CN114336033B - 一种超宽带叶片状垂直极化全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带叶片状垂直极化全向天线，金属圆台连接在金属圆柱的底端，金属叶片均匀连接在金属圆柱的周侧；金属圆盘和金属圆环分别位于圆形介质基板的上表面和下表面，且同轴设置；同轴馈线从中央穿过圆形介质基板，外导体与金属圆盘连接，内芯与金属圆台连接。金属圆环的内径小于等于金属圆盘的外径；在金属圆环的三个不同半径的圆周上分别间隔蚀刻若干弧形槽，各圆周上的弧形槽在径向方向上分别正对排布，位于最外圈的弧形槽长度大于内圈的两个弧形槽的长度。本发明利用多组环形分布弧形槽的反射相位调节作用及分层金属的电容效应，有效拓展叶片状垂直极化天线的高频边带和低频边带，实现了超宽带的叶片状垂直极化全向天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直极化全向天线。
背景技术
在目前的移动通信系统中，室内通信密度远高于室外通信密度，室内天线的需求不断增加，宽带垂直极化全向天线能够以垂直极化的方法实现宽频带的全向覆盖能力和匹配，是一种重要的室内天线。随着5G通信在世界范围内的大力推广，迫切需要宽带垂直极化全向天线能够覆盖Sub-6G的全频段。传统的双锥垂直极化全向天线拥有稳定的方向图和良好的匹配，但因为体积过大逐渐被单锥垂直极化全向天线取代。而后，叶片状垂直极化全向天线相较于单锥垂直极化全向天线大大减轻了天线重量，并且与水平极化全向天线的耦合更小、兼容性更高，因此叶片状垂直极化全向天线在室内通信领域拥有广阔的前景，是一种重要的天线。
现有的叶片状垂直极化全向天线，通常由三至四个金属叶片组成，以提供稳定的全向辐射。为了提升天线带宽，部分叶片天线通过弯折振子增加可激励的模式，部分叶片天线通过短路引脚的加载增加低频工作模式，还有的叶片天线在顶部加载金属贴片的方式改善匹配，但它们主要聚焦于0.7~3.7GHz的频段范围，带宽有限，无法满足Sub-6G全频段匹配的要求。另一方面，部分叶片状垂直极化全向天线存在多个水平金属平面，当与水平极化全向天线进行共口径设计时，存在兼容性问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种超宽带叶片状垂直极化全向天线，解决现有叶片状垂直极化全向天线带宽有限，无法满足覆盖Sub-6G全频段的问题。
技术方案：一种超宽带叶片状垂直极化全向天线，包括若干金属叶片、金属圆柱、金属圆台、金属圆盘、圆形介质基板、金属圆环以及同轴馈线；金属圆台连接在金属圆柱的底端，金属叶片均匀连接在金属圆柱的周侧；金属圆盘和金属圆环分别位于圆形介质基板的上表面和下表面，且同轴设置；同轴馈线依次从中央穿过金属圆环、圆形介质基板以及金属圆盘，同轴馈线的外导体与金属圆盘连接，同轴馈线的内芯与金属圆台连接；
其中，金属圆环的内径小于等于金属圆盘的外径，金属圆环的外径和圆形介质基板的外径相等；在金属圆环的三个不同半径的圆周上分别间隔蚀刻若干弧形槽，各圆周上的弧形槽在径向方向上分别正对排布，位于最外圈的弧形槽长度大于内圈的两个弧形槽的长度，最外圈与中间圈的弧形槽间隔大于中间圈与最内圈的弧形槽间隔。
进一步的，通过改变金属圆盘和金属圆环的相对重叠区域的大小来拓展天线的最低工作频率。
进一步的，通过改变金属圆环不同半径圆周上的弧形槽的弧长以及径向方向上弧形槽之间的间距来拓展天线的最高工作频率。
有益效果：本发明利用多组环形分布弧形槽的反射相位调节作用及分层金属的电容效应，有效拓展叶片状垂直极化天线的高频边带和低频边带，实现了超宽带的叶片状垂直极化全向天线。具体的：
1、双层天线反射面包含金属圆盘和金属圆环，分别位于圆形介质基板的上表面和下表面，其中金属圆环的内径小于等于金属圆盘的外径，其外径和圆形介质基板的外径相等，因此得到适量的电容加载效应，有效拓展了天线的低频边带。
2、金属圆环上不同直径圆周上均匀等间距分布若干弧形槽，位于最外圈的弧形槽长度略长，对应工作在一个频点，内侧的两组弧形槽长度略短，对应工作在另一个较高频点，两个频点都对应于天线高频边带的两个工作频率，用于调节金属叶片在该频率处后向波的反射相位，形成的新反射零点有效拓展了天线的高频边带。
附图说明
图1为本发明超宽带叶片状垂直极化全向天线的主视图；
图2为本发明超宽带叶片状垂直极化全向天线的仰视图；
图3为本发明超宽带叶片状垂直极化全向天线的俯视图；
图4为实施例中天线的电压驻波比仿真图；
图5为实施例中天线的增益仿真图；
图6为天线的仿真方向图，其中的(a)为 0.7 GHz的方向图，(b)为2.7 GHz的方向图(c)为4.7 GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图3所示，一种超宽带叶片状垂直极化全向天线，包括六个呈直角梯形的金属叶片1、金属圆柱2、金属圆台3、金属圆盘4、圆形介质基板5、金属圆环6以及同轴馈线7。
金属圆台3连接在金属圆柱2的底端。六个金属叶片1通过较长的底边均匀连接在金属圆柱2的周侧，相邻夹角为60°；金属叶片1的直角侧边位于顶部。
金属圆盘4和金属圆环6分别位于圆形介质基板5的上表面和下表面，且同轴设置。同轴馈线7依次从中央穿过金属圆环6、圆形介质基板5以及金属圆盘4，同轴馈线7的外导体与金属圆盘4连接，同轴馈线7的内芯与金属圆台3连接。
其中，金属圆环6的内径小于等于金属圆盘4的外径，金属圆环6的外径和圆形介质基板5的外径相等。在金属圆环6的三个不同半径的圆周上分别间隔蚀刻六条弧形槽，各圆周上的弧形槽在径向方向上分别正对排布，位于最外圈的弧形槽61长度大于内圈的两个弧形槽62和63的长度，最外圈弧形槽61与中间圈的弧形槽62的间隔大于中间圈弧形槽62与最内圈的弧形槽63的间隔。
以上结构中，金属圆盘4和金属圆环6构成了基于圆形介质基板5的分层金属结构，分层金属结构间形成的电容加载效应，能够有效降低天线的最低工作频率。此外，在金属圆环6最外圈蚀刻有较长的弧形槽61作为一组，内侧蚀刻有较短的弧形槽62和63作为一组，两组槽的谐振频率对应于天线高频边带的两个工作频率，用于调整该频率处后向波的反射相位，进而形成新的匹配极点，拓展天线高频边带处的工作带宽。
本发明通过改变金属圆盘4和金属圆环6的相对位置可以拓展天线的最低工作频率。通过改变金属圆环6不同半径圆周上的弧形槽的弧长以及径向方向上弧形槽之间的间距可以拓展天线的最高工作频率，从而在实际应用中可以适配不同的工作频段要求。
本发明的超宽带叶片状垂直极化全向天线，相比于现有的叶片状垂直极化全向天线，匹配带宽更宽，并且展开的带宽可控，同时与水平极化全向天线具有一定的兼容性。
本实施例采用的介质基板为SCGA-500 GF220，其匹配、增益的仿真结果如图4、图5所示。图4中的参考天线与本发明的天线具有相同的金属叶片结构，不同之处在于天线的反射板为单层金属圆盘，圆盘的外径与本发明天线外径相同。本发明天线案例的匹配带宽明显展宽，电压驻波比<1.5覆盖0.69GHz ~ 5.22 GHz，相对带宽为153%，工作频带内的最大增益为7.2dBi。
图6的(a)、(b)、(c)分别为天线在0.7 GHz、2.7 GHz和4.7 GHz处的E面和H面仿真方向图，0.7 GHz处的方向图圆度为0.005 dB，2.7 GHz处的方向图圆度为0.58 dB，4.7 GHz处的方向图圆度为2.05 dB，从而证明了本发明的天线实现了良好的辐射性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种超宽带叶片状垂直极化全向天线，其特征在于，包括若干金属叶片（1）、金属圆柱（2）、金属圆台（3）、金属圆盘（4）、圆形介质基板（5）、金属圆环（6）以及同轴馈线（7）；金属圆台（3）连接在金属圆柱（2）的底端，金属叶片（1）均匀连接在金属圆柱（2）的周侧；金属圆盘（4）和金属圆环（6）分别位于圆形介质基板（5）的上表面和下表面，且同轴设置；同轴馈线（7）依次从中央穿过金属圆环（6）、圆形介质基板（5）以及金属圆盘（4），同轴馈线（7）的外导体与金属圆盘（4）连接，同轴馈线（7）的内芯与金属圆台（3）连接；
其中，金属圆环（6）的内径小于等于金属圆盘（4）的外径，金属圆环（6）的外径和圆形介质基板（5）的外径相等；在金属圆环（6）的三个不同半径的圆周上分别均匀等间距蚀刻若干弧形槽，各圆周上的弧形槽在径向方向上分别正对排布，位于最外圈的弧形槽长度大于内圈的两个弧形槽的长度，最外圈与中间圈的弧形槽间隔大于中间圈与最内圈的弧形槽间隔。
2.根据权利要求1所述的超宽带叶片状垂直极化全向天线，其特征在于，通过改变金属圆盘（4）和金属圆环（6）的相对重叠区域的大小来拓展天线的最低工作频率。
3.根据权利要求1所述的超宽带叶片状垂直极化全向天线，其特征在于，通过改变金属圆环（6）不同半径圆周上的弧形槽的弧长以及径向方向上弧形槽之间的间距来拓展天线的最高工作频率。
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