CN209119342U - 一种全向宽波束平板天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种全向性、宽波束辐射的新型平板天线，包括印制电路板基板、馈源、平板天线上臂、平板天线下臂、平板天线左臂和平板天线右臂，所述馈源设置于印制电路板基板中心位置，其特征在于所述全向宽波束平板天线采用异形四臂偶极子形式结构，本实用新型通过利用三角锥型+阶梯方形结构实现异形四臂偶极子结构，并通过适当的耦合带及匹配带改善天线辐射性能，从而实现天线的全向宽波束设计；本实用新型具有地剖面、简单易实现等特点，其大于128°3dB波束的宽波束特性可覆盖360°所有E面，对需要远程通讯传输的LoRa天线有着很强的适用性。

Description

一种全向宽波束平板天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种全向性、宽波束辐射的新型平板天线。

背景技术

LoRa技术是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，应用于物联网产业链中的远距离传输应用。LoRa终端节点可以是生活中常用的各种设备，比如水表气表、烟雾报警器等等。因LoRa网络组网成本较低，不少企业会利用LoRa技术搭建小型私用网络，利用星型拓扑结构的网络架构，连接各终端节点与后端网关。LoRa技术主要针对远距离长程通信，且所有终端节点通信都是双向的，因此全向宽波束天线设计在LoRa通讯网络设备的设计规划中尤为重要。常规宽波束天线实现有三种。第一种采用普通偶极子实现，天线不能实现全E向宽波束，只能在某一剖面实现3dB波束角大于120°。第二种采用微带天线实现，鉴于915MHz为低频频段，波长较长，为了减小天线总体积一般采用陶瓷介质基材实现。陶瓷介质基材价格比较贵，介质损耗比较大。第三种方式采用四臂螺旋形式，或者类似四臂螺旋的多垂直天线阵实现，虽然天线3dB波束宽度可以达到120°全向宽波束，但天线不能实现地剖面，所需高度较高，并且需要设计复杂、占用面积大的馈电网络。本实用新型设计了一种LoRa 915MHz频段的全向宽波束平板天线，天线采用独特的异形四臂偶极子形式设计，可以实现天线地剖面简单设计。本实用新型设计的全向宽波束平板天线可只需要单面PCB板即可实现，低剖面且易于实现，具有很强的实用性。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足,提出一种LoRa 915MHz频段的全向宽波束平板天线，天线采用独特的异形四臂偶极子形式设计，可以实现天线地剖面简单设计。本实用新型设计的全向宽波束平板天线可只需要单面PCB板即可实现，低剖面且易于实现，具有很强的实用性。

为实现上述目的,设计一种全向宽波束平板天线，包括印制电路板基板、馈源、平板天线上臂、平板天线下臂、平板天线左臂和平板天线右臂，所述馈源设置于印制电路板基板中心位置，其特征在于所述全向宽波束平板天线采用异形四臂偶极子形式结构；所述平板天线上臂和平板天线下臂为中心对称关系，共同组成半部分的三角锥形偶极子天线谐振辐射区，所述平板天线上臂包括第一延长带、第一三角辐射区和第一馈电带，第一馈电带为长条形，第一馈电带一端连接馈源，第一馈电带另一端连接第一三角辐射区，第一三角辐射区外侧连接第一延长带;所述平板天线左臂、平板天线右臂为中心对称关系，共同组成半部分的方形偶极子天线谐振辐射区，所述平板天线左臂包括第一阶梯方形辐射区、第一耦合带、第三馈电带和第一匹配带，第三馈电带设置于馈源左侧，且偏离中心位置，第三馈电带左侧连接第一阶梯方形辐射区、右侧连接馈源，第一耦合带设置于第一阶梯方形辐射区与平板天线上臂之间，匹配带设置于馈源一侧。

优选地，第一馈电带作为平板天线上臂的馈电微带线，其长度约为0.35λ，连接馈源与第一三角辐射区，第一馈电带宽度窄，用于拉开与左侧平板天线左臂的距离，防止电流相互耦合影响辐射。

优选地，第一三角辐射区作为平板天线上臂的主辐射区，第一三角辐射区内侧一端口径小与第一馈电带连接，第一三角辐射区外侧口径逐渐变宽，利用其越来越宽口径的三角形结构增加天线辐射性能。

优选地，第一延长带作为平板天线上臂的主辐射区，起到延长三角辐射区的目的，利用L折弯结构在小直径范围内实现λ/2偶极子辐射，其左右两支延长支长度可以平均的调谐各E面辐射，使之达到全向效果。

优选地，第三馈电带作为平板天线左臂的馈电微带线，其长度短，连接馈源与第一阶梯方形辐射区，其位置偏离中心位置，用于调谐电流流向，用以调控天线方向图。

优选地，第一阶梯方形辐射区作为平板天线左臂的主辐射区，第一阶梯方形辐射区采用先宽后略窄的阶梯方形结构。

优选地，第一耦合带位于第一阶梯方形辐射区与平板天线上臂之间，用于加强相互电流耦合，调谐天线全向辐射性能。

优选地，第一匹配带位于馈源一侧，利用窄缝隙容性耦合改善馈电端口处阻抗匹配性能，使之匹配接近50欧姆端口阻抗。

优选地，馈源作为天线馈电端口，为天线提供信号源与辐射能量，为同轴线或SMA馈电端口。

本实用新型通过利用三角锥型+阶梯方形结构实现异形四臂偶极子结构，并通过适当的耦合带及匹配带改善天线辐射性能，从而实现天线的全向宽波束设计；本实用新型具有地剖面、简单易实现等特点，其大于128°3dB波束的宽波束特性可覆盖360°所有E面，对需要远程通讯传输的LoRa天线有着很强的适用性。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型主视图；

图3为本实用新型天线回波损耗图；

图4为本实用新型天线效率图；

图5为915MHz频点下本实用新型3D苹果图；

图6为915MHz频点下本实用新型各E面2D方向图；

图中标记说明：

1印制电路板，2馈源，3第一延长带，4第二延长带，5第一三角辐射区，6第二三角辐射区，7第一馈电带，8第二馈电带，9第一阶梯方形辐射区，10第二阶梯方形辐射区，11第一耦合带，12第二耦合带，13第三馈电带，14第四馈电带，15第一匹配带，16第二匹配带，17平板天线上臂，18平板天线下臂，19平板天线左臂，20平板天线右臂。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述，以下实例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

本实用新型全向宽波束平板天线包括：印制电路板基板（1），馈源（2），第一延长带（3），第二延长带（4），第一三角辐射区（5），第二三角辐射区（6），第一馈电带（7），第二馈电带（8），第一阶梯方形辐射区（9），第二阶梯方形辐射区（10），第一耦合带（11），第二耦合带（12），第三馈电带（13），第四馈电带（14），第一匹配带（15），第二匹配带（16），平板天线上臂（17），平板天线下臂（18），平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）。其中平板天线上臂（17）包括第一延长带（3），第一三角辐射区（5），第一馈电带（7）；其中平板天线下臂（18）包括第二延长带（4）、第二三角辐射区（6）、第二馈电带（8）；其中平板天线左臂（19）包括第一阶梯方形辐射区（9），第一耦合带（11），第三馈电带（13），第一匹配带（15）；其中平板天线右臂（20）包括第二阶梯方形辐射区（10），第二耦合带（12），第四馈电带（14），第二匹配带（16）。平板天线上臂（17），平板天线下臂（18），平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）均位于印制电路板基板（1）上，同馈源（2）共同组成此新型全向宽波束平板天线辐射体，参见图一和图二。

图一为全向宽波束平板天线印制电路板俯视图，图2为天线四大异形辐射臂分布图。该全向宽波束平板天线系统具体包括印制电路板基板（1），馈源（2），平板天线上臂（17），平板天线下臂（18），平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）等。

印制电路板基板（1），可以为Fr4或其他常用的印刷电路板基材材质。

馈源（2）作为天线馈电端口，为天线提供信号源与辐射能量，可以为同轴线、SMA等任何馈电端口形式。

平板天线上臂（17），平板天线下臂（18）为天线四大主体部分之二，两部分为中心对称关系，共同组成半部分的三角锥形偶极子天线谐振辐射区。其材质可以为铜、铝、Ag等常见金属材质。

其中，第一馈电带（7），第二馈电带（8）分别作为平板天线上臂（17），平板天线下臂（18）的馈电微带线，两部分为中心对称关系，其长度约为0.35λ，连接馈源（2）与第一三角辐射区（5），第二三角辐射区（6）两主辐射三角辐射区。其宽度比较窄，这样可以拉开与左侧平板天线左臂（19）的距离，防止电流相互耦合影响辐射。

第一三角辐射区（5），第二三角辐射区（6）分别作为平板天线上臂（17），平板天线下臂（18）的主辐射区，两部分为中心对称关系，利用其越来越宽口径的三角形结构增加天线辐射性能。

印制电路板基板（1），馈源（2），第一延长带（3），第二延长带（4），第一三角辐射区（5），第二三角辐射区（6），第一馈电带（7），第二馈电带（8），第一阶梯方形辐射区（9），第二阶梯方形辐射区（10），第一耦合带（11），第二耦合带（12），第三馈电带（13），第四馈电带（14），第一匹配带（15），第二匹配带（16），平板天线上臂（17），平板天线下臂（18），平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）

第一延长带（3），第二延长带（4）分别作为平板天线上臂（17），平板天线下臂（18）的主辐射区，两部分为中心对称关系，起到延长三角辐射区的目的，利用L折弯技术在小直径范围内实现λ/2偶极子辐射，其左右两支延长支长度可以平均的调谐各E面辐射，使之达到全向效果。

平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）为天线四大主体部分之二，两部分为中心对称关系，共同组成半部分的方形偶极子天线谐振辐射区。其材质可以为铜、铝、Ag等常见金属材质。

其中，第三馈电带（13），第四馈电带（14）分别作为平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）的馈电微带线，两部分为中心对称关系，其长度较短，连接馈源（2）与第一阶梯方形辐射区（9），第二阶梯方形辐射区（10）。其位置稍稍偏离中心位置，主要是为了调谐电流流向，用以调控天线方向图。

第一阶梯方形辐射区（9），第二阶梯方形辐射区（10）分别作为平板天线左臂（19），平板天线右臂（20）的主辐射区，两部分为中心对称关系。大面积方形结构一方面类同多角度方向的偶极子结构叠加，更易产生多角度方向宽波束辐射，另一方面可以增强整体辐射特性。采用先宽后略窄的阶梯方形结构，调控整体方向图，方便实现全向宽波束。

第一耦合带（11），第二耦合带（12）分别位于第一阶梯方形辐射区（9）与平板天线上臂（17）之间以及第二阶梯方形辐射区（10）与平板天线下臂（18）之间，两部分为中心对称关系。用于加强相互电流耦合，调谐天线全向辐射性能。

第一匹配带（15），第二匹配带（16）位于馈源（2）两侧。利用窄缝隙容性耦合改善馈电端口处阻抗匹配性能，使之匹配接近50欧姆端口阻抗。

图三与图四分别为全向宽波束天线回波损耗图与天线效率图。

由图三可知，本实用新型全向宽波束天线在902MHz~928MHz宽频带LoRa 915MHz所需范围内的回波损耗均低于-18dB。频率范围覆盖宽频带LoRa 915MHz的同时，具有非常宽的阻抗带宽。

由图四可知，本实用新型全向宽波束天线辐射损耗及材料介质损耗都非常小，在902MHz~928MHz宽频带LoRa 915MHz所需范围可以高效率的辐射电磁波。

图五与图六分别为915MHz频点下全向宽波束天线3D苹果图及各E面2D方向图。

由图五可知，天线在宽波束特性的全向均衡性比较好，天线增益接近经典对称偶极子模型增益。

由图六可知，各E面均可实现130°及以上角度的3dB波束宽度方向图，其宽波束特性比较好，宽波束特性的全向均衡性也比较好。

Claims (9)

1.一种全向宽波束平板天线，包括印制电路板基板、馈源、平板天线上臂、平板天线下臂、平板天线左臂和平板天线右臂，所述馈源设置于印制电路板基板中心位置，其特征在于所述全向宽波束平板天线采用异形四臂偶极子形式结构；

所述平板天线上臂和平板天线下臂为中心对称关系，共同组成半部分的三角锥形偶极子天线谐振辐射区，所述平板天线上臂包括第一延长带、第一三角辐射区和第一馈电带，第一馈电带为长条形，第一馈电带一端连接馈源，第一馈电带另一端连接第一三角辐射区，第一三角辐射区外侧连接第一延长带；

所述平板天线左臂、平板天线右臂为中心对称关系，共同组成半部分的方形偶极子天线谐振辐射区，所述平板天线左臂包括第一阶梯方形辐射区、第一耦合带、第三馈电带和第一匹配带，第三馈电带设置于馈源左侧，且偏离中心位置，第三馈电带左侧连接第一阶梯方形辐射区、右侧连接馈源，第一耦合带设置于第一阶梯方形辐射区与平板天线上臂之间，匹配带设置于馈源一侧。

2.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第一馈电带作为平板天线上臂的馈电微带线，其长度约为0.35λ，连接馈源与第一三角辐射区，第一馈电带宽度窄，用于拉开与左侧平板天线左臂的距离，防止电流相互耦合影响辐射。

3.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第一三角辐射区作为平板天线上臂的主辐射区，第一三角辐射区内侧一端口径小与第一馈电带连接，第一三角辐射区外侧口径逐渐变宽，利用其越来越宽口径的三角形结构增加天线辐射性能。

4.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第一延长带作为平板天线上臂的主辐射区，起到延长三角辐射区的目的，利用L折弯结构在小直径范围内实现λ/2偶极子辐射，其左右两支延长支长度可以平均的调谐各E面辐射，使之达到全向效果。

5.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第三馈电带作为平板天线左臂的馈电微带线，其长度短，连接馈源与第一阶梯方形辐射区，其位置偏离中心位置，用于调谐电流流向，用以调控天线方向图。

6.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第一阶梯方形辐射区作为平板天线左臂的主辐射区，第一阶梯方形辐射区采用先宽后略窄的阶梯方形结构。

7.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第一耦合带位于第一阶梯方形辐射区与平板天线上臂之间，用于加强相互电流耦合，调谐天线全向辐射性能。

8.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于第一匹配带位于馈源一侧，利用窄缝隙容性耦合改善馈电端口处阻抗匹配性能，使之匹配接近50欧姆端口阻抗。

9.如权利要求1所述的一种全向宽波束平板天线，其特征在于馈源作为天线馈电端口，为天线提供信号源与辐射能量，为同轴线或SMA馈电端口。