CN109449578B - 一种结构紧凑型宽频带准全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构紧凑型宽频带准全向天线，该天线包括三层介质板、分别印刷在三层介质板上下表面的金属结构，以及介于中下两层介质板之间的两组对称分布的短路柱和用于馈电的同轴内芯组成。该天线上层介质板上表面印刷有一对对称分布的寄生贴片；中层介质板上表面印有对称分布的带有矩形切口的金属贴片，下表面印有矩形带状单极子天线；下层介质板下表面印刷有金属地板；中层介质板上表面的金属贴片通过两组短路柱与下层介质板下表面的印刷地板相连接，中层介质板下表面的单极子天线通过穿过地板的同轴内芯馈电。此天线具有频带宽、尺寸小、结构紧凑、方向图稳定并且为准全向等优点，适合用于无线通信领域。

Description

一种结构紧凑型宽频带准全向天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种结构紧凑型宽频带准全向天线的设计。
背景技术
随着现代科技的进步以及人们生活水平的提高，各种无线通信设备在人们日常生活中的应用越来越广泛，作为无线通信设备前端器件的天线也就发挥着越来越重要的作用。同时，由于人们对于无线通信设备需求量的不断增大，以及对于设备便携性要求的不断提高，天线的设计也面临着新的挑战。小型化、宽频带、方向图稳定的天线成了天线工程师们的设计方向。传统单极子天线虽然具有较好的全向方向图，但是受限于纵向高度大、带宽窄等缺陷。而目前大部分可用于无线通信的宽带天线又受限于方向图稳定性差，综上，发明一种结构紧凑型宽频带全向/准全向天线对无线通信技术的发展至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑型宽频带准全向天线，以解决目前无线通信天线设计中小型化、宽频带、方向图稳定性难以兼顾的问题。并且此天线具有在频带内具有稳定增益，高效率等优点，在无线通信领域具有很好的应用前景。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种结构紧凑型宽频带准全向天线，天线包括三层层叠放置的介质板，上层介质板上表面印刷有一对对称分布的寄生贴片；中层介质板上表面印有对称分布的带有矩形切口的金属贴片，下表面印有矩形带状单极子天线；下层介质板下表面印刷有金属地板；中层介质板上表面的金属贴片通过两组金属短路柱与下层介质板下表面的印刷金属地板相连接形成弯折地板，中层介质板下表面的矩形带状单极子天线通过穿过金属地板的同轴内芯馈电。
优选的，所述层叠放置的三层介质板间距相同。
优选的，所述上层介质板上表面的寄生贴片为矩形结构，分别对称分布于上层介质板长边两侧。
优选的，所述中层介质板上表面印刷的金属贴片矩形切口位置沿介质板中心对称分布，且矩形切口长边平行于中层介质板短边。
优选的，所述中层介质板下表面印刷的矩形带状单极子天线沿中层介质板中心向两侧长度方向延伸，且一端延伸至与金属地板的同轴内芯重叠，与同轴内芯重叠一侧矩形带状单极子天线长度大于另一端延伸的长度。
优选的，所述下层介质板下表面印刷的金属地板通过两组对称分布的金属短路柱分别贯穿下层介质板和中层介质板与中层介质板上表面印刷的带有矩形切口的金属贴片相连接。
优选的，连接所述中层介质板上表面带有矩形缺口的金属贴片与下层介质板下表面的印刷金属地板的两组金属短路柱分别为四根内置金属短路柱和六根外置金属短路柱。
优选的，所述内置金属短路柱四根金属柱对称分布；所述外置金属短路柱所包含的六根短路柱同样对称平行于介质板短边分布，每一边三根金属柱。
优选的，所述上层介质板、下层介质板和中层介质板的材质为F4B，三者大小相等，中层介质板的厚度大于上层介质板和下层介质板的厚度。
优选的，所述天线以2.565GHz为中心频率时，相对带宽不低于77.6％；
所述天线的xoz面方向图呈8字形，yoz面方向图为准全向方向图；其结构紧凑，在频带内具有不低于3dBi的增益，并且方向图稳定。
本发明的特点在于：
本发明基于单极子天线全向方向图特性，引入弯折地板，通过弯折地板与单极子天线之间的耦合引入新的谐振点，从而使天线工作在多种模式下，然后通过引入调谐短路柱与寄生贴片使谐振点对应的谐振频率发生移动，并调节输入阻抗使天线匹配，最终形成具有宽频带特性的准全向天线。通过调整介质板间距、带有矩形缺口的金属贴片之间的间距、以及金属短路柱位置等关键参数，可以有效地改变天线阻抗带宽。同时，为了尽可能减小天线尺寸，天线结构采用印刷的形式分布在三层F4B介质板上，有效地实现了天线的小型化。
此天线具有结构紧凑、宽频带、方向图稳定、增益稳定、效率高等优点，适合用于室内通信、无线局域网通信等无线通信领域。
附图说明
图1为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的立体结构视意图；
图2为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的侧视图；
图3为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的上层介质板俯视图；
图4为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的中层介质板俯视图；
图5为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的|S11|曲线图；
图6为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的主极化与交叉极化在不同频率时的方向图；
图7为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线的增益曲线图；
图8为本发明一种结构紧凑型宽频带准全向天线效率曲线图。
图中：1、上层介质板；2、中层介质板；3、下层介质板；4、寄生贴片；5、带有矩形缺口的金属贴片；6、带状单极子天线；7、印刷金属地板；8、内置金属短路柱；9、外置金属短路柱；10、同轴线内芯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1-4所示，为本发明的一种结构紧凑型宽频带准全向天线的结构示意图。天线主要由上中下三层介质板、印刷在三层介质板上的金属结构，以及连接中下两层介质板的两组金属短路柱和用于馈电的同轴内芯组成。印刷在介质板上的金属结构主要包括印刷在上层介质板1上层的对称分布的一组寄生贴片4，印刷在中层介质板2上表面的一对带有矩形缺口的金属贴片5；印刷在中层介质板2下层的单极子天线6，以及印刷在下层介质板3下层的金属地板7。中下两层介质板之间存在着对称分布的两组内、外置金属短路柱8、9以及用于馈电的同轴探针内芯10。中层介质板2上表面的金属贴片5通过两组金属短路柱与下层介质板3下表面的印刷金属地板7相连接形成弯折地板，中层介质板2下表面的矩形带状单极子天线6通过穿过金属地板7的同轴内芯10馈电。
其中，上中下三层介质板层叠放置。本发明一个实施例中，上中层介质板之间间距4mm，中下层介质板之间间距4mm。
本发明一个实施例中，上层介质板1上表面的寄生贴片4为矩形结构，长、宽分别为24mm和8mm，对称分布于上层介质板1长边两侧，间隔12mm(此间距为靠近中心的两条边之间的间距，并非中心间距)。
本发明一个实施例中，中层介质板2上表面印刷有对称分布于介质板短边的带有矩形切口的金属贴片5，矩形切口位置为贴片沿中层介质板2中心对称分布，长和宽分别为14mm和2.5mm。且矩形切口长边平行于中层介质板短边。中层介质板2下表面印刷有单极子天线6，平行于中层介质板2的长边。沿矩形切口中心向中层介质板2两侧长度方向延伸，中层介质板2下表面印刷的单极子天线6与上表面印刷的带有矩形缺口的金属贴片重叠部分长度不相同，与靠近同轴内芯10一边的金属贴片重叠部分长度为12mm，与另一边的金属贴片重叠部分为5mm。
本发明一个实施例中，下层介质板3下表面被印刷金属地板7覆盖。金属地板7通过两组对称分布的内、外置金属短路柱8、9分别贯穿下层介质板和中层介质板2，与中层介质板2上表面印刷的带有矩形切口的金属贴片5相连接。两组内、外置金属短路金属柱分别为四根内置金属短路柱8和六根外置金属短路柱9，都是对称于介质板长边中心并与介质板短边平行分布。两组内、外置金属短路柱分别距离介质板长边中心21mm和28mm。一组内置金属短路柱8四根金属柱对称平行于介质板短边分布，每一边的两根金属柱间距为16mm；另一组外置金属短路柱9所包含的六根短路柱同样对称平行于介质板短边分布，每一边三根金属柱，两两间距为12mm。
其中印刷在中层介质板2上表面的金属贴片长边和介质板宽度相同为30mm，两金属贴片之间缝隙宽度为15mm。印刷在中层介质板2下表面的单极子天线6长和宽分别为37mm和3mm。
该结构中，上、中、下层介质基板的材质都为F4B，介质板大小为59mm×30mm，即长度L1为59mm，宽度W1为30mm，上、下层介质板厚度为0.5mm，中层介质板厚度为1.5mm。其余天线结构参数变量如表1中所示。该准全向天线以2.565GHz为中心频率时，相对带宽不低于77.6％。
本结构中，通过其中一组外置金属短路柱9将中层介质板2上表面的带有矩形缺口的金属贴片5与下层介质板3下表面的印刷金属地板7相连接形成一个类似开口环形的地板，此结构与单极子天线6之间的耦合引入新的谐振点，形成多谐振天线，之后通过引入另一组内置金属短路柱8与上层介质板1上表面的寄生贴片4调节天线的输入阻抗，使天线具有宽频带的特性。以上这些结构的相互密切配合，并进行优化设计，以实现工作在特定频率带宽下的准全向天线。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
结构 L<sub>1</sub> L<sub>2</sub> L<sub>3</sub> L<sub>4</sub> L<sub>5</sub> L<sub>6</sub> L<sub>7</sub> L<sub>8</sub> G<sub>1</sub> G<sub>2</sub>
尺寸(mm) 59 24 37 42 54 19.5 15 7.5 4 4
结构 W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> W<sub>3</sub> W<sub>4</sub> W<sub>5</sub> W<sub>6</sub> R<sub>1</sub> R<sub>2</sub> G<sub>3</sub>
尺寸(mm) 30 8 3 16 8 12 0.6 1.2 12
其中：L1为介质板长度，L2为寄生贴片长度，L3为印刷单极子长度，L4为其中一组内置金属短路柱8不同侧短路柱之间的间距，L5为另一组外置金属短路柱9不同侧短路柱之间的间距，L6为介质板短边到到带有矩形缺口的金属贴片5矩形缺口处的长度，L7为带有矩形缺口的金属贴片之间的缝隙宽度，L8为介质板短边到单极子靠近同轴内芯一边的短边的距离，G1为上中两层介质板之间的间距，G2为种下两层介质板之间的间距，W1为介质板的宽度，W2为寄生贴片的宽度，W3为单极子天线宽度，W4为其中一组内置金属短路柱8同侧短路柱之间的间距，W5为介质板长边到矩形缺口的长度，W6为另一组外置金属短路柱9同侧短路柱之间的间距，R1为同轴内芯半径，R2为所有金属短路柱半径，G3为寄生贴片之间间距。
本发明天线考虑到无线通信天线对方向图的要求以及单极子天线的全向方向图特征，以印刷单极子天线6为主要辐射体，通过外置金属短路柱9的连接，将带有矩形缺口的金属贴片5与金属地板7相连接，从而形成类似于开口环形的金属地板。通过弯折地板与单极子天线之间的耦合引入新的谐振点，从而使天线工作在多种模式下，然后通过引入调谐内置金属短路柱8与寄生贴片4使谐振点对应的谐振频率发生移动，并调节输入阻抗使天线匹配，最终将三个谐振点合理设置形成具有宽频带特性的准全向天线。通过调整介质板间距(G1)(G2)、带有矩形缺口的金属贴片之间的间距(L7)、以及金属短路柱位置(L4)(W4)等关键参数，可以有效地改变天线阻抗带宽。同时，为了尽可能减小天线尺寸，天线结构采用印刷的形式分布在三层F4B介质板上，有效地实现了天线的小型化。
如图5所示，为本实施例的|S11|参数曲线图。作为优选方案，结构紧凑型宽频带准全向天线中心频率为2.565GHz，相对带宽为77.6％。
如图6所示，为本实施例的在不同频率时的主极化和交叉极化方向图。E面(xoz面)方向图呈葫芦形；H面(yoz面)方向图为准全向方向图。
如图7所示，为本实施例的增益曲线。其增益在频率带宽内在3-6dBi范围内变化。
如图8所示，为本实施例的效率曲线。其效率在频率带宽内全部大于70％，并且大部分处于90％以上。
以上对本发明所提供的一种结构紧凑型宽频带准全向天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于天线包括三层层叠放置的介质板，上层介质板(1)上表面印刷有一对对称分布的寄生贴片(4)；中层介质板(2)上表面印有对称分布的带有矩形切口的金属贴片(5)，下表面印有矩形带状单极子天线(6)；下层介质板(3)下表面印刷有金属地板(7)；中层介质板(2)上表面的金属贴片(5)通过两组金属短路柱与下层介质板(3)下表面的印刷金属地板(7)相连接形成弯折地板，中层介质板(2)下表面的矩形带状单极子天线(6)通过穿过金属地板(7)的同轴内芯(10)馈电；
两组金属短路柱分别为四根对称分布的内置金属短路柱(8)和六根对称平行于介质板短边分布外置金属短路柱(9)；
所述天线以2.565GHz为中心频率时，相对带宽不低于77.6％；
所述天线的xoz面方向图呈8字形，yoz面方向图为准全向方向图；在频带内具有不低于3dBi的增益，并且方向图稳定。
2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于所述层叠放置的三层介质板间距相同。
3.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于所述上层介质板(1)上表面的寄生贴片(4)为矩形结构，分别对称分布于上层介质板(1)长边两侧。
4.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于所述中层介质板(2)上表面印刷的金属贴片(5)矩形切口位置沿中层介质板(2)中心对称分布，且矩形切口长边平行于中层介质板(2)短边。
5.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于所述中层介质板(2)下表面印刷的矩形带状单极子天线(6)沿中层介质板(2)中心向两侧长度方向延伸，且一端延伸至与同轴内芯(10)连接，与同轴内芯(10)连接一侧矩形带状单极子天线(6)长度大于另一端延伸的长度。
6.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于所述下层介质板(3)下表面印刷的金属地板(7)通过两组对称分布的贯穿下层介质板(3)和中层介质板(2)的金属短路柱与中层介质板(2)上表面印刷的带有矩形切口的金属贴片(5)相连接。
7.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于通过两组金属短路柱将中层介质板(2)上表面的带有矩形缺口的金属贴片(5)与下层介质板(3)下表面的印刷金属地板(7)相连接形成一个开口环形的地板。
8.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型宽频带准全向天线，其特征在于所述上层介质板(1)、下层介质板(3)和中层介质板(2)的材质为F4B，三者大小相等，中层介质板(2)的厚度大于上层介质板(1)和下层介质板(3)的厚度。
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