CN113922065A - 一种全向阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全向阵列天线，包括介质基板以及贴合在介质基板上的第一金属层，第一金属层包括金属地和多个阵列排布的全向辐射单元，金属地呈长条形并与介质基板的竖向对称轴共线，且金属地的两端分别延伸至介质基板相对的两个侧边，全向辐射单元包括第一偶极子和第二偶极子，第一偶极子和第二偶极子分别分布在金属地的两侧且呈非对称结构，第一偶极子与金属地连接。本发明的多个偶极子设计使得天线在高频处出现了新的谐振点，拓展了天线的高频带宽，提升了整个天线的频带宽度，使得其能适应更多的宽带应用场景，而且多个偶极子设计还很好地降低了天线的不圆度，降低程度达2.5dB以上，大大改善了天线的全向特性。

Description

一种全向阵列天线

【技术领域】

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种全向阵列天线。

【背景技术】

全向天线在水平方向范围内有360度的均匀辐射，在垂直方向上表现为有一定宽度的波束。一般情况下，波束宽度越小，增益越大。由于其水平方向的全向辐射特性，使全向天线广泛应用于无线通信系统、广播系统、数据传输等领域。近些年，人们提出和设计了诸多全向天线和全向阵列天线，例如半波长偶极子天线和四分之一波长单极子天线都是典型和常见的全向天线。

随着现代通信系统的不断发展，特别是近些年5G和物联网的发展，人们对通信系统的通信容量提出了更高的要求。根据香农定理，在信噪比一定的情况下，信道容量和信道带宽成正比。所以通信系统的带宽需求呈现出逐年增加的趋势。在无线通信领域，天线永远是一个重要的担当者，也是电磁波发射和接收的窗口。从无线通信发明至今，天线伴随着技术的发展也在不断地进步，使其在无线通信领域起着至关重要的作用。所以，作为通信系统必不可少的一部分，人们对天线的工作带宽也提出了更高的要求。

目前随着印刷电路技术的发展，平面天线应运而生，一大批基于渐变线的平面宽带天线也应用而生，但这类天线一般都是定向辐射，所设计的天线大多都难以满足系统严苛的需求。很难在增益、宽频带和不圆度上完美兼顾。

因此，如何实现天线的全向辐射特性而且具有宽频带和高增益一直以来就是业界亟需改进的方向。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是如何实现天线的全向辐射特性而且具有宽频带和高增益。

为解决上述技术问题，本发明一实施例提供了一种全向阵列天线包括介质基板以及贴合在所述介质基板上的第一金属层，所述第一金属层包括金属地和多个阵列排布的全向辐射单元，所述金属地呈长条形并与所述介质基板的竖向对称轴共线，且所述金属地的两端分别延伸至所述介质基板相对的两个侧边，所述全向辐射单元包括第一偶极子和第二偶极子，所述第一偶极子和所述第二偶极子分别分布在所述金属地的两侧且呈非对称结构，所述第一偶极子与所述金属地连接。

优选地，所述第一偶极子包括两个背靠背设置的L形辐射部，两个L形辐射部的横轴相互平行，两个L形辐射部的纵轴共线。

优选地，两个L形辐射部相互间隔并相互对称，且对称轴与所述金属地垂直。

优选地，两个L形辐射部的横轴均与所述金属地垂直连接，两个L形辐射部的纵轴均与所述金属地相互平行。

优选地，所述第二偶极子呈长条形并与所述介质基板的一侧边对齐，所述第二偶极子与所述金属地相互平行。

优选地，所述第二偶极子与所述金属地之间的距离大于所述L形辐射部的纵轴与所述金属地之间的距离。

优选地，所述全向辐射单元还包括第三偶极子，所述第三偶极子与所述金属地连接，所述第一偶极子和所述第三偶极子以所述金属地为对称轴呈相互对称结构。

优选地，所述全向辐射单元还包括第四偶极子，所述第四偶极子呈长条形并与所述介质基板的一侧边对齐，所述第四偶极子与所述金属地相互平行。

优选地，所述第二偶极子和所述第四偶极子以所述金属地为对称轴呈相互对称结构。

优选地，所述全向阵列天线还包括第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层分别贴合在所述介质基板上相对的两个表面，所述金属地上设置有金属过孔并通过所述金属过孔连接所述第二金属层，所述第二金属层包括长条形辐射部和两个C形辐射部，所述两个C形辐射部竖向排布且开口方向相同，所述长条形辐射部连接所述两个C形辐射部。

与现有技术相比，本发明上述的技术方案具有以下优点：采用多个偶极子的结构设计使得天线在高频处出现了新的谐振点，拓展了天线的高频带宽，提升了整个天线的频带宽度，使得其能适应更多的宽带应用场景，而且采用多个偶极子的结构设计还很好地降低了天线的不圆度，降低程度达2.5dB以上，大大改善了天线的全向辐射特性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1(a)是本发明全向阵列天线的正面结构示意图。

图1(b)是本发明全向阵列天线的背面结构示意图。

图2是本发明全向阵列天线的电压驻波比测试结果示意图。

图3是本发明全向阵列天线的不圆度随频率的变化曲线图。

图4是本发明全向阵列天线中心频点处三维方向图。

图5(a)是本发明全向阵列天线水平面二维方向图，1.3GHz时水平面远场实增益示意图。

图5(b)是本发明全向阵列天线水平面二维方向图，1.6GHz时水平面远场实增益示意图。

图5(c)是本发明全向阵列天线水平面二维方向图，1.9GHz时水平面远场实增益示意图。

图中，1-介质基板，2-第一金属层，3-第二金属层，4-第一偶极子，5-第二偶极子，6-金属地。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1(a)是本发明全向阵列天线的正面结构示意图；图1(b)是本发明全向阵列天线的背面结构示意图。

在本实施方式中，全向阵列天线包括介质基板1、第一金属层2、第二金属层3，第一金属层2和第二金属层3分别贴合在介质基板1上相对的两个表面，介质基板1呈长方形并包括横向对称轴和竖向对称轴，第一金属层2包括金属地6和多个阵列排布的全向辐射单元，金属地6呈长条形并与介质基板1的竖向对称轴共线，且金属地6的两端分别延伸至介质基板1相对的两个侧边，即介质基板1的两个横向侧边，其中，全向辐射单元包括第一偶极子4和第二偶极子5，第一偶极子4和第二偶极子5分别分布在金属地6的两侧且呈非对称结构，即第一偶极子4和第二偶极子5关于金属地6呈非对称结构，第一偶极子4与金属地6连接。

在本实施方式中，第一偶极子4包括两个背靠背设置的L形辐射部，L形辐射部包括相互垂直连接的横轴和纵轴，两个L形辐射部的横轴相互平行，两个L形辐射部的纵轴共线。

在本实施方式中，两个L形辐射部相互间隔并相互对称，且对称轴与金属地6垂直。

在本实施方式中，两个L形辐射部的横轴均与金属地6垂直连接，两个L形辐射部的纵轴均与金属地6相互平行。

在本实施方式中，第二偶极子5呈长条形并与介质基板1的一侧边对齐，即与介质基板1的一竖向侧边对齐，第二偶极子5与金属地6相互平行。

在本实施方式中，第二偶极子5与金属地6之间的距离大于L形辐射部的纵轴与金属地6之间的距离。

在本实施方式中，全向辐射单元还包括第三偶极子，第三偶极子与金属地6连接，第一偶极子4和第三偶极子以金属地6为对称轴呈相互对称结构，也即第三偶极子亦包括两个背靠背设置的L形辐射部，L形辐射部包括相互垂直连接的横轴和纵轴，两个L形辐射部的横轴相互平行，两个L形辐射部的纵轴共线，两个L形辐射部相互间隔并相互对称，且对称轴与金属地6垂直，两个L形辐射部的横轴均与金属地6垂直连接，两个L形辐射部的纵轴均与金属地6相互平行。

在本实施方式中，全向辐射单元还包括第四偶极子，第四偶极子呈长条形并与介质基板1的一侧边对齐，即与介质基板1的另一竖向侧边对齐，第四偶极子与金属地6相互平行。

在本实施方式中，第二偶极子5和第四偶极子以金属地6为对称轴呈相互对称结构，亦即第四偶极子呈长条形。

在本实施方式中，第一金属层2中的多个全向辐射单元呈阵列排布，具体的以金属地6为竖轴呈竖向的阵列排布，图中仅以两个全向辐射单元竖向阵列排布为例。

在本实施方式中，全向阵列天线还包括第二金属层3，第一金属层2和第二金属层3分别贴合在介质基板1上相对的两个表面，金属地6上设置有金属过孔并通过金属过孔连接第二金属层3，金属地6上的金属过孔作为馈电点，将馈入的电磁信号分别引入第一金属层2和第二金属层3，第二金属层3包括长条形辐射部和两个C形辐射部，两个C形辐射部竖向排布且开口方向相同，长条形辐射部连接两个C形辐射部，具体的，长条形辐射部的两端分别连接一个C形辐射部的中间点。

在本实施方式中，第一偶极子4作为全向辐射单元的主偶极子，第二偶极子5作为全向辐射单元的寄生偶极子，第一偶极子4和第二偶极子5一起构成一个完整的全向辐射单元。

在本实施方式中，第一偶极子4的长度为114mm-118mm，优选为116mm；第一偶极子4的宽度为10.5mm-11.5mm，优选为11mm。第二偶极子5的长度为114mm-118mm，优选为116mm；第二偶极子5的宽度为10.5mm-11.5mm，优选为11mm。第一偶极子4距离第二偶极子5为128mm-132mm，优选为130mm。介质基板1介电常数为2.55，介质基板1厚度为0.9mm-1.1mm，优选为1mm；介质基板1长度为275mm-285mm，优选为280mm；介质基板1宽度为98mm-102mm，优选为100mm。介质基板1的背面设有宽带匹配网络。宽带匹配网络包括：两路50欧姆微带线，分别对偶极子单元进行馈电,在微带线汇合处，阻抗变为25欧姆，再经四分之一波长的阻抗变换线将25欧姆的阻抗变换为100欧姆，两路100欧姆的阻抗在同轴馈电处汇合成50欧姆，再由同轴线同一进行馈电。可见，本发明全向阵列天线，整体结构由一块介质基板和两层金属层构成，主体结构是一个主偶极子(即第一偶极子4)和置于其前方的寄生偶极子(即第二偶极子5)。两个这样相同的结构背对背放置于中间公用的金属地6两侧，构成一个完整的全向辐射单元。全向辐射单元在垂直方向进行组阵，与宽带匹配网络一起构成本发明提出的全向阵列天线。

在本实施方式中，主偶极子、寄生偶极子和金属地6印刷于介质板的正面。寄生偶极子大大提高了天线的工作带宽，还有效减小了方向图的不圆度。宽带匹配网络在50Ω的馈点6处分为上下100Ω的微带线，再经四分之一波长的阻抗变换线将阻抗变为50Ω对偶极子进行耦合馈电。

图2是本发明全向阵列天线的电压驻波比测试结果示意图。其中，虚线为无寄生偶极子的测试结果，电压驻波比小于2.25的相对带宽仅为30％。实线为有寄生偶极子的测试结果，加载寄生偶极子后，在高频出现了新的谐振点，天线的电压驻波比在1.3GHz-1.9GHz均小于2.25，相对带宽达到37.5％。

图3是本发明全向阵列天线不圆度随频率的变化曲线图。其中，虚线为无寄生偶极子的测试结果，不圆度最大达到了5.23dB，全向性很差。实线为有寄生偶极子的测试结果，不圆度最大仅为2.61dB，不圆度得到了明显改善。

图4是本发明全向阵列天线中心频点处三维方向图。在1.3GHz-1.9GHz范围内，天线的增益在4.65dBi-6.18dBi之间。图4为中心频点(1.6GHz)处的三维方向图。

图5(a)是本发明全向阵列天线水平面二维方向图，1.3GHz时水平面远场实增益示意图。频率为1.3GHz时，最大增益为4.65dBi，不圆度为2.47dB。

图5(b)是本发明全向阵列天线水平面二维方向图，1.6GHz时水平面远场实增益示意图。频率为1.6GHz时，最大增益为5.78dBi，不圆度为2.44dB。

图5(c)是本发明全向阵列天线水平面二维方向图，1.9GHz时水平面远场实增益示意图。频率为1.9GHz时，最大增益为6.18dBi，不圆度为1.39dB。

由上述说明可知，使用根据本发明的全向阵列天线，在偶极子天线的基础上，增加了额外的寄生偶极子，寄生偶极子的加入，使得天线在高频处出现了新的谐振点，拓展了天线的高频带宽，提升了整个天线的频带宽度，使得其能适应更多的宽带应用场景，此外，寄生偶极子的引入还很好地降低了天线的不圆度，降低程度达2.5dB以上，大大改善了天线的全向特性。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种全向阵列天线，其特征在于，所述全向阵列天线包括介质基板以及贴合在所述介质基板上的第一金属层，所述第一金属层包括金属地和多个阵列排布的全向辐射单元，所述金属地呈长条形并与所述介质基板的竖向对称轴共线，且所述金属地的两端分别延伸至所述介质基板相对的两个侧边，所述全向辐射单元包括第一偶极子和第二偶极子，所述第一偶极子和所述第二偶极子分别分布在所述金属地的两侧且呈非对称结构，所述第一偶极子与所述金属地连接。

2.如权利要求1所述的全向阵列天线，其特征在于，所述第一偶极子包括两个背靠背设置的L形辐射部，两个L形辐射部的横轴相互平行，两个L形辐射部的纵轴共线。

3.如权利要求2所述的全向阵列天线，其特征在于，两个L形辐射部相互间隔并相互对称，且对称轴与所述金属地垂直。

4.如权利要求2所述的全向阵列天线，其特征在于，两个L形辐射部的横轴均与所述金属地垂直连接，两个L形辐射部的纵轴均与所述金属地相互平行。

5.如权利要求4所述的全向阵列天线，其特征在于，所述第二偶极子呈长条形并与所述介质基板的一侧边对齐，所述第二偶极子与所述金属地相互平行。

6.如权利要求5所述的全向阵列天线，其特征在于，所述第二偶极子与所述金属地之间的距离大于所述L形辐射部的纵轴与所述金属地之间的距离。

7.如权利要求1所述的全向阵列天线，其特征在于，所述全向辐射单元还包括第三偶极子，所述第三偶极子与所述金属地连接，所述第一偶极子和所述第三偶极子以所述金属地为对称轴呈相互对称结构。

8.如权利要求7所述的全向阵列天线，其特征在于，所述全向辐射单元还包括第四偶极子，所述第四偶极子呈长条形并与所述介质基板的一侧边对齐，所述第四偶极子与所述金属地相互平行。

9.如权利要求8所述的全向阵列天线，其特征在于，所述第二偶极子和所述第四偶极子以所述金属地为对称轴呈相互对称结构。

10.如权利要求1所述的全向阵列天线，其特征在于，所述全向阵列天线还包括第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层分别贴合在所述介质基板上相对的两个表面，所述金属地上设置有金属过孔并通过所述金属过孔连接所述第二金属层，所述第二金属层包括长条形辐射部和两个C形辐射部，所述两个C形辐射部竖向排布且开口方向相同，所述长条形辐射部连接所述两个C形辐射部。

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