CN116247427A - 一种宽带垂直极化全向天线单元及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带垂直极化全向天线单元及天线阵列，所述天线单元包括第一同轴电缆、介质板、第一一分二等功分器、第一微带线、第二微带线和金属地板；第一一分二等功分器、第一微带线和第二微带线印刷在介质板的正面，金属地板印刷在介质板的背面，所述金属地板上蚀刻有第一阶梯槽、第二阶梯槽和第一矩形槽；第一阶梯槽和第二阶梯槽的形状相同，且关于介质板的中心对称，用于共同实现水平方向上的全向辐射；所述第一矩形槽设置于介质板的水平中轴线上。本发明通过简单、紧凑的结构实现了优秀的宽频带和全向辐射特性，在提高天线单元及天线阵列的集成度的同时，大幅降低了天线的制造成本。

Description

一种宽带垂直极化全向天线单元及天线阵列

技术领域

本发明涉及通讯天线领域，具体涉及一种宽带垂直极化全向天线单元及天线阵列。

背景技术

随着无线通信技术的发展，对天线的要求也越来越高，天线在结构和功能上的改进对无线通信领域的技术革新起着至关重要的作用。

现有的天线一般分为定向天线和全向天线，其中，由于全向天线在水平方向上可以实现360°的均匀辐射，故常被应用于移动通信、WLAN、电视广播等场景。同时，相比传统的天线，宽带天线具有频带宽、数据传输率高的特点，因此受到了通信领域研究人员的广泛关注。

近年来，集全向辐射和宽频带优点于一身的宽带全向天线逐渐成为研究热点。然而，现有的一些宽带全向天线普遍存在结构复杂、空间占用率高的缺点，并且现有技术中对宽带全向天线的阵列化的研究探索还比较少，缺少具有较强稳定性的宽带全向天线阵列方案。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中存在的问题，提供一种宽带垂直极化全向天线单元及天线阵列，通过简单、紧凑的结构实现优秀的宽频带和全向辐射特性，提高天线单元及天线阵列的集成度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种宽带垂直极化全向天线单元，包括第一同轴电缆、介质板、第一一分二等功分器、第一微带线、第二微带线和金属地板；

所述介质板呈矩形，且平行于竖直平面设置；第一一分二等功分器、第一微带线和第二微带线印刷在介质板的正面，金属地板印刷在介质板的背面，所述金属地板上蚀刻有第一阶梯槽、第二阶梯槽和第一矩形槽；

所述第一阶梯槽设置于介质板的一条竖直侧边边缘处且位于介质板的上部，第二阶梯槽设置于介质板的另一条竖直侧边边缘处且位于介质板的下部；第一阶梯槽和第二阶梯槽的形状相同，且关于介质板的中心对称，用于共同实现水平方向上的全向辐射；所述第一矩形槽设置于介质板的水平中轴线上，用于改善天线的隔离度，进而优化不圆度；

所述第一同轴电缆从介质板的背面引入，第一同轴电缆的外导体与金属地板焊接固定，第一同轴电缆的内导体穿过介质板后与第一一分二等功分器的输入端电性连接；第一一分二等功分器的两个输出端分别连接第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和第一阶梯槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域，所述第二微带线和第二阶梯槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域。

进一步地，所述第一阶梯槽包括在水平方向上互相连通的第二矩形槽和第三矩形槽，所述第二矩形槽设置于介质板的一条竖直侧边边缘处，所述第三矩形槽连接于第二矩形槽水平方向上的内侧边中部，且沿水平方向向内延伸；第三矩形槽在竖直方向上的宽度小于第二矩形槽。

进一步地，所述第一微带线和第三矩形槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域。

进一步地，所述第二阶梯槽包括在水平方向上互相连通的第四矩形槽和第五矩形槽，所述第四矩形槽设置于介质板的另一条竖直侧边边缘处，所述第五矩形槽连接于第四矩形槽水平方向上的内侧边中部，且沿水平方向向内延伸；第五矩形槽在竖直方向上的宽度小于第四矩形槽。

进一步地，所述第二微带线和第五矩形槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域。

进一步地，所述第一矩形槽在介质板上的投影与第一一分二等功分器、第一微带线和第二微带线互不交叉重叠；所述第一一分二等功分器、第一微带线或第二微带线从介质板的水平中轴线处经过的部分设置于介质板的一侧边附近，使得第一矩形槽在水平方向上尽可能获得最大的覆盖区域。

一种宽带垂直极化全向天线阵列，包括第一天线单元、第二天线单元、第六矩形槽、第二一分二等功分器、第二同轴电缆、第三同轴电缆和第四同轴电缆；所述第一天线单元和第二天线单元为以上所述的宽带垂直极化全向天线单元；

所述第一天线单元和第二天线单元设置于同一介质板上，且第一天线单元设置于第二天线单元的上方；

所述第六矩形槽蚀刻于第一天线单元和第二天线单元背面的金属地板上，且设置于第一天线单元和第二天线单元的交界处，第六矩形槽沿水平方向贯穿整个介质板，使得第一天线单元和第二天线单元的金属地板完全分离，用于改善天线阵列的不圆度；

所述第二一分二等功分器印刷于第二天线单元的正面；所述第二同轴电缆、第三同轴电缆和第四同轴电缆从第二天线单元的背面引入，第二同轴电缆、第三同轴电缆和第四同轴电缆的外导体与第二天线单元的金属地板焊接固定，第二同轴电缆的内导体穿过介质板后与第二一分二等功分器的输入端电性连接，第三同轴电缆和第四同轴电缆的内导体穿过介质板后分别与第二一分二等功分器的两个输出端电性连接；

第三同轴电缆与第一天线单元中的第一同轴电缆连接，用于激励第一天线单元；第四同轴电缆与第二天线单元中的第一同轴电缆连接，用于激励第二天线单元。

本发明中的天线单元仅由一个介质板、一个金属地板、一个一分二等功分器和两段微带线组成，通过两个关于天线中心对称分布的阶梯槽实现水平面上的全向辐射，并且在天线中部开槽以截断耦合电流，改善隔离度，同时有效降低了不圆度。天线单元的带宽覆盖1.35-3GHz，相对带宽达到71.2%，很好地实现了宽频带和全向辐射的特性。本发明的天线单元中的馈电网络和天线集成在同一块介质板上，使得天线结构简单而紧凑。

本发明的天线单元还能够进一步组成高增益的天线阵列。天线阵列由两个天线单元和一个一分二等功分器组成，通过在两个天线单元之间开槽能够进一步改善隔离度和不圆度，天线阵列的带宽同样能够覆盖1.35-3GHz频段，且同样具有低不圆度与良好的阻抗匹配，增益更加稳定。

综上，本发明通过简单、紧凑的结构实现了优秀的宽频带和全向辐射特性，在提高天线单元及天线阵列的集成度的同时，大幅降低了天线的制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种宽带垂直极化全向天线单元的结构示意图。

图2是本发明实施例一提供的一种宽带垂直极化全向天线单元的正面结构图。

图3是本发明实施例一提供的一种宽带垂直极化全向天线单元的背面结构图。

图4是用于与实施例一进行技术效果对照的对比例的结构示意图。

图5是本发明实施例一和对比例在中心频率下仿真得到的辐射方向图。

图6是本发明实施例二提供的一种宽带垂直极化全向天线阵列的结构示意图。

图7是本发明实施例二提供的一种宽带垂直极化全向天线阵列的正面结构示意图。

图8是本发明实施例二提供的一种宽带垂直极化全向天线阵列的背面结构示意图。

图9是本发明实施例一的天线仿真S参数图。

图10是本发明实施例一的天线单元和实施例二的天线阵列在中心频率下仿真得到的辐射方向图，其中，（a）为实施例一的天线单元在中心频率下仿真得到的辐射方向图，（b）为实施例二的天线阵列在中心频率下仿真得到的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

如图1至3所示，本发明实施例提供的一种宽带垂直极化全向天线单元，包括第一同轴电缆7、介质板1、第一一分二等功分器6、第一微带线19、第二微带线20和金属地板2。

所述介质板1呈矩形，且平行于竖直平面设置；第一一分二等功分器6、第一微带线19和第二微带线20印刷在介质板1的正面，金属地板2印刷在介质板1的背面，所述金属地板2上蚀刻有第一阶梯槽3、第二阶梯槽4和第一矩形槽5；

所述第一阶梯槽3设置于介质板1的一条竖直侧边边缘处且位于介质板1的上部，第二阶梯槽4设置于介质板1的另一条竖直侧边边缘处且位于介质板1的下部；第一阶梯槽3和第二阶梯槽4的形状相同，且关于介质板1的中心对称，用于共同实现水平方向上的全向辐射；所述第一矩形槽5设置于介质板1的水平中轴线上，用于改善天线的隔离度，进而优化不圆度；

所述第一同轴电缆7从介质板1的背面引入，第一同轴电缆7的外导体与金属地板2焊接固定，第一同轴电缆7的内导体穿过介质板1后与第一一分二等功分器6的输入端电性连接；第一一分二等功分器6的两个输出端分别连接第一微带线19和第二微带线20，所述第一微带线19和第一阶梯槽3在介质板1上的投影存在交叉重叠区域，所述第二微带线20和第二阶梯槽4在介质板1上的投影存在交叉重叠区域。

具体地，所述第一阶梯槽3包括在水平方向上互相连通的第二矩形槽和第三矩形槽，所述第二矩形槽设置于介质板1的一条竖直侧边边缘处，所述第三矩形槽连接于第二矩形槽水平方向上的内侧边中部，且沿水平方向向内延伸；第三矩形槽在竖直方向上的宽度小于第二矩形槽。所述第一微带线19和第三矩形槽在介质板1上的投影存在交叉重叠区域。

所述第二阶梯槽4包括在水平方向上互相连通的第四矩形槽和第五矩形槽，所述第四矩形槽设置于介质板1的另一条竖直侧边边缘处，所述第五矩形槽连接于第四矩形槽水平方向上的内侧边中部，且沿水平方向向内延伸；第五矩形槽在竖直方向上的宽度小于第四矩形槽。所述第二微带线20和第五矩形槽在介质板1上的投影存在交叉重叠区域。

对于第一阶梯槽3和第二阶梯槽4，通过调整两段矩形槽的宽度和长度，可以优化天线在不同频段下的阻抗匹配。优选地，在本实施例中，以第一阶梯槽3为例，第二矩形槽在水平方向上的长度为9.1mm，第二矩形槽在竖直方向上的宽度为12.8mm，第三矩形槽在水平方向上的长度为23mm，第三矩形槽在竖直方向上的宽度为2.4mm；对于第二阶梯槽4，第四矩形槽的尺寸与第二矩形槽相同，第五矩形槽的尺寸与第三矩形槽相同。基于以上的阶梯槽尺寸设计，天线工作频段为1.35-3GHz，能覆盖通信系统常用的2G/3G/LTE频段。

进一步地，所述第一矩形槽5在介质板1上的投影与第一一分二等功分器6、第一微带线19和第二微带线20均互不交叉重叠。作为改进，所述第一一分二等功分器6、第一微带线19或第二微带线20从介质板1的水平中轴线处经过的部分设置于介质板1的一侧边附近，即第一一分二等功分器6、第一微带线19或第二微带线20从第一矩形槽5旁边经过时尽量分布于介质板1的一侧边附近，使得第一矩形槽5在水平方向上尽可能获得最大的覆盖区域，以尽量提升天线隔离度。

本实施例中，激励信号从第一同轴电缆7输入，由第一一分二等功分器6进行等功率分配，分配后的信号分别通过第一微带线19和第二微带线20为天线馈电，并通过第一阶梯槽3和第二阶梯槽4共同实现水平方向上的全向辐射。

需要重点说明的是，在本实施例中，第一阶梯槽3由第二阶梯槽4绕天线中心旋转180°得到，两者关于介质板的中心对称。该结构设计的用意在于，单个阶梯槽的辐射会呈不均匀状态，具体表现为开槽一侧的辐射能量多、未开槽一侧的辐射能量少；如果按照本实施例的方案，将两个阶梯槽设置为关于天线中心旋转180°分布，则天线两侧的能量恰好互补，从而实现均匀辐射。

为验证本发明实施例的技术效果，提供以下对比例作为比照：如图4所示，对比例的结构与本实施例基本一致，仅仅将两个阶梯槽改为轴对称分布，即第一阶梯槽3和第二阶梯槽4设置于介质板的同一条竖直侧边边缘处，且第一阶梯槽3和第二阶梯槽4关于介质板的水平中轴线对称。

如图5所示，为本发明实施例和对比例在中心频率下仿真得到的辐射方向图。从图中可以明显看出，采用本发明实施例的中心对称式结构分布两个阶梯槽，天线的不圆度显著降低。相较于本发明实施例，如果采用对比例中的轴对称式结构分布两个阶梯槽，则相较于本发明实施例，天线的不圆度变差（增加）。

实施例二

如图6至图8所示，本发明实施例在实施例一的基础上提供了一种宽带垂直极化全向天线阵列。其具体包括第一天线单元9、第二天线单元10、第六矩形槽11、第二一分二等功分器12、第二同轴电缆13、第三同轴电缆14和第四同轴电缆15。其中，所述第一天线单元9和第二天线单元10为实施例一所述的宽带垂直极化全向天线单元，对于各天线单元的具体结构在此不再赘述。

所述第一天线单元9和第二天线单元10设置于同一介质板1上，且第一天线单元9设置于第二天线单元10的上方；

所述第六矩形槽11蚀刻于第一天线单元9和第二天线单元10背面的金属地板2上，且设置于第一天线单元9和第二天线单元10的交界处，第六矩形槽11沿水平方向贯穿整个介质板1，使得第一天线单元9和第二天线单元10的金属地板2完全分离，用于改善天线阵列的不圆度；

所述第二一分二等功分器12印刷于第二天线单元10的正面；所述第二同轴电缆13、第三同轴电缆14和第四同轴电缆15从第二天线单元10的背面引入，第二同轴电缆13、第三同轴电缆14和第四同轴电缆15的外导体与第二天线单元10的金属地板2焊接固定，第二同轴电缆13的内导体穿过介质板1后与第二一分二等功分器12的输入端电性连接，第三同轴电缆14和第四同轴电缆15的内导体穿过介质板1后分别与第二一分二等功分器12的两个输出端电性连接。

第三同轴电缆14与第一天线单元9中的第一同轴电缆7连接，用于激励第一天线单元9；第四同轴电缆15与第二天线单元10中的第一同轴电缆7连接，用于激励第二天线单元10。

本实施例中，激励信号从第二同轴电缆13输入，由第二一分二等功分器12进行等功率分配，分配后的信号分别从第三同轴电缆14和第四同轴电缆15输出。第三同轴电缆14输出的信号用于激励第一天线单元9，第四同轴电缆15输出的信号用于激励第二天线单元10。

请参照图9和图10。图9为本发明实施例一的天线仿真S参数图，从图中可以看出，实施例一中的天线反射系数小于-10 dB的频段可以覆盖1.35-3GHz，具有较宽的有效频段。

图 10中的（a）为本发明实施例一的天线单元在中心频率下仿真得到的辐射方向图，图10中的（b）为本发明实施例二的天线阵列在中心频率下仿真得到的辐射方向图。从图中可以看出，本发明提供的一种宽带垂直极化全向天线单元及天线阵列，能够在其覆盖的频段内保持相对良好的全向辐射模式。

本发明中的天线单元仅由一个介质板、一个金属地板、一个一分二等功分器和两段微带线组成，通过两个关于天线中心对称分布的阶梯槽实现水平面上的全向辐射，并且在天线中部开槽以截断耦合电流，改善隔离度，同时有效降低了不圆度。天线单元的带宽覆盖1.35-3GHz，相对带宽达到71.2%，很好地实现了宽频带和全向辐射的特性。本发明的天线单元中的馈电网络和天线集成在同一块介质板上，使得天线结构简单而紧凑。

本发明的天线单元还能够进一步组成高增益的天线阵列。天线阵列由两个天线单元和一个一分二等功分器组成，通过在两个天线单元之间开槽能够进一步改善隔离度和不圆度，天线阵列的带宽同样能够覆盖1.35-3GHz频段，且同样具有低不圆度与良好的阻抗匹配，增益更加稳定。

综上，本发明通过简单、紧凑的结构实现了优秀的宽频带和全向辐射特性，在提高天线单元及天线阵列的集成度的同时，大幅降低了天线的制造成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种宽带垂直极化全向天线单元，其特征在于，包括第一同轴电缆、介质板、第一一分二等功分器、第一微带线、第二微带线和金属地板；

所述介质板呈矩形，且平行于竖直平面设置；第一一分二等功分器、第一微带线和第二微带线印刷在介质板的正面，金属地板印刷在介质板的背面，所述金属地板上蚀刻有第一阶梯槽、第二阶梯槽和第一矩形槽；

所述第一阶梯槽设置于介质板的一条竖直侧边边缘处且位于介质板的上部，第二阶梯槽设置于介质板的另一条竖直侧边边缘处且位于介质板的下部；第一阶梯槽和第二阶梯槽的形状相同，且关于介质板的中心对称，用于共同实现水平方向上的全向辐射；所述第一矩形槽设置于介质板的水平中轴线上，用于改善天线的隔离度，进而优化不圆度；

所述第一同轴电缆从介质板的背面引入，第一同轴电缆的外导体与金属地板焊接固定，第一同轴电缆的内导体穿过介质板后与第一一分二等功分器的输入端电性连接；第一一分二等功分器的两个输出端分别连接第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和第一阶梯槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域，所述第二微带线和第二阶梯槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域。

2.根据权利要求1所述的宽带垂直极化全向天线单元，其特征在于，所述第一阶梯槽包括在水平方向上互相连通的第二矩形槽和第三矩形槽，所述第二矩形槽设置于介质板的一条竖直侧边边缘处，所述第三矩形槽连接于第二矩形槽水平方向上的内侧边中部，且沿水平方向向内延伸；第三矩形槽在竖直方向上的宽度小于第二矩形槽。

3.根据权利要求2所述的宽带垂直极化全向天线单元，其特征在于，所述第一微带线和第三矩形槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域。

4.根据权利要求1所述的宽带垂直极化全向天线单元，其特征在于，所述第二阶梯槽包括在水平方向上互相连通的第四矩形槽和第五矩形槽，所述第四矩形槽设置于介质板的另一条竖直侧边边缘处，所述第五矩形槽连接于第四矩形槽水平方向上的内侧边中部，且沿水平方向向内延伸；第五矩形槽在竖直方向上的宽度小于第四矩形槽。

5.根据权利要求4所述的宽带垂直极化全向天线单元，其特征在于，所述第二微带线和第五矩形槽在介质板上的投影存在交叉重叠区域。

6.根据权利要求1所述的宽带垂直极化全向天线单元，其特征在于，所述第一矩形槽在介质板上的投影与第一一分二等功分器、第一微带线和第二微带线互不交叉重叠；所述第一一分二等功分器、第一微带线或第二微带线从介质板的水平中轴线处经过的部分设置于介质板的一侧边附近，使得第一矩形槽在水平方向上尽可能获得最大的覆盖区域。

7.一种宽带垂直极化全向天线阵列，其特征在于，包括第一天线单元、第二天线单元、第六矩形槽、第二一分二等功分器、第二同轴电缆、第三同轴电缆和第四同轴电缆；所述第一天线单元和第二天线单元为权利要求1至6任一所述的宽带垂直极化全向天线单元；

所述第一天线单元和第二天线单元设置于同一介质板上，且第一天线单元设置于第二天线单元的上方；

所述第六矩形槽蚀刻于第一天线单元和第二天线单元背面的金属地板上，且设置于第一天线单元和第二天线单元的交界处，第六矩形槽沿水平方向贯穿整个介质板，使得第一天线单元和第二天线单元的金属地板完全分离，用于改善天线阵列的不圆度；

所述第二一分二等功分器印刷于第二天线单元的正面；所述第二同轴电缆、第三同轴电缆和第四同轴电缆从第二天线单元的背面引入，第二同轴电缆、第三同轴电缆和第四同轴电缆的外导体与第二天线单元的金属地板焊接固定，第二同轴电缆的内导体穿过介质板后与第二一分二等功分器的输入端电性连接，第三同轴电缆和第四同轴电缆的内导体穿过介质板后分别与第二一分二等功分器的两个输出端电性连接；

第三同轴电缆与第一天线单元中的第一同轴电缆连接，用于激励第一天线单元；第四同轴电缆与第二天线单元中的第一同轴电缆连接，用于激励第二天线单元。

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