CN113972495A - 一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线 - Google Patents

一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，属于天线技术领域。天线包括基板及排布在基板表面的阵列天线，天线单元一与天线单元二通过滤波相移线沿x轴方向级联组成子阵。分别在天线单元一、二的上方和下方一定距离处沿x轴对称放置一对T型单极子，在天线单元二上边缘嵌入矩形槽以实现良好的阻抗匹配。天线单元二在一个频点或频带产生扇形波束，具有宽波束性能，在另一个频点或频带产生笔形波束，具有窄波束性能；随后将天线单元一通过滤波相移线与天线单元二级联使得天线单元一只能工作在另一个频点或频带，使其具有更窄波束的性能。级联四个子阵使得天线阵列同时在一个频点或频带产生扇形波束、在另一个频点或频带产生笔形波束。

Description

一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线。
背景技术
当天线的方向图为扇形波束时，具有宽波束特性，其能够使得信号覆盖区域更广，适用于点对多的通信；当天线的方向图为笔形波束时，具有窄波束特性，从而让天线能够更好的指向特定方向辐射，使得信号在同等条件下传输距离更远，适用于点对点的通信。在一个典型的户外无线以太网桥接系统中，一个定向天线同时提供扇形波束和笔形波束能够同时满足信号的广泛覆盖以适用于点对多通信和点对点通信时回程链路的工作距离要求。因此开发一种在一个频点或频带是扇形波束在另一个频点或频带是笔形波束的双频天线是非常有必要的。
为此，我们提出一种兼具扇形波束和笔形波束的双频天线阵列来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，该结构首先由天线单元一和天线单元二由滤波相移线沿x轴方向级联组成子阵，然后再沿y轴方向排布组成2*4阵列，最终达到兼顾扇形波束和笔形波束的目的。将所发展的阵列天线应用于户外无线以太网桥接系统中，可以实现良好的点对点、点对多的通信效果。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种兼具扇形波束和笔形波束的双频天线阵列，其中两个相邻天线子阵间距d为49mm并沿y轴方向放置，天线子阵由天线单元一与天线单元二通过滤波相移线沿x轴方向级联组成。
可选的，所述天线子阵还包括两对T型单极子一，即单极子一5、单极子中加载的金属柱一13和单极子五9、单极子中加载的金属柱五17分别对称放置在贴片21的上侧。
可选的，所述天线子阵还包括两对T型单极子二，即单极子二6、单极子中加载的金属柱二14和单极子六10、单极子中加载的金属柱六18分别对称放置在贴片21的下侧。
可选的，所述天线子阵还包括两对T型单极子三，即单极子三7、单极子中加载的金属柱三15和单极子七11、单极子中加载的金属柱七19对称放置在天线单元二中的微带贴片22的上侧。
可选的，所述天线子阵还包括两对T型单极子四，即单极子四8、单极子中加载的金属柱四16和单极子八12、单极子中加载的金属柱八20对称放置在天线单元二中的微带贴片22的下侧；蚀刻在天线单元二中的槽23蚀刻在天线单元二中的微带贴片22上边缘。
可选的，所述滤波相移线24由七个枝节弯曲连接组成。
可选的，所述基板1的材料为F4B，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为3mm。
本发明的有益效果在于：
(1)双频天线阵列在低频段能够提供宽波束的方向图特性，能够使得无线信号覆盖范围广，适用于点对多通信；
(2)双频天线阵列在高频段能够提供窄波束的方向图特性，能够使得信号朝某特定方向传输距离更远，适用于点对点通信；
(3)双频天线阵列能够同时提供宽、窄波束的方向图特性，能够同时适用于点对点、点对多通信，十分契合户外无线以太网桥接系统。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明双频天线阵列的三维视图；
图2为本发明双频天线子阵中天线单元一的正视图；
图3为本发明双频天线子阵中天线单元二的正视图；
图4为本发明所述双频天线子阵正视图；
图5为本发明所述滤波相移线正视图；
图6为本发明所述双频天线阵列各个端口的S参数曲线；
图7为本发明所述双频天线阵列宽波束时的方向图；
图8为本发明所述双频天线阵列窄波束时的方向图；
附图标记：1-基板，2为微带线一，3-微带线二，4-基板，5-单极子一，6-单极子二，-7-单极子三，8-单极子四，9-单极子五，10-单极子六，11-单极子七，12-单极子八，13-单极子中加载的金属柱一，14-单极子中加载的金属柱二，15-单极子中加载的金属柱三，16-单极子中加载的金属柱四，17-单极子中加载的金属柱五，18-单极子中加载的金属柱六，19-单极子中加载的金属柱七，20-单极子中加载的金属柱八，21-天线单元一中的微带贴片，22-天线单元二中的微带贴片，23-蚀刻在天线单元二中的槽，24-滤波相移线，25-滤波相移线中的枝节一，26-滤波相移线中的枝节二，27-滤波相移线中的枝节三，28-滤波相移线中的枝节四，29-滤波相移线中的枝节五，30-滤波相移线中的枝节六，31-滤波相移线中的枝节七。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为本发明双频天线阵列的三维视图。如图1所示，在本实施例中，所述双频天线阵中相邻子阵的距离d为46mm～52mm，所述基板1长L14为200mm～220mm，宽W14为70mm～90mm。
图2为本发明双频天线子阵中天线单元一的正视图，图3为本发明双频天线子阵中天线单元二的正视图，图4为本发明所述双频天线子阵正视图，图5为本发明所述滤波相移线正视图。
如图2所示，所述天线单元一中的微带贴片21上下方分别对称加载一对T型单极子。
优选的，所述单极子一5、单极子中加载的金属柱一13与单极子五9、单极子中加载的金属柱五17对称放置在天线单元一中的微带贴片21上方，单极子二6、单极子中加载的金属柱二14与单极子六10、单极子中加载的金属柱六18对称放置在天线单元一中的微带贴片21下方。在本实施例中，所述金属柱半径一致，其中半径R为2.4mm～2.8mm，所述T型单极子尺寸一致，其中单极子长L1为8.875mm～9.275mm，宽W1为1.8mm～2.2mm，单极子一5、单极子中加载的金属柱一13与单极子五9、单极子中加载的金属柱五17距离贴片天线单元一中的微带贴片21上边缘距离d1,为4mm～6mm；单极子二6、单极子中加载的金属柱二14与单极子六10、单极子中加载的金属柱六18距离天线单元一中的微带贴片21下边缘距离d2,为4mm～6mm；天线单元一中的微带贴片21长L2为24mm～26mm，宽W2为13.43mm～15.43mm；微带线二3长L3为1.8mm～2.2mm，宽W3为6.8mm～7.2mm。
如图3所示，天线单元二中的微带贴片22上下方对称加载两对T型单极子，蚀刻在天线单元二中的槽23蚀刻在天线单元二中的微带贴片22上边缘。在本实施例中，槽长L6为2.2mm～2.6mm，宽W6为2.8mm～3.2mm。
优选的，单极子三7、单极子中加载的金属柱三15与单极子七11、单极子中加载的金属柱七19对称放置在天线单元二中的微带贴片22上方，单极子四8、单极子中加载的金属柱四16与单极子八12、单极子中加载的金属柱八20对称放置在天线单元二中的微带贴片22下方。在本实施例中，所述天线单元二中所有单极子尺寸与天线单元一中一致。单极子三7、单极子中加载的金属柱三15与单极子七11、单极子中加载的金属柱七19距离天线单元二中的微带贴片22上边缘距离d3为4mm～6mm；单极子四8、单极子中加载的金属柱四16与单极子八12、单极子中加载的金属柱八20距离天线单元二中的微带贴片22下边缘距离d4为4mm～6mm；单极子中加载的金属柱七19中心与单极子七11左侧边缘距离d5为2.1mm～2.5mm；天线单元二中的微带贴片22长L4为24.8mm～25.2mm，宽W4为14.23mm～14.63mm；所述滤波相移线中的枝节三27长L5为1.8mm～2.2mm，宽W5为13.8mm～14.2mm。
如图4所示，所述天线单元一与天线单元二通过滤波相移线24沿电场面方向连接组成子阵，基板长L7为63mm～67mm，宽W7为80mm～84mm。
如图5所示，滤波相移线24包括垂直于基板1上边缘设置的滤波相移线中的枝节一25、垂直于滤波相移线中的枝节一25并由滤波相移线中的枝节一25下边缘向右延伸的滤波相移线中的枝节二26、垂直于滤波相移线中的枝节二26并由滤波相移线中的枝节二26右侧边缘向下延伸的滤波相移线中的枝节三27、垂直于滤波相移线中的枝节三27并由滤波相移线中的枝节三27中部向左侧延伸的滤波相移线中的枝节四28、垂直于滤波相移线中的枝节四28并由滤波相移线中的枝节四28左侧边缘向下延伸的滤波相移线中的枝节七31、垂直于滤波相移线中的枝节七31并由滤波相移线中的枝节七31向右侧延伸的滤波相移线中的枝节五29、垂直于滤波相移线中的枝节七31并由滤波相移线中的枝节七31向右侧延伸的滤波相移线中的枝节六30。
优选的，滤波相移线中的枝节四28、滤波相移线中的枝节五29、滤波相移线中的枝节六30等间距放置，所述滤波相移线中的枝节四28与滤波相移线中的枝节五29尺寸一致。在本实施例中，滤波相移线中的枝节一25的长L8为0.6mm～1mm，宽W8为11.85mm～12.25mm，滤波相移线中的枝节二26的长L9为14.7mm～15.1mm，宽W9为0.6mm～1mm，滤波相移线中的枝节三27的长L10为0.6mm～1mm，宽W10为5mm～5.4mm，滤波相移线中的枝节四28的长L11为13.9mm～14.3mm，宽W11为0.6mm～1mm，所述滤波相移线中的枝节五29的长L12为11.02mm～11.42mm，宽W12为0.2mm～0.6mm，所述滤波相移线中的枝节五29下边缘与滤波相移线中的枝节六30上边缘之间的距离d6为0.2mm～0.6mm，所述滤波相移线中的枝节七31的长L13为0.6mm～1mm，宽W13为13.05mm～13.45mm。
完成上述的初始设计后，使用高频电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，经过仿真优化之后的各参数最佳尺寸如表1所示，其中：d代表两个相邻子阵间的距离，d1代表天线单元一中单极子五9与天线单元一中的微带贴片21上边缘的距离，d2代表天线单元一中单极子六10与天线单元一中的微带贴片21下边缘的距离，d3代表天线单元二中单极子七11与天线单元二中的天线单元二中的微带贴片22上边缘的距离，d4代表天线单元二中单极子八12与天线单元二中的微带贴片22下边缘的距离，d5代表天线单元一、二中金属柱中心与单极子左侧边缘的距离，d6代表滤波相移线中滤波相移线中的枝节五29与滤波相移线中的枝节六30上边缘的距离，L1代表单极子的长度，L2代表天线单元一中贴片的长度，L3代表天线单元一中微带线的长度，L4代表天线单元二中贴片的长度，L5代表天线单元二中微带线的长度，L6代表天线单元二中槽的长度，L7代表子阵中基板长度，L8代表滤波相移线中的枝节一25的长度，L9代表滤波相移线中的枝节二26的长度，L10代表滤波相移线中的枝节三27的长度，L11代表滤波相移线中的枝节四28的长度，L12代表滤波相移线中的枝节五29的长度，L13代表滤波相移线中的枝节七31的长度，W1代表单极子的宽度，W2代表天线单元一中贴片的宽度，W3代表天线单元一中微带线的宽度，W4代表天线单元二中贴片的宽度，W5代表天线单元二中微带线的宽度，W6代表天线单元二中槽的宽度，W7代表子阵中基板宽度，W8代表滤波相移线中的枝节一25的宽度，W9代表滤波相移线中的枝节二26的宽度，W10代表滤波相移线中的枝节三27的宽度，W11代表滤波相移线中的枝节四28的宽度，W12代表滤波相移线中的枝节五29的宽度，W13代表滤波相移线中的枝节七31的宽度，R代表金属柱直径。
表1本发明各参数最佳尺寸表
Figure BDA0003388351800000061
依照上述参数，使用HFSS对所设计的双频天线阵列的反射系数特性参数进行仿真分析和测试，其分析结果如下：
图6为本发明双频天线阵列的各端口反射系数|Snn|仿真和测试曲线。仿真结果和测试结果有良好的吻合度，测试结果表示天线能够分别在5GHz和5.8GHz产生两个频段。
图7为本发明双频天线阵列在5GHz处的方向图特性。测试结果表明天线在电场面方向上具有良好的宽波束性能特性，能够使得信号覆盖区域更广，适用于点对多通信。
图8为本发明双频天线阵列在5.8GHz处的方向图特性。测试结果表明天线在电场面方向上具有良好的窄波束性能特性，天线增益高，能够满足点对点通信时回程链路的工作距离要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：
双频阵列天线排布在基板(1)上表面；
所述双频天线阵列包含四个沿y轴方向排布的子阵，相邻子阵间距一致；
所述子阵是由天线单元一通过滤波相移线(24)与天线单元二沿着x轴方向级联组成。
2.根据权利要求1所述的一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：所述双频阵列天线还包括两对T型单极子一，即单极子一(5)、单极子中加载的金属柱一(13)和单极子五(9)、单极子中加载的金属柱五(17)分别对称放置在贴片(21)的上侧。
3.根据权利要求2所述的一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：所述双频阵列天线还包括两对T型单极子二，即单极子二(6)、单极子中加载的金属柱二(14)和单极子六(10)、单极子中加载的金属柱六(18)分别对称放置在天线单元一中的微带贴片(21)的下侧。
4.根据权利要求3所述的一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：所述双频阵列天线还包括两对T型单极子三，即单极子三(7)、单极子中加载的金属柱三(15)和单极子七(11)、单极子中加载的金属柱七(19)对称放置在天线单元二中的微带贴片(22)的上侧。
5.根据权利要求4所述的一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：所述双频阵列天线还包括两对T型单极子四，即单极子四(8)、单极子中加载的金属柱四(16)和单极子八(12)、单极子中加载的金属柱八(20)对称放置在天线单元二中的微带贴片(22)的下侧；蚀刻在天线单元二中的槽(23)蚀刻在天线单元二中的微带贴片(22)上边缘。
6.根据权利要求5所述的一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：所述滤波相移线(24)由七个枝节弯曲连接组成。
7.根据权利要求1所述的一种兼具扇形波束和笔形波束的双频阵列天线，其特征在于：所述基板(1)的材料为F4B，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为3mm。
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