CN114784513A - 一种双频高增益单极子天线 - Google Patents

一种双频高增益单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双频高增益单极子天线，属于天线技术领域，它包括巴伦、基本枝节、至少一个蛇形线和单极子枝节，在巴伦的中间设置有馈电线；巴伦通过基本枝节与蛇形线的一端连接，在巴伦与基本枝节连接的一端中间设置有馈电线内芯；单极子枝节连接在第一蛇形线的另一端，单极子枝节越多实现的增益越高，通过控制单极子的数量调节天线的增益，通过蛇形线来调节不同单极子枝节之间的电流方向和调节不同单极子枝节上的相位。本发明实现了高增益全向辐射，增益可以通过单极子枝节数量控制，可以在两个频段同时工作，同时实现高增益全向辐射，高频段天线和低频段天线在同一个结构上分别实现了全波偶极子和半波偶极子，实现了全向高增益的性能。

Description

一种双频高增益单极子天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种双频高增益单极子天线。
背景技术
随着通信技术的发展，海量的物联网设备的接入需要大量的天线；由于物联网设备一般没有定向辐射的需求，全向天线成为主要的物联网设备天线，主要有偶极子和单极子等类型；为了实现更好的设备连接，更高的传输速率，更大的覆盖范围，高增益低成本的全向天线成为关键问题之一，除此之外，一般物联网设备频段不唯一，双频段高增益全向天线可以减少单一频段天线使用数量，降低成本，促进节能减排，如何实现双频段高增益全向天线成为目前的设计难点。
全向偶极子天线虽然性能优良，结构简单，但是馈电需要巴伦以避免不平衡馈电使馈线上有电流导致失配甚至影响系统中的其他有源器件，单极子天线主要有金属线天线和印制天线两类，虽然金属线天线效率较高，但是加工较为复杂，性能一致性不高，金属性单极子天线也可以实现高增益辐射，但是一般需要金属绕制的弹簧样式的结构，这种结构加工较为复杂，加工完成后容易受到环境影响（由于弹簧是三维结构，且一般都是由很细的金属丝绕制得到，很容易受到外力影响而变形）使得性能恶化；印制天线加工简单，一致性好，但是增益较低，很难实现高增益辐射；PIFA天线虽然结构紧凑，易于集成，但受地的影响较大，全向性能较差，且很难实现高增益辐射。除了以上缺点外，这些天线都很难同时在两个频段上同时实现高增益的全向辐射。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种双频高增益单极子天线，解决了现有天线存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种双频高增益单极子天线，它包括巴伦、基本枝节、至少一个蛇形线和至少一个单极子枝节，在巴伦的中间设置有馈电线；所述巴伦通过基本枝节与所述蛇形线的一端连接，在巴伦与基本枝节连接的一端中间设置有馈电线内芯；所述单极子枝节连接在第一蛇形线的另一端，在单极子枝节的两侧设置有PCB基板，单极子枝节越多实现的增益越高，通过控制单极子的数量调节天线的增益，通过蛇形线来调节不同单极子枝节之间的电流方向，通过调整蛇形线的间距和总长度来调节不同单极子枝节上的相位。
所述天线包括第一蛇形线、第二蛇形线、第一单极子枝节和第二单极子枝节；所述巴伦通过基本枝节与第一蛇形线连接，所述第一蛇形线通过第一单极子枝节与第二蛇形线的一端连接，所述第二单极子枝节连接在第二蛇形线的另一端；第一蛇形线的长度小于第二蛇形线的长度，第一单极子枝节的宽度小于第二单极子枝节的宽度。
所述基本枝节的长度在低频段为波长的四分之一，通过巴伦产生谐振使地等效为无限大，进而将基本枝节等效为半波偶极子产生全向辐射；第一单极子枝节和第二单极子枝节的长度在低频段为波长的二分之一，看作半波偶极子；在低频段三个枝节都看作半波偶极子，通过增益叠加实现高增益辐射。
所述基本枝节的长度在高频段为波长的二分之一，通过巴伦产生谐振使地等效为无限大，进而将基本枝节等效为全波偶极子产生全向辐射；第一单极子枝节和第二单极子枝节在高频段为一个波长，看作全波偶极子；在高频段三个枝节都看作全波偶极子，通过增益叠加实现高增益辐射。
高频段和低频段的比例为2:1，全波偶极子和半波偶极子的长度为2:1。
本发明具有以下优点：一种双频高增益单极子天线，实现了高增益全向辐射，增益可以通过单极子枝节数量控制，可以在两个频段同时工作，同时实现高增益全向辐射，高频段天线和低频段天线在同一个结构上分别实现了全波偶极子和半波偶极子，因此天线实现了结构共享，在两个频段同时实现了全向高增益的性能，并且利用两个频段比例大概为2：1，全波偶极子与半波偶极子长度也为2：1的特点，只需设计天线在低频段实现高增益辐射，理论上高频段就可以实现高增益辐射，因此两个频段无需分开设计，只要设计好低频段，高频段就会天然实现高增益，无需重新设计高频段，极大的降低了设计难度和时间。
附图说明
图1 为本发明实施例1的结构示意图；
图2 为本发明实施例2的结构示意图；
图中：1-馈电线，2-巴伦，3-基本枝节，4-第一蛇形线，5-第一单极子枝节，6-第二蛇形线，7-第二单极子枝节，8-PCB基板，9-馈电线内芯。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明涉及一种双频高增益单极子天线，其实施例1它包括巴伦2、基本枝节3、至少一个蛇形线和至少一个单极子枝节，在巴伦2的中间设置有馈电线1；所述巴伦2通过基本枝节3与所述蛇形线的一端连接，在巴伦2与基本枝节3连接的一端中间设置有馈电线内芯9；所述单极子枝节连接在第一蛇形线4的另一端，在单极子枝节的两侧设置有PCB基板8，单极子枝节越多实现的增益越高，通过控制单极子的数量调节天线的增益，通过蛇形线来调节不同单极子枝节之间的电流方向，通过调整蛇形线的间距和总长度来调节不同单极子枝节上的相位，合适的蛇形线可以使所有的单极子枝节上的电流方向相同从而使得整体增益提升。
进一步地，巴伦2为折叠印制巴伦，其既可以很好的抑制馈线表面电流，结构也比较紧凑。蛇形线是印制结构，有基板作为结构支撑，是准二维结构，受外力影响较小，性能稳定。
如图2所示，本发明的另一种实施例中，天线包括第一蛇形线4、第二蛇形线6、第一单极子枝节5和第二单极子枝节7；所述巴伦2通过基本枝节3与第一蛇形线4连接，所述第一蛇形线4通过第一单极子枝节5与第二蛇形线6的一端连接，所述第二单极子枝节7连接在第二蛇形线6的另一端；第一蛇形线4的长度小于第二蛇形线6的长度，第一单极子枝节5的宽度小于第二单极子枝节7的宽度。通过设计不同的蛇形线长度使所有单极子枝节上的电流相位相同，通过设计不同的单极子枝节宽度，使串联单极子阻抗更加匹配，实现更好的阻抗带宽。
进一步地，基本枝节3的长度在低频段（2.4GHz）为波长的四分之一，虽然地不是无限大但有巴伦2产生谐振使地等效为无限大，因此四分之波长单极子在无限大地上由于镜像原理可以等效为半波偶极子产生全向辐射；第一单极子枝节5和第二单极子枝节7的长度在低频段为波长的二分之一，看作半波偶极子；在低频段三个枝节都看作半波偶极子，通过增益叠加实现高增益辐射。
进一步地，基本枝节3的长度在高频段（5GHz）为波长的二分之一，虽然地不是无限大但有巴伦2产生谐振使地等效为无限大，因此二分之波长单极子在无限大地上由于镜像原理可以等效为全波偶极子产生全向辐射；第一单极子枝节5和第二单极子枝节7在高频段为一个波长，看作全波偶极子；在高频段三个枝节都看作全波偶极子，通过增益叠加实现高增益辐射。
天线高频段天线和低频段天线在同一个结构上分别实现了全波偶极子和半波偶极子，因此天线实现了在两个频段同时实现了全向高增益的性能。两个频段的比例大概为2：1，全波偶极子与半波偶极子长度也为2：1。因此理论上来说只要低频实现相应的性能二倍频处也可以实现类似的性能，但更高倍频处由于更长的振子的方向图不再全向，因此更高倍频就无法实现类似地性能。
如低频段2.45GHz波长大约120mm，低频段半波偶极子长度大约60mm。高频段5GHz波长大约60mm，高频段全波偶极子就是60mm。全波偶极子和半波偶极子方向图类似，因此60mm长的枝节在两个频段分别实现半波和全波偶极子，设计时低频实现了半波偶极子效果，高频就会实现全波偶极子效果。
本发明天线利用蛇形线控制各个单极子枝节上的电流相位实现高增益的原理和实现方法适用于微波各个频段，例如wi-fi频段，蓝牙频段，5G的sub-6GHz通信频段等。使用两个本发明的高增益单极子天线组合可以实现高增益偶极子天线，增益可以进一步提升，且天线加工工艺为PCB，加工成本低，一致性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双频高增益单极子天线，其特征在于：它包括巴伦（2）、基本枝节（3）、至少一个蛇形线和至少一个单极子枝节，在巴伦（2）的中间设置有馈电线（1）；所述巴伦（2）通过基本枝节（3）与所述蛇形线的一端连接，在巴伦（2）与基本枝节（3）连接的一端中间设置有馈电线内芯（9）；所述单极子枝节连接在第一蛇形线（4）的另一端，在单极子枝节的两侧设置有PCB基板（8），单极子枝节越多实现的增益越高，通过控制单极子的数量调节天线的增益，通过蛇形线来调节不同单极子枝节之间的电流方向，通过调整蛇形线的间距和总长度来调节不同单极子枝节上的相位。
2.根据权利要求1所述的一种双频高增益单极子天线，其特征在于：所述天线包括第一蛇形线（4）、第二蛇形线（6）、第一单极子枝节（5）和第二单极子枝节（7）；所述巴伦（2）通过基本枝节（3）与第一蛇形线（4）连接，所述第一蛇形线（4）通过第一单极子枝节（5）与第二蛇形线（6）的一端连接，所述第二单极子枝节（7）连接在第二蛇形线（6）的另一端；第一蛇形线（4）的长度小于第二蛇形线（6）的长度，第一单极子枝节（5）的宽度小于第二单极子枝节（7）的宽度。
3.根据权利要求2所述的一种双频高增益单极子天线，其特征在于：所述基本枝节（3）的长度在低频段为波长的四分之一，通过巴伦（2）产生谐振使地等效为无限大，进而将基本枝节（3）等效为半波偶极子产生全向辐射；第一单极子枝节（5）和第二单极子枝节（7）的长度在低频段为波长的二分之一，看作半波偶极子；在低频段三个枝节都看作半波偶极子，通过增益叠加实现高增益辐射。
4.根据权利要求3所述的一种双频高增益单极子天线，其特征在于：所述基本枝节（3）的长度在高频段为波长的二分之一，通过巴伦（2）产生谐振使地等效为无限大，进而将基本枝节（3）等效为全波偶极子产生全向辐射；第一单极子枝节（5）和第二单极子枝节（7）在高频段为一个波长，看作全波偶极子；在高频段三个枝节都看作全波偶极子，通过增益叠加实现高增益辐射。
5.根据权利要求4所述的一种双频高增益单极子天线，其特征在于：高频段和低频段的比例为2:1，全波偶极子和半波偶极子的长度为2:1。
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