一种紧凑型宽带垂直极化全向天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种紧凑型宽带垂直极化全向天线。

背景技术：

全向天线是指在方位角平面内能够实现360°无死角收发电磁波的装置。垂直极化全向天线已经在诸如室内精确定位、wifi覆盖、蓝牙设备接收、gps信号接收、雷达传感器等军民领域获得大量应用。随着无线通信技术的快速发展及半导体器件性能的大步提升，需要担任收发电磁波信号的前端天线具备小体积、低剖面、高集成化等特点。这使得具备紧凑结构的全向垂直极化天线具有广阔的应用前景。另一方面，随着大信息量，高数据传输速率，高可靠性等条件的约束，迫切要求天线具备宽带工作特性。这不仅可以大大降低多天线之间带来的信号串扰，提升信号传送质量，还能显著减少通信系统的制造成本，实现系统小型化。因此，对于具备全向辐射波瓣的宽带紧凑型天线而言，其正受到越来越多的关注，也已成为当下研究的热点。

对于紧凑型宽带垂直极化全向天线的研究，在最新一些可查到的研究成果中，大多数还是基于单极辐射贴片的形式，并在此基础上进行电抗加载、套筒加载、多缝加载等技术手段，实现天线的小型化辐射目的。采用这些加载技术的本质是引入新的lc谐振模式，使得天线在一个紧凑的尺寸下仍然能够获得宽带阻抗特性，实现宽带工作。不过，大部分的研究都没有给出清晰的物理机理分析，且天线调节方式繁杂，制作精度要求较高，难度较大。

技术实现要素：

本发明提供了一种新型的紧凑型宽带垂直极化全向天线。针对单个金属辐射贴片加载的单极子辐射结构宽带窄、剖面高等缺点。提出了地板开缝引入容抗加载的方法，使天线获得新的谐振模式，结合短路金属棒引入感抗加载所得到的谐振模式，构成了双谐振工作，使得天线在一个较宽的范围内获得了良好的全向垂直极化辐射特性。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种紧凑型宽带垂直极化全向天线，所述天线包括：

顶层金属辐射片、下层介质板、中间金属柱、若干短路金属柱；下层介质板上开设有镂空区域，中间金属柱上端与顶层金属辐射片连接，中间金属柱下端向镂空区域延伸，短路金属柱上端与顶层金属辐射片连接，短路金属柱下端与下层介质板上表面连接；微带馈线穿过下层介质板的镂空区域后与中间金属柱下端连接。

进一步的，所述天线还包括绝缘垫片，所述绝缘垫片固定在中间金属柱与下层介质板之间，将中间金属柱与下层介质板进行绝缘。

进一步的，所述镂空区域具体为孔或槽。

进一步的，中间金属柱上端与顶层金属辐射片下表面中心连接，镂空区域位于下层介质板中部，中间金属柱下端向镂空区域中心延伸，若干短路金属柱均匀分布在中间金属柱四周。

进一步的，下层介质板上层印制金属地面，下层印制微带馈线。

进一步的，所述中间金属柱上端设有第一凸块，顶层金属辐射片下表面设有第一凹槽，第一凸块用于嵌入第一凹槽中将间金属柱与顶层金属辐射片进行连接固定。

进一步的，所述中间金属柱下端设有第二凸块，第二凸块用于嵌入镂空区域中与微带馈线连接。

进一步的，短路金属柱具体为4个。

进一步的，所述绝缘垫片具体为pvc绝缘垫片。

进一步的，所述天线采用pcb加工工艺和cnc加工工艺制成。

本发明给出了一个具备紧凑结构的垂直极化全向天线设计方案。因为可以采用pcb技术和cnc机加工技术，并且不需要控制一些精细的镂空结构，与其他电抗性加载的方法相比，本发明具备处理方便，加工简单，制作精度高等优势。此外，天线的等效电路模型也被给出，用于清晰地阐释辐射机理，指导整个天线的设计过程。受制于单个顶层金属加载的单极子辐射结构剖面较高，且工作带宽受限等缺点。本发明通过在底层金属地上开一个圆形孔径，使其与金属圆柱之间产生电容加载，再结合馈电金属圆柱产生的固有电感效应，得到了一个新的lc谐振模式。此外，通过加载四根对称分布的短路圆形金属柱，产生另外的电感加载，该电感效应与顶层金属贴片和地之间存在的电容效应又形成了另外一个lc谐振模式。当上述两个谐振频率间距合适时，便可以得到一个较宽的工作带宽。

天线的工作原理：

为了使天线在一个紧凑的尺寸下形成有效的宽带辐射，有必要引入电抗性加载。为此，在地板的正中间开了一个圆形孔径，该圆形孔径与中间金属圆柱之间形成了容性电抗加载，该电容效应和中间金属柱自身的电感效应形成了一个新的lc谐振模式，谐振频率为f1。因为可以采用pcb技术和cnc机加工技术，并且不需要控制一些精细的镂空结构，因此这种处理方式和其他电抗性加载的方法相比，具备处理方便，加工简单，制作精度高等优势。另一方面，顶层金属辐射片和地面之间存在有分布电容效应，为了引入感性分量，在辐射片与地之间加载了四根对称分布的圆形金属短路柱。又形成了另外一个lc谐振模式，谐振频率为f2。图2给出了天线的端口反射系数曲线，由图中数据可以观察到，上述的两个谐振频率分别位于5ghz和3.75ghz处。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明所提出的容性加载技术，可以引入新的谐振模式，使天线获得了双谐振工作特性，让其在一个较为紧凑的尺寸下获得了宽带工作。所提的等效电路模型简单实用，不仅物理机理清晰，而且调谐简单，方便，可为天线提供切实可行的设计指导。通过这一思路，提出了一款紧凑尺寸下宽带垂直极化全向天线，工作频带覆盖3.64ghz～5.36ghz频带，相对带宽达到38.2％，图5所示的辐射方向图稳定，全向性良好，且交叉极化电平低于-25db。本发明可以在室内精确定位、wifi覆盖、gps信号接收等领域获得应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1a是本申请中天线结构的俯视示意图；

图1b是本申请中天线结构的侧视示意图；

图1c是本申请中天线结构的下层电路板的结构示意图；

图2是本申请中仿真的天线端口反射系数示意图；

图3是本申请中天线等效电路示意图；

图4为仿真天线关键参数对端口反射系数的影响示意图：图4a为地板上不同开缝口径对端口反射系数的影响，对应于c1；图4b为下层介质板不同厚度对端口反射系数的影响，对应于l1；图4c为不同顶层金属片直径对端口反射系数的影响，对应于c2；图4d为不同短路金属柱直径对端口反射系数的影响，对应于l2；

图5a是4ghz时天线仿真辐射方向示意图；

图5b是5ghz时天线仿真辐射方向示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，天线由顶层金属辐射片、下层介质板、中间金属柱、短路金属柱和pvc绝缘垫片等组成。下层介质板为一双面板，上层印制金属地面，下层印制微带馈线。在地板上，中间金属圆柱的正下方开有圆形槽，四根圆形金属柱在距离中心点的一个预设位置(如距离中心点0.12λ0，λ0为中心频率真空波长)形成对称分布，使顶层金属辐射片和地板之间形成短路。为了避免中间金属柱与介质板上层印制金属地面之间出现短接，在它们中间加入了一层薄的pvc绝缘垫片，该绝缘垫片介电常数不高，介于2～4之间，对天线的性能影响较小。信号从下层微带馈线进入，并通过金属过孔到达中间金属圆柱，然后送到顶层金属辐射片上，形成辐射电流，向自由空间辐射电磁波。整个天线的等效电路模型可以由图3刻画。

为了进一步说明所提天线结构的工作机理，使得天线设计过程简化，图3给出了天线的等效电路示意图。中间金属圆柱和地板圆形孔径之间存在的容抗效应用集总电容c1替代，中间金属柱自身的感抗效应用l1替代，顶层金属片与地之间的分布电容用c2替代，四根对称金属圆柱引入的电感用l2替代，ra为天线的辐射电阻。两个lc谐振回路分别形成了两个不同的谐振模式，谐振频率分别为f1，f2。图4种给出的各不同关键参数下得到的仿真结果可以说明该等效电路的有效性。如图4(a)、(b)所示，参数d6和h3分别可以调节c1和l1，并且d6越大意味着c1越小，f1向高频移动，h3越大意味着l1越大，f1往低频移动。值得注意的是，在此过程中，由于h3的变化，为了使得微带馈线始终保持50欧姆的特性阻抗，微带线宽度应做相应的变化。另一方面，如图4(c)、(d)所示，参数d1和d4分别可以调节c2和l2，并且d1越大意味着c2越大，f2向低频移动，d4越大意味着l1越小，f1往高频移动。上述过程，物理机理清晰明了，等效电路简单实用，可以方便地为天线设计提供指导。

其中，本发明中地板(即下层介质板上表面)上开的圆形槽孔径，不仅仅只限于圆形结构，其他类似地，如椭圆形、方形、三角形等能够引入容抗效应的结构都适用，且原理一致，应被保护。顶层辐射金属片不仅仅只限于圆形，方形、三角形、椭圆形也适用，且原理一致，应被保护。地板的形状及尺寸并不仅仅限于本发明实例中给出的，其他类似的尺寸和结构也都适用。本发明中，把下层介质板的金属地面置于上层，这样做可以在介质板下层为射频电路或控制电路提供预留空间，并且通过地面形成信号屏蔽或阻隔，也可以将地面置于介质板的下层，微带馈线置于介质板的上层，效果相差不大。顶层金属辐射贴片并不仅仅局限于导电性能良好的金属薄片，双面或单面敷铜的薄pcb介质板仍然适用。短路接地的四根金属柱并不局限于圆柱形，方形，多边形都是适用的。图3中所给出了天线的等效电路模型，为清楚阐释所提加载方法的物理过程起到了关键作用，应属于保护范围之内。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。