CN117650371B - 一种超宽带定向高增益天线及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带定向高增益天线及制备方法。所述天线包括：第一基体、第二基体和设置在第一基体上的天线本体；第一基体包括第一支架、引向板和斜坡安装板，第二基体包括第二支架和盖板，第一基体和第二基体通过金属连接件连接，天线本体安装在斜坡安装板上；引向板为1/4圆弧的弧面，弧面的上端与天线本体的等效电流方向垂直；斜坡安装板的上端与引向板的下端相接，引向板的下端与盖板的相接；斜坡安装板表面相对于盖板表面倾斜第一角度，以使天线本体的发射信号的辐射方向与盖板表面平行。该天线采用分体结构，更方便加工，通过斜坡和引向板结构使天线发射信号的辐射方向沿需要的方向传播，并有效的提高了天线的增益。

Description

一种超宽带定向高增益天线及制备方法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，特别涉及一种超宽带定向高增益及制备方法。

背景技术

超宽带天线相对于常规的窄带天线而言，其频带宽度进行了极大的扩展。超宽带天线不仅具有极宽的工作频带和良好的阻抗匹配特性，还具有较小的群延时、良好的辐射性和较高的增益等特点。超宽带天线由于工作频带宽、通信容量大和小型化等优点而被广泛应用。

为了增加辐射功率的有效利用率，在某一个或某几个特定方向上发射及接收比较强的电磁波，则会考虑超宽带定向高增益天线，这种天线能够实现沿特定方向的辐射，但对天线的设计提出了更高的要求，目前，在超宽带定向高增益天线方面的研究还比较少，属于相对较为空白的一个技术领域，尤其是对于天线的加工和装配，如何在有限的区域内，保证天线的电连接性能，同时又能满足结构强度需求，且又要具备实际工程加工条件，这些都属于超宽带定向高增益天线技术落地实施过程中亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种超宽带定向高增益天线及制备方法。

本发明实施例提供一种超宽带定向高增益天线，包括：第一基体、第二基体和设置在第一基体上的天线本体；

所述第一基体包括第一支架、引向板和斜坡安装板，所述第二基体包括第二支架和盖板，所述第一基体和所述第二基体通过金属连接件连接，所述天线本体安装在所述斜坡安装板上；

所述引向板为1/4圆弧的弧面，所述弧面的上端与天线本体的等效电流方向垂直；

所述斜坡安装板的上端与所述引向板的下端相接，所述引向板的下端与所述盖板相接；

所述斜坡安装板的表面相对于所述盖板的表面倾斜第一角度，以使所述天线本体的发射信号的辐射方向与所述盖板的表面平行。

在一些可选的实施例中，所述天线本体设置多个，所述天线本体之间的间距为空间导波长的1/2。

在一些可选的实施例中，若不具有传输介质，所述空间导波长通过如下公式计算得到：

λ=C/f

若具有传输介质，所述空间导波长通过如下公式计算得到：

λg=C/（f×ε）

其中，C为光速，f为天线的谐振频率，ε为介质的相对介电常数。

在一些可选的实施例中，所述天线本体的高度不超过所述引向板弧面半径的一半；

所述天线本体在斜坡安装板上的安装高度大于天线辐射波波长；

所述天线本体的任意部分均不超出所述引向板和所述斜坡安装板的连接处。

在一些可选的实施例中，所述盖板的长度不大于5倍的所述斜坡安装板的长度。

在一些可选的实施例中，所述斜坡安装板的长度不等于天线辐射波的半波长的整数倍。

在一些可选的实施例中，所述第一角度根据天线本体的辐射方向和预设的辐射方向指标要求确定。

在一些可选的实施例中，所述第一角度等于预设的辐射方向指标要求与天线本体的辐射角度之差。

在一些可选的实施例中，上述天线还包括连接板，所述连接板用于安装所述天线本体，所述连接板安装于所述斜坡安装板上。

本发明实施例提供一种超宽带定向高增益天线制备方法，包括：

分别加工出第一基体和第二基体；所述第一基体包括第一支架、引向板和斜坡安装板，所述引向板为1/4圆弧的弧面，所述斜坡安装板的上端与所述引向板的下端相接；所述第二基体包括第二支架和盖板；

将所述第一基体和第二基体通过金属连接件连接起来，将天线本体安装在所述斜坡安装板上；

连接后，所述引向板的下端与所述盖板相接，所述弧面的上端与天线本体的等效电流方向垂直；所述斜坡安装板的表面相对于所述盖板的表面倾斜第一角度，以使所述天线本体的发射信号的辐射方向与所述盖板的表面平行。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的超宽带定向高增益天线，第一基体和第二基体采用分体结构，可以分别进行加工，从而满足加工设备的加工要求，使加工设备能够顺利加工出满足要求的第一基体和第二基体；该天线的第一基体上设有1/4圆弧的弧面引向板和斜坡安装板，从而使得安装在斜坡安装板上的天线本体的发射信号能够沿着与盖板平行的径向方向辐射；第一基体和第二基体之间通过金属连接件连接可以解决两个基体这种分体结构可能存在的不共地问题；且该结构设计能够有效地提高天线的增益。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中超宽带定向高增益天线的立体结构示意图之一；

图2为本发明实施例中超宽带定向高增益天线的立体结构示意图之二；

图3为本发明实施例中超宽带定向高增益天线的部分结构示意图；

图4为本发明实施例中超宽带定向高增益天线制备方法的流程图。

在附图中，

1、第一基体；2、第二基体；3、天线本体；4、连接板；

11、引向板；12、斜坡安装板；13、第一支架；

21、盖板；22、第二支架。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

目前对于超宽带定向高增益天线的研究是一项相对较为空白的技术领域，由于一般电子设备都致力于向更轻薄的方向发展，在这样复杂紧凑的应有环境中，为了适用于所有常规无线通讯系统，对于天线的设计提出了更高的要求。在有限区域内，既保证了天线的电连接性能，又满足了实际的结构强度需求，还能够符合实际工程加工的条件。由于一般电子设备具有相对平整的金属外壳，通常会要求天线沿着平行于地板的方向定向辐射。为了满足各种严苛的指标要求，需要设计一种新结构的小尺寸超宽带定向高增益天线。

在本发明实施例中，超宽带的定义通常指：绝对带宽＞500mhz，或者相对带宽＞20％，其中，相对带宽=（带宽上限-带宽下限）/中心频点。定向是指相对全向而言的，是指无线电波的辐射方向主要是沿着地板方向的径向进行辐射的。

在新结构天线的设计开发，本申请发明人基于满足各种指标要求的考虑，对天线的结构进行了重新设计，设计的天线包括基体和安装在基体上的天线本体，其中天线本体安装在基体中后部的一个斜坡面上，该斜坡面一端与一个可以作为地板的盖板相接并具有一定的夹角，此外该斜坡面另一端与设计成弧面的引向板相接，通过基体尾部的引向板可以对天线辐射向引向板一侧的信号进行反射，使其沿平行于地板的方向辐射，从而保证发射信号能够沿平行于地板的方向进行定向辐射。引向板通过导直角，末端垂直于天线所在平面，达到增强天线辐射的效果。

在这种技术的方案落地方面遇到了诸多困难，其中一种就是如何对这种天线形式进行加工，装配。基于此，对天线的设计，首先考虑了第一种方案：将安装天线的基体加工成一体结构，将对加工设备提出更高的要求，通用的数控机床（CNC）无法满足加工要求。因此，进一步考虑了第二种方案：将基体进行拆件，拆分成两个分体分别进行加工。拆件后的方案加工方便，一般的CNC能够满足加工要求，但又会带来一系列的问题。

本发明实施例提供的超宽带定向高增益天线采用拆分式结构，以满足加工条件要求，同时，再拆分结构的基础上，解决了拆分结构可能存在的一些列问题，实现天线的发射信号沿着地板方向的径向辐射。本发明实施例提供的超宽带定向高增益天线，其结构参见图1-图3所示，其中图1、图2分别为一种天线不同视角的立体结构示意图，图3为一种天线的一个局部示意图，该天线包括：第一基体1、第二基体2和设置在第一基体上的天线本体3；

第一基体1包括第一支架13、引向板11和斜坡安装板12，第二基体2包括第二支架22和盖板21，第一基体1和第二基体2通过金属连接件连接，天线本体3安装在斜坡安装板12上；

引向板11为1/4圆弧的弧面，弧面的上端与天线本体3的等效电流方向垂直；

斜坡安装板12的上端与引向板11的下端相接，引向板11的下端与盖板21相接；

斜坡安装板12表面相对于盖板21表面倾斜第一角度，以使天线本体3的发射信号的辐射方向与盖板21表面平行。

上述天线超宽带定向高增益天线，充分考虑了天线性能、结构强度、加工条件和拆件后的各种需要解决的问题。

天线的传输线一般焊接在天线的馈电位置，为了避免传输线的非平衡性对天线产生影响，需要使同轴线的准TEM模方向与天线的主波束方向垂直。在本实施例中，同轴线穿过斜坡安装板，从第一基体底部的空腔内向上焊接，以解决该问题。准TEM模方向与天线的主波束方向垂直可以使得天线的主波束，也就是发射信号的主要传输方向与地板基本平行。

在使用具有引向板、斜坡安装板的基体结构来实现天线定向辐射的过程中，还需要解决以下问题：

①引向板的倒角对于天线性能影响较大，引向板一定程度上决定了天线的波束指向。

以结构上说，为了保证天线的波束指向，例如，需要沿着径向，也就是图1中右侧作为地板的盖板的方向，天线需要设计在斜坡上，以尽量将天线的波束向下落，这时，基体上设计了引向板，放置天线本体的斜坡安装板，作为主地板的盖板，这3个部分设计不同的倾角难以加工，尤其是引向板，不能设计成与斜坡垂直，只能设计成与盖板垂直。

②板间连接无法实现

为了将天线结构与射频等模块做连接，本发明采用的是同轴线穿孔到基体内部的方法，由于天线本体3安装在斜坡安装板12上，可能是直接安装在斜坡安装板12上，也可能是通过一个连接板4安装在斜坡安装板12上，所以天线本体3和斜坡安装板12是紧密相连的关系，可以视为是一体的，这就导致内部走线时会有与斜坡安装板存在角度而出现一些困难。

为了解决上面的问题，在对天线基体进行加工时，进行拆件处理，将包括斜坡安装板与引向板的第一基体部分一起加工，而包括盖板的第二基体部分单独加工，会更好，一方面可以方便的满足加工条件要求，使一般的CNC都能够进行加工工，另一方面拆件处理后同轴线可以在这个拆件的下方出线，更容易装配。

同时，由于拆件处理后可能出现第一基体部分和第二基体部分不共地，当天线涉及跨两个基体的地板的电流时，会存在问题，因此需要在天线基体的设计上进行更多的考虑，例如增添了以下限制条件：1）天线本体自身带参考地，即天线本体有到地的连接位；2）天线发射信号的的辐射方向与主地板无关，可以粗略理解为，天线的主要辐射方向只由自身和引向器的电流决定。这引申为以下几点：

天线的辐射场在朝向主地板的方向明显减弱，由于本发明的天线是定向天线，而非辐射方向360度平等覆盖的全向天线，因此需要保证天线发射信号的主要传播方向沿着地板的方向被明显增强，而垂直地板的方向要明显减弱，且不受主地板存在与否的影响。

基于上述考虑，本发明实施例提供的超宽带定向高增益天线，第一基体和第二基体采用分体结构，可以分别进行加工，从而满足加工设备的加工要求，使加工设备能够顺利加工出满足要求的第一基体和第二基体；该天线的第一基体上设有1/4圆弧的弧面引向板和斜坡安装板，圆弧的末端与天线本体垂直，从而使得安装在斜坡安装板上的天线本体的发射信号能够沿着与盖板平行的径向方向辐射；第一基体和第二基体之间通过金属连接件连接可以解决两个基体这种分体结构可能存在的不共地问题；且该结构设计能够有效地提高天线的增益。此外，在天线的各个组成部分的设计过程中，还对相关参数进行了合理设计：

在一些可选的实施例中，天线本体3设置多个，参见图1所示的以三个为例，天线本体3的形状可以根据需要设计，图1中仅以方块进行示例，在设置有多个天线本体3时，为了实现天线本体3之间的同频工作，则需要合理设计天线本体3之间的距离，本发明实施例中，天线本体3之间的间距为空间导波长的1/2。

若不具有传输介质，空间导波长通过如下公式计算得到：

λ=C/f

若具有传输介质，空间导波长通过如下公式计算得到：

λg=C/（f×ε）

其中，C为光速，f为天线的谐振频率，ε为介质的相对介电常数。

在一些可选的实施例中，除了设计有弧面的引向板11以外，为了保证辐射方向，天线本体3需要抬高做在坡面上，对于天线本体3的高度也通过测试和实验进行了优化设计：

较佳的，天线本体3的高度不超过引向板11弧面半径的一半；也就是说，天线本体3的高度不超过圆弧的一半，从而更好的保证圆弧的反射效果。

较佳的，天线本体3在斜坡安装板12上的安装高度大于天线辐射波波长；本发明实施例中，天线本体3所架设的高度最少高于一倍的辐射波波长，否则斜坡安装板12的斜坡部分相当于遮盖并反射了天线本体的辐射波束，造成波束上抬。

较佳的，天线本体3的任意部分均不超出引向板11和斜坡安装板12的连接处。将天线本体3、引向板11、斜坡安装板12等投影到垂直于斜坡安装板12的平面上后，天线本体3的投影不能与引向板11的圆弧重合，即，天线本体3的任何部分不超过斜坡安装板12和引向板11的圆弧的接缝处。

在一些可选的实施例中，盖板21的长度对于辐射性能也是有影响的，因此也需要和力设计盖板的长度，太长的盖板会使地板所造成的辐射成为性能的主要贡献部分，较佳的，盖板21的长度不大于5倍的斜坡安装板12的长度。

在一些可选的实施例中，天线所使用的是共模辐射，斜坡安装板12与盖板21所造成的影响也是共模的，为了保证其对天线没有影响，斜坡安装板12的远端到盖板21接缝处的距离不能为天线辐射波的半波长的整数倍，否则斜坡的谐波分量会进到天线带内；也就是说，斜坡安装板12的长度不等于天线辐射波的半波长的整数倍。

在一些可选的实施例中，天线本体3所在的斜坡安装板12的斜面与盖板平面的第一角度关系也需要符合一定的要求，本发明实施例中，第一角度根据天线本体3的辐射方向和预设的辐射方向指标要求确定。

假设天线本体3的发射信号辐射方向为A，天线的辐射方向指标要求为B，当天线本体的发射信号辐射方向达不到指标要求时，需要将天线本体斜向放置来保证辐射方向满足指标要求，通常斜向放置B-A的角度。当天线本体架设在斜面时，其辐射方向往往不会提升B-A这样的数量，因此就需要适当设计天线所在的高度，以及斜坡安装板的斜坡平面与盖板平面的比例。较佳的，第一角度等于预设的辐射方向指标要求与天线本体3的辐射角度之差。在实际应用中，根据实际发射信号的波束效果，可以在B-A的基础上轻微调整角度进行优化。

在一些可选的实施例中，上述超宽带定向高增益天线还包括连接板4，连接板4用于安装天线本体3，连接板4安装于斜坡安装板12上。

基体拆件以后，加工更容易实现，但第一基体和第二基体的分体设置，使得天线本体、斜坡安装板、引向板等与盖板之间的电连接关系发生了变化，这就要求拆件后的天线对于电连接不敏感，或拆件后的天线电连接与一体设计的结构保持相同的效果。本发明实施例中采用金属连接件连接第一基体和第二基体，例如可以采用螺钉连接，此外合理设计螺钉的位置，从而使得拆件后的天线电连接与一体设计的结构保持相同的效果，第一基体上的天线和其他结构、第二基体上的盖板是否接地产生的影响基本可以忽略，也就是，无论接地好与不好，天线性能都不会受影响。

此外，该超宽带定向高增益天线的天线本体上设置参考地，从而进一步避免第一基体和第二基体不共地所带来的问题。

本实施例的上述超宽带定向高增益天线，在超宽带的基础上，实现了共形设计，降低了整体剖面。其采用分体设计，其引向板采用90度的R角设计，并于下边的支架等结构件一起加工，从而更容易符合加工条件要求。

本发明实施例还提供超宽带定向高增益天线制备方法，其流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤S101：分别加工出第一基体和第二基体。

其中，第一基体包括第一支架、引向板和斜坡安装板，引向板为1/4圆弧的弧面，斜坡安装板的上端与引向板的下端相接；第二基体包括第二支架和盖板。

步骤S102：将第一基体和第二基体通过金属连接件连接起来，将天线本体安装在斜坡安装板上。

连接后，引向板的下端与盖板相接，弧面的上端与天线本体的等效电流方向垂直；斜坡安装板表面相对于盖板表面倾斜第一角度，以使天线本体的发射信号的辐射方向与盖板表面平行。

关于上述实施例中的方法，其中各个步骤的具体实现过程，在上述天线的相关描述中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

除非另外具体陈述，术语比如处理、计算、运算、确定、显示等等可以指一个或更多个处理或者计算系统、或类似设备的动作和/或过程，所述动作和/或过程将表示为处理系统的寄存器或存储器内的物理(如电子)量的数据操作和转换成为类似地表示为处理系统的存储器、寄存器或者其他此类信息存储、发射或者显示设备内的物理量的其他数据。信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任何一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。

对于软件实现，本申请中描述的技术可用执行本申请所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims (9)

1.一种超宽带定向高增益天线，其特征在于，包括：第一基体、第二基体和设置在第一基体上的天线本体；

所述第一基体包括第一支架、引向板和斜坡安装板，所述第二基体包括第二支架和盖板，所述第一基体和所述第二基体通过金属连接件连接，所述天线本体安装在所述斜坡安装板上；

所述引向板为1/4圆弧的弧面，所述弧面的上端与天线本体的等效电流方向垂直；

所述斜坡安装板的上端与所述引向板的下端相接，所述引向板的下端与所述盖板的相接；

所述斜坡安装板表面相对于所述盖板表面倾斜第一角度，以使所述天线本体的发射信号的辐射方向与所述盖板表面平行；

所述天线本体的高度不超过所述引向板弧面半径的一半；

所述天线本体在斜坡安装板上的安装高度大于天线辐射波波长；

所述第一角度根据天线本体的辐射方向和预设的辐射方向指标要求确定。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线本体设置多个，所述天线本体之间的间距为空间导波长的1/2。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，若不具有传输介质，所述空间导波长通过如下公式计算得到：

λ=C/f

若具有传输介质，所述空间导波长通过如下公式计算得到：

λg=C/（f×ε）

其中，C为光速，f为天线的谐振频率，ε为介质的相对介电常数。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线本体的任意部分均不超出所述引向板和所述斜坡安装板的连接处。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述盖板的长度不大于5倍的所述斜坡安装板的长度。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述斜坡安装板的长度不等于天线辐射波的半波长的整数倍。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，所述第一角度等于预设的辐射方向指标要求与天线本体的辐射角度之差。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，还包括连接板，所述连接板用于安装所述天线本体，所述连接板安装于所述斜坡安装板上。

9.一种超宽带定向高增益天线制备方法，其特征在于，包括：

分别加工出第一基体和第二基体；所述第一基体包括第一支架、引向板和斜坡安装板，所述引向板为1/4圆弧的弧面，所述斜坡安装板的上端与所述引向板的下端相接；所述第二基体包括第二支架和盖板；

将所述第一基体和第二基体通过金属连接件连接起来，将天线本体安装在所述斜坡安装板上；

连接后，所述引向板的下端与所述盖板的相接，所述弧面的上端与天线本体的等效电流方向垂直；所述斜坡安装板表面相对于所述盖板表面倾斜第一角度，以使所述天线本体的发射信号的辐射方向与所述盖板表面平行；

所述天线本体的高度不超过所述引向板弧面半径的一半；

所述天线本体在斜坡安装板上的安装高度大于天线辐射波波长；

所述第一角度根据天线本体的辐射方向和预设的辐射方向指标要求确定。