小型化双频超宽带全向天线的制作方法

本发明涉及一种无线通信天线设备与技术，特别是涉及小型化双频超宽带全向天线。

背景技术：

移动通信技术的发展经历了1g、2g、3g和4g，目前正进入5g时代。众所周知，频谱是移动通信的战略性资源，产业发展始终围绕着这一主题进行。由于频谱资源的稀缺性、专用性、昂贵性，下一代移动通信技术在规划少量新频段的同时，总是沿用之前各代的全部或大部分频谱。另外，频率规划具有非连续性、离散性、地区差异性等特征。如此以来，新旧频谱的众多频率碎片便散布在多个超宽频带内。再者，由于多频天线设计难度远超超宽带天线，于是移动通信天线便形成了目前小型化、超宽带的技术发展趋势和路线，如覆盖698~960mhz/1427~2700mhz频段，以满足1g到4g的全部及5g的部分需求。在移动通信中，常见的天线类型有定向和全向两种。前者方向性好、增益高、覆盖范围大，但尺寸大、成本高、安装不便；后者水平全向覆盖、增益低，然而尺寸小、成本低、安装简单。鉴于上述的独特优点，全向天线这种最古老的天线至今仍在移动通信中广泛应用，如gsm频段小型基站天线。常见的全向天线分垂直（v）极化和水平（h）极化两种。v极化全向天线一般为单个半波振子或全波振子，或者多个振子共轴组阵。要实现超宽带工作，振子宽度或直径需加大或加粗。进一步地，若要实现两个或以上的超宽频带的话，振子宽度或直径将更大、更粗。然而，在工程应用领域，大部分天线的尺寸是严格受限的，尺寸过大会带来诸多问题，如风载大、不美观、成本高、安装不便等。因此，实际应用中的全向天线，在宽度或直径限定情况下，实现双频宽带将是非常困难的，然而其工程意义却是十分巨大的。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种小型化、双频超宽带、高增益、全向性、高效率，以及高可靠、结构简单、低成本、易生产的垂直极化全向天线，并为小型化超宽带高增益全向天线设计和改进提供有益的参考方法。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：小型化双频超宽带全向天线，包括：

非对称振子，单个非对称振子设置在介质基板的一面上，或者将两对相同的非对称振子对称设置在介质基板的两面上，两面上的非对称振子由金属化过孔阵相连，非对称振子由设置在介质基板上并按上下设置的振子上臂和振子下臂组成，所述的振子下臂呈h型，其包括左右对称设置的两个支臂、在顶部连接两个支臂的水平段以及寄生枝节，两个支臂和水平段围成顶部的空间和底部的空间，在底部的空间内设置有按轴线方向设置的寄生枝节，振子上臂从顶部至底部由多段不等径的矩形段首尾相连组成，矩形段的宽度由顶部至底部逐渐减小，位于中部的矩形段的左右两侧分别连接有至少一个外连枝节，位于底部的矩形段与振子下臂不接触并嵌入至振子下臂的顶部的空间内；

同轴电缆，对非对称振子馈电，同轴电缆的内导体连接至振子上臂的底部的矩形段，同轴电缆的外导体连接至振子下臂的水平段的中心处，并沿非对称振子的中心线连接在寄生枝节朝振子下臂的底部延伸；

天线罩，罩设在非对称振子的外侧。

全向天线还包括两对加载片，两对加载片分别加载设置在非对称振子的振子上臂和振子下臂上，每对加载片包括两片分别设置在振子上臂或振子下臂的两侧边缘并按同一旋向设置的加载片，每对加载片的中心轴线与非对称振子的中心线重合。

加载设置在振子上臂上的一对加载片的起止位置在振子上臂的顶部顶端和振子上臂的中部位置，加载设置在振子下臂上的一对加载片的起止位置在振子下臂的水平段和振子下臂的底部末端。

加载片的加工材料为金属良导体，加载片的外形为圆柱面、直弯折面、平直面或其他曲面。

水平段的中部朝下突出有枝节。

振子上臂的长度短于振子下臂的长度，振子上臂和振子下臂的总长度小于0.5×λl，振子宽度为（0.055-0.07）×λl，λl为最低工作波长。

两个支臂均由多段不等径的振子分段首尾相连组成，振子分段的宽度由顶部至底部逐渐变大。

介质基板的基板材料的介电常数εr=1~20。

天线罩的外形为圆柱形或扁矩形。

天线罩加工材料为玻璃钢、asa、abs、uabs、pc或pvc。

本发明有益效果是：

本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）设计宽带非对称振子，上下臂分别呈t形、h形；2）振子上下两臂中间部分嵌合；3）振子臂边缘加载圆柱面薄片；4）同轴电缆馈电。通过优化以上各部分的几何参数，本发明实现了全向天线的双频超宽带宽（0.698~0.96ghz，bw=262mhz，31.60%，vswr<2.25；1.427~2.70ghz，bw=1273mhz，61.7%，vswr<2.28）、较高增益（g=1.4-2.73dbi）、水平全向性（不圆度<2.67db）、高效率（ηa≥82%）和小型化（长宽分别为0.352×λl、0.065×λl）。在振子宽度相同情况下，本方案的带宽比不加载圆柱片的带宽至少提升15%，比常规对称振子展宽50%以上。或者，在带宽相同时，振子宽度至少缩减30%。这一新颖技术思路的成功实现，是小型化超宽超宽带全向天线技术的重要突破，进一步推动了v极化全向天线技术的发展，具有重要理论意义和工程应用价值。

另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是小型化、双频超宽带、高增益、高效率、低成本的v极化全向天线的优选方案。而且，对于小型化超宽带高增益v极化全向天线、小型化多频高增益v极化全向天线，以及小型化超宽带高增益h/v双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

附图说明

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。

图2为非对称振子模型的正视图。

图3为小型化双频超宽带全向天线模型的侧视图。

图4a为带圆形天线罩的小型化双频超宽带全向天线模型的俯视图。

图4b为带扁形天线罩的小型化双频超宽带全向天线模型的俯视图。

图5a为一对加载片的外形为直弯折面的小型化双频超宽带全向天线模型的俯视图。

图5b为一对加载片的外形为平直面的小型化双频超宽带全向天线模型的俯视图。

图5c为一对加载片的外形为其他曲面的小型化双频超宽带全向天线模型的俯视图。

图6为小型化双频超宽带全向天线模型的右视图。

图7为小型化双频超宽带全向天线模型的正视图。

图8为小型化双频超宽带全向天线的输入阻抗zin的频率特性曲线。

图9为小型化双频超宽带全向天线的驻波比vswr曲线。

图10为小型化双频超宽带全向天线的反射系数|s11|曲线。

图11为小型化双频超宽带全向天线在f1=698mhz的增益方向图。

图12为小型化双频超宽带全向天线在f2=960mhz的增益方向图。

图13为小型化双频超宽带全向天线在f3=1427mhz的增益方向图。

图14为小型化双频超宽带全向天线在f4=1710mhz的增益方向图。

图15为小型化双频超宽带全向天线在f5=2200mhz的增益方向图。

图16为小型化双频超宽带全向天线在f6=2500mhz的增益方向图。

图17为小型化双频超宽带全向天线在f7=2700mhz的增益方向图。

图18为小型化双频超宽带全向天线的增益g随频率f变化特性。

图19为小型化双频超宽带全向天线的h面不圆度随频率f变化曲线。

图20为小型化双频超宽带全向天线的e-面（竖直面）半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性。

图21为小型化双频超宽带全向天线的效率ηa随频率f变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

本发明旨在为移动通信提供一种小型化、双频超宽带、高增益、全向性、高效率，以及高可靠、结构简单、低成本、易生产的垂直极化全向天线，并为小型化超宽带高增益全向天线设计和改进提供有益的参考方法。

如图3所示，小型化双频超宽带全向天线，主要包括非对称振子10，同轴电缆500和天线罩600。

如图2、图3所示，非对称振子10可单面设置或双面设置，即单个非对称振子10设置在介质基板300的一面上，或者将两个相同的非对称振子10对称设置在介质基板300的两面上，两面上的非对称振子10由金属化过孔阵108、208相连，金属化过孔分布在振子臂的各处，上下金属化过孔阵的孔径相同，双面设置的非对称振子10可以用于支撑困定另外增加的加载片，单面与双面的带宽、增益、效率没有明显差别。

非对称振子10由设置在介质基板300上并按上下设置的振子上臂100和振子下臂200组成，振子上臂与振子下臂不对称，两者的长度和形状不相同，宽度可设置一致，介质基板的边缘即为非对称振子的边缘。

振子下臂200呈h型，其包括左右对称设置的两个支臂207、在顶部连接两个支臂207的水平段204以及寄生枝节206，两个支臂207和水平段204围成顶部的空间和底部的空间，在底部的空间内设置有按轴线方向设置的寄生枝节206，支臂207可设计成多段结构；两个支臂207均由多段不等径的振子分段207-1首尾相连组成，振子分段207-1均为矩形段，振子分段207-1的宽度由顶部至底部逐渐变大。例如，如图2所示，支臂从顶至底分别为顶端延伸段201、中部长条段202、底部宽段205，顶端延伸段201和中部长条段202的交界处连接有水平段204。

振子上臂100为仿t型结构，振子上臂100从顶部至底部由多段不等径的矩形段109首尾相连组成，矩形段109的宽度由顶部至底部逐渐减小，位于中部的矩形段109的左右两侧分别连接有至少一个外连枝节103，外连枝节103的形状可以是t型形状，如图2所示，外连枝节103由一段竖直枝节104通过水平枝节105连接至振子上臂100的中部，其位置处于振子上臂100的顶部矩形段与振子下臂200之间的位置，除了竖直枝节104之外，也可采用其它的形状，为最大化的扩展天线效果，竖直枝节104的侧边缘位置与振子上下臂的边缘一致，位于底部的矩形段109与振子下臂200不接触并嵌入至振子下臂200的顶部的空间内；例如，如图2、如3所示，t形的振子上臂100由顶部宽矩形101、中部较宽矩形102和底部窄矩形106首尾相连而成。其中，中部较宽矩形102两侧有一对与之平行的短竖直枝节104，它们通过水平枝节105与中部较宽矩形102相连，底部窄矩形106伸入至振子下臂200的顶部支臂之间，并在靠近下臂上部的水平连接段上部终止，上下两臂中间嵌合部分之间有空隙。

用50ω同轴电缆连接至非对称振子的馈电点，对非对称振子10馈电，同轴电缆500的内导体连接至振子上臂100的底部的矩形段109，同轴电缆500的外导体连接至振子下臂200的水平段204的中心处，并沿非对称振子10的中心线连接在寄生枝节206朝振子下臂200的底部延伸。

天线罩600罩设在非对称振子10的外侧，天线罩根据非对称振子10的形状设置，当不加载加载片时，为减小天线尺寸，天线罩的内壁尽可能贴进非对尔pcb振子10的表面，例如扁长形。当加载加载片时，天线罩的内臂根据加载片的倾斜形状进行设计，例如，天线罩600的外形为圆柱形或扁矩形。天线罩600加工材料为玻璃钢、asa、abs、uabs、pc或pvc。

为扩展覆盖的频段，全向天线可加载设置两对加载片401、402，两对加载片401、402分别加载设置在非对称振子10的振子上臂100和振子下臂200上，每对加载片401、402包括两片分别设置在振子上臂100或振子下臂200的两侧边缘并按同一旋向设置的加载片，每对加载片401、402的中心轴线与非对称振子10的中心线重合。

加载设置在振子上臂100上的一对加载片401的起止位置在振子上臂100的顶部顶端和振子上臂100的中部位置，该中部位置应截止至外连枝节103处，不能对外连枝节103产生遮挡，加载设置在振子下臂200上的一对加载片401的起止位置在振子下臂200的水平段204和振子下臂200的底部末端。此种设置的两对加载片401、402才能起到最优的效果。

两对加载片401、402的加工材料为金属良导体，加载片401、402的外形为圆柱面、直弯折面、平直面或其他曲面。如图4a、图4b所示的加载片的外形为圆柱面，如图5a所示的加载片的外形为直弯折面，如图5b所示的加载片的外形为平直面，如图5c所示的加载片的外形为其他曲面，即非正圆圆柱面的其他曲面结构，同一对内的加载片的弧度或长度可以不相等，两对加载片的弧度或长度可以不相等，以外形为圆柱面的加载片为例，在非对称振子上下两臂边缘、顺着振子方向各加载一对圆柱面薄片，各圆柱片的旋向均相同，它们的轴线与振子中心线重合，半径为介基板宽度的一半，圆心角θ=0~180°，0°即是不加载加载片的情况；圆柱片的一侧边靠近振子边缘，另一侧边则远离介质基板；振子上臂上的圆柱面薄片的起止位置为振子上臂的顶部宽矩形，振子下臂上的圆柱面薄片的起止位置则在振子下臂的中部长条段顶部、底部宽段末端附近；两对圆柱面薄片内侧边穿过介质基板后并在介质基板正反两面或正反面中的一面与振子臂焊接。

水平段204的中部朝下突出有枝节203，突出的枝节203是从水平段204的中部下向延伸出一段，如图所示为一段矩形段。

振子上臂100的长度短于振子下臂200的长度，振子上臂100和振子下臂的总长度小于0.5×λl，振子宽度为（0.055-0.07）×λl，λl为最低工作波长。水平段位于从顶部起始的振子下臂的1/7-1/5处，振子上臂100的最优长度为0.12-0.16λl，振子下臂200的最优长度为0.18-0.24λl。

介质基板300的基板材料的介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种常见介质板材，如fr4、f4b。当介质基板的材料为空气时，非对称振子直接设置在天线罩内。

以双面非对称振子为例，小型化双频超宽带全向天线的设计方法包括以下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造非对称振子。在xoy平面，顺着y轴方向构造一个非对称振子，振子上臂100和下臂200分别近似一个t形和一个h形，t形振子上臂100由顶部宽矩形101、中部较宽矩形102和底部窄矩形106首尾相连而成，构成t形。其中，中部矩形102两侧有竖直枝节104，它们通过水平枝节105与中部矩形102相连，两个t形振子上臂100对称分布在介质基板300的正反两面，并通过金属化过孔阵108相连；h形振子下臂200则由顶端延伸段201、中部长条段202、底部宽段205，以及寄生枝节206组成，左右部分在顶端通过水平段204连接起来，构成h形，水平段204的中部有朝下突出的枝节203，h形振子下臂对称分布在介质基板300的正反两面，并通过金属化过孔阵208相连，如图2所示；

步骤三，边振子缘加载加载圆柱片。在步骤二的非对称振子上下臂的两侧边缘，各对称加载一对圆柱薄片401、402，薄片长度顺着振子方向，其内侧边靠近振子边缘，外侧边则远离介质基板；圆柱薄片的中心轴线与介质基板300的中心线重合，其半径r约为基板的半宽度；圆柱薄片401的起止位置在振子上臂的顶部宽矩形101，圆柱薄片402的起止位置则在振子下臂的中部细长段202顶部、底部宽段205末端附近；上下两对圆柱片及每对圆柱片中的两薄片旋向均为顺时针或逆时针，两对薄片的圆心角θ=0~180°；上下薄片401、402侧边穿过介质基板并在其正反两面或正反面任意一面与振子臂焊接，如图3~7所示；

步骤四，同轴电缆馈电。用一根标准的50ω同轴电缆500，连接至非对称振子的馈电点107，其内导体501连接至振子上臂100的底部窄矩形106的底部，外导体502则连接至振子下臂200的顶部水平段204的中心，电缆沿振子中心线朝振子的底端205延伸，见图2、图7所示；

步骤五，设置天线罩。在步骤四的圆柱片加载非对称振子外侧，加载一个圆柱形或扁形的天线罩600，以保护天线本体，见图4a、图4b、图5a、图5b、图5c所示。

图8为小型化双频超宽带全向天线的输入阻抗zin的频率特性曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是阻抗zin，单位为ω;实线表示实部rin，虚线表示虚部xin。由图知，在0.698~0.96ghz/1.71~2.70频段，实部和虚部变化范围分别为：+25~+100ω、-25~+3ω和+32~+53ω、-21~+25ω，具有明显的双频超宽带阻抗特性。

图9为小型化双频超宽带全向天线的驻波比vswr曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是vswr。由图知，天线在gsm频段（0.698~0.96ghz，bw=262mhz，31.60%）和lte频段（1.427~2.70ghz，bw=1273mhz，61.7%），均实现了良好的阻抗匹配，驻波比vswr分别小于2.25和2.28，最小达到1.05，相对带宽分别为31.60%、61.7%，实现了双频超宽带工作。

图10为小型化双频超宽带全向天线的反射系数|s11|曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是s11的幅度|s11|，单位为db。由图知，天线在gsm频段（0.698~0.96ghz，bw=262mhz，31.60%）和lte频段（1.427~2.70ghz，bw=1273mhz，61.7%），均实现了良好的阻抗匹配，反射系数|s11|分别小于-8.2db、-9.8db，最低可达-34db，相对带宽分别为31.60%、61.7%，实现了双频超宽带工作。

图11为小型化双频超宽带全向天线在f1=698mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于0.08db，水平均匀性理想，e面波束较宽，hpbw=75.5°，增益g=1.71dbi，比常规半波振子低约0.4db。

图12为小型化双频超宽带全向天线在f2=960mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于0.17db，水平均匀性理想，h面波束较宽，hpbw=98.7°，增益g=1.50dbi，比常规半波振子低约0.6db。

图13为小型化双频超宽带全向天线在f3=1427mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于0.41db，水平均匀性理想，h面波束较宽，hpbw=69.5°，增益g=2.12dbi，与常规半波振子增益相当。

图14为小型化双频超宽带全向天线在f4=1710mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于0.53db，水平均匀性理想，h面波束较宽，hpbw=61.25°，增益g=2.21dbi，与常规半波振子增益相当。

图15为小型化双频超宽带全向天线在f5=2200mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于0.96db，水平均匀性理想，h面波束较宽，hpbw=86.0°，增益g=1.85dbi，比常规半波振子增益低约0.3db。

图16为小型化双频超宽带全向天线在f6=2500mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于1.65db，水平均匀性理想，h面波束较宽，hpbw=48.35°，增益g=2.17dbi，与常规半波振子增益相当。

图17为小型化双频超宽带全向天线在f7=2700mhz的增益方向图。其中，实线表示h面（水平面），虚线表示e面（竖直面），不圆度小于2.67db，水平均匀性理想，h面波束较宽，hpbw=38.0°，增益g=2.73dbi，比常规半波振子高约0.5dbi。

图18为小型化双频超宽带全向天线的增益g随频率f变化特性。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是增益g，单位是dbi。由图知，低频和高频增益g分别为：1.4~1.7dbi和1.7~2.73dbi，接近于半波振子的增益。

图19为小型化双频超宽带全向天线的h面不圆度随频率f变化曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是不圆度，单位是度db。由图知，在低频和高频段内，水平面（h面）方向图不圆度（全向性或均匀性）分别为0.08~0.40db，0.41~2.67dbi，低频水平均匀辐射特性理想，高频段则稍差。

图20为小型化双频超宽带全向天线的e-面（竖直面）半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是波束宽度，单位是度（deg）。由图知，低频和高频的e面半功率波宽分别为：hpbw=75.5^o~98.7^o和38.0^o~92.0^o，低频段e面波宽较宽，且随频率增大，高频段内则e面波宽起伏较大。

图21为小型化双频超宽带全向天线的效率ηa随频率f变化曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是效率。由图知，低频和高频段内，天线效率ηa≥82%，最高达到99%。