CN117175197A - 一种宽带双频多模全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带双频多模全向天线，包括依次层叠的圆形辐射贴片、介质层和金属地板；所述介质层上表面为圆形辐射贴片，下表面为金属地板；所述圆形辐射贴片分为内部圆形辐射贴片和外部环形辐射贴片，位于内部圆形辐射贴片和外部环形辐射贴片之间的间隙设置环形缝隙和环形金属墙；所述内部圆形辐射贴片的中心设置同轴探针和弧形缝隙，同轴探针用于抑制非全向模式的产生，同时激励出全向模式，所述内部圆形辐射贴片蚀刻用于阻抗匹配的弧形缝隙。本发明改善了畸变的高次模方向图，具有结构简单、双频宽带以及全向辐射的特点。
Description
技术领域
本发明属于室内移动通信技术领域，具体涉及一种宽带双频多模全向天线。
背景技术
在室内移动通信系统中，室内分布系统终端的无源器件一般为全向天线，天线一般吸附在天花板上，考虑到实际应用，单频全向天线已经很难满足应用需求，因此，多频段、宽带化、辐射特性良好的全向天线是当前研究的热点。微带天线具有重量轻、易集成、易加工等特点，然而，传统的微带天线具有窄带宽，不能满足其应用。
现有技术中，申请文件CN 109546335 B中，公开了通过层叠的两层辐射结构实现天线的宽频带；申请文件CN 114361773 A中，公开了通过在交叉的基板边缘引入渐变槽的辐射实现天线宽带化。上述天线存在剖面较高、安装难度大、馈电结构复杂等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种宽带双频多模全向天线，基于腔体理论分析和多模融合的思想，改善了畸变的高次模方向图，具有结构简单、双频宽带以及全向辐射的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种宽带双频多模全向天线，包括依次层叠的圆形辐射贴片、介质层和金属地板；
所述圆形辐射贴片包括同心的内部圆形辐射贴片和外部环形辐射贴片内部圆形辐射贴片的外沿与外部环形辐射贴片的内沿之间具有间隙，在该间隙内设置环形金属墙，且所述环形金属墙与外部环形辐射贴片的内沿之间具有环形缝隙；同轴探针贯穿内部圆形辐射贴片的中心设置，在内部圆形辐射贴片蚀刻有中心对称的若干弧形缝隙，同轴探针用于抑制非全向模式的产生，同时激励出全向模式，弧形缝隙用于阻抗匹配。
所述环形金属墙内侧紧贴着内部圆形辐射贴片，外侧与外部环形辐射贴片间隔环形缝隙，底部紧接着介质层上层，上部超过内部圆形辐射贴片和外部环形辐射贴片一定高度。
所述弧形缝隙设置四个，环绕形成一个十字型；所述弧形缝隙为扇形结构。
所述介质层上加载用于阻抗匹配和改善方向图的环形金属墙。
所述内部圆形辐射贴片和外部环形辐射贴片的间隙安装用于展宽频带宽度的环形缝隙；所述介质层上加载用于阻抗匹配和改善方向图的环形金属墙。
所述弧形缝隙与环形缝隙保持在同一水平面上，围绕内部圆形金属贴片中心依次旋转并蚀刻，旋转角度为90°。
所述同轴探针的位置位于四组弧形缝隙的中心，用于向圆形辐射贴片直接馈电。
所述内部圆形辐射贴片、外部环形辐射贴片、环形缝隙和环形金属墙共圆心。
所述环形金属墙的宽度小于所述外部环形辐射贴片的内半径与所述内部圆形辐射贴片的内半径之差，用于改善天线的高频辐射方向图。
所述环形金属墙顶部设置安装孔，安装孔为四个，旋转对称放置，分别位于水平轴和垂直轴上。
所述环形缝隙的宽度等于所述外部环形辐射贴片的内半径与所述内部圆形辐射贴片的内半径之差减去所述环形金属墙的宽度。
所述外部环形辐射贴片的外径小于所述介质层和所述金属地板的外径。
所述介质层和所述金属地板的外径相等。
所述环形金属墙的高度为Hr，安装在介质层上，所述同轴探针内导体与内部圆形辐射贴片连接，其外导体与所述金属地板连接；所述金属地板呈圆形，直径为Rg；所述安装孔为非金属化过孔；所述介质层由介质板构成，所述介质板的厚度为H，相对介电常数为εr，其中，1.26λ0≤Rg≤1.35λ0，0.04λ≤R≤0.1λ，0.02λ0＜H＜0.03λ0，2.7≤εr≤3.2；其中，天线工作频段的中心频率自由空间波长为λ0；所述内部圆形辐射贴片的直径R1，所述外部环形辐射贴片的直径R2，其中0.71λ0≤R1≤0.74λ0，1.22λ0≤R2≤1.3λ0；所述环形缝隙的宽度为Rs，其中0.04λ0≤Rs≤0.05λ0；
所述环形金属墙的宽度为Rr，高度为Hr，其中0.04λ0≤Rr≤0.1λ0，0.03λ0≤Hr≤0.07λ0。
所述弧形缝隙内部边缘距离圆心的长度为R3，所述弧形缝隙内部边缘距离外部边缘的长度为R4，所述弧形缝隙张开的角度为α；其中0.018λ0≤R3≤0.027λ0，0.05λ0≤R4≤0.08λ0，25°≤α≤43°。
本发明的有益效果：
本发明在圆形贴片中心处馈电抑制非全向模式的产生，仅仅激励出全向模式；利用切割环形缝隙调控谐振点以展宽工作频带；通过加载环形金属墙改善天线的阻抗和方向图；在辐射贴片上切割弧形缝隙进一步改善天线的阻抗以实现阻抗匹配。最终天线工作在双频下，具有宽带全向的特点。
附图说明
图1为本发明的一种宽带双频全向微带天线的剖面结构示意图。
图2为本发明的一种宽带双频全向微带天线的俯视图。
图3为本发明的一种宽带双频全向微带天线的3D结构图。
图4是本发明一种宽带双频全向微带天线的仿真和实测的回波损耗曲线图。
图5(a)本发明一种宽带双频全向微带天线的在2.7GHz处仿真和测试的XOZ面辐射方向图；图5(b)是本发明一种宽带双频全向微带天线的在2.7GHz处仿真和测试的XOY面辐射方向图。
图6(a)是本发明一种宽带双频全向微带天线的在5.4GHz处仿真和测试的XOZ面辐射方向图；图6(b)是本发明一种宽带双频全向微带天线的在5.4GHz处仿真和测试的XOY面辐射方向图。
图7是本发明一种宽带双频全向微带天线的仿真和实测的峰值增益曲线图。
其中，图1至图3中，1-介质层，2-内部圆形辐射贴片，3-外部环形辐射贴片，4-环形缝隙，5-环形金属墙，6-弧形缝隙，7-安装孔，8-同轴探针，9-金属地板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
请参阅图1、图2和图3，一种宽带双频多模全向天线，基于腔体理论分析和多模融合的思想，包括依次层叠的内部圆形辐射贴片2及外部环形辐射贴片3、介质层1和金属地板9；还包括安装孔7和同轴探针8；所述圆形辐射贴片2及环形辐射贴片3被环形缝隙4和环形金属墙5分割；所述环形金属墙5的底部位于介质层的上层，并与辐射贴片保持在同一水平面上同时超出一定高度；所述环形金属墙5的内侧紧贴内部圆形辐射贴片2的边缘，外侧与外部环形辐射贴片3的内测边缘相隔一段间隙，即环形缝隙4；所述弧形缝隙6围绕圆心均匀旋转分布；安装孔7和同轴探针8均为非金属化通孔。
同轴探针8加载在圆形辐射贴片的中心用于抑制非全向模式的产生，仅在所设计的低频段和所设计的高频段依次激励出天线的全向模式CM1、CM2、CM3、CM4。所述4个模式的电场方向均只在辐射贴片径向发生改变。环形缝隙4蚀刻在CM2和CM4的电场零点处，用于延长CM2和CM4的电流路径从而降低这两个模式的谐振频率使其分别靠近CM1和CM3，从而达到在双频工作下拓宽工作频带的目的。环形金属墙5用于改变高次模式CM3和CM4的电流分布，将原本在水平方向反向的电流牵引到垂直安装的环形金属墙上，从而抑制电流在水平方向的对消，进而提升高频辐射方向图凹坑的增益。此外，通过调控环形金属墙5的高度可以减小高频处的辐射凹坑。弧形缝隙6相当于馈电点附近并联小电容，用于改善天线的容感性从而实现天线的阻抗匹配。
实施例2
在上述结构基础上，所述同轴探针8的位置位于圆形辐射贴片的中心以激励出天线的全向模式同时抑制非全向模式的产生。
实施例3
在上述结构基础上，所述内部圆形辐射贴片2、外部环形辐射贴片3、环形缝隙4、环形金属墙5共圆心，保证了天线结构的对称性。
实施例4
在上述结构基础上，所述环形金属墙5的宽度小于所述外部环形辐射贴片3的内半径与所述内部圆形辐射贴片2的内半径之差，所述环形金属墙5用于改善高频辐射方向图。
实施例5
在上述结构基础上，所述环形缝隙4的宽度恰好等于所述外部环形辐射贴片3的内半径与所述内部圆形辐射贴片2的内半径之差减去所述环形金属墙5的宽度。所述环形缝隙4用于实现天线的宽频带工作性能。
实施例6
在上述结构基础上，所述外部环形辐射贴片3的外径小于所述介质层1和所述金属地板9的外径，以便将辐射贴片印刷在介质层上。
实施例7
在上述结构基础上，所述介质层1和所述金属地板9的外径相等。
实施例8
在上述结构基础上，所述环形金属墙5的高度为Hr，安装在介质层上。
实施例9
在上述结构基础上，所述同轴探针8的馈电接头内导体与所述内部圆形辐射贴片2连接，其外导体与所述金属地板9连接；所述金属地板9呈圆形，直径为Rg；所述安装孔7为非金属化过孔，半径为R；所述介质层1由介质板构成，所述介质板的厚度为H，相对介电常数为εr，其中，1.26λ0≤Rg≤1.35λ0，0.04λ≤R≤0.1λ，0.02λ0＜H＜0.03λ0λ，2.7≤εr≤3.2。
试验例
一种宽带双频多模全向天线，包括依次层叠的圆形辐射贴片(包括被环形缝隙4和环形金属墙5分隔开的内部圆形辐射贴片2和外部环形辐射贴片3)、介质层1和金属地板9；还包括同轴探针8、环形金属墙5以及安装孔7。所述圆形辐射贴片2分别蚀刻用于展宽频带宽度的环形缝隙4和用于阻抗匹配的弧形缝隙6，所述介质层1上加载用于阻抗匹配和改善方向图的环形金属墙5，所述介质层1设计用于安装环形金属墙5的安装孔7，所述圆形辐射贴片2采用同轴探针8直接馈电以激励出所需的全向模式。所述金属贴片印刷在介质基板的上表面，所述金属地板印刷在介质基板的下表面，内部圆形辐射贴片2的直径R1，外部环形辐射贴片3的宽度R2；所述环形缝隙圆心位于贴片中心，宽度为Rs，将圆形辐射贴片分割为内部圆形辐射贴片2和外部环形辐射贴片3两个部分；所述环形金属墙位于金属贴片的缝隙间，宽度为Rr，内侧紧贴着圆形辐射贴片，外侧与环形辐射贴片间隔一定空隙。底部紧接着介质层上层，上部超过介质基板一定高度Hr；所述弧形缝隙6共包含四组，与环形缝隙4保持在同一水平面上，围绕圆形金属贴片中心依次旋转并蚀刻，旋转角度为90°，弧形缝隙内部边缘距离圆心的长度为R3，所述弧形缝隙6内部边缘距离外部边缘的长度为R4，张开的角度为α；环形金属墙5有四个用来安装固定安装孔，旋转对称放置；所述馈电接头为同轴接头，其内导体与所述微带连接，其外导体与所述金属地板连接；所述金属地板呈圆形，直径为Rg；所述介质板的厚度为H，相对介电常数为εr。其中，其中0.71λ0≤R1≤0.74λ0，1.22λ0≤R2≤1.3λ0，0.04λ0≤Rs≤0.05λ0，0.04λ0≤Rr≤0.1λ0，0.03λ0≤Hr≤0.07λ0，0.018λ0≤R3≤0.027λ0，0.05λ0≤R4≤0.08λ0，25°≤α≤43°，2.7≤εr≤3.2。
为进一步论述本发明的有益效果，利用仿真软件和测试方法对以上试验例天线的端口反射系数、天线方向图及增益进行仿真和测试，测试结果如图4至图7所示。
图4为对试验例天线仿真和测试得到的端口反射系数随工作频率变化的曲线。从图4中可以看出，在低频和高频均出现了双谐振，同时端口表现出良好的宽带特性。仿真结果中端口反射系数低于-10dB的低频频段为2.50GHz-2.90GHz，即阻抗带宽为13.8％，端口反射系数低于-10dB的高频频段为4.93GHz-5.74GHz，即阻抗带宽为14.1％；测试结果中端口反射系数低于-10dB的低频频段为2.58GHz-2.92GHz，即阻抗带宽为11.9％，端口反射系数低于-10dB的高频频段为5.10GHz-5.79GHz，即阻抗带宽为12.5％。所测得的结果与仿真结果吻合较好，很好地实现了多模融合的全向天线的双频宽带的工作特性。
图5为试验例的仿真和测试时的低频的XOZ面和XOY面的方向图，其中，(a)为在2.7GHz处的XOZ面的仿真和测试结果；(b)为在2.7GHz处的XOY面的仿真和测试结果。由图可知，仿真与测试的主极化方向图基本基本上一致，并获得了良好的交叉极化，天线在低频段的XOY面获得了全向的辐射方向图。
图6为试验例的仿真和测试时的低频的XOZ面和XOY面的方向图，其中，(a)为在5.4GHz处的XOZ面的仿真和测试结果；(b)为在5.4GHz处的XOY面的仿真和测试结果。从图6中可以看出，仿真与测试的主极化方向图基本基本上一致，天线在高频段的XOY面获得了全向的辐射方向图。
图7为对试验例天线进行仿真和测试的增益，如图所示，在2.63GHz-2.89GHz频带范围内，仿真的平均峰值增益为6.4dBi，测试的平均增益为5.6dBi；在5.18GHz-5.72GHz频带范围内，仿真的平均峰值增益为3.8dBi，测试的平均增益为3.7dBi。
综上所述，本发明提供的一种宽带双频多模全向天线，同轴馈电位于贴片的中心用于抑制非全向模式的产生，仅在所涉及的低频段和高频段依次激励出天线的全向模式CM1、CM2、CM3、CM4。环形缝隙4蚀刻在CM2和CM4的电场零点处，用于延长CM2和CM4的电流路径从而降低这两个模式的谐振频率使其分别靠近CM1和CM3，从而在双频工作下拓宽工作频带；弧形缝隙6分布在馈电点周围以引入并联电容实现对天线阻抗匹配，通过调整弧形缝隙6的参数使得天线在所设计的双频下能够获得低于-10dB的反射系数；环形金属墙5用来减小天线高频工作时的辐射凹坑，通过改变CM3和CM4的电流分布，将原本在水平方向反向的电流牵引到垂直安装的环形金属墙5上，从而抑制电流在水平方向的对消，进而提升高次模式的辐射凹坑增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，包括依次层叠的圆形辐射贴片、介质层(1)和金属地板(9)；
所述圆形辐射贴片包括同心的内部圆形辐射贴片(2)和外部环形辐射贴片(3)，内部圆形辐射贴片(2)的外沿与外部环形辐射贴片(3)的内沿之间具有间隙，在该间隙内设置环形金属墙(5)，且所述环形金属墙(5)与外部环形辐射贴片(3)的内沿之间具有环形缝隙(4)；同轴探针(8)贯穿内部圆形辐射贴片(2)的中心设置，在内部圆形辐射贴片(2)蚀刻有中心对称的若干弧形缝隙(6)，同轴探针(8)用于抑制非全向模式的产生，同时激励出全向模式，弧形缝隙(6)用于阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述环形金属墙(5)内侧紧贴着内部圆形辐射贴片(2)，外侧与外部环形辐射贴片(3)间隔环形缝隙(4)，底部紧接着介质层(1)上层，上部超过内部圆形辐射贴片(2)和外部环形辐射贴片(3)一定高度。
3.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述弧形缝隙(6)设置四个，弧形缝隙(6)为扇形结构。
4.根据权利要求3所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述弧形缝隙(6)与环形缝隙(4)保持在同一水平面上，围绕内部圆形金属贴片(2)中心依次旋转并蚀刻，旋转角度为90°。
5.根据权利要求4所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述同轴探针(8)的位置位于四组弧形缝隙(6)的中心，用于向圆形辐射贴片直接馈电。
6.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述内部圆形辐射贴片(2)、外部环形辐射贴片(3)、环形缝隙(4)和环形金属墙(5)共圆心。
7.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述环形金属墙(5)的宽度小于所述外部环形辐射贴片(3)的内半径与所述内部圆形辐射贴片(2)的内半径之差，用于改善天线的高频辐射方向图；
所述环形金属墙(5)顶部设置安装孔(7)，安装孔(7)为四个，旋转对称放置，分别位于水平轴和垂直轴上；
所述环形缝隙(4)的宽度等于所述外部环形辐射贴片(3)的内半径与所述内部圆形辐射贴片(2)的内半径之差减去所述环形金属墙(5)的宽度。
8.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述外部环形辐射贴片(3)的外径小于所述介质层(1)和所述金属地板(9)的外径；
所述介质层(1)和所述金属地板(9)的外径相等。
9.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述环形金属墙(5)的高度为Hr，安装在介质层(1)上，所述同轴探针(8)内导体与内部圆形辐射贴片(2)连接，其外导体与所述金属地板(9)连接；所述金属地板(9)呈圆形，直径为Rg；所述安装孔(7)为非金属化过孔；所述介质层(1)由介质板构成，所述介质板的厚度为H，相对介电常数为εr，其中，1.26λ0≤Rg≤1.35λ0，0.04λ≤R≤0.1λ，0.02λ0＜H＜0.03λ0，2.7≤εr≤3.2；其中，天线工作频段的中心频率自由空间波长为λ0；所述内部圆形辐射贴片(2)的直径R1，所述外部环形辐射贴片(3)的直径R2，其中0.71λ0≤R1≤0.74λ0，1.22λ0≤R2≤1.3λ0；所述环形缝隙(4)的宽度为Rs，其中0.04λ0≤Rs≤0.05λ0；
所述环形金属墙(5)的宽度为Rr，高度为Hr，其中0.04λ0≤Rr≤0.1λ0，0.03λ0≤Hr≤0.07λ0。
10.根据权利要求1所述的一种宽带双频多模全向天线，其特征在于，所述弧形缝隙(6)内部边缘距离圆心的长度为R3，所述弧形缝隙(6)内部边缘距离外部边缘的长度为R4，所述弧形缝隙(6)张开的角度为α；其中0.018λ0≤R3≤0.027λ0，0.05λ0≤R4≤0.08λ0，25°≤α≤43°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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