CN112886233A - 一种紧凑型、超宽带全向天线 - Google Patents

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    • H01Q5/50Feeding or matching arrangements for broad-band or multi-band operation

Abstract

一种紧凑型、超宽带全向天线,包括第一金属层、第二金属层、介质基板;第一金属层和第二金属层分别印制在介质基板上下层,两层金属分别由双分枝旗形辐射器,双寄生带,曲线槽,短开路枝节和中心金属圆盘组成;在锥形馈电结构上加载一个短分枝,有效抑制天线在高频时的电抗特性,引入一个高频谐振点,当添加双寄生带时,在两个现有谐振点之间会增加一个新的谐振点,提高带宽,形成1.8~3.85GHz的通带特性,在第一枝节末端添加短开路枝节和刻蚀一个曲线形的槽,增大电容耦合和电流路径,降低低频截止频率。最终所述天线的阻抗带宽可达78%(1.69~3.85GHz),在阻抗带宽内,水平面上的交叉极化电平小于‑20dB,工作频带内的效率为80%~91%。

Description

一种紧凑型、超宽带全向天线
技术领域
本发明涉及天线工程领域,具体涉及一种紧凑型、超宽带全向天线。
背景技术
随着移动数据业务增多,功能增强,用户数量的快速增长,室内业务对数据传输速率、系统容量、性能等要求都在提高。作为4G和5G通信系统中不可缺少的技术,多输入多输出(MIMO)技术引起了人们的广泛关注。该技术可以提高复杂散射环境下无线通信的数据传输速率、可靠性、信道容量和通信质量,并实现空间资源的有效利用。与此同时,全向天线由于具有提供360°全覆盖和减少通信死区的能力而受到广泛关注。此外,室内信号覆盖、无线接入点和微型基站等无线通信系统中的空间都是有限的,并不希望通过多个天线满足2G/3G/4G/5G和WLAN/WiMAX频段。因此设计一款单一结构的水平极化全向天线同时满足上述频段需求并且能够作为组成MIMO系统的一个天线单元具有非常重要的研究意义和广阔的应用前景。
X.Quan等人在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.61,no.2,pp.943-947,Feb.2013.)上发表了题为“A Broadband Dual-Polarized Omnidirectional Antenna forBase Stations”的文章,提出了一种适用于移动通信的宽带垂直/水平双极化全向天线。双极化全向天线的带宽达到25%(1.7~2.2GHz)。X.Dai等人在IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters.(vol.12,pp.1492-1495,2013.)上发表了题为“Multiband andDual-Polarized Omnidirectional Antenna for 2G/3G/LTE Application”的文章,所提出的天线是一种改进的对称双锥垂直极化和六个具有同心放置水平极化的印刷偶极子的组合,水平极化单元的带宽达到35%(1.88~2.7GHz)。X.Cai等人在IEEE Transactions onAntennas and Propagation.(vol.64,no.2,pp.414-422,Feb.2016.)上发表题为“ACompact Broadband Horizontally Polarized Omnidirectional Antenna Using PlanarFolded Dipole Elements”的文章,提出了一种宽带水平极化全向平面天线,其使用四个平面折叠偶极子天线作为方形阵列的辐射元件,以及由巴伦和匹配网络组成的宽带微带馈电结构,其带宽约为53.2%(1.19~2GHz)。然而,上述天线的阻抗带宽小于55%且没有能够覆盖5G频带(3.4~3.6GHz)。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提出一种紧凑型、超宽带全向天线,具体技术方案如下:一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于:包括第一金属层(1)、第二金属层(2)、第一介质基板(3);
所述第一金属层(1)印制在介质基板(3)上层,由六组逆时针双分枝旗形辐射器(4),中心金属大圆盘(5),六组逆时针双寄生带(6),六组逆时针曲线槽(7)和六组逆时针短开路枝节(8)组成;
所述第二金属层(2)印制在介质基板(3),由六组顺时针双分枝旗形辐射器(9),中心金属小圆盘(10),六组顺时针双寄生带(11),六组顺时针曲线槽(12)和六组顺时针短开路枝节(13)组成;
所述第一金属层(1)和第二层金属层(2)由一个同轴接头(14)馈电;
本发明的有益效果为:第一,在第一金属层(1)和第二层金属层(2)的锥形馈电结构(19)(20)上分别附加一个分枝(17)(18),以抑制天线在高频时的电抗特性,从而可以在3.5GHz左右引入一个高频谐振点,与原有谐振点组成双频带;
第二,所述天线在第一金属层(1)和第二金属层(2)上分别添加双寄生带(6)(11)时,会在原有的两个谐振点之间产生第三个谐振点,大大提高带宽,形成1.8~3.85GHz的通带;
第三,所述天线在第一金属层(1)和第二金属层(2)的第一枝节(15)(16)处刻有一个曲线形的槽(7)(12),以增大电流路径,降低其低频截止频率。
第四,所述天线在第一金属层(1)和第二金属层(2)的第一枝节(15)(16)末端添加短开路枝节(8)(13),以增强其电容耦合,降低其低频截止频率,形成1.69~3.85GHz的通带特性
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1是本发明实施例1中天线的侧视图;
图2是图1中的第一金属层的俯视图示意图;
图3是图1中的第二金属层的俯视图示意图;
图4为实施例1中的S参数的仿真与测试结果示意图;
图5为实施例1中的主辐射方向的增益与辐射效率的仿真与测试结果示意图;
图6为实施例1中的1.77GHz、2.37GHz、3.32GHz、3.65GHz四个频点的H面辐射方向图;
图7为实施例1中的1.77GHz、2.37GHz、3.32GHz、3.65GHz四个频点的E面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1至图3所示,为本实施例中的具体结构:
一种紧凑型、超宽带全向天线,包括第一金属层(1)、第二金属层(2)、介质基板(3);
介质基板(3)使用的材料为FR-4。第一金属层(1)印制在介质基板(3)上层,第二金属层(2)印制在介质基板(3)下层。
所述第一金属层(1)和第二层金属层(2)由一个同轴接头(14)馈电。
实施例中采用的参数为,介质基板(3)的厚度为1.6mm,介电常数为4.4,半径为44.8mm。第一层金属(1)的中心金属大圆盘(5)的半径为5.8mm。第二层金属(2)的中心金属小圆盘(10)的半径为2.8mm。第一枝节(15)(16)的宽度为4.9mm,弧度为29.7°。第二枝节(17)(18)的宽度为4.3mm,弧度为21°。双寄生带(6)(11)的宽度分别为3mm和2.2mm,弧度分别为23.4°和15°。曲线槽(7)(12)的宽度为1.5mm,弧度为18°。短开路枝节(8)(13)的宽度为1.8mm,弧度为3°。
图4是所发明的天线的S参数的仿真与测试结果示意图。在1.69-3.85GHz的频率范围内,天线的S11小于10dB。
图5为所发明的天线的主辐射方向的增益和辐射效率随频率变化的仿真与测试结果示意图。所发明天线在整个通带内都有良好的辐射特性,在3.6GHz处得到最大增益为2.2dB,整个通带内辐射效率在80%~91%之间,具有良好的辐射效率,仿真与测试的结果吻合的很好。
图6为所发明的天线在1.77、2.37、3.32和3.65GHz四个频点的H面辐射方向图,图7为所发明的天线在1.77、2.37、3.32和3.65GHz四个频点的E面辐射方向图。四个频点的主极化方向图对称且规则,四个频点的主极化和交叉极化比大于20dB,辐射方向图稳定,仿真与测试的结果吻合的很好。

Claims (6)

1.一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于:包括第一金属层(1)、第二金属层(2)、介质基板(3);所述第一金属层(1)印制在介质基板(3)上层,由六组逆时针双分枝旗形辐射器(4),中心金属圆盘(5),六组逆时针双寄生带(6),六组逆时针曲线槽(7)和六组短开路枝节(8)组成;所述第二金属层(2)印制在介质基板(3)下层,由六组顺时针双分枝旗形辐射器(9),中心金属圆盘(10),六组顺时针双寄生带(11),六组顺时针曲线槽(12)和六组短开路枝节(13)组成;所述第一金属层(1)和第二层金属层(2)由一个同轴接头(14)馈电。
2.根据权利要求1所述一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于:所述第一金属层(1)中相邻两个双分枝旗形辐射器(4)以60度角度差放置,通过锥形馈电结构(19)与中心金属大圆盘(5)相连接,并且六组逆时针双寄生带(6)与六组双分枝旗形辐射器(4)平行放置。
3.根据权利要求1所述一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于:所述第一金属层(1)中每组双分枝旗形辐射器(4)的第一枝节(15)上开逆时针曲线槽(7)以及在第一枝节(15)末端添加短开路枝节(8)。
4.根据权利要求1所述一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于所述第二金属层(2)中相邻两个顺时针双分枝旗形辐射器(9)以60度角度差放置,通过锥形馈电结构(20)与中心金属小圆盘(10)相连接,并且六组顺时针双寄生带(11)与六组双分枝旗形辐射器(9)平行放置。
5.根据权利要求1所述一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于:所述第二金属层(2)中每组顺时针双分枝旗形辐射器(9)的第一枝节(16)上开顺时针曲线槽(12)以及在第一枝节(16)末端添加短开路枝节(13)。
6.根据权利要求1所述一种紧凑型、超宽带全向天线,其特征在于:所述天线仅使用一层介质基板(3),并且通过大小两个中心金属圆盘(5)(10)连接同轴(14)进行馈电,无须添加额外的馈电网络,减小了天线的尺寸,实现了小型化,有利于天线与射频前端电路的一体化集成。
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