一种双极化高增益定向天线及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种双极化高增益定向天线及其设计方法。双极化高增益定向天线包括：一组正45°极化高增益天线阵列，主要由至少四个正45°极化天线子单元组成；一组负45°极化高增益天线阵列，主要由至少四个负45°极化天线子单元组成；一个反射板，相对两侧上分别设置两组天线阵列以实现天线定向辐射。两组天线阵列的天线子单元极化方向互为90°正交，两组天线阵列的天线子单元相互交错排布并且子单元的中心点之间距离大于天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。本发明能极大改善无线网络信号覆盖传输尤其是会大大提升5GHz信号在大区域覆盖效果和远距离桥接传输性能。本发明还公开所述双极化高增益定向天线的设计方法。
【专利说明】
一种双极化高増益定向天线及其设计方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种无线通讯技术领域的一种天线，尤其涉及一种双极化高增益定向天线及其设计方法。
【背景技术】
[0002]近几年无线网络技术的呈跨越式高速发展，支持无线连接的设备在急剧增长，人们对通过无线网络接入互联网进行高速上网冲浪需求也呈爆发式增长，使得进行无线网络覆盖的场所区域在飞速增加，并且在无线覆盖布网中对同一无线网络的远距离无线桥接、多个无线网络的远距离无线通信的需求也越来越多。无线网络信号所使用频率主要为2.4GHz和5GHz，这两个频率的电磁波在空气中传播的衰减是比较大的，尤其是5GHz信号的每单位长度距离衰减分贝数特别厉害，特别是在进行大区域覆盖和远距离桥接传输时，5GHz信号在传播过程中很容易被干扰源或障碍物减弱达不到想要的效果。而随着为了满足高宽带大流量高速传输并支持高密度接入的802.1lac无线技术成熟并大量投入使用，对如何提升5GHz信号的大区域有效覆盖和远距离高速桥接传输的技术研究开发越来越多，目前主要分为设备开发和天线研究两个方面，而在国家规定了设备的无线功率额定输出标准的前提下，一款高性能的5GHz定向天线就会突显的至关重要。现有使用比较广泛的5GHz双极化高增益16dBi天线，传统的设计一般采用在同一组八单元组成天线阵列中通过两个不同馈入方式的一分八等功分馈电网络对天线阵列进行馈电来实现的，由于共用同一组天线单元阵列会造成天线两个接口隔离度相对较差其自身干扰较大，而一分八等功分馈电网络是三级功分电路其路径损耗也比较大，因此这样设计的天线实测增益中只有14dBi且辐射效率也较差。
【发明内容】
[0003]为了解决上述的技术问题，本发明提供一种双极化高增益定向天线及其设计方法，设计出性能更好的双极化高增益定向天线，会极大改善无线网络信号覆盖传输尤其是会大大提升5GHz信号在大区域覆盖效果和远距离桥接传输性能。
[0004]为了达到上述的目的，本发明采用以下技术方案实现:一种双极化高增益定向天线，其包括:一组正45°极化高增益天线阵列，主要由至少四个正45°极化天线子单元组成；一组负45°极化高增益天线阵列，主要由至少四个负45°极化天线子单元组成;一个反射板，相对两侧上分别设置两组天线阵列以实现天线定向辐射;一个介质板，其作用是反射两组天线阵列对外辐射能量以实现天线定向辐射;其中，两组天线阵列的天线子单元极化方向互为90°正交，两组天线阵列的天线子单元相互交错排布并且子单元的中心点之间距离大于天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。
[0005]作为上述方案的进一步改进，每组天线阵列中的所有天线子单元的结构尺寸相同、排布方向相同，且中心点成一直线并等间距分布。
[0006]优选地，所述等间距的距离不小于天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之三波长。
[0007]作为上述方案的进一步改进，每个天线子单元包括两个辐射体、两个地、两个正馈电臂、两个馈电臂以及一个馈电点，其中馈电点为天线子单元中心点而其他四对相同部件都以中心点为轴对称分布。一个辐射体与一个地组成一个半波长偶极子，即一个天线子单元包括两个半波长偶极子，而这两个半波长偶极子为同极化且彼此之间的距离大约是天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。
[0008]优选地，两个正馈电臂从馈电点互为反方向分别连接到两个辐射体且臂长为天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之一波长，两个负馈电臂从馈电点互为反方向分别连接到两个地且臂长为天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之一波长;天线子单元的能量是从馈电点发散，正电荷沿着两个正馈电臂移动到两个辐射体而负电荷沿着两个负馈电臂移动到两个地。
[0009]进一步地，天线子单元采用可导电材料做设计并在一片介质板的两面组装固定，因此构成两组天线阵列的所有天线子单元都是在同一片介质板组装固定。
[0010]作为上述方案的进一步改进，两组天线阵列分别通过一分四同相等功分馈电网络进行馈电。
[0011]作为上述方案的进一步改进，反射板须具备可导电性且其面积大于两组天线阵列所在的介质板的占用的面积。
[0012]优选地，所述反射板的反射平面与两组天线阵列所在平面之间的最大距离不大于天线所设计使用频段的最大频率点对应的四分之一波长。
[0013]本发明还提供上述任意双极化高增益定向天线的设计方法，每个天线子单元通过一个一分四同相等功分馈电网络对同组天线阵列中的那些天线子单元进行馈电，调整好那些天线子单元之间的间隔距离便能使相应天线阵列的对外辐射能量进行叠加从而实现高增益。
[0014]本发明采用新型的双极化高增益天线设计方案，是各主要由四个天线子单元分别按正负45°极化方向排布组合成两组高增益天线阵列。每个天线子单元由两个半波长偶极子构成一个二单元小天线阵，把这样四个小天线阵按正或负45°极化方向依同一直线一定距离尺寸排布组合成一个大的天线阵列便能实现。这些天线阵子单元不存在共用只要相邻子单元之间有高隔离就能保证天线两接口高隔离度低干扰，至于天线馈电网络采用一分四等功分馈电网络属于二级功分电路其路径损耗也相对较低，使得有更多的能量参与对外辐射，提升天线实测增益及辐射效率。天线整体结构设计可以采用冲压金属片或PCB板来设计，而为保证设计尺寸精度加工一致性及节省组装人工成本直接本发明直接采用PCB板来设计。
【附图说明】
[0015]图1是本发明双极化高增益定向天线的结构示意图。
[0016]图2是图1中双极化高增益定向天线的局部结构示意图。
[0017]图3是图1中双极化高增益定向天线的其中一个天线子单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]请一并参阅图1至图3，本发明的双极化高增益定向天线包括一组正45°极化高增益天线阵列11、一组负45°极化高增益天线阵列12、一个反射板13、一个介质板14。
[0020]这组正45°极化高增益天线阵列11主要由至少四个正45°极化天线子单元组成，这组负45°极化高增益天线阵列12主要由至少四个负45°极化天线子单元组成。在本实施例中，每组天线阵列均以四个天线子单元为例进行举例说明，故每组天线阵列包括四个同极化天线子单元，两组天线阵列的天线子单元数要尽量保持相同。
[0021]反射板13的作用是反射两组天线阵列对外辐射能量以实现天线定向辐射;而介质板14为结构件作用是组装固定两组天线阵列的天线子单元。两组天线阵列的天线子单元极化方向互为90°正交，两组天线阵列的天线子单元相互交错排布并且子单元的中心点之间距离大于天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。这样设计可以使两组天线阵列所占用面积尺寸更小且能实现两组阵列的天线子单元之间有最大化隔离。
[0022]每组天线阵列中的所有天线子单元的结构尺寸可相同、排布方向可相同，且中心点可成一直线并等间距分布，所述等间距的距离可不小于天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之三波长。
[0023]两组天线阵列每个天线子单元为同一个天线子单元，此天线子单元主要由两个同极化的半波长偶极子构成，两个半波长偶极子之间距离大约为天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。天线子单元的中心点为馈电点03，能量是从中心馈电点03发散分别沿着长约为四分之一波长的正负馈电臂04、05对两个半波长偶极子进行馈电输入。
[0024]故，每个天线子单元包括两个辐射体01、两个地02、两个正馈电臂4、两个负馈电臂05以及一个馈电点03，其中馈电点03为天线子单元中心点而其他四对相同部件都以中心点为轴对称分布。一个辐射体01与一个地02组成一个半波长偶极子，即一个天线子单元包括两个半波长偶极子，而这两个半波长偶极子为同极化且彼此之间的距离大约是天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。两个正馈电臂04从馈电点03互为反方向分别连接到两个辐射体01且臂长为天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之一波长，两个负馈电臂05从馈电点03互为反方向分别连接到两个地且臂长为天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之一波长;天线子单元的能量是从馈电点03发散，正电荷沿着两个正馈电臂04移动到两个辐射体01而负电荷沿着两个负馈电臂05移动到两个地02，由此实现能量对两个半波长偶极子馈电输入;这样设计可以让两个半波长偶极子对外辐射能量进行叠加合成一个半波长偶极子二单元小天线阵从而提升整个天线子单元的增益。
[0025]此天线子单元就相当于两个偶极子组成二单元小天线阵，把这四个小天线阵按正45°极化方向及前面所述距离尺寸组合成一个大的天线阵列，通过一分四等功分馈电网络进行馈电就可实现正45°极化高增益天线阵列11，同理也可实现负45°极化高增益天线阵列12。故，两组天线阵列通过一分四同相等功分馈电网络进行馈电。
[0026]反射板13是实现天线阵列作定向辐射，此反射面的面积大小须尽可能大于两组天线阵列所占用的面积尺寸且与两组阵列所在平面之间的最大距离不大于天线所设计使用频段的最大频率点对应的四分之一波长。故，所述反射板13须具备可导电性且其面积大于两组天线阵列所在的介质板的占用的面积。反射板的反射平面与两组天线阵列所在平面之间的最大距离不大于天线所设计使用频段的最大频率点对应的四分之一波长。
[0027]本发明涉及一种新型双极化高增益定向天线，是主要各由四个天线子单元分别按正负45°极化方向排布组合成两组极化高增益天线阵列。每个天线子单元由两个半波长偶极子构成相当于一个二单元小天线阵，把四个这样的小天线阵按45°极化方向依同一直线一定距离尺寸排布组合成一个大的天线阵列，就叠成一个45°高增益天线阵列，一个天线子单元的峰值增益为I IdBi而四个天线子单元叠加成的天线阵列就可达到高增益16dBi。
[0028]再次回顾图1至图3，如图1所示，左边的四个天线子单元是按正45°极化方向等间距排布组成正45°极化高增益天线阵列11，右边的四个天线子单元是按负45°极化方向等间距排布组成负45°极化高增益天线阵列12，而且两组天线阵列的天线子单元是成正交90°交错排布。本发明使用方法可以直接在一片PCB双面覆铜板上做两组天线阵列设计制作，详细形式，如图1所示。本发明使用方法也可以采用冲压金属片来制作实现。
[0029]如图3，是天线子单元，具有两个偶极子的辐射体01、两个偶极子的地02、两个正馈电臂04、两个负馈电臂05、天线子单元中心的馈电点03。
[0030]本发明设计思路是新设计一个天线子单元，其能量由中心馈电点03分别沿着正负馈电臂05到达两个半波长偶极子，这天线子单元相当于两个个偶极子二元小天线阵，把这四个小天线阵再组合成一个大天线阵列从而实现高增益。
[0031]综上所述，本发明的双极化高增益定向天线在设计时，其设计方法的要点为:每个天线子单元通过一个一分四同相等功分馈电网络对同组天线阵列中的那些天线子单元进行馈电，调整好那些天线子单元之间的间隔距离便能使相应天线阵列的对外辐射能量进行叠加从而实现高增益。
[0032]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。
【主权项】
1.一种双极化高增益定向天线，其特征在于:其包括: 一组正45°极化高增益天线阵列(11 )，主要由至少四个正45°极化天线子单元组成； 一组负45°极化高增益天线阵列(12)，主要由至少四个负45°极化天线子单元组成； 一个反射板(13)，其作用是反射两组天线阵列对外辐射能量以实现天线定向辐射； 一个介质板(14)，为结构件作用是组装固定两组天线阵列的天线子单元； 其中，两组天线阵列的天线子单元极化方向互为90°正交，两组天线阵列的天线子单元相互交错排布并且子单元的中心点之间距离大于天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。2.如权利要求1所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:每组天线阵列中的所有天线子单元的结构尺寸相同、排布方向相同，且中心点成一直线并等间距分布。3.如权利要求2所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:所述等间距的距离不小于天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之三波长。4.如权利要求1所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:每个天线子单元包括两个辐射体(01)、两个地(02)、两个正馈电臂(04)、两个负馈电臂(05)以及一个馈电点(03)，其中馈电点(03)为天线子单元中心点而其他四对相同部件都以中心点为轴对称分布。5.如权利要求4所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:一个福射体(01)与一个地(02)组成一个半波长偶极子，即一个天线子单元包括两个半波长偶极子，而这两个半波长偶极子为同极化且彼此之间的距离大约是天线所设计使用频段的最小频率点对应的二分之一波长。6.如权利要求4所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:两个正馈电臂(04)从馈电点(03)互为反方向分别连接到两个辐射体(01)且臂长为天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之一波长，两个负馈电臂(05)从馈电点(03)互为反方向分别连接到两个地(02)且臂长为天线所设计使用频段的最小频率点对应的四分之一波长;天线子单元的能量是从馈电点(03)发散，正电荷沿着两个正馈电臂(04)移动到两个辐射体(01)而负电荷沿着两个负馈电臂(05)移动到两个地(02)。7.如权利要求4?6所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:天线子单元采用可导电材料做设计并在一片介质板的两面组装固定，因此构成两组天线阵列的所有天线子单元都是在同一片介质板(14)组装固定。8.如权利要求1所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:两组天线阵列(11、12)分别通过一分四同相等功分馈电网络进行馈电。9.如权利要求1所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:反射板(13)须具备可导电性且其面积大于两组天线阵列所在的介质板(14)的占用的面积。10.如权利要求9所述的双极化高增益定向天线，其特征在于:所述反射板(13)的反射平面与两组天线阵列所在平面之间的最大距离不大于天线所设计使用频段的最大频率点对应的四分之一波长。11.一种如权利要求1至1中任意一项所述的双极化高增益定向天线的设计方法，其特征在于:每个天线子单元通过一个一分四同相等功分馈电网络对同组天线阵列中的那些天线子单元进行馈电，调整好那些天线子单元之间的间隔距离便能使相应天线阵列的对外辐射能量进行叠加从而实现高增益。
【文档编号】H01Q1/50GK105977651SQ201610486575
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】秦祥宏, 刘晓钰, 傅强, 侯轶
【申请人】深圳前海科蓝通信有限公司