CN111541019A - 一种低剖面垂直极化高增益全向天线 - Google Patents

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CN111541019A CN202010336148.8A CN202010336148A CN111541019A CN 111541019 A CN111541019 A CN 111541019A CN 202010336148 A CN202010336148 A CN 202010336148A CN 111541019 A CN111541019 A CN 111541019A
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Abstract

本发明公开了一种低剖面垂直极化高增益全向天线。所述天线包括驱动单元和若干个环形引向器，所述驱动单元和若干个环形引向器均按照同一圆心放置；基于PCB印刷电路板技术，使用两块介质基板用于印刷金属结构，其中第一介质基板印刷驱动单元的圆形顶层贴片及环形引向器的环形顶层贴片，第二介质基板用于印刷驱动单元的圆形地板及环形引向器的环形地板，两块介质基板通过圆柱形的介质块以及接地金属短路柱支撑，并在圆心处连接同轴线作为馈电部分，从而构成低剖面垂直极化高增益全向天线。本发明在不增加垂直口径保证低剖面的前提下，通过增加水平口径，来提高全向辐射天线的增益，满足很多工程上的应用需求，结构对称、简单，易于加工，价格便宜。

Description

一种低剖面垂直极化高增益全向天线
技术领域
本发明涉及电子通信技术的天线领域，具体涉及一种低剖面垂直极化高增益全向天线。
背景技术
全向天线由于其全向辐射的方向图而被广泛应用于点对多个非固定点的通信环境中，比如导航系统、无线广播、蜂窝网络等。由于应用的广泛性，全向天线的研究和设计一直都备受关注。垂直极化的全向天线广泛应用于通信环境比较空旷的移动通信环境中，但全向天线覆盖范围广，导致增益通常比定向天线要小，信号传输距离小，因此如何提高增益成为设计和研究重点。
传统的实现高增益的方法是采用共轴天线阵列来实现，方案(J.Xie,F.Qin,Y.Liu,P.Yue and H.Zhang,"Dual-Polarized High-Gain Antenna Arrays for UAVEmergency Communication System,"2019IEEE International Conference onCommunications Workshops(ICC Workshops),Shanghai,China,2019,pp.1-5.)中提出了一个全向共轴天线阵列，每个阵列单元由四个相同的模块围绕而成，每个模块单元由一个主驱动微带及两个寄生微带构成，垂直极化的全向增益达到10.92dBi，具有重量轻、结构紧凑、增益高的优点，可用于无人机应急通信系统。最初垂直极化全向天线采用对称半波振子来实现，后为实现天线小型化，采用印刷单极子，垂直放置导致剖面高度较高(≥0.5λ0)，无法满足工程上低剖面的需求，且馈电网络复杂。为降低垂直极化天线的剖面，提出一种中心探针馈电的圆形贴片天线(S.Liu,W.Wu and D.Fang,"Wideband Monopole-LikeRadiation Pattern Circular Patch Antenna With High Gain and LowCross-Polarization,"in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.64,no.5,pp.2042-2045,May 2016.)，降低剖面(0.12λ0)，利用中心探针馈电产生TM0m模式的垂直极化波，并且通过缝隙引入了谐振点，调整宽带(36.52％)，最大方向增益为9.1dBi。提出加载旋转对称接地短路金属柱的圆形贴片天线(J.Liu,Q.Xue,H.Wong,H.W.Lai,and Y.Long,"Design and Analysis of a Low-Profile and Broadband Microstrip Monopolar PatchAntenna,"IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.61,no.1,pp.11-18,2013.)，接地短路柱上产生垂直方向上的电流产生垂直极化波，并且引入不同的谐振模式(TM01和TM02)，展宽带宽(18％)，形成与单极子类似的方向图，在水平面上为全向,垂直面内呈现锥形的方向图，最大方向上增益达6dBi；一种中心探针馈电的圆形贴片天线和加载旋转对称接地短路金属柱的圆形贴片天线由于受地板上电流的影响，方向图倾斜角较大，在水平面上增益较低。
发明内容
本发明的目的是提出一种低剖面，易于与平台集成共形；垂直极化；通过水平口径，在保证剖面不变的前提下，提高全向增益；全向天线的最大辐射方向在水平方向上的天线。
传统中馈圆形贴片中馈的探针在贴片下激励起TM0m模式，产生垂直极化的辐射，加载旋转对称的金属短路柱，改善阻抗带宽，具有低剖面和垂直极化的特点，但受地板上电流影响，导致方向图有一定的倾斜角度，地板越小，倾斜角度越大，在θ＝0°的水平面上增益很小。当地板和圆形贴片一样大的时候，波束形状关于水平面对称，但由于此时垂直口径受限，天线的全向增益较低。
八木天线结构由驱动单元和引向器及反射器组成，通过适当的摆放引向器和反射器的位置，激励起引向器和反射器上的电流，辐射的电磁波在远区场进行叠加，从而提高了天线的方向性及增益。
受八木天线结构启发，本发明提出一种低剖面垂直极化高增益全向天线。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种低剖面垂直极化高增益全向天线，包括驱动单元和若干个环形引向器，所述驱动单元和若干个环形引向器均按照同一圆心放置，以保证该天线结构的对称性，从而实现具有高全向性的方向图；在该天线中，驱动单元用于产生全向方向图，环形引向器用于提高驱动单元的全向增益；
所述驱动单元包括同轴线、圆形顶层贴片、圆形地板以及若干接地金属短路柱；所述环形引向器包括环形顶层贴片、环形地板以及若干接地金属短路柱；
基于PCB印刷电路板技术，使用两块介质基板用于印刷金属结构，其中第一介质基板印刷驱动单元的圆形顶层贴片及环形引向器的环形顶层贴片，第二介质基板用于印刷驱动单元的圆形地板及环形引向器的环形地板，两块介质基板通过圆柱形的介质块以及接地金属短路柱支撑，并在圆心处连接同轴线作为馈电部分，从而构成低剖面垂直极化高增益全向天线。
进一步地，所述驱动单元中，圆形地板与圆形顶层贴片的尺寸一致，用于保证方向图的对称性及最大的增益方向在水平面上；所述同轴线设置在圆形顶层贴片和圆形地板的圆心处，围绕着同轴线在圆形顶层贴片和圆形地板之间设置有若干旋转对称的接地金属短路柱；在圆形顶层贴片上引入环形缝隙，两个环形缝隙分别位于与该圆形贴片为同一圆心的半径为2.5mm及24mm处，两个环形缝隙的宽度均为0.3mm,用于产生谐振点，从而改善匹配。
进一步地，为保证阻抗带宽，调整接地金属短路柱的数目、尺寸及位置；采用了12个直径为1mm的铜柱均匀地分布在距离圆心20mm处的圆上，拉近圆形顶层贴片的TM01和TM02工作模式，从而展宽带宽。
传统PIFA天线由于受地板大小限制，方向图向上倾斜一定的角度，将其改为对称开放腔结构，谐振后金属柱上产生垂直方向上的电流，腔内产生垂直电场分量，从而提高增益。
进一步地，所述环形引向器中，所述环形顶层贴片与环形地板的尺寸一致，环形顶层贴片和环形地板之间内环一侧设置有若干接地金属短路柱，形成对称的开放腔结构，谐振后接地金属短路柱上产生垂直方向上的电流，开放腔内产生垂直电场分量，从而提高增益。
进一步地，所述环形引向器需要优化接地金属短路柱的数量和尺寸，数量过少或放置过于稀疏导致无法产生足够的垂直电流分量，增益无明显提高，反之过多或放置过于密集导致电磁波无法传播，也会影响增益提高的效果；为保证最有效的能量耦合，采用直径为1mm的铜柱作为接地金属短路柱，以该直径作为前提，优化接地金属短路柱的数量。
进一步地，由于电磁波在空间中的衰减，耦合到后面的引向器上的电磁能量较低，激励起的电流较小，为了提高外圈环形引向器上的垂直电流，在驱动单元与最内部的第一个环形引向器，及从内到外的第一个及第二个环形引向器缝隙之间引入两个宽度均为1mm的环形微带线，改善能量耦合弱的问题，进一步提高增益。
进一步地，驱动单元采用半径均为25mm的圆形顶层贴片天线及圆形地板，并采用内导体直径为0.635mm、外导体直径为4.1mm的同轴线为该天线馈电。
进一步地，所采用的全部环形引向器的环形贴片及环形地板的宽度均为8mm，保证引向器的工作模式，从而实现增益增高。
进一步地，驱动单元与最内侧的环形引向器、相邻环形引向器之间相距取0.25λ0，具体的数值经仿真优化可得，驱动单元的贴片边缘与从内到外第一个环形引向器的顶层贴片边缘的距离为12.5mm，第一个与第二个环形引向器的环形贴片边缘的距离为14.75mm，第二个与第三个环形引向器的边缘为15.25mm；激励起引向器上具有一定相位差的电流，让其产生的电磁波在远区进行叠加，从而提高增益。
进一步地，所述介质基板的材料为Rogers RO4350，所述介质块采用Teflon介质块。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
本发明采用环形引向器，通过引向器产生垂直方向上的电场，提高全向性增益，从而实现高增益的全向天线。
本发明在不增加垂直口径保证低剖面的前提下，通过增加水平口径，来提高全向辐射天线的增益，满足很多工程上的应用需求，结构对称、简单，易于加工，价格便宜。
附图说明
图1为本发明实施例中传统中馈圆形贴片天线结构图；
图2为本发明实施例中传统八木天线结构图
图3为本发明实施例中高增益全向天线驱动单元结构图，图3a为驱动单元俯视图，图3部位驱动单元侧视图；
图4为本发明实施例中驱动单元反射系数示意图；
图5为本发明实施例中引向器结构图，图5a为传统PIFA天线引向器结构图，图5b为对称形PIFA引向器结构图，图5c为对称型PIFA引向器电场分布示意图，图5d为环形引向器结构图；
图6为本发明实施例中高增益全向天线侧视图；
图7为本发明实施例中高增益全向天线结构图，图7a为高增益全向天线俯视图，图7b为高增益全向天线立体图；
图8为本发明实施例中高增益全向天线性能图，图8a为高增益全向天线反射系数性能图，图8b为高增益全向天线增益性能图，图8c为高增益全向天线方向图；
图9为本发明实施例中改善后高增益全向天线结构图，图9a为改善后高增益全向天线俯视图，图9b为改善后高增益全向天线立体图；
图10为本发明实施例中改善后高增益全向天线性能图，图10a为改善后高增益全向天线反射系数性能图，图10b为改善后高增益全向天线增益性能图，图10c为改善后高增益全向天线方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
传统中馈圆形贴片如图1所示，中馈的探针在顶层贴片1下激励起TM0m模式，产生垂直极化的辐射，加载旋转对称的金属短路柱，改善阻抗带宽，具有低剖面和垂直极化的特点，但受地板上电流影响，导致方向图有一定的倾斜角度，地板3越小，倾斜角度越大，在θ＝0°的水平面上增益很小。当地板3和顶层贴片1一样大的时候，波束形状关于水平面对称，但由于此时垂直口径受限，天线的全向增益较低。
八木天线结构如图2所示，由驱动单元5和引向器7及反射器6组成，通过适当的摆放引向器7和反射器6的位置，激励起引向器7和反射器6上的电流，辐射的电磁波在远区场进行叠加，从而提高了天线的方向性及增益。
受八木天线结构启发，本发明提出一种低剖面垂直极化高增益全向天线。
实施例：
一种低剖面垂直极化高增益全向天线，包括驱动单元5和若干个环形引向器12，所述驱动单元5和若干个环形引向器12均按照同一圆心放置，以保证该天线结构的对称性，从而实现具有高全向性的方向图；在该天线中，驱动单元5用于产生全向方向图，环形引向器12用于提高驱动单元5的全向增益；
所述驱动单元5包括同轴线4、圆形顶层贴片1、圆形地板3以及若干接地金属短路柱8；所述环形引向器12包括环形顶层贴片11-1、环形地板11-2以及若干接地金属短路柱8；
基于PCB印刷电路板技术，使用两块厚度为0.508mm、材料为RogersRO4350的介质基板用于印刷金属结构，其中第一介质基板印刷驱动单元5的圆形顶层贴片及环形引向器12的环形顶层贴片11-1，第二介质基板用于印刷驱动单元5的圆形地板3及环形引向器12的环形地板11-2，两块介质基板通过圆柱形的Teflon介质块以及接地金属短路柱支撑，并在圆心处连接同轴线4作为馈电部分，从而构成低剖面垂直极化高增益全向天线。
所述驱动单元5中，如图3a、图3b所示，圆形地板3与圆形顶层贴片的尺寸一致，用于保证方向图的对称性及最大的增益方向在水平面上；所述同轴线4设置在圆形顶层贴片和圆形地板3的圆心处，围绕着同轴线4在圆形顶层贴片和圆形地板3之间设置有若干旋转对称的接地金属短路柱；在圆形顶层贴片上引入环形缝隙，两个环形缝隙分别位于与该圆形贴片为同一圆心的半径为2.5mm及24mm处，两个环形缝隙的宽度均为0.3mm,用于产生谐振点，从而改善匹配。
为保证阻抗带宽，调整接地金属短路柱的数目，尺寸及位置。采用了12个直径为1mm的铜柱均匀分布在距离圆心20mm处的圆上，从而圆形顶层贴片的TM01和TM02工作模式，从而展宽带宽。
本实施例中，驱动单元5的匹配性能如图4所示，相对带宽为13.4％(5.05GHz-5.79GHz)。
传统PIFA天线如图5a所示，由于受地板3大小限制，方向图向上倾斜一定的角度，将其改为如图5b所示的对称开放腔结构，谐振后接地金属短路柱8上产生垂直方向上的电流，如图5c所示，腔内产生垂直电场分量，从而提高增益。该对称形的PIFA天线可等效为一个磁偶极子，等效磁流分布如图5b所示。
所述环形引向器12中，如图5d所示，所述环形顶层贴片11-1与环形地板11-2的尺寸一致，环形顶层贴片11-1和环形地板11-2之间内环一侧设置有若干接地金属短路柱8，形成对称的开放腔结构，谐振后接地金属短路柱8上产生垂直方向上的电流，开放腔内产生垂直电场分量，从而提高增益。
所述环形引向器12需要优化接地金属短路柱8的数量和尺寸，数量过少或放置过于稀疏导致无法产生足够的垂直电流分量，增益无明显提高，反之过多或放置过于密集导致电磁波无法传播，也会影响增益提高的效果。为保证最有效的能量耦合，采用直径为1mm的铜柱作为接地金属短路柱8，以该直径作为前提，优化接地金属短路柱8的数量。
本实施例中，以内圈第一个环形引向器12为例，当接地金属短路柱8的数量超过48个的时候，其密度过大会阻碍电磁能量的传播从而导致从驱动单元5到各个环形引向器12的能量耦合较弱，激励起的电场及电流较弱。当数量小于48个的时候，会影响环形引向器12的谐振工作频点，导致无法在环形引向器12中实现足够强的垂直极化电场，环形引向器12的增益提高的效果也会降低。同理，其他环形引向器12上的接地金属短路柱8也应进行优化，最后优化的结果为由内到外的环形引向器12上接地金属短路柱8的数量分别为48、72、72，直径均为1mm，均匀分布在位置距离圆心分别为30mm、44.75mm、60mm的同心圆的位置上。
由于电磁波在空间中的衰减，耦合到后面的环形引向器12上的电磁能量较低，激励起的电流较小，为了提高外圈环形引向器12上的垂直电流，如图9a、图9b所示，激励起的电流较小，为了提高外圈环形引向器12上的垂直电流，本实施例中，在驱动单元5与最内部的第一个环形引向器12，及从内到外的第一个及第二个环形引向器12的缝隙9之间引入两个宽度均为1mm的环形微带线17，改善能量耦合弱的问题，进一步提高增益。
本实施例中，驱动单元5采用半径均为25mm的圆形顶层贴片天线及圆形地板3，并采用内导体直径为0.635mm、外导体直径为4.1mm的同轴线4为该天线馈电，所采用的全部环形引向器12的环形顶层贴片11-1与环形地板11-2的宽度均为8mm。
如图6所示，本实施例中，驱动单元为全向驱动单元13，全向驱动单元13与最内侧的环形引向器12、相邻环形引向器12之间相距约为0.25λ0，全向驱动单元13的圆形顶层贴片1边缘与从内到外第一个环形引向器12的环形顶层贴片11-1边缘的距离为12.5mm，第一个与第二个环形引向器12的环形顶层贴片11-1边缘的距离为14.75mm，第二个与第三个环形引向器12的边缘为15.25mm。激励起引向器上具有一定相位差的电流，让其产生的电磁波在远区进行叠加，从而提高增益。
如图7a、图7b所示，本实施例中，为了放置环形引向器12，采用两层厚度为0.508mm的Rogers 4350的印刷电路板(包括第一介质基板14和第二介质基板15)和厚度为5mm的Teflon介质16装配而成，通过仿真优化，采用直径为0.1mm的接地金属短路柱8，本实施例中，采用三个环形引向器12，在三个环形引向器12上分别旋转对称放置48、72、72根接地金属短路柱8；本实施例中，本发明的整体结构尺寸为2.25λ0×0.1λ0(D×H),如图8a所示，该天线能实现10.9％的-10dB匹配带宽(4.82GHz-5.40GHz)。如图8b所示，在匹配频段内，可达到最大增益4dBi(5.32GHz)，并且其1dB增益带宽为4.77GHz-5.42GHz。如图8c所示，该天线的主波束方向即最大增益方向在θ＝0°的水平面上，且在该水平面上其方向图波动较小，说明该天线可具有较好的全向性。
本实施例中，如表1所示，改善后的天线口径场上电场强度更高，尤其是外圈引向器上明显可见电场强度较未引入微带线前强。
表1、环形引向器12口径电场强度对比表
Figure BDA0002466694040000071
如图10a所示，引入微带线后，天线的相对带宽为11.1％(4.82GHz-5.40GHz)。如图10b所示，改善后天线增益达4.66dBi(5.2GHz)，1dB增益带宽为4.82GHz-5.40GHz。如图10c所示，该天线同样具有主波束位于水平面上，且具有良好方向性的辐射方向图。

Claims (10)

1.一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，包括驱动单元和若干个环形引向器，所述驱动单元和若干个环形引向器均按照同一圆心放置，以保证该天线结构的对称性，从而实现具有高全向性的方向图；在该天线中，驱动单元用于产生全向方向图，环形引向器用于提高驱动单元的全向增益；
所述驱动单元包括同轴线、圆形顶层贴片、圆形地板以及若干接地金属短路柱；所述环形引向器包括环形顶层贴片、环形地板以及若干接地金属短路柱；
基于PCB 印刷电路板技术，使用两块介质基板用于印刷金属结构，其中第一介质基板印刷驱动单元的圆形顶层贴片及环形引向器的环形顶层贴片，第二介质基板用于印刷驱动单元的圆形地板及环形引向器的环形地板，两块介质基板通过圆柱形的介质块以及接地金属短路柱支撑，并在圆心处连接同轴线作为馈电部分，从而构成低剖面垂直极化高增益全向天线。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，所述驱动单元中，圆形地板与圆形顶层贴片的尺寸一致，用于保证方向图的对称性及最大的增益方向在水平面上；所述同轴线设置在圆形顶层贴片和圆形地板的圆心处，围绕着同轴线在圆形顶层贴片和圆形地板之间设置有若干旋转对称的接地金属短路柱；在圆形顶层贴片上引入环形缝隙，两个环形缝隙分别位于与该圆形贴片为同一圆心的半径为2.5mm及24mm处，两个环形缝隙的宽度均为0.3mm,用于改善匹配。
3.根据权利要求2所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，为保证阻抗带宽，调整接地金属短路柱的数目、尺寸及位置；采用了12个直径为1mm的铜柱均匀地分布在距离圆心20mm处的圆上，拉近圆形顶层贴片的TM01和TM02工作模式，从而展宽带宽。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，所述环形引向器中，所述环形顶层贴片与环形地板的尺寸一致，环形顶层贴片和环形地板之间内环一侧设置有若干接地金属短路柱，形成对称的开放腔结构，谐振后接地金属短路柱上产生垂直方向上的电流，开放腔内产生垂直电场分量，从而提高增益。
5.根据权利要求4所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，所述环形引向器需要优化接地金属短路柱的数量和尺寸，数量过少或放置过于稀疏导致无法产生足够的垂直电流分量，增益无明显提高，反之过多或放置过于密集导致电磁波无法传播，也会影响增益提高的效果；为保证最有效的能量耦合，采用直径为1mm的铜柱作为接地金属短路柱，以该直径作为前提，优化接地金属短路柱的数量。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，由于电磁波在空间中的衰减，耦合到后面的引向器上的电磁能量较低，激励起的电流较小，为了提高外圈环形引向器上的垂直电流，在驱动单元与最内部的第一个环形引向器，及从内到外的第一个及第二个环形引向器缝隙之间引入两个宽度均为1mm的环形微带线，改善能量耦合弱的问题，进一步提高增益。
7.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，驱动单元采用半径均为25mm的圆形顶层贴片天线及圆形地板，并采用内导体直径为0.635mm、外导体直径为4.1mm的同轴线为该天线馈电。
8.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，所采用的全部环形引向器的环形贴片及环形地板的宽度均为8mm，保证引向器的工作模式，从而实现增益增高。
9.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，驱动单元与最内侧的环形引向器、相邻环形引向器之间相距取 QUOTE
Figure 118023DEST_PATH_IMAGE002
Figure 831901DEST_PATH_IMAGE002
，经仿真优化确定实际值，驱动单元的贴片边缘与从内到外第一个环形引向器的顶层贴片边缘的距离为12.5mm，第一个与第二个环形引向器的环形贴片边缘的距离为14.75mm，第二个与第三个环形引向器的边缘为15.25mm；激励起引向器上具有一定相位差的电流，让其产生的电磁波在远区进行叠加，从而提高增益。
10.根据权利要求1所述的一种低剖面垂直极化高增益全向天线，其特征在于，所述介质基板的材料为Rogers RO4350，所述介质块采用Teflon介质块。
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