水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的制作方法

本实用新型适用于WIFI终端设备(CPE)，4G-LTE与WIFI数据传输的空间对接转换设备，卫星通讯的室内地面中继系统及各频段的移动通讯室内基站天线，移动通讯室外基站天线的小型化设备。GPS地面数据接收处理中继设备，小型化军事野战通讯设备等。

背景技术：

目前，对于天线技术而言，用于CPE终端设备和卫星通讯的室内地面中继及移动通讯室内外基站天线的小型化多元化是引领潮流走向数据化信息化时代的标志，在未来的CPE及卫星通讯及移动通讯4G和5G时代的室内外应用具有及其巨大的市场潜力，为适应多元化，多目标，深层次广覆盖的技术要求，对天线的小型化，小体积、轻重量以及水平全向高增益方面提出了全新的要求，而现有的全向阵列天线无论是体积，重量，和增益指标基本上还无法适应这一要求。

因此，天线的小型化，轻重量，大增益或超大增益成为未来技术的主题。本天线的实用新型，迅速准确的直入主题，全部解决了上述的技术和外观等的新时代要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种体积小、效率高且具有相对的超大增益的水平全向天线。本实用新型的机械压接构件不影响天线性能还增加了天线振子的耦合度，为天线的大规模生产的一致性和稳定性奠定了基础。延长了天线使用寿命。本实用新型采用创新技术，在小型平面阵列天线水平全向高增益技术方面有重大突破。

为了实现上述目的，本实用新型公开了一种水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线，其特征在于:包括PCB板、N对偶极阵列振子、微带传输线、外套、50欧的馈电同轴线以及连接器，N为大于等于2的整数，所述PCB板的正反两面分别沿纵向以一定间距设置有N对偶极阵列振子和两组微带传输线，所述外套装配于所述PCB板上以保护的所述PCB板上的金属部分，每组所述微带传输线分别从所述PCB板底部向上并联对应面的N个所述偶极阵列振子，正面的所述微带传输线位于对应面最底部偶极阵列振子区域的一段为正面第一级微带传输线，反面的所述微带传输线位于对应面最底部偶极阵列振子区域的一段为反面第一级微带传输线或反面纵深宽度线，所述反面第一级微带传输线或反面纵深宽度线下端连接有接地的微短宽度线，所述微短宽度线为沿所述PCB板的底部横向设置的宽度线，所述正面第一级微带传输线、反面第一级微带传输线和微短宽度线构成微短耦合式巴伦变换器，所述馈电同轴线的一端通过焊接方式与所述微短耦合式巴伦变换器电连接，另一端与连接器电连接，所述微短耦合式巴伦变换器与所述反面的第一级偶极阵列振子构成短距耦合结构，此为第一方案；所述正面第一级微带传输线、反面纵深宽度线与微短宽度线构成纵深耦合式巴伦变换器，所述馈电同轴线的一端通过压接片和焊接的方式与所述纵深耦合式巴伦变换器电连接，另一端与连接器电连接，所述压接片位于所述反面纵深宽度线与微短宽度线组合区域的上方，并通过螺钉或铆钉固定于所述PCB板上，所述纵深耦合式巴伦变换器与所述反面的第一级偶极阵列振子和所述压接片构成缝隙式耦合结构，此为第二方案。以上是本实用新型的第1、2个方案。

与现有技术相比，一方面，本实用新型PCB板底部的微带传输线(第一级传输线或反面纵深宽度线)与最底部的偶极阵列振子相耦合，使得天线尺寸大大缩小并对介质损耗和馈线损耗给予补偿。另一方面，本实用新型采用微带传输线耦合接地宽度线(微短宽度线)的方式实现巴伦变换和平衡输出的阻抗变换，只需设置一个连接器，即可在长宽高相对很小的PCB板上实现很高的水平全向增益。再一方面，本实用新型在PCB板的底部可通过微带传输线进行直接馈电，避免了馈电同轴线延伸至阵列天线中间馈电而造成的耦合损耗和辐射方向性的下倾问题，且使得巴伦变化的平衡输出更具有实质性，大大提高了天线效率和增益。综上，本实用新型微短耦合式巴伦变换器或纵深耦合式巴伦变换器不但体积很小，而且将不平衡输入转换为平衡输入并调节输入阻抗，同时以二次耦合激励方式对偶极阵列振子与微带传输线的相差给予补偿，从而大幅度增强PCB板正反两面最底部偶极阵列振子的激励电流。即本实用新型将天线看成辐射电磁能量的放大器，而相位补偿是提高放大器增益的关键技术，该技术使得阵列天线的体积可以制作成相对谐振频率波长很小的体积，并使本实用新型可在长宽高相对很小的PCB板上实现最高达8dBi的水平全向增益，攻克了相对于工作频段小型超薄小体积长条形平面阵列天线水平全向增益难以突破5dBi的国际性技术难关。

其中，第二方案中，所述压接片固定于反面纵深宽度线和微短宽度线的上方区域，以使所述纵深耦合式巴伦变换器与反面最底部偶极阵列振子具有强耦合形式的阻抗变换结构，其中，该结构还形成所述纵深耦合式巴伦变换器与反面最底部偶极阵列振子耦合形式的二次激励电流的结构。该方案突破了小型化低成本高增益的技术难关，为天线的大规模生产的一致性和稳定性以及装机现场的随机方向的信号搜索性旋转调试的技术工艺问题奠定了实用性的基础，大大延长了天线的使用寿命，而且压接片的使用与天线总体成为一体，不仅不会因机械性能的加入降低天线的电气性能指标，反而使压接片成为强耦合增加激励电流相差补偿的重要器件。

基于第2个方案，所述反面纵深宽度线的中部的两侧开设有对称的纵向凹槽。以上是本实用新型的第3个方案。

基于第2个方案，所述反面纵深宽度线的高度小于等于所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线工作频率的1/2介质波长。以上是本实用新型的第4个方案。

基于第2个方案，所述反面纵深宽度线的中间设有双矩形镂空结构，以形成退耦电路，最大限度的阻滞降低了微波传输反相电流耦合造成的正向电流的相移和衰减度。以上是本实用新型的第5个方案。

基于第1、2个方案，所述外套有两个并对称设于所述PCB板的正反两面，两个所述外套与PCB板的形状匹配的条形结构，且正面的外套和反面的外套分别与天线结构部分的间隙一致，并以卡扣或超声闭合方式装配到所述PCB板上。外套的精密技术确保天线内部不受风雨潮湿的腐蚀，延长天线使用寿命，同时以精确的均匀对称结构保证了天线的全向辐射的圆度。以上是本实用新型的第6个方案。

基于第2个方案，所述馈电同轴线经过所述微短宽度线并使其一端的外导体接所述纵深耦合式巴伦变换器的外导体连接点，另一端接所述连接器，所述压接片压接于所述馈电同轴线的绝缘层上并固定在所述微短宽度线上。以上是本实用新型的第7个方案。

基于第7个方案，所述馈电同轴线的内导体从所述PCB板的反面跨过，通过所述反面纵深宽度线上设置的过孔插入过渡到正面，并于正面露出部位直接焊接于所述正面第一级微带传输线的电连接点上。以上是本实用新型的第8个方案。

基于第1、2个方案，两组所述微带传输线分别连接位于所述PCB板正反面的数对偶极阵列振子中间，并被对应面的数个所述偶极阵列振子分割为N级微带传输线，正面数级所述微带传输线分别为位于最底部的偶极阵列振子下方的正面第一级微带传输线以及位于相邻偶极阵列振子之间的N-1级正面次级微带传输线，第一方案中，反面数级所述微带传输线分别为位于最底部的偶极阵列振子下方的反面第一级微带传输线以及位于相邻偶极阵列振子之间的N-1级反面次级微带传输线；第二方案中，反面的N级所述微带传输线分别为位于最底部的偶极阵列振子下方的反面纵深宽度线以及位于相邻偶极阵列振子之间的N-1级反面次级微带传输线。此为本实用新型第9、10个技术方案。

基于第9或10个方案，两组所述微带传输线沿PCB板由底部向上设置的每一级微带传输线，其宽度逐级等宽变小以形成等宽变化式微带传输线。此为本实用新型第11个技术方案。该方案使得本实用新型使用并馈结构的多对偶极阵列振子采用每单元向上微带传输线宽度逐渐缩窄的方式，形成宽度渐变模式，满足输入阻抗向上振子耦合效应阻抗递增的补偿，减少了天线振子耦合所造成的不圆度的偏差。

基于第1、2个方案，所述正面第一级微带传输线上刻有阻抗变换槽，且所述阻抗变换槽与巴伦变换器构成阻抗变换器。其中，所述阻抗变换槽与巴伦变换器构成较大的阻抗变换范围以实现同轴线与阵列偶极天线的输入阻抗并联后的阻抗匹配而无需通过功分器对每一对振子分别馈电。阻抗变换槽与巴伦变换器的阻抗匹配完美结合，使得本实用新型可在极短的尺寸范围内实现阻抗变换的同时实现不平衡到平衡输入的转变。以上是本实用新型的第12个方案。

基于第12个方案，所述阻抗变换槽为凹形，且设于所述正面第一级微带传输线或者分别设于正面第一级微带传输线和反面第一级微带传输线的对称或非对称的凹槽。以上是本实用新型的第13个方案。

基于第13个方案，所述阻抗变换槽为开设于所述正面第一级微带传输线正面的双矩形叠加凹槽。此为本实用新型第14个方案。

基于第1、2个方案，所述馈电同轴线内导体连接于正面第一级微带传输线阻抗变换槽的下方的电连接点。此为本实用新型第15个方案。

基于第9、10个方案，所述反面次级传输线和所述正面次级传输线至少有两个。以上是本实用新型的第16个方案。

基于第1、2个方案，所述PCB板呈纵向条形，长宽比大于等于8。天线外形长宽比大于8的最具实用性的天线常规外观的旋转弯折问题，为天线的大规模生产的一致性和稳定性以及装机现场的随机方向的信号搜索性旋转调试的技术工艺问题奠定了实用性的基础，以上是本实用新型的第17个方案。

基于第1、2个方案，所述偶极阵列阵子为U形结构，以确保振子的辐射臂最大限度接近自由空间的工作频率的1/4波长。

基于第1、2个方案，所述微短宽度线的高度小于等于所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线工作频率的1/4介质波长。

基于第1个方案，相邻两阵子的馈电间距为56-69mm。以保证每组阵列振子同相馈电。

更佳者，每一所述侧面相邻偶极阵列振子的距离为62mm。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例中所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的正面结构示意图。

图2是本实用新型第一实施例中所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的反面结构示意图。

图3是本实用新型所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线套上外套后的结构示意图。

图4是本实用新型所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的电压驻波比示意图。

图5是本实用新型所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线在中心频率3.55GHZ水平面正负2度辐射增益图。

图6是本实用新型第二实施例中所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的正面结构示意图。

图7是本实用新型第二实施例中所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的反面结构示意图。

图8是本实用新型第二实施例中所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线的的电压驻波比示意图。

图9是本实用新型第二实施例中所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线在中心频率3.55GHZ水平面正负2度辐射增益图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

参考图1至图2，本实用新型公开了一种水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线100，包括PCB板10、天线振子11-16、微带传输线21-26，外套60、50欧的馈电同轴线30以及连接器50。

参考图1至图2，在第一实施例中，所述天线振子包括3对偶极阵列振子11-16，在PCB板10的正面从下至上以一定间距设有3个偶极阵列振子11-13，由馈电传输线构成的第一组微带传输线设于所述PCB板10的正面，而且并联所述偶极阵列振子11-13，此时，三个偶极阵列振子11-13将该微带传输线分成了三段，由下至上分别为位于最底部偶极阵列振子11下方的正面第一级微带传输线21，位于偶极阵列振子11、12之间的次级微带传输线：正面第二级微带传输线22，以及位于偶极阵列振子12、13之间的次级微带传输线：正面第三级微带传输线23。与PCB板10的正面相同，在PCB板10的反面从下至上以一定间距设有3对偶极阵列振子14-16，由馈电传输线构成的第二组微带传输线设于所述PCB板10的反面并联所述偶极阵列振子14-16，此时，三个偶极阵列振子14-16将该微带传输线分成了三段，由下至上分别为位于最底部偶极阵列振子14下方的反面第一级微带传输线24、反面第二级微带传输线25(位于偶极阵列振子11、12之间)、反面第三级微带传输线26(位于偶极阵列振子12、13之间)，且所述反面第一级微带传输线24与所述偶极阵列振子14相耦合。其中，在本实施例中，所述PCB板10的正反两面分别有三个偶极阵列振子，但是偶极阵列振子的数目并不限制在上述范围内，所述PCB板10正反两面的偶极阵列振子的数目还可以是两对、四对、五对等等N对，次级带状传输线可以仅包括第二级微带传输线，也可以包括第二级、第三级、第四级等N个次级微带传输线，且以不超过5级为佳。

其中，本实用新型PCB板10底部的正面第一级微带传输线21、反面第一级微带传输线24分别与最底部的所述偶极阵列振子14相耦合，产生阻抗变换环节和二次耦合激励电流，使得天线尺寸可以做得更小。

参考图2，所述PCB板10的反面底部还设有与所述反面第一级微带传输线14底端电连接的接地的微短宽度线40，正面第一级微带传输线21、反面第一级微带传输线24和所述微短宽度线40构成所述微短耦合式巴伦变换器40，所述微短耦合式巴伦变换器40与所述偶极阵列振子14相耦合，所述微短耦合式巴伦变换器400将不平衡输入转换为平衡输入并调节输入阻抗，同时为反面振子14提供二次耦合激励电流。所述馈电同轴线30接所述微短耦合式巴伦变换器的内外导体连接点(电连接点)，另一端接所述连接器50。其中，所述馈电同轴线30一端的外导体接所述微短宽度线400，该端的芯线接所述正面第一级微带传输线211的电连接点301，馈电同轴线30的芯线另一端接所述连接器50。

其中，所述馈电同轴线30一端的外导体接所述微短宽度线40，前端的芯线焊接在所述正面第一级微带传输线211的电连接点301上，馈电同轴线30的芯线另一端接所述连接器50。

本实用新型采用微带传输线耦合微短宽度线400的方式实现巴伦变换和平衡输出的阻抗变换，只需设置一个连接器50，即可在长宽高相对很小的PCB板10上实现高达6dbi的水平全向增益(参考图7)。再一方面，本实用新型在PCB板的底部通过微带传输线进行直接馈电，避免了馈电同轴线30延伸至天线振子中间馈电而造成的耦合损耗和辐射方向性的下倾问题，且使得巴伦变换的平衡输出更具有实质性，大大提高了天线效率和增益。其中，在本实施例中，所述PCB板10呈纵向条形，长宽比大于等于8。

基于上述实施例，在本实用新型的一个优选实施例中，PCB板10正反面的微带传输线的宽度按照级数由底部向上逐渐变小，以形成等宽逐级变窄的微带传输线，即正面第三级微带传输线23窄于正面第二级微带传输线22，正面第二级微带传输线22窄于正面第一级微带传输线21。该方案使得本实用新型使用并馈结构的多对偶极阵列振子采用每单元向上微带传输线宽度逐渐缩窄的方式，形成宽度渐变模式，满足特性阻抗向上振子耦合效应造成的阻抗递增的补偿。在本实用新型的更进一步优选实施例中，相邻等级的微带传输线宽度等宽变化，减少了天线振子耦合所造成的不圆度的误差。

基于上述实施例，在本实用新型的一个优选实施例中，正面第一级微带传输线21上刻有阻抗变换槽211，且所述阻抗变换槽211与巴伦变换器的阻抗匹配，共同构成了宽范围的阻抗变换器。阻抗变换槽与巴伦变换器的阻抗匹配完美结合，使得本实用新型可在极短的尺寸范围内实现阻抗变换的同时实现不平衡到平衡输入的转变。另一方面，在单面的微带传输线上刻阻抗变换槽211也实现了输入端对75Ω三单元并联后阻抗匹配的要求。具体地，所述阻抗变换槽211为凹形且设于正面第一级带状传输线21两侧的对称凹槽。当然，所述阻抗变换槽211也可以为设于正面第一级带状传输线21一侧或两侧的不对称凹槽。

参考图1，在本实施例中，所述阻抗变换槽211为一个矩形凹槽。参考图6，在本实用新型第二实施例中，所述阻抗变换槽211为双矩形叠加凹槽，且为沿PCB板的纵向方向。

其中，本实施例中，所述微短宽度线40由一个沿PCB板横向设置的微短宽度线组成，所述微短宽度线40的高度可小于所述微带传输线的宽度。在一更优实施例中，所述微短宽度线40的高度小于等于所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线工作频率的1/4介质波长。

基于上述实施例，在本实用新型的一个优选实施例中，所述PCB板10呈纵向条形，所述微短宽度线40沿所述PCB板10横向设置于反面底部。该方案使得本实用新型所述微短宽度线40具有相对外围及周边空间的极短尺寸，即接地板为极短的导体微带构成，进一步减小天线的尺寸。

在本实施例中，PCB板10正反两面的数对偶极阵列振子中相邻偶极阵列振子的距离为62mm。以确保各单元阵列振子同相馈电。

其中，所述连接器50为50Ω的SMA连接器，所述馈电同轴线为50Ω的同轴线。

其中，所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线100的频率为3300-3800MHZ，中心频率为3550MHZ。

参考图4，是本实用新型所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线100的电压驻波比示意图，平均驻波比小于1.5。参考图5，是本实用新型所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线100在中心频率3.55GHZ水平面正负2度的辐射增益图。

参考图3，所述外套60设于所述PCB板10、天线振子、巴伦变换器、微带传输线、同轴线30外，所述连接器50安装于所述外套60底端。其中，所述外套60装配于所述PCB板10上以保护的所述PCB板10上的金属部分。

较佳者，所述外套60有两个并对称设于所述PCB板10的正反两面，两个所述外套60与PCB板10的形状匹配的条形结构，且正面的外套60和反面的外套60分别与天线结构部分(包括PCB板的金属部分、偶极阵列振子、微带传输线以及50欧的馈电同轴线)的间隙一致，并以卡扣或超声闭合方式装配到所述PCB板10上。

参考图6和图7，为本实用新型的第二实施例。参考图7，与第一实施例不同的是，在该实施例中，所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线100’的反面纵深宽度线805替换第一实施例中的反面第一级传输线24。所述正面第一级微带传输线21、反面纵深宽度线805与微短宽度线40构成纵深耦合式巴伦变换器40’，所述馈电同轴线30的一端通过压接片801和焊接的方式与所述纵深耦合式巴伦变换器40’电连接，另一端与连接器50电连接，所述压接片801位于所述反面纵深宽度线805与微短宽度线40组合区域的上方，并通过螺钉802固定于所述PCB板10上，所述纵深耦合式巴伦变换器40’与所述反面的第一级偶极阵列振子14和所述压接片801构成缝隙式耦合结构。

其中，所述反面纵深宽度线805的中间的两侧开设有对称的纵向凹槽806，

其中，所述反面纵深宽度线805的高度小于等于所述水平全向高增益垂直极化阵列偶极天线100工作频率的1/2介质波长。

其中，所述纵向凹槽803沿所述PCB板纵向设置的双矩形镂空凹槽，双矩形镂空凹槽以形成退耦电路结构，最大限度的阻滞降低了微波传输反相电流耦合造成的正向电流的相移和衰减度。双矩形镂空凹槽即由两个矩形凹槽沿PCB板的纵向叠加而成，由位于下方的第一凹槽和位于第一凹槽上方且窄于第一凹槽的第二凹槽组成。

参考图7，所述压接片801固定于PCB板10上的微短宽度线40和反面纵深宽度线805上方，以使所述纵深耦合式巴伦变换器40’与反面最底部偶极阵列振子14具有强耦合形式的阻抗变换结构。所述纵深耦合式巴伦变换器40’包括压接片801下具有纵深向上的反面纵深宽度线805且与反面最底部偶极阵列振子14具有强耦合形式的阻抗变换结构。其中，所述反面纵深宽度线805位于双矩形镂空凹槽下方的部分与微短宽度线40相连。压接片801固定于微短宽度线40和反面纵深宽度线805连接的部分。

其中，所述馈电同轴线30经过所述微短宽度线40并使其一端的外导体接纵深耦合式巴伦变换器40’的外导体连接点与反面纵深宽度线805805区域，另一端接所述连接器50，所述压接片801压接于所述馈电同轴线30的绝缘层31上并通过压接螺钉802将所述压接片801固定在微短宽度线400的上方。该方案使得本实用新型便于批量生产和装配。当然，压接螺钉802也可以由压接铆钉代替。

参考图6和图7，所述馈电同轴线30的内导体从PCB板10反面穿过纵深耦合式巴伦变换器40’至正面第一级微带传输线21上焊接，且正面第一级微带传输线21有双矩形叠加凹槽构成阻抗变换槽211’。

参考图8为本实用新型第二实施例方案的驻波比示意图。工作频段内最大驻波小于1.5，国家标准为1.8。参考图9为本实用新型第二方案的增益与不圆度实测参数示意图，在整个工作频段内，不圆度全部小于国家标准2.0dB的情况下(按照测试数据最大最小增益dB值得比值除2计算)，最大频点增益达到9.99dB，扣除暗室补偿精度误差，接近9dBi.最大频点平均增益计算所得为7.95dB，扣除暗室补偿精度误差，约等于6.25dBi,极其接近3级谐振式阵列偶极天线理论合成最大增益6.45dBi。由此证实了本实用新型创造的垂直极化阵列偶极天线使用了二次耦合激励相差补偿的馈电及阻抗变换和平衡不平衡变换合二为一的技术，使得本实用新型具备小型化，轻重量，超薄型特征。

综上，本实用新型提供了一种体积小、效率高且具有相对的超大增益的水平全向天线。其关键技术在于巴伦变换器(包括微短耦合式巴伦变换器及纵深耦合式巴伦变换器)与二次耦合激励及相位补偿的一体化，其理论依据是将天线看成辐射电磁能量的放大器，而相位补偿是提高放大器增益的关键技术。将天线的初级振子(偶极阵列振子14)与巴伦变换器耦合，减少了阻抗变换环节所需要的金属构件和复杂度。该项技术的成功创造，使超小型高增益平面阵列天线技术进入了大批量走向市场的实用阶段。本实用新型适用于1.92-10GHz甚至以上频段的无线通讯设备的小型化水平全向高增益天线。在1920-2170MHz的最低频段工作时，天线高度不超过260MM，宽度小于30MM,却能达到高于6dBi的水平全向增益。再者，本实用新型第二实施例使机械压接构件不影响天线性能还增加了天线振子的耦合度，为天线的大规模生产的一致性和稳定性奠定了基础。延长了天线使用寿命。本实用新型采用创新技术，在小型平面阵列天线水平全向高增益技术方面有重大突破。

以上所描述的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。