CN114709617A - 水平极化高增益全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平极化高增益全向天线，涉及通信用天线技术领域。所述全向天线包括馈电结构以及天线辐射结构，所述天线辐射结构包括第一基板，所述第一基板的上表面形成有顶层金属层，所述第一基板的下表面形成有背面金属层，沿所述第一基板的后侧面、左侧面以及右侧面形成有若干根竖向设置的金属化过孔，所述第一基板与三面金属化过孔组合后构成介质集成波导，馈源的下端与所述馈电结构连接，馈源的上端依次穿过所述背面金属层、第一基板以及顶层金属层后从所述顶层金属层伸出，所述馈源两侧的天线辐射结构上分别设置有若干个相位转换结构。所述全向天线具有结构简单、辐射效率高等优点。

Description

水平极化高增益全向天线

技术领域

本发明涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种结构简单的水平极化高增益全向天线。

背景技术

全向天线具有较大的辐射范围，因此广泛应用在各种通信系统中，例如：室内无限局域网络，户外电视广播和点对点通信系统中都需要使用全向天线。相较于结构复杂且成本昂贵的相控阵天线，全向天线具有着突出的特点：结构简单，成本低廉，能够满足大部分情况下的通信需求。全向天线提出至今，针对不同的需求，衍生出许多结构新颖，性能优良的全向高增益天线，全向高增益天线大致分为两类：一是以全向高增益阵列天线的形式，利用方向图综合分析方法进行天线设计；二是使用电大尺寸来实现的全向高增益天线，通过增加口径或加载透镜来提高天线的增益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种结构简单、辐射效率高的水平极化高增益全向天线。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种水平极化高增益全向天线，其特征在于包括馈电结构以及天线辐射结构，所述天线辐射结构包括第一基板，所述第一基板的上表面形成有顶层金属层，所述第一基板的下表面形成有背面金属层，沿所述第一基板的后侧面、左侧面以及右侧面形成有若干根竖向设置的金属化过孔，所述金属化过孔的上端与所述顶层金属层连接且其上端面从所述顶层金属层的上表面露出，所述金属化过孔的下端与所述底层金属层连接且其下端面从所述底层金属层的下表面露出，所述第一基板、顶层金属层、底层金属层和三面金属化过孔组合后一起构成介质集成波导，馈源的下端与所述馈电结构连接，馈源的上端依次穿过所述背面金属层、第一基板以及顶层金属层后从所述顶层金属层伸出，所述馈源两侧的天线辐射结构上分别设置有若干个相位转换结构。

进一步的技术方案在于：每个所述相位转换结构包括位于顶层金属层上的弯曲槽，所述弯曲槽的前端延伸至所述第一基板的前侧面，所述弯曲槽的后端延伸至所述第一基板后侧的金属化过孔上，所述弯曲槽上形成有若干个周期性的波峰和波谷，每个波峰和波谷内各设置有一个短路金属化过孔，所述短路金属化过孔的上端与顶层金属层连接，所述短路金属化过孔的下端与底层金属层连接。

进一步的技术方案在于：所述馈电结构位于所述天线辐射结构的左侧或者右侧，所述馈电结构包括第二基板，所述第二基板的上表面与所述背面金属层接触，所述第二基板的下表面形成有沿其长度方向延伸的传输线，所述传输线的一端与连接器连接，所述传输线的另一端与位于第一基板中间的馈源连接。

进一步的技术方案在于：所述传输线包括第一传输段、第二传输段和第三传输段，所述第一传输段、第二传输段和第三传输段依次连接，所述第一连接段与所述第三连接段的宽度相同，且大于所述第二传输段的宽度，所述第二连接段的中部形成有向外延伸的延伸部，所述延伸部的宽度大于所述第一传输段的宽度。

进一步的技术方案在于：所述馈电结构位于所述天线辐射结构的中部，所述馈电结构包括第二基板，所述第二基板的上表面与所述背面金属层接触，所述第二基板的下表面形成有沿其长度方向延伸的传输线，所述传输线的中部与连接器连接，所述传输线的两端与位于第一基板两侧的馈源连接。

进一步的技术方案在于：所述传输线包括第四传输段和第五传输段，所述第四传输段与所述第五传输段垂直，所述第五传输段的两端分别连接有一个对称的传输线结构，所述传输线结构包括依次连接的第六传输段、第七传输段、第八传输段和第九传输段，所述第六传输段的宽度大于所述第五传输段的宽度，小于所述第七传输段的宽度，所述第七传输段的宽度与所述第九传输段的宽度相等，所述第八传输段的宽度小于所述第五传输段的宽度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请通过沿所述第一基板的后侧面、左侧面以及右侧面设置若干根竖向的金属化过孔，所述第一基板与三面金属化过孔组合后构成介质集成波导（SIW），使得所述第一基板的一侧形成开口，沿传输方向每半波长即为一个辐射单元，可等效为一个磁偶极子（MD），在距离馈电点每隔半波长的位置放置一个相位转换结构，用于将与目标电场方向相反的电场旋转180度到期望的电场方向。

当加入相位转换结构后有效的将目标电场方向旋转了180度，改善了方向图。该结构的优势在于相位转换结构可以无缝的嵌入开口波导（第一介质层）中，将目标电场的相位转换到期望状态，无需封闭辐射口径的任何部分，因此可得到较高的辐射效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一所述天线的结构示意图；

图2是本发明实施例一所述天线的俯视结构示意图；

图3是本发明实施例一所述天线的主视结构示意图；

图4是本发明实施例一所述天线的仰视结构示意图；

图5是本发明实施例一所述天线的分解结构示意图；

图6a是本发明实施例一所述天线的立体结构示意图；

图6b是图6a中A处的放大结构示意图：

图7是本发明实施例一所述天线的立体结构示意图；

图8a是本发明实施例一所述天线的剖视结构示意图

图8b是图8a中B处的放大结构示意图：

图8c是图8a中C处的放大结构示意图：

图8d是图8a中D处的放大结构示意图：

图9是本发明实施例一所述天线中传输线的结构示意图；

图10是本发明实施例一所述天线中连接器的部分结构示意图；

图11是本发明实施例二所述天线的结构示意图；

图12是本发明实施例二所述天线的俯视结构示意图；

图13是本发明实施例二所述天线的主视结构示意图；

图14是本发明实施例二所述天线的仰视结构示意图；

图15是本发明实施例二所述天线的分解结构示意图；

图16a是本发明实施例二所述天线的立体结构示意图；

图16b是图16a中A处的放大结构示意图：

图17是本发明实施例二所述天线的立体结构示意图；

图18a是本发明实施例二所述天线的剖视结构示意图

图18b是图18a中B处的放大结构示意图：

图18c是图18a中C处的放大结构示意图：

图18d是图18a中D处的放大结构示意图：

图19是本发明实施例二所述天线中传输线的结构示意图；

图20是本发明实施例二所述天线中连接器的部分结构示意图；

图21a是本发明实施例加入相位转换结构后的辐射图；

图21b是没有加入相位转换结构的辐射图；

其中：1、顶层金属层；2、金属化过孔；3、短路金属化过孔；4、第一基板；5、底层金属层；6、第二基板；7、馈源；8、传输线；801、第一传输段； 802、第二传输段；803、第三传输段；804、第四传输段；805、第五传输段；806、第六传输段；807、第七传输段；808、第八传输段；809、第九传输段；9连接器；901、中心柱；902、连接头；10、弯曲槽。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1-图10所示，本发明实施例公开了一种水平极化高增益全向天线，包括馈电结构以及天线辐射结构。所述天线辐射结构包括第一基板4，所述第一基板4的上表面形成有顶层金属层1，所述第一基板4的下表面形成有背面金属层5，所述顶层金属层1与所述背面金属层5的制作材料相同，优选使用铜材料进行制作。沿所述第一基板4的后侧面、左侧面以及右侧面形成有若干根竖向设置的金属化过孔2，所述金属化过孔2的可以使用现有技术中的材料进行制备。所述金属化过孔2的上端与所述顶层金属层1连接且其上端面从所述顶层金属层1的上表面露出（也就是说其上端不被覆盖），所述金属化过孔2的下端与所述底层金属层5连接且其下端面从所述底层金属层5的下表面露出（也就是说其下端不被覆盖），所述第一基板4、顶层金属层1、底层金属层5和三面金属化过孔2组合后一起构成介质集成波导（SIW）。馈源7的下端与所述馈电结构连接，馈源7的上端依次穿过所述背面金属层5、第一基板4以及顶层金属层1后从所述顶层金属层1伸出（所述馈源可以为现有技术中的馈源，所述馈源7的上端高于所述顶层金属层1的高度），所述馈源7两侧的天线辐射结构上分别设置有若干个相位转换结构。进一步的，与馈源7相邻的相位转换结构与馈源的距离为1/2波长（中心频率所对应的波长），其它位置的相位转换结构与相位转换结构之间的距离也为1/2波长。

如图1、图2、图5、图6a-图6b所示，每个所述相位转换结构包括位于顶层金属层1上的弯曲槽10，所述弯曲槽10的前端延伸至所述第一基板4的前侧面。所述弯曲槽10的后端延伸至所述第一基板4后侧的金属化过孔2上，所述弯曲槽10上形成有若干个周期性的波峰和波谷，每个波峰和波谷内各设置有一个短路金属化过孔3，所述短路金属化过孔3的上端与顶层金属层1连接，所述短路金属化过孔3的下端与底层金属层5连接。优选的，所述弯曲槽10为周期性的矩形波状，所述矩形波的波峰和波谷内各设置有一个金属化过孔3。

进一步的，如图1、图3、图4、图5、图7以及图8a所示，所述馈电结构位于所述天线辐射结构的左侧（或右侧），所述馈电结构包括第二基板6，所述第二基板6的上表面与所述背面金属层5接触，所述第二基板6的下表面形成有沿其长度方向延伸的传输线8，所述传输线8的一端与连接器9连接，所述传输线8的另一端与位于第一基板4中间的馈源7连接。

进一步的，如图1、图3、图4、图5、图7以及图8a所示，优选的，本申请中所述第二基板6位于所述第一基板4的左侧，所述连接器9位于所述第二基板6的左端，所述第二基板6的右端延伸至所述第一基板4的中部。所述第一基板4与所述第二基板6的制作材料可以相同也可以不同。

进一步的，如图9所示，所述传输线8使用铜进行制作，所述传输线8包括第一传输段801、第二传输段802和第三传输段803。所述第一传输段801、第二传输段802和第三传输段803依次连接，所述第一连接段801与所述第三连接段803的宽度相同，且大于所述第二传输段802的宽度，所述第二连接段802的中部形成有向外延伸的延伸部，所述延伸部的宽度大于所述第一传输段801的宽度，需要说明的是，所述传输线8的具体形式还可以为其它形式。

实施例二

如图11-图20所示，本发明实施例公开了一种水平极化高增益全向天线，包括馈电结构以及天线辐射结构。所述天线辐射结构包括第一基板4，所述第一基板4的上表面形成有顶层金属层1，所述第一基板4的下表面形成有背面金属层5，所述顶层金属层1与所述背面金属层5的制作材料相同，优选使用铜材料进行制作。沿所述第一基板4的后侧面、左侧面以及右侧面形成有若干根竖向设置的金属化过孔2，所述金属化过孔2的可以使用现有技术中的材料进行制备。所述金属化过孔2的上端与所述顶层金属层1连接且其上端面从所述顶层金属层1的上表面露出（也就是说其上端不被覆盖），所述金属化过孔2的下端与所述底层金属层5连接且其下端面从所述底层金属层5的下表面露出（也就是说其下端不被覆盖），所述第一基板4、顶层金属层1、底层金属层5和三面金属化过孔2组合后一起构成介质集成波导（SIW）。馈源7的下端与所述馈电结构连接，馈源7的上端依次穿过所述背面金属层5、第一基板4以及顶层金属层1后从所述顶层金属层1伸出（所述馈源可以为现有技术中的馈源，所述馈源7的上端高于所述顶层金属层1的高度），所述馈源7两侧的天线辐射结构上分别设置有若干个相位转换结构。进一步的，与馈源7相邻的相位转换结构与馈源的距离为1/2波长（中心频率所对应的波长），其它位置的相位转换结构与相位转换结构之间的距离也为1/2波长。

如图1、图2、图5、图6a-图6b所示，每个所述相位转换结构包括位于顶层金属层1上的弯曲槽10，所述弯曲槽10的前端延伸至所述第一基板4的前侧面。所述弯曲槽10的后端延伸至所述第一基板4后侧的金属化过孔2上，所述弯曲槽10上形成有若干个周期性的波峰和波谷，每个波峰和波谷内各设置有一个短路金属化过孔3，所述短路金属化过孔3的上端与顶层金属层1连接，所述短路金属化过孔3的下端与底层金属层5连接。优选的，所述弯曲槽10为周期性的矩形波状，所述矩形波的波峰和波谷内各设置有一个金属化过孔3。

进一步的，如图1、图3、图4、图5、图7以及图8a所示，本发明实施例不同于实施例一之处在于：所述馈电结构位于所述天线辐射结构的中部，所述馈电结构包括第二基板6，所述第二基板6的上表面与所述背面金属层5接触，所述第二基板6的下表面形成有沿其长度方向延伸的传输线8，所述传输线8的中部与连接器9连接，所述传输线8的两端与位于第一基板4两侧的馈源7连接。

进一步的，如图1、图3、图4、图5、图7以及图8a所示，所述第二基板6位于所述第一基板4的中部，所述连接器9位于所述第二基板6的中部，所述第二基板6的两端延伸至所述第一基板4的两侧，所述传输线8为左右对称结构，传输线8的两端分别与一个馈源7连接。

进一步的，如图9所示，所述传输线8使用铜进行制作，所述传输线8包括第四传输段804和第五传输段805，所述第四传输段804与所述第五传输段805垂直。所述第五传输段805的两端分别连接有一个对称的传输线结构，所述传输线结构包括依次连接的第六传输段806、第七传输段807、第八传输段808和第九传输段809，所述第六传输段806的宽度大于所述第五传输段805的宽度，小于所述第七传输段807的宽度，所述第七传输段807的宽度与所述第九传输段809的宽度相等，所述第八传输段808的宽度小于所述第五传输段805的宽度，需要说明的是，所述传输线8的具体形式还可以为其它形式。

如图10所示，所述连接器为现有技术中的连接器，所述连接器9包括连接头902，所述连接头902的中心固定有中心柱901，所述中心柱901与所述传输线8连接。

将矩形波导（第一基板）侧边开口，形成TE0.5，0模式的传输状态，其中开口的矩形波导部分，沿传输方向每半波长即为一个辐射单元，可等效为一个磁偶极子（MD），在距离馈电点（馈源）每隔半波长的位置放置一个相位转换结构，用于将与目标电场方向相反的电场旋转180度到期望的电场方向。如图21所示，是增加了相位转换结构的示意图，相位转换部分要放在距离馈电点1/2波长的位置。在没有加相位转换结构时，存在与主要电场方向相反的电场分量，这会影响远场的辐射方向图，因此要加入相位转换结构以达到将电场方向旋转180度的效果。

相位转换结构工作原理：

相位转换结构包括在金属表面（顶层金属层）腐蚀的弯折缝隙和金属通孔（金属化过孔），该结构可以等效为LC电路，弯折的缝隙可以等效为电容，短路通孔（金属化过孔）可以等效为电感。调整弯折缝隙和金属通孔的位置和尺寸，让等效的LC电路达到带通滤波器的作用，从而提供180度的相位转换。转换前后的辐射电场对比如图21a和21b所示。可以看出加入相位转换结构后有效的将目标电场方向旋转了180度，改善了方向图。该结构的优势在于相位转换结构可以无缝的嵌入开口波导中，将目标电场的相位转换到期望状态，无需封闭辐射口径的任何部分，因此可得到较高的辐射效率。

本发明实施例的两种天线结构中，二者在原理上完全相同，只是馈电点位置不同，是根据阵列中单元的个数及对应的电场分布来确定的（实施例一种为6个辐射单元，实施例二中为8个辐射单元），基本原则就是使分布在相位转换结构附近的电场方向转换到期望方向（注：相位转换结构只能将电场单向转换）。确定了馈电点的位置之后，SMA连接器的位置也就随之确定。

Claims (10)

1.一种水平极化高增益全向天线，其特征在于：包括馈电结构以及天线辐射结构，所述天线辐射结构包括第一基板（4），所述第一基板（4）的上表面形成有顶层金属层（1），所述第一基板（4）的下表面形成有背面金属层（5），沿所述第一基板（4）的后侧面、左侧面以及右侧面形成有若干根竖向设置的金属化过孔（2），所述金属化过孔（2）的上端与所述顶层金属层（1）连接且其上端面从所述顶层金属层（1）的上表面露出，所述金属化过孔（2）的下端与所述底层金属层（5）连接且其下端面从所述底层金属层（5）的下表面露出，所述第一基板（4）、顶层金属层（1）、底层金属层（5）和三面金属化过孔（2）组合后一起构成介质集成波导，馈源（7）的下端与所述馈电结构连接，馈源（7）的上端依次穿过所述背面金属层（5）、第一基板（4）以及顶层金属层（1）后从所述顶层金属层（1）伸出，所述馈源（7）两侧的天线辐射结构上分别设置有若干个相位转换结构。

2.如权利要求1所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：每个所述相位转换结构包括位于顶层金属层（1）上的弯曲槽（10），所述弯曲槽（10）的前端延伸至所述第一基板（4）的前侧面，所述弯曲槽（10）的后端延伸至所述第一基板（4）后侧的金属化过孔（2）上，所述弯曲槽（10）上形成有若干个周期性的波峰和波谷，每个波峰和波谷内各设置有一个短路金属化过孔（3），所述短路金属化过孔（3）的上端与顶层金属层（1）连接，所述短路金属化过孔（3）的下端与底层金属层（5）连接。

3.如权利要求2所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述弯曲槽（10）为周期性的矩形波状，所述矩形波的波峰和波谷内各设置有一个金属化过孔（3）。

4.如权利要求2所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述馈电结构位于所述天线辐射结构的左侧或者右侧，所述馈电结构包括第二基板（6），所述第二基板（6）的上表面与所述背面金属层（5）接触，所述第二基板（6）的下表面形成有沿其长度方向延伸的传输线（8），所述传输线（8）的一端与连接器（9）连接，所述传输线（8）的另一端与位于第一基板（4）中间的馈源（7）连接。

5.如权利要求4所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述第二基板（6）位于所述第一基板（4）的左侧，所述连接器（9）位于所述第二基板（6）的左端，所述第二基板（6）的右端延伸至所述第一基板（4）的中部。

6.如权利要求4所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述传输线（8）包括第一传输段（801）、第二传输段（802）和第三传输段（803），所述第一传输段（801）、第二传输段（802）和第三传输段（803）依次连接，所述第一连接段（801）与所述第三连接段（803）的宽度相同，且大于所述第二传输段（802）的宽度，所述第二连接段（802）的中部形成有向外延伸的延伸部，所述延伸部的宽度大于所述第一传输段（801）的宽度。

7.如权利要求2所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述馈电结构位于所述天线辐射结构的中部，所述馈电结构包括第二基板（6），所述第二基板（6）的上表面与所述背面金属层（5）接触，所述第二基板（6）的下表面形成有沿其长度方向延伸的传输线（8），所述传输线（8）的中部与连接器（9）连接，所述传输线（8）的两端与位于第一基板（4）两侧的馈源（7）连接。

8.如权利要求7所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述第二基板（6）位于所述第一基板（4）的中部，所述连接器（9）位于所述第二基板（6）的中部，所述第二基板（6）的两端延伸至所述第一基板（4）的两侧，所述传输线（8）为左右对称结构，传输线（8）的两端分别与一个馈源（7）连接。

9.如权利要求4或7所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述连接器（9）包括连接头（902），所述连接头（902）的中心固定有中心柱（901），所述中心柱（901）与所述传输线（8）连接。

10.如权利要求7所述的水平极化高增益全向天线，其特征在于：所述传输线（8）包括第四传输段（804）和第五传输段（805），所述第四传输段（804）与所述第五传输段（805）垂直，所述第五传输段（805）的两端分别连接有一个对称的传输线结构，所述传输线结构包括依次连接的第六传输段（806）、第七传输段（807）、第八传输段（808）和第九传输段（809），所述第六传输段（806）的宽度大于所述第五传输段（805）的宽度，小于所述第七传输段（807）的宽度，所述第七传输段（807）的宽度与所述第九传输段（809）的宽度相等，所述第八传输段（808）的宽度小于所述第五传输段（805）的宽度。

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