝2.17GHz的增益方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由图知，天线在该频点具有理想的半波振子方向图，增益G＝6.27dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝16.91°，H面不圆度小于1.23dBi。

图18为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的增益G随频率f变化曲线。由图知，在GSM和LTE两个频段，天线增益G分别为4～5dBi、5～6.5dBi。

图19为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的E面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线。由图知，在GSM和LTE两个频段，E面半功率波束宽度分别为：HPBW＝34～38°、13～25°，H面不圆度分别小于0.41dBi、1.23dBi。

图20为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的H面不圆度随频率f变化曲线。由图知，在GSM和LTE两个频段，H面不圆度分别分别小于0.41dBi和1.23dBi。

图21为双频高增益全向天线的两元振子阵列天线的效率η_A随频率f变化曲线。由图知，在GSM和LTE两个频段，天线效率分别大于84％和87％(最高达99％)。

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

1.一种双频高增益全向天线，其特征在于，其包括设置在基板上的至少两个双频振子单元，相邻两个双频振子单元之间设置有高频振子单元，该双频振子单元和高频振子单元通过双导体馈线进行连接馈电。

2.如权利要求1所述的双频高增益全向天线，其特征在于，所述双频振子单元的两个振子臂分别包括对称设置的内枝节，在内枝节外侧对称设置的外枝节，内枝节和外枝节底端通过水平枝节连接为一体。

3.如权利要求2所述的双频高增益全向天线，其特征在于，该高频振子单元包括一组短枝节对称排列于轴线两侧。

4.如权利要求3所述的双频高增益全向天线，其特征在于，外枝节和内枝节两组枝节相互平行，且外枝节比内枝节长。

5.如权利要求4所述的双频高增益全向天线，其特征在于，该水平枝节中心朝下突起，设为平衡馈电点，内枝节和外枝节的起始端不平齐，水平枝节外边缘为弯折段。

6.如权利要求1所述的双频高增益全向天线，其特征在于，相邻两个双频振子单元的间距为d，所述至少两个双频振子单元共轴或共线组阵，相邻两阵元的间距为(0.50～0.75)×λ_C，其中λ_C为中心波长。

7.如权利要求1所述的双频高增益全向天线，其特征在于，内枝节和外枝节的长度约为各自所对应频段中心波长的0.22～0.25倍；每对枝节的宽度与长度之比约为0.1～0.3。

8.如权利要求1述的双频高增益全向天线，其特征在于，至少两个双频振子单元和高频振子单元的上臂位于基板正面，下臂则位于基板反面，该双导体馈线设置在该基板正反两面，并沿阵列中心轴线方向设置，双导体馈线的上下馈线分别将两个双频振子单元以及高频振子单元的上臂和下臂相连接，构成对称阵列的上臂和下臂。

9.如权利要求8述的双频高增益全向天线，其特征在于，双导体馈线包括级联的多节不等宽的四分之一波长阻抗变换段。

10.如权利要求9述的双频高增益全向天线，其特征在于，体馈线的馈线中心作为阵列的馈电点，连接同轴电缆，电缆的内外导体分别连接双导体馈线的上下导体，在双导体馈线的两末端，用金属化过孔将双频振子单元上下短路。