CN114512814B - 一种基于多谐振模式的垂直极化全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多谐振模式的垂直极化全向天线，包括介质基板，所述介质基板的上表面形成有多条馈电微带线，介质基板的下表面覆有圆形金属贴片，所述圆形金属贴片上开设有多个通槽，每个所述通槽对应在一条所述馈电微带线的下方；每条所述馈电微带线均具有第一微带线段和第二微带线段，第一微带线段的一端与介质基板中心处的馈电金属片连接，所述通槽被设置为对称结构的开口环形；在所述介质基板的正投影面上，第一微带线段位于对应通槽的中轴线上且穿过该通槽的中间槽段，第二微带线段穿过所述通槽的一侧边槽段。本发明的全向天线采用新型结构设计，具有多谐振模式、宽带、小型化、高增益等特性，具有较强的适用性。

Description

一种基于多谐振模式的垂直极化全向天线

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的天线，尤其是一种基于多谐振模式的垂直极化全向天线。

背景技术

天线作为无线通信系统中非常重要的一个组件，天线的性能决定了整个无线通信系统的性能和质量。全向天线指是指可以在某一个方位面上进行均匀的能量辐射或均匀的接收来自空间的电磁波的一种天线。它可以通过单个天线实现全向辐射，也可以通过若干个天线合理排列来实现全向辐射。在移动通信系统网络中，全向天线是使用广泛的一类天线，它能够对基站周围进行均匀的信号覆盖，此种天线的发展对于基站通信具有非常重要的影响。

目前常用的全向天线，按照天线的极化方式大致可分为垂直极化全向天线、水平极化全向天线、斜极化全向天线和圆极化全向天线。对于基站通信中，在地波传播过程中，垂直极化波相比于水平极化波，波的衰减比较小，所以，对于需要使用地波传播的通信系统，通常是采用垂直极化信号发射来减少能量的衰减，来确保信号远距离传播，所以垂直极化的全向天线对于基站通信具有非常重要的意义。

在早期常用的垂直极化全向天线一般为偶极子天线，为了提高天线的增益，增加通信的传输距离，展宽工作带宽，提高信道容量，多种形式的天线相继出现，包括折合振子天线、双锥天线、磁流环天线等。多年来，研究者针对不同的应用环境，对竖直放置的对称振子天线进行变形改进设计，通过加粗振子直径、加载匹配网络、设计套筒、元器件加载等方式进一步展宽其带宽，涌现出了很多垂直极化全向天线。

然而，目前的垂直极化全向天线依然存在着各自的缺点，比如：双锥天线因为其结构的复杂性常用于特殊工作环境，零阶天线虽然可以实现天线的小型化设计，但是带宽很窄。总体而言，目前常用的垂直极化全向天线在不同程度上均存在结构复杂、剖面高、带宽窄、增益受限等缺点，难以较好的满足日益提高的通信需求。因此，设计一种宽带、低剖面和高增益的垂直极化全向天线对于基站通信具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于至少部分的解决上述现有技术问题，提供一种具有宽带、高增益、低剖面特性，基于多个谐振模式的垂直极化全向天线。

本发明提供的一种基于多谐振模式的垂直极化全向天线，包括介质基板，所述介质基板的上表面形成有多条馈电微带线，介质基板的下表面覆有圆形金属贴片，所述圆形金属贴片上开设有多个通槽，每个所述通槽对应在一条所述馈电微带线的下方；

其中，每条所述馈电微带线均具有第一微带线段和第二微带线段，第一微带线段的一端与介质基板中心处的馈电金属片连接，所述通槽被设置为对称结构的开口环形；

在所述介质基板的正投影面上，第一微带线段位于对应通槽的中轴线上且穿过该通槽的中间槽段，第二微带线段穿过所述通槽的一侧边槽段。

作为优选的，还具有金属地板，所述金属地板位于介质基板的下方，且金属地板与介质基板之间为空气介质；

所述介质基板与金属地板之间通过多个金属柱连接，每个所述金属柱的一端与金属地板连接，另一端穿过所述圆形金属贴片上的连接通孔与介质基板连接。

作为优选的，所述第一微带线段为直线段，所述第二微带线段为弧线段，直线段和弧线段的宽度不同，弧线段的圆心位于介质基板的中心。

作为优选的，所述通槽具有中间弧形槽段以及分别连在中间弧形槽段两端的两个分支槽段，每个分支槽段包括一个直线槽段和一个短弧形槽段，直线槽段的一端连接中间弧形槽段，另一端连接短弧形槽段，直线槽段的延长线通过圆形金属贴片的中心，中间弧形槽段和短弧形槽段的圆心均位于圆形金属贴片的中心。

作为优选的，相邻两个所述通槽之间的中间位置处设置有一个所述连接通孔，连接通孔沿所述圆形金属贴片的圆周方向均匀分布。

作为优选的，具有三条所述馈电微带线和三个所述通槽，三个所述通槽沿圆形金属贴片的圆周方向均匀分布。

作为优选的，具有馈电同轴线，所述金属地板、圆形金属贴片和介质基板的中心位置均开设有馈电通孔，所述馈电同轴线依次穿过金属地板、圆形金属贴片和介质基板上的所述馈电通孔与所述馈电金属片连接。

作为优选的，所述介质基板和金属地板均为圆形，介质基板的面积大于圆形金属贴片的面积，且小于金属地板的面积。

作为优选的，所述金属地板配置为由一层介质基板和印刷在该介质基板顶面的金属层构成。

作为优选的，所述天线的工作频率范围被配置在Wi-Fi应用频段。

本发明的显著进步性至少体现在：

本发明提出了一种新型结构的垂直极化全向天线，通过调节天线中的尺寸，可较为容易的实现多个谐振模式能够工作在临近频率，从而实现天线的宽带全向辐射。并且该垂直极化全向天线，拥有宽带特性，有利于宽带系统和设备的应用；该天线还具有小型化特点，有利于在小尺寸、高增益的场景应用，比如作为小基站等。

附图说明

图1为本申请一种实施例中的馈电微带线的设置结构示意图；

图2为本申请一种实施例中的圆形金属贴片的设置结构示意图；

图3为本申请实施例的垂直极化全向天线的拆分结构示意图；

图4为本申请实施例的垂直极化全向天线的S参数曲线图；

图5为本申请实施例的垂直极化全向天线的增益曲线图；

图6为本申请实施例的垂直极化全向天线的辐射方向图。

附图标记

1-介质基板、11-第一连接通孔、2-馈电微带线、21-第一微带线段、22-第二微带线段、3-馈电金属片、4-圆形金属贴片、41-馈电通孔、42-第二连接通孔、43-通槽、431-中间弧形槽段、432-直线槽段、433-短弧形槽段、5-金属地板、6-金属柱、7-馈电同轴线。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6所示，本发明提供的具体实施例如下：

参阅图1和图2所示，作为一种实施例的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，包括介质基板1，所述介质基板1的上表面形成有多条馈电微带线2，介质基板1的下表面覆有圆形金属贴片4，所述圆形金属贴片4上刻蚀有多个通槽43，每个所述通槽43对应在一条所述馈电微带线2的下方，也就是说，所述馈电微带线2的设置数量与所述通槽43的数量相同，馈电微带线2与通槽43在介质基板1上的位置形成上下一一对应关系；

其中，每条所述馈电微带线2均具有第一微带线段21和第二微带线段22，第一微带线段21的一端与介质基板1中心处的馈电金属片3连接，可选择的，所述馈电金属片3为圆形，所述通槽43被设置为对称结构的开口环形；

进一步的，在所述介质基板1的正投影面上，第一微带线段21位于对应通槽43的中轴线上且穿过该通槽43的中间槽段，第二微带线段22穿过所述通槽43的一侧边槽段；可以理解的是，所述介质基板的正投影是指投射方向垂直于介质基板1的平面方向进行投影，当馈电微带线2和通槽43均投射到所述正投影面上时，第一微带线段21和第二微带线段22与通槽43形成上述位置对应关系。

值得说明的是，在一些现有技术中，通过对介质基板上表面设置的馈电微带线进行馈电，从而可激励起基板下表面设置的通槽的半波长谐振模式，然而，在相关的全向天线设计中，通过对馈电微带线和通槽的尺寸调节和形状改变，通常均只能激励起一种谐振模式，因此，天线的工作带宽受限。在本实施例中，通过馈电微带线2和通槽43的特定设置方式，可使得通过馈电微带线2能够同时激励起所述通槽43的两种谐振模式，从而可获得优于现有技术的宽带特性。具体的，所述通槽为开口环形，且设置为在所述介质基板1的正投影面上，第一微带线段21位于对应通槽43的中轴线上且穿过该通槽43的中间槽段，可激励起通槽43的半波长谐振模式；同时，第二微带线段22穿过所述通槽43的一侧边槽段，可激励起通槽43的全波长谐振模式。此外，在两种谐振模式下多个通槽的组合均可以等效为磁流环，因此均拥有水平面全向辐射特性。

参阅图3所示，作为一种优选的实施方式，在上述实施例的基础上，本实施例的基于多谐振模式的垂直极化全向天线还具有金属地板5，所述金属地板5平行设置于介质基板1的下方，且金属地板5与介质基板1之间为空气介质；进一步的，所述介质基板1与金属地板5之间通过多个金属柱6连接，每个所述金属柱6的一端与金属地板5连接，另一端穿过所述圆形金属贴片4上的第二连接通孔42与介质基板1连接，可选的，介质基板1上开设有与所述第二连接通孔42相对应的第一连接通孔11，所述金属柱6与介质基板在第一连接通孔11处连接固定。

进一步的，在所述圆形金属贴片上，相邻两个所述通槽43之间的中间位置处设置有一个所述第二连接通孔42，连接通孔沿所述圆形金属贴片4的圆周方向均匀分布。

可以理解的是，在本实施例中，所述金属柱用于起到短路柱的作用，通过加载所述金属柱，并使得所述金属柱位于每两个通槽的中间位置，形成沿圆形金属贴片4的圆周方向均匀分布，从而可以激励起圆形金属贴片4的TM01谐振模式，该谐振模式由所述通槽的场耦合激励而来，此种谐振模式下也可以等效为一个磁流环，因此也拥有水平面全向辐射特性。此外，通过所述金属柱6同时能够稳固的将介质基板1与金属地板5连接起来，保证了两者之间的空气层的高度。由此，基于本实施例所形成的垂直极化全向天线结构，通过调节天线中每个结构的尺寸，可实现三个谐振模式工作在临近频率，从而实现天线的宽带全向辐射天线。即天线拥有三个临近的谐振点，且在三个谐振点均有类似的水平面全向辐射特性，三个谐振点分别来源于通槽43结构的半波长和全波长谐振模式，以及圆形金属贴片4激励起的TM01模式，三个谐振模式的组合可显著的提升天线的带宽，并获得较好的增益效果。

作为一种优选的实施方式，参阅图1-图3所示，所述馈电微带线2的设置数量为三条，相应的，所述通槽43的设置数量为三个，三个所述通槽43沿圆形金属贴片4的圆周方向均匀分布，即三个通槽43在圆形金属贴片4上等间隔分布，形成中心对称结构，由此，能够通过尽可能少的通槽43设置实现较优的平面全向辐射。

作为一种优选的实施方式，所述第一微带线段21为直线段，所述第二微带线段22为弧线段，直线段和弧线段的宽度不同，弧线段的圆心位于介质基板1的中心。基于本实施例方案，可通过调整第一微带线段21和第二微带线段22的宽度实现阻抗变换，以实现良好的阻抗匹配。

作为一种作为优选的实施方式，一并参阅图1-图3所示，所述通槽43具有中间弧形槽段431以及分别连在中间弧形槽段431两端的两个分支槽段，每个分支槽段包括一个直线槽段432和一个短弧形槽段433，直线槽段432的一端连接中间弧形槽段431，另一端连接短弧形槽段433，直线槽段432的延长线通过圆形金属贴片4的中心(圆心)，中间弧形槽段431和短弧形槽段433的圆心均位于圆形金属贴片4的中心；在介质基板1的正投影面上，所述第二微带线段22的末端穿过通槽43的直线槽段432延伸至通槽43外，环形开口的通槽43的开口朝向背离圆形金属贴片的中心。基于本实施例的设置方式，能够更为稳定的激励通槽的两种谐振模式，更有利于实现天线良好的辐射特性。可以理解的是，本实施例所提供的是一种较优的实施方式，开口环形的通槽43的具体设置结构并不局限于本实施例所提供的具体设计方式。

作为一种优选的实施方式，参阅图3所示，在上述实施例的基础上，本实施例的基于多谐振模式的垂直极化全向天线还具有馈电同轴线7，所述金属地板5、圆形金属贴片4和介质基板1的中心位置均开设有馈电通孔(图中仅示出了圆形金属贴片4上的馈电通孔41)，所述馈电同轴线7的一端依次穿过金属地板5、圆形金属贴片4和介质基板1上的所述馈电通孔与所述馈电金属片3连接，馈电同轴线7的另一端用于连接馈电端口。可以理解的是，作为具体的，所述馈电同轴线7的外芯还与圆形金属贴片连接，馈电同轴线7的内芯连接圆形金属贴片4，所述馈电同轴线可采用50欧姆馈电同轴线。在本实施例中，通过中心同轴馈电的方式可实现天线结构的平衡馈电。

作为一种优选的实施方式，所述介质基板1和金属地板5均设置为圆形，介质基板1的面积大于圆形金属贴片4的面积，以对圆形金属贴片4形成全覆盖，可选的，介质基板1的面积小于金属地板5的面积。作为优选的，所述金属地板5可配置为由一层介质基板和印刷在该介质基板顶面的金属层构成。

作为一种优选的实施方式，本实施例的基于多谐振模式的垂直极化全向天线的工作频率范围被配置在Wi-Fi应用频段。基于本实施例天线的设置结构，其具有高增益、小型化等特性，能够较好的适用于要求天线具备小尺寸高增益的场景应用，比如作为小基站的Wi-Fi天线。

为进一步说明本实施例提供的天线的技术效果，下面结合测试结果进行具体说明。

测试的天线采用图3所示的实施例结构，其中，采用的介质基板为厚度为0.5mm的F4BK介质板，馈电为连接有50欧姆的半刚性同轴线的SMA(3.5mm)，天线的设计频段为Wi-Fi应用频段(2400-2480MHz)，极化方式为垂直极化。图4-图6展示了天线的带宽性能和辐射性能，其中，图4为所测试的垂直极化全向天线的S参数曲线图；图5为所测试的垂直极化全向天线的增益曲线图；图6为所测试的垂直极化全向天线的辐射方向图。从测试结果可以看出，实施例提供的天线具有宽带特性，其覆盖了1.7GHz-3.2GHz，相比较于现有的相同应用频段设计的垂直极化全向天线而言，本申请实施例提供的天线具备了更大的带宽；进一步的，在1.7GHz-3.2GHz的大带宽范围内天线具有显著的增益效果；同时，天线的辐射方向性较为优异。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如：“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于多谐振模式的垂直极化全向天线，包括介质基板，

其特征在于：

所述介质基板的上表面形成有多条馈电微带线，介质基板的下表面覆有圆形金属贴片，所述圆形金属贴片上开设有多个通槽，每个所述通槽对应在一条所述馈电微带线的下方；

其中，每条所述馈电微带线均具有第一微带线段和第二微带线段，第一微带线段的一端与介质基板中心处的馈电金属片连接，所述通槽被设置为对称结构的开口环形；

在所述介质基板的正投影面上，第一微带线段位于对应通槽的中 轴线上且穿过该通槽的中间槽段，用于激励起该通槽的半波长谐振模式；第二微带线段穿过所述通槽的一侧边槽段，用于激励起该通槽的全波长谐振模式，且在两种谐振模式下多个通槽的组合均可等效为磁流环。

2.根据权利要求1所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，其特征在于，还具有金属地板，所述金属地板位于介质基板的下方，且金属地板与介质基板之间为空气介质；

所述介质基板与金属地板之间通过多个金属柱连接，每个所述金 属柱的一端与金属地板连接，另一端穿过所述圆形金属贴片上的连接通孔与介质基板连接。

3.根据权利要求1或 2所述的基于多谐振模式的垂直极化全向 天线，其特征在于，所述第一微带线段为直线段，所述第二微带线段为弧线段，直线段和弧线段的宽度不同，弧线段的圆心位于介质基板的中心。

4.根据权利要求3所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，其特征在于，所述通槽具有中间弧形槽段以及分别连在中间弧形槽段两端的两个分支槽段，每个分支槽段包括一个直线槽段和一个短弧形槽段，直线槽段的一端连接中间弧形槽段，另一端连接短弧形槽段，直线槽段的延长线通过圆形金属贴片的中心，中间弧形槽段和短弧形槽段的圆心均位于圆形金属贴片的中心。

5.根据权利要求 2所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线， 其特征在于，相邻两个所述通槽之间的中间位置处设置有一个所述连

接通孔，连接通孔沿所述圆形金属贴片的圆周方向均匀分布。

6.根据权利要求1所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，其特征在于，具有三条所述馈电微带线和三个所述通槽，三个所述通槽沿圆形金属贴片的圆周方向均匀分布。

7.根据权利要求 2所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，其特征在于，具有馈电同轴线，所述金属地板、圆形金属贴片和介质基板的中心位置均开设有馈电通孔，所述馈电同轴线依次穿过金属地板、圆形金属贴片和介质基板上的所述馈电通孔与所述馈电金属片连接。

8.根据权利要求2所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线， 其特征在于，所述介质基板和金属地板均为圆形，介质基板的面积大于圆形金属贴片的面积，且小于金属地板的面积。

9.根据权利要求2所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，其特征在于，所述金属地板配置为由一层介质基板和印刷在该介质基板顶面的金属层构成。

10.根据权利要求1所述的基于多谐振模式的垂直极化全向天线，其特征在于，所述天线的工作频率范围被配置在Wi-Fi应用频段。