CN110112550A - 基于共模电流抑制的全向wlan天线 - Google Patents

基于共模电流抑制的全向wlan天线 Download PDF

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宋文亮
张立
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Abstract

本发明提出了一种共模电流抑制的全向WLAN天线，包括辐射结构和同轴线，所述的辐射结构由三个相同结构的第一辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元(13)组成；每个辐射单元分别设有三个相同结构的馈电端口、第一多边形槽、第二多边形槽和两个相同的切角；所述的第一多边形槽和第二多边形槽之间分别设有金属枝节，该金属枝节的中心位置分别设有缺口；所述的同轴线一端沿馈电端口的一侧引入并以第一辐射单元边缘分布，另一端沿着与馈电端口相对的一侧引出，且与SMA接头连接。本发明在满足全向WLAN天线性能的同时，抑制了馈电同轴线外表面的共模电流，减小了天线方向图的畸变，可用于无线局域网通信系统。

Description

基于共模电流抑制的全向WLAN天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种共模电流抑制的全向WLAN天线，可应用于无线局域网通信系统。
背景技术
近年来，随着无线通信的发展，无线局域网WLAN(Wirelss Local Area Networks)这一通信技术被广泛应用，工作于WLAN频段的天线也引起了人们的广泛研究。在工程设计中，WLAN天线的主要性能指标由工作带宽和方向性来衡量。WLAN协议共有两个工作频段2.4GHz和5GHz；根据不同的应用场景，室内等小型场所通常应用全向WLAN天线，室外等大型场所通常应用定向WLAN天线。
传统的WLAN全向天线，因馈电结构的影响，会引起天线方向图畸变，全向性变差，严重影响天线性能。例如在同轴馈电结构中，同轴线为平衡式紧耦合结构，由于趋肤效应，同轴线外层电流全部集中在外导体的内表面，外表面的电流理论上应该为零，但同轴线末端馈电结构的引入，破坏了同轴线的平衡紧耦合结构，使得同轴线外导体的内表面电流部分流回外导体的外表面，产生了不平衡的共模电流。同轴线外导体外表面的共模电流，会严重引起天线方向图的畸变，使得天线的全向性变差，同时天线的工作带宽也会受到较大影响。因此，如何抑制同轴馈线外导体外表面的共模电流有着重要意义。
福建省泉州华鸿通讯有限公司申请的专利“一种应用在无线局域网的双频全向天线”(申请号：201510816109.7，公布号：CN 105356046 A)中提出了一种应用在无线局域网的双频全向天线，包括有PCB板，该PCB板的正面覆铜形成有第一辐射振子、第二辐射振子、传输线和平衡不平衡转换器，该微带天线利用长度不同的两个辐射振子，分别工作在2.4GHz和5.8GHz，实现了双频全向特性。但该天线由于馈电结构的影响，垂直面方向图产生了畸变，最大辐射方向偏离了水平面，不利于实际应用。
莱尔德无线技术(上海)有限公司申请的专利“低轮廓全向天线”(申请号：201710311931.7，公布号：CN 107346841 A)中提出了一种低轮廓全向天线，包括辐射器，以及接地平面，该接地平面包括沿着所述接地平面的边缘部分或者限定所述边缘部分的倾斜表面。该天线虽然实现了多频全向性，但由于引入了同轴馈电结构，该馈电结构并未抑制同轴线外表面的共模电流，使得天线高频频点处圆度较差，且垂直面方向图产生了较大的畸变。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于共模电流抑制的全向WLAN天线。用以解决同轴线外表面不平衡电流引起的方向图畸变技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于共模电流抑制的全向WLAN天线，包括辐射结构和同轴线，所述的辐射结构由三个相同结构的第一辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元组成；每个辐射单元分别设有三个相同结构的馈电端口、第一多边形槽、第二多边形槽和两个相同的切角，所述的馈电端口的一侧与Z轴的轴线相互连接；
所述的第一多边形槽和第二多边形槽之间分别设有金属枝节，该金属枝节的中心位置分别设有缺口，且关于X轴的轴线对称分布；所述的同轴线一端沿馈电端口的一侧引入并以第一辐射单元边缘分布，另一端沿着与馈电端口相对的一侧引出，该同轴线的引出端位于电压零点处。
上述权利要求中，所述的金属枝节宽度表示为lf7，其中，lf7的取值范围为1～5mm。
上述权利要求中，所述的缺口呈阶梯形状，第一阶梯宽度表示为wf7，长度表示为lf8；第二阶梯宽度表示为wf8，其中，wf7的取值范围为0.5～4mm，lf8的取值范围为1～4mm，wf8的取值范围为1～5mm。
上述权利要求中，所述的同轴线，引出端的位置与XOY面关于Z轴的变化范围表示为ws1，其中，ws1的取值范围为-10～10mm。
上述权利要求中，所述的同轴线焊接于辐射单元的表面。
上述权利要求中，所述的两个相同的切角位于馈电端口相对的一侧，该切角直角边的长度表示为lf6、wf6，其中，lf6的取值范围为4～7mm，wf6的取值范围为4～7mm。
上述权利要求中，所述的第一多边形槽由等腰梯形和矩形首尾相接组成，等腰梯形的上底长度和馈电端口的宽度相等，等腰梯形的下底长度和矩形的宽度相等，等腰梯形的下底长度表示为wf2，高度表示为lf2，矩形的长度表示为lf3，其中，lf2的取值范围为6～10mm，wf2的取值范围为20～33mm，lf3的取值范围为7～13mm。
上述权利要求中，所述的第二多边形槽由矩形和等腰梯形首尾相接组成，矩形的宽度和等腰梯形的下底长度相等，矩形的长度表示为lf4，矩形的宽度表示为wf4，等腰梯形的上底长度表示为wf5，高度表示为lf5，其中，lf5的取值范围为2～5mm，wf4的取值范围为28～33mm。
上述权利要求中，所述的三个相同结构的第一辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元分别为矩形，长度表示为L，宽度表示为W，其中，L的取值范围为30～40mm，W的取值范围为32～42mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中由于采用同轴线一端沿馈电端口的一侧引入并以第一辐射单元边缘分布，另一端沿着与馈电端口相对应的一侧引出的馈电结构，使得同轴线的引出位置位于电压零点，抑制了同轴线外表面的共模电流，克服了现有技术中同轴线不平衡馈电所引起的方向图畸变及全向性变差技术问题。
2、本发明中由于辐射单元采用天线中心加载金属枝节的结构，减小了天线物理尺寸，展宽了天线带宽，使其工作频段可覆盖WLAN全频段，同时也对共模电流起到了双重抑制作用。
3、本发明中由于采用天线中心加载金属枝节和辐射单元边缘两个相同的切角结构，减小了天线方向图的不圆度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明辐射结构的示意图；
图3是本发明中辐射单元和同轴馈电结构示意图；
图4是本发明的S11参数曲线图；
图5是本发明在2.4GHz频率处的x-z面和x-y面的增益方向图；
图6是本发明在5.2GHz频率处的x-z面和x-y面的增益方向图；
图7是本发明在5.8GHz频率处的x-z面和x-y面的增益方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明天线作进一步详细描述
实施例1
参照图1、图2和图3
一种基于共模电流抑制的全向WLAN天线，包括辐射结构1和同轴线2，所述的辐射结构1由三个相同结构的第一辐射单元11、第二辐射单元12和第三辐射单元13组成；每个辐射单元分别设有三个相同结构的馈电端口111、第一多边形槽112、第二多边形槽113和两个相同的切角114，所述的馈电端口111的一侧与Z轴的轴线相互连接；
所述的第一多边形槽112和第二多边形槽113之间分别设有金属枝节115，该金属枝节115的中心位置分别设有缺口116，且关于X轴的轴线对称分布；所述的同轴线2一端沿馈电端口111的一侧引入并以第一辐射单元11边缘分布，另一端沿着与馈电端口111相对应的一侧引出，该同轴线2的引出端位于电压零点处。
本发明中的辐射结构1由第一辐射单元1、第二辐射单元2和第三辐射单元3含馈电端口111的一端沿Z轴轴线分别相间120°拼接组成，组成了立体天线阵列，使得天线实现了全向辐射；
每个辐射单元中心分别设置有第一多边形槽112和第二多边形槽113，使得天线的工作频段覆盖WLAN全频段；
根据奇偶模原理，每个辐射单元的中心位置电压为零，同轴线2引出位置位于电压零点处，第一辐射单元11表面与同轴线2引出处的外表面不存在电压差，从而使得第一辐射单元11表面的电流不会回流到同轴线2外表面，起到了抑制同轴线2外表面共模电流的作用；
本发明中的第一多边形槽112和第二多边形槽113之间设置有缺口116的金属枝节115，该金属枝节115对低频阻抗值较高，对高频阻抗值较低，使得天线高低频的电流分流，低频电流沿每个辐射单元边缘分布，高频电流沿金属枝节115分布，减小了天线的物理尺寸，同时也对同轴线2外表面高频处的电流起到了双重抑制的作用；
在每个辐射单元边缘分别设有的两个切角114，通过调节每个辐射单元边缘的宽度，使其正好形成作用于高频的反射器，减小了天线高频辐射方向图的不圆度。
所述的金属枝节115宽度表示为lf7，其中，lf7的取值范围为1～5mm。本发明中优选为lf7＝3mm。
所述的缺口116呈阶梯形状，第一阶梯宽度表示为wf7，长度表示为lf8；第二阶梯宽度表示为wf8，其中，wf7的取值范围为0.5～4mm，lf8的取值范围为1～4mm，wf8的取值范围为1～5mm。本发明中优选为wf7＝2mm，wf8＝4mm，lf8＝2mm。
所述的同轴线2，引出端的位置与XOY面关于Z轴的变化范围表示为ws1，其中，ws1的取值范围为-10～10mm。本发明中优选为ws1＝0mm。
所述的同轴线2焊接于辐射单元11的表面。
所述的两个相同切角114位于馈电端口111相对应的一侧，该切角直角边的长度表示为lf6、wf6，其中，lf6的取值范围为4～7mm，wf6的取值范围为4～7mm。本发明中优选为lf6＝5.8mm，wf6＝5.8mm。
所述的第一多边形槽112由等腰梯形和矩形首尾相接组成，等腰梯形的上底长度和馈电端口111的宽度相等，等腰梯形的下底长度和矩形的宽度相等，等腰梯形的下底长度表示为wf2，高度表示为lf2，矩形的长度表示为lf3，其中，wf2的取值范围为20～33mm，lf2的取值范围为6～10mm，lf3的取值范围为7～13mm。本发明中优选为wf2＝25mm，lf2＝8.5mm，lf3＝10mm。
所述的第二多边形槽113由矩形和等腰梯形首尾相接组成，矩形的宽度和等腰梯形的下底长度相等，矩形的长度长度表示为lf4，矩形的宽度表示为wf4，等腰梯形的上底长度表示为wf5，高度表示为lf5，其中，lf4的取值范围为2～5mm，wf4的取值范围为28～33mm，wf5的取值范围为20～25mm，lf5的取值范围为2～6mm。本发明中优选为wf4＝31mm，lf4＝3mm，wf5＝23mm，lf5＝4mm。
所述的三个相同结构的第一辐射单元11、第二辐射单元12和第三辐射单元13分别为矩形，长度表示为L，宽度表示为W，其中，L的取值范围为30～40mm，W的取值范围为32～42mm。本发明中优选为L＝35mm，W＝37mm。
实施例2
所述的金属枝节115宽度表示为lf7，其中，lf7的取值范围为1～5mm。本发明中为lf7＝1mm。
所述的缺口116呈阶梯形状，第一阶梯宽度表示为wf7，长度表示为lf8；第二阶梯宽度表示为wf8，其中，wf7的取值范围为0.5～4mm，lf8的取值范围为1～4mm，wf8的取值范围为1～5mm。本发明中为wf7＝0.5mm，wf8＝1mm，lf8＝1mm。
所述的同轴线2，引出端的位置与XOY面关于Z轴的变化范围表示为ws1，其中，ws1的取值范围为-10～10mm。本发明中为ws1＝-10mm。
所述的同轴线2焊接于辐射单元11的表面。
所述的两个相同的切角114位于馈电端口111相对应的一侧，该切角直角边的长度表示为lf6、wf6，其中，lf6的取值范围为4～7mm，wf6的取值范围为4～7mm。本发明中为lf6＝4mm，wf6＝4mm。
所述的第一多边形槽112由等腰梯形和矩形首尾相接组成，等腰梯形的上底长度和馈电端口111的宽度相等，等腰梯形的下底长度和矩形的宽度相等，等腰梯形的下底长度表示为wf2，高度表示为lf2，矩形的长度表示为lf3，其中，wf2的取值范围为20～33mm，lf2的取值范围为6～10mm，lf3的取值范围为7～13mm。本发明中为wf2＝20mm，lf2＝6mm，lf3＝7mm。
所述的第二多边形槽113由矩形和等腰梯形首尾相接组成，矩形的宽度和等腰梯形的下底长度相等，矩形的长度长度表示为lf4，矩形的宽度表示为wf4，等腰梯形的上底长度表示为wf5，高度表示为lf5，其中，lf4的取值范围为2～5mm，wf4的取值范围为28～33mm，wf5的取值范围为20～25mm，lf5的取值范围为2～6mm。本发明中为wf4＝28mm，lf4＝2mm，wf5＝20mm，lf5＝2mm
所述的三个相同结构的第一辐射单元11、第二辐射单元12和第三辐射单元13分别为矩形，长度表示为L，宽度表示为W，其中，L的取值范围为30～40mm，W的取值范围为32～42mm。本发明中为L＝30mm，W＝32mm。
实施例3
所述的金属枝节115宽度表示为lf7，其中，lf7的取值范围为1～5mm。本发明中为lf7＝5mm。
所述的缺口116呈阶梯形状，第一阶梯宽度表示为wf7，长度表示为lf8；第二阶梯宽度表示为wf8，其中，wf7的取值范围为0.5～4mm，lf8的取值范围为1～4mm，wf8的取值范围为1～5mm。本发明中为wf7＝4mm，wf8＝5mm，lf8＝4mm。
所述的同轴线2，引出端的位置与XOY面关于Z轴的变化范围表示为ws1，其中，ws1的取值范围为-10～10mm。本发明中为ws1＝+10mm。
所述的同轴线2焊接于辐射单元11的表面。
所述的两个相同的切角114位于馈电端口111相对应的一侧，该切角直角边的长度表示为lf6、wf6，其中，lf6的取值范围为4～7mm，wf6的取值范围为4～7mm。本发明中为lf6＝7mm，wf6＝7mm。
所述的第一多边形槽112由等腰梯形和矩形首尾相接组成，等腰梯形的上底长度和馈电端口111的宽度相等，等腰梯形的下底长度和矩形的宽度相等，等腰梯形的下底长度表示为wf2，高度表示为lf2，矩形的长度表示为lf3，其中，wf2的取值范围为20～33mm，lf2的取值范围为6～10mm，lf3的取值范围为7～13mm。本发明中为wf2＝33mm，lf2＝10mm，lf3＝13mm。
所述的第二多边形槽113由矩形和等腰梯形首尾相接组成，矩形的宽度和等腰梯形的下底长度相等，矩形的长度长度表示为lf4，矩形的宽度表示为wf4，等腰梯形的上底长度表示为wf5，高度表示为lf5，其中，lf4的取值范围为2～5mm，wf4的取值范围为28～33mm，wf5的取值范围为20～25mm，lf5的取值范围为2～6mm。本发明中为wf4＝33mm，lf4＝5mm，wf5＝25mm，lf5＝6mm
所述的三个相同结构的第一辐射单元11、第二辐射单元12和第三辐射单元13分别为矩形，长度表示为L，宽度表示为W，其中，L的取值范围为30～40mm，W的取值范围为32～42mm。本发明中为L＝40mm，W＝42mm。
以下结合仿真附图对本发明作进一步详细描述
参照图4、图5、图6和图7
仿真内容及分析
1、利用商业仿真软件ANSYSHFSS v15.0对上述实例的S11参数进行仿真计算，结果如图4所示。
图4是S11参数曲线图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的回波损耗。
从图4可见，本发明天线可以在2.21-2.59GHz，5.11-6.20GHz两个频段实现回波损耗S11小于-10dB，其带宽可以覆盖WLAN通信协议的全频段。
2、利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实例在2.4GHz，5.2GHz和5.8GHz的x-y面和x-z面的辐射方向图进行仿真计算，结果如图5，图6，图7所示。其中：
图5(a)是本发明在2.4GHz的x-z面的辐射方向图；
图5(b)是本发明在2.4GHz的x-y面的辐射方向图；
图6(a)是本发明在5.2GHz的x-z面的辐射方向图；
图6(b)是本发明在5.2GHz的x-y面的辐射方向图；
图7(a)是本发明在5.8GHz的x-z面的辐射方向图；
图7(b)是本发明在5.8GHz的x-y面的辐射方向图。
从图5，图6，图7可见，本发明为最大辐射方向在水平面的全向天线，工作在2.4GHz，5.2GHz，5.8GHz时，天线方向图的不圆度分别为0.51dB，0.76dB，1.67dB，增益分别为2.3dBi，4.1dBi，4.6dBi。同时可见，本发明在上述三个频点处，方向图均未产生畸变，表明本发明的天线具有良好的全向性，且能够抑制同轴线外表面的共模电流。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于共模电流抑制的全向WLAN天线，包括辐射结构(1)和同轴线(2)，所述的辐射结构(1)由三个相同结构的第一辐射单元(11)、第二辐射单元(12)和第三辐射单元(13)组成；每个辐射单元分别设有三个相同结构的馈电端口(111)、第一多边形槽(112)、第二多边形槽(113)和两个相同的切角(114)，所述的馈电端口(111)的一侧与Z轴的轴线相互连接；
其特征在于，所述的第一多边形槽(112)和第二多边形槽(113)之间分别设有金属枝节(115)，该金属枝节(115)的中心位置分别设有缺口(116)，且关于X轴的轴线对称分布；所述的同轴线(2)一端沿馈电端口(111)的一侧引入并以第一辐射单元(11)边缘分布，另一端沿着与馈电端口(111)相对的一侧引出，该同轴线(2)的引出端位于电压零点处。
2.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的金属枝节(115)宽度表示为lf7，其中，lf7的取值范围为1～5mm。
3.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的缺口(116)呈阶梯形状，第一阶梯宽度表示为wf7，长度表示为lf8；第二阶梯宽度表示为wf8，其中，wf7的取值范围为0.5～4mm，lf8的取值范围为1～4mm，wf8的取值范围为1～5mm。
4.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的同轴线(2)，引出端的位置与XOY面关于Z轴的变化范围表示为ws1，其中，ws1的取值范围为-10～10mm。
5.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的同轴线(2)焊接于辐射单元(11)的表面。
6.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的两个相同的切角(114)位于馈电端口(111)相对的一侧，该切角直角边的长度表示为lf6、wf6，其中，lf6的取值范围为4～7mm，wf6的取值范围为4～7mm。
7.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的第一多边形槽(112)由等腰梯形和矩形首尾相接组成，等腰梯形的上底长度和馈电端口(111)的宽度相等，等腰梯形的下底长度和矩形的宽度相等，等腰梯形的下底长度表示为wf2，高度表示为lf2，矩形的长度表示为lf3，其中，lf2的取值范围为6～10mm，wf2的取值范围为20～33mm，lf3的取值范围为7～13mm。
8.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的第二多边形槽(113)由矩形和等腰梯形首尾相接组成，矩形的宽度和等腰梯形的下底长度相等，矩形的长度表示为lf4，矩形的宽度表示为wf4，等腰梯形的上底长度表示为wf5，高度表示为lf5，其中，lf4的取值范围为2～5mm，wf4的取值范围为28～33mm，wf5的取值范围为20～25mm，lf5的取值范围为2～6mm。
9.根据权利要求1所述的基于共模电流抑制的全向WLAN天线，其特征在于：所述的三个相同结构的第一辐射单元(11)、第二辐射单元(12)和第三辐射单元(13)分别为矩形，长度表示为L，宽度表示为W，其中，L的取值范围为30～40mm，W的取值范围为32～42mm。
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蔡张华: "宽带环缝隙全向天线的研究与设计", 《优秀硕士论文》 *

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