一种引向天线及其设计方法

1.本发明涉及一种引向天线的设计方法，属于移动通信与微波技术领域。


背景技术：

2.目前随着无线通信技术的快速发展，移动通信网络的不断完善以及室外基站的不断建设，室外的通信已经能够较好的满足人们的需求，但是室内的通信质量以及室内信号的覆盖情况却不尽人意。在地下停车库、隧道、矿井、电梯等封闭区域还存在着大量移动通信盲区。
3.为了解决移动通信在封闭环境内中基本无信号或覆盖效果差的问题，性能优良的定向天线成为封闭环境下通信天线的首选。具有高定向性、高增益性能的八木天线或对数周期振子天线在封闭环境通信覆盖中得到广泛应用，然而传统八木天线主要为单模谐振类型、带宽较窄，且需要较多单元数来实现高增益特性，对数周期振子天线则需要更多的单元数，才能同时实现宽带和中等增益特性。
4.因此，随着新制式移动通信系统的发展，迫切需要研制宽带、高增益、结构简单且体积小巧的新型八木天线。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术存在的问题，提出一种引向天线，该天线具有简单的扇形结构，在工作频段内具有双模谐振特性、相对带宽可达40％，且最少仅需3单元(1个反射器+一个主振子+1个引向器)，即可实现10dbi以上的辐射增益，具有结构简单，性能优良，便于制作实现等一系列优点。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种引向天线的设计方法，所述引向天线采用二维谐振的电流薄片工作模式，其电流分布谐振模式受控于贝塞尔
‑
傅里叶二重级数；所述天线的设计方法具体为：
8.在介质基板的表面设置两个相同且关于介质基板中轴线对称的第一扇形贴片，构成所述引向天线的主振子；
9.在介质基板的表面设置两个相同且关于介质基板中轴线对称的第二扇形贴片，构成所述引向天线的引向器，所述引向器与所述主振子之间通过弧弧耦合实现增益的提高；
10.介质基板放置于反射板表面，且介质基板的中轴线垂直于反射板。
11.进一步，在所述主振子和引向器上设置枝节、开槽或枝节与开槽的组合，以调谐其工作模式。
12.进一步，两个所述第一扇形贴片设置在介质基板的相同或不同表面，两个所述第二扇形贴片设置在介质基板的相同或不同表面。
13.进一步，所述第一扇形贴片与所述第二扇形贴片设置在介质基板的相同或不同表面；当所述第一扇形贴片与所述第二扇形贴片设置在介质基板的不同表面时，两者之间的距离可为正值或负值或零。
14.进一步，所述第二扇形贴片的弧长小于所述第一扇形贴片的弧长。
15.进一步，两个所述第一扇形贴片之间存在间隙，两个所述第二扇形贴片之间存在间隙。
16.进一步，所述主振子的激发点位于第一扇形贴片最靠近介质基板中轴线的一条边上，且所述激发点不是第一扇形贴片的顶点。
17.一种引向天线，由上述的方法制得。
18.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出一种引向天线的新型设计方法，着眼采用多模谐振的二维全波振子技术，使用主振子结构与引向器结构，以较少的单元数实现较高增益，同时实现相对带宽40％以上的工作带宽，充分简化天线结构，制作工艺简单，成本低廉，满足新一代宽带移动通信的应用需求。
附图说明
19.图1
‑
5是由1个反射板、1个引向器和1个主振子构成全波长引向天线的结构示意图，其中，图1中主振子和引向器同面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图2中主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图3中主振子和引向器之间的距离为正、主振子的两个扇形贴片异面且引向器中的两个扇形贴片异面，图4中主振子和引向器异面、主振子和引向器之间的距离为负、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图5中主振子和引向器之间的距离为负、主振子的两个扇形贴片异面且引向器中的两个扇形贴片异面；
20.图6、图8、图10是由1个反射板、2个引向器和1个主振子构成的全波长引向天线示意图，其中，图6中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器同面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图8中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图10中主振子和引向器之间的距离为负、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面；
21.图7、图9、图11是由1个反射板、3个引向器和1个主振子构成的全波长引向天线示意图，其中，图7中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器同面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图9中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图11中主振子和引向器之间的距离为负、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面；
22.图12是三单元全波引向天线具体实施尺寸示意图；
23.图13是三单元全波引向天线具体实施得到的s11图；
24.图14是三单元全波引向天线具体实施得到的增益曲线图；
25.图15是四单元全波引向天线具体实施尺寸示意图；
26.图16是四单元全波引向天线具体实施得到的s11图；
27.图17是四单元全波引向天线具体实施得到的增益曲线图；
28.图18是五单元全波引向天线具体实施尺寸示意图；
29.图19是五单元全波引向天线具体实施得到的s11图；
30.图20是五单元全波引向天线具体实施得到的增益曲线图；
31.图21是主振子与引向器异面且主振子距离引向器为0.056λ的三单元全波引向天线具体实施尺寸示意图；
32.图22是主振子与引向器异面且主振子距离引向器为0.056λ的三单元全波引向天线具体实施得到的s11图；
33.图23是主振子与引向器异面且主振子距离引向器为0.056λ的三单元全波引向天线具体实施得到的增益图；
34.图24是主振子与引向器异面且主振子距离引向器为
‑
0.008λ的三单元全波引向天线具体实施尺寸示意图；
35.图25是主振子与引向器异面且主振子距离引向器为
‑
0.008λ的三单元全波引向天线具体实施得到的s11图；
36.图26是主振子与引向器异面且主振子距离引向器为
‑
0.008λ的三单元全波引向天线具体实施得到的增益图；
37.图27是传统八木天线的具体实施尺寸示意图；
38.图28是传统八木天线具体实施得到的s11图；
39.图29是传统八木天线具体实施得到的增益曲线图；
40.图中的标号，1、1a、1b
‑
引向器，2
‑
主振子，3
‑
反射板。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
42.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
43.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
44.本发明提出一种引向天线的新型设计方法，着眼采用多模谐振的二维全波振子技术，以较少的单元数实现较高增益，同时实现相对带宽40％以上的工作带宽，充分简化天线结构，满足新一代宽带移动通信的应用需求。
45.本发明的引向天线采用二维谐振的电流薄片工作模式，其电流分布谐振模式受控于贝塞尔
‑
傅里叶二重级数，而不是常规领结(扇形振子)的一维正(余)弦分布电流特性。本发明将主振子设计成扇形结构，即主振子由两个相同扇形贴片构成。根据近距离弧弧耦合可以提高增益这一原理，本发明将引向器设计为扇形结构(这里的弧弧耦合为主振子和引向器的耦合，弧弧耦合也是主振子与引向器的间距可以取很小甚至为负值，但依旧可以得到较高的增益的原因)。天线的主振子、引向器可制作在任意介电常数的介质基板上。介质基板垂直放置于反射板表面，反射板可以为任意形状。
46.引向器的弧长为中心频率对应的0.85
‑
1.05倍波长、主振子的弧长为中心频率对应0.9
‑
1.1倍波长，引向器的弧长总是小于主振子的弧长。构成主振子的扇形贴片的圆心角为30到175度，构成引向器的扇形贴片的圆心角为65到150度。
47.引向器和主振子的扇形贴片上可设置模式扰动装置(枝节、开槽或枝节与开槽的组合)，以调谐其工作模式。模式扰动装置的个数，取决于引向器和主振子工作的谐振模式。
48.扇形振子两臂的激发点位于扇形贴片靠近中轴线的一条边上，其位置在距离圆心0.12
‑
0.2个波长之间可变，激发点不可位于主振子扇形的顶点位置上，充分激发te模式，即电场方向应平行于振子所在平面。
49.引向器与主振子可以设置于同一平面内，也可以设置在不同平面内。当引向器与主振子位于同一平面时，与主振子的距离范围为0.02
‑
0.12个波长。当引向器与主振子位于不同平面时，与主振子的间距d可取负值，范围为
‑
0.05
‑
0.12个波长。
50.组成引向器的扇形偶极子，两个扇形贴片可以位于不同平面上。组成引向器的两个扇形贴片的间距可以改变，其范围为0.008
‑
0.02个波长。
51.组成主振子的扇形偶极子，两个扇形贴片可以位于不同平面上。组成主振子的两个扇形贴片的间距可以改变，其范围为0.008
‑
0.02个波长。
52.引向器的个数可以增加，对增益以及带宽都有明显提升。多个引向器可以位于同一平面内，也可以位于不同平面内，引向器与引向器的距离均可调。它们之间的距离可以为正值也可以为负值。取正值时，其范围为0.1
‑
0.2个波长；取负值时，其范围为
‑
0.05
‑
0.15个波长。多个引向器均可以与主振子位于不同平面，引向器与主振子的距离范围为
‑
0.05
‑
0.15个波长。
53.图1至11是本发明的十一个实施例示意图，主振子(2)上的激发点到主振子(2)圆心的距离为c；引向器(1)由两个相同的扇形贴片构成，其边缘切线位置在与主振子(2)边缘切线距离为d，用于提升天线的方向性；组成主振子(2)的两个扇形贴片的间距为h，组成引向器(1)的两个扇形贴片的间距为g。
54.图1
‑
5是由1个反射板、1个引向器和1个主振子构成全波长引向天线的结构示意图，图1中主振子和引向器同面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图2中主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图3中主振子和引向器之间的距离为正、主振子的两个扇形贴片异面且引向器中的两个扇形贴片异面，图4中主振子和引向器异面、主振子和引向器之间的距离为负、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图5中主振子和引向器之间的距离为负、主振子的两个扇形贴片异面且引向器中的两个扇形贴片异面。
55.图6、图8、图10是由1个反射板、2个引向器和1个主振子构成的全波长引向天线示意图，图6中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器同面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图8中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图10中主振子和引向器之间的距离为负、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面。
56.图7、图9、图11是由1个反射板、3个引向器和1个主振子构成的全波长引向天线示意图，图1中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器同面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图9中主振子和引向器之间的距离为正、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中的两个扇形贴片同面，图11中主振子和引向器之间的距离为负、主振子和引向器异面、主振子的两个扇形贴片同面且引向器中
的两个扇形贴片同面。
57.本发明一实施例的结构如图1所示，该三单元全波引向天线由一个引向器、一个主振子、一个反射板构成，其中，主振子为全波振子，构成该主振子的扇形贴片的圆心角为135度；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为0.182个波长；引向器与主振子的距离为0.024个波长，构成该引向器的扇形贴片的圆心角为90度，具体实施尺寸如图12所示。用hfss软件仿真计算得到全波长引向天线的s11和增益图，如图13和14所示。
58.本发明一实施例的结构如图6所示，该四单元全波引向天线由两个引向器、一个主振子、一个反射板构成，其中，主振子为全波振子，构成该主振子的扇形贴片的圆心角为135度；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为0.182个波长；第一个引向器与主振子的距离为0.024个波长，第二个引向器距离第一个引向器的距离为0.1个波长，构成这两个引向器的扇形贴片的圆心角均为90度，具体实施尺寸如图15所示。用hfss软件仿真计算得到全波长引向天线的s11和增益图，如图16和17所示。
59.本发明一实施例的结构如图7所示，该五单元全波引向天线由三个引向器、一个主振子、一个反射板构成，其中，主振子为全波振子，构成该主振子的扇形贴片的圆心角为135度；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为0.182个波长；第一个引向器与主振子的距离为0.024个波长，第二个引向器距离第一个引向器的距离为0.1个波长，第三个引向器距离第二个引向器的距离为0.15个波长；构成这三个引向器的扇形贴片的圆心角均为90度，具体实施尺寸如图18所示。用hfss软件仿真计算得到全波长引向天线的s11和增益图，如图19和20所示。
60.本发明一实施例的结构如图2所示，该三单元全波引向天线由一个引向器、一个主振子、一个反射板构成，其中主振子与引向器异面，主振子为全波振子，构成该主振子的扇形贴片的圆心角为135度；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为0.182个波长；引向器与主振子的距离为0.056个波长，构成该引向器的扇形贴片的圆心角为90度，具体实施尺寸如图21所示。用hfss软件仿真计算得到全波长引向天线的s11和增益图，如图22和23所示。
61.本发明一实施例的结构如图4所示，该三单元全波引向天线由一个引向器、一个主振子、一个反射板构成，其中主振子与引向器异面，主振子为全波振子，构成该主振子的扇形贴片的圆心角为135度；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为0.182个波长；引向器与主振子的距离为
‑
0.008个波长。构成该引向器的扇形贴片的圆心角为90度，具体实施尺寸如图24所示。用hfss软件仿真计算得到全波长引向天线的s11和增益图如图25和26所示。
62.如图27所示的传统八木天线，其结构是：一个引向器、一个主振子、一个反射板。其中，主振子为全波振子，引向器与主振子的距离d3为0.2个波长，主振子与反射板的距离也为0.2个波长。用hfss软件仿真计算得到其s11和增益图，如图28和29所示。
63.由上可知，本发明设计的引向天线，增益比传统的八木天线要高2～3db左右。
64.综上所述，本发明所设计的引向天线可以实现双谐特性，且宽带宽、高增益、体积小、结构简单、便于制作实现。
65.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。