一种梯形宽带振子单频阵列天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种梯形宽带振子单频阵列天线，包括顶部PCB板、底部PCB板、若干信号输入线。顶部PCB板的上表面设置有与若干信号输入线相对应的若干梯形辐射振子，梯形辐射振子以短边对应谐振在最高频率点，以长边对应谐振在最低频率点。梯形辐射振子以纵向和横向呈阵列式排列，相邻两列之间的间距是最低频率点的1/2波长，相邻两行之间的间距接近最高频率点的1/2波长。顶部PCB板的下表面设置有与若干信号输入线相对应连接的若干信号耦合板，信号耦合板的宽度谐振在最高频率和最低频率构成的频率宽带的中心频率点上，信号耦合板与梯形辐射振子的距离以顶部PCB板的厚度为间隙。底部PCB板的下表面设置主反射板。
【专利说明】
一种梯形宽带振子单频阵列天线
技术领域
[0001]本发明涉及一种阵列天线，特别是一种梯形宽带振子单频阵列天线。
【背景技术】
[0002]在基于国家“物联网”的政策背景下，加上“工业4.0”所需要的，互联网、广播电视网、数据通信网将合并一网，丰富的网络信息资源，可以让个人通过一个网络得到所期望的全部信息，也可以让企业提供丰富多样的形式接入网络，在这其中，最方便、最快捷的方式就是无线接入方式，因为无线的接入方式节约了大量的网络铺设费用，可以快速规划、快速安装、快速投入使用，维护也相对简洁。现在随着无线局域网的飞速发展，WIFI成为无线通讯中最后500米的主要接入方式，人们在平时的生活、工作、学习中，使用手持式WIFI产品的机会极大增加，通过WIFI的连接，人们可以随时随地的与外部大网络连接，得到自己所需要的所有信息，所以如何向一个区域内的用户提供不间断、高流量、大用户数接入的WIFI服务热点产品，就是现在WIFI产品中的一个发展快速的领域。如何设计一种高增益、小型化、低剖面的内置宽带天线成为WIFI热点产品的性能提高的难点和瓶颈，所以为了满足这种产品的特点，相应的高增益内置天线就需要同样的轻、薄、小，而且天线自身的性能却不能明显降低，如图1所示，现在的高增益内置天线的大部分使用常规的半波振子作为子单元，其工作频率范围很难实现宽频，造成天线如果设计使用在宽频信号范围，就出现最高频率点和最低频率点的性能下降明显。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决上述【背景技术】存在的不足，提出一种梯形宽带振子单频阵列天线，实现了结构简单、重量轻、制造成本低、辐射效率高、容易实现宽频段工作等独特优点。
[0004]本发明的解决方案是:一种梯形宽带振子单频阵列天线，其包括顶部PCB板、底部PCB板、若干信号输入线;顶部PCB板的上表面设置有与若干信号输入线相对应的若干梯形辐射振子;梯形辐射振子以短边对应谐振在天线设计使用频率的最高频率点，以长边对应谐振在天线设计使用频率的最低频率点，以控制天线使用频率在最高频率点和低频率点之间；梯形辐射振子以纵向和横向呈阵列式排列，相邻两列之间的间距是天线设计使用频率的最低频率点的1/2波长，相邻两行之间的间距接近天线设计使用频率的最高频率点的1/2波长;顶部PCB板的下表面设置有与若干信号输入线相对应的若干信号耦合板，信号耦合板与相应的信号输入线的一端电性连接;信号耦合板通过顶部PCB板的介质产生区域性耦合信号电场，将信号耦合到相应的梯形辐射振子上;信号耦合板的宽度谐振在天线设计使用频率的最高频率和最低频率构成的频率宽带的中心频率点上，信号耦合板与梯形辐射振子的距离以顶部PCB板的厚度为间隙；底部PCB板的下表面设置主反射板，主反射板与顶部PCB板的间距为天线设计使用频率的最低频率点的对应波长的1/4。
[0005]作为上述方案的进一步改进，信号耦合板为从相应的信号输入线延伸出来的金属面。
[0006]作为上述方案的进一步改进，主反射板为底部PCB板下表面上的金属覆盖面。进一步地，信号输入线的另一端连接信号源，多个信号输入线构成信号分布网络，所述信号分布网络以底部PCB板作为介质层与主反射板隔离。
[0007]作为上述方案的进一步改进，梯形辐射振子为顶部PCB板的上表面金属层，顶部PCB板作为梯形辐射振子与信号耦合板的中间层介质层。
[0008]作为上述方案的进一步改进，信号耦合板的形状为方形。进一步地，信号耦合板的宽度为天线设计使用频率的最低频率点的1/4波长。
[0009]作为上述方案的进一步改进，梯形辐射振子与主反射板的物理距离需要将顶部PCB板加底部PCB板的总厚度以相对介电常数值代入，折算为纯空气距离:天线设计使用频率的最低频率点的1/4波长。
[0010]作为上述方案的进一步改进，所述梯形宽带振子单频阵列天线总共8个梯形辐射振子的阵列，横向两组排列，纵向四组排列。
[0011]作为上述方案的进一步改进，底部PCB板与顶部PCB板采用绝缘材质的连接件组装全士么云口口 ο
[0012]本发明通过信号传输线将输入的信号传送给耦合信号板上，信号耦合板将信号通过耦合传递的方式传导到梯形辐射振子上，梯形辐射振子向外辐射电磁波信号，其中向下辐射的信号被主反射板反射，反射电磁波与向上的电磁波重叠，产生定向的辐射电磁波，形成高增益的窄波束。本发明采用两块PCB的两面金属层实现了反射、耦合、辐射的功能，利用PCB的加工工艺，保证了每一批次的产品都有良好的一致性，简化了生产，同时确保了天线的增益，节省了成本，并使全部天线可以完整的融合进整机的外壳中。
【附图说明】
[0013]图1是传统矩形振子阵列天线的结构示意图。
[0014]图2是本发明的梯形宽带振子单频阵列天线的立体图。
[0015]图3是图2的主视图。
[0016]图4是图2的仰视图。
[0017]图5是图2的俯视图。
[0018]图6是图2的左视图。
[0019]图7是图2的右视图。
[0020]图8为图2中顶部PCB板I下表面上的其中一个信号耦合板与对应信号输入线的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]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。
[0022]请参阅图2，并结合图3至图8，本发明的梯形宽带振子单频阵列天线顶部PCB板1、底部PCB板2、若干信号输入线3。
[0023]顶部PCB板I的上表面设置有与若干信号输入线3相对应的若干梯形福射振子11，顶部PCB板I的下表面设置有与若干信号输入线3相对应的若干信号親合板12，顶部PCB板I的上表面与顶部PCB板I的下表面为顶部PCB板I的相对两侧。梯形辐射振子11从信号耦合板12通过顶部PCB板I的介质以特定位置相对应。
[0024]梯形辐射振子11以短边对应谐振在天线设计使用频率的最高频率点，以长边对应谐振在天线设计使用频率的最低频率点，以控制天线使用频率在最高频率点和低频率点之间。梯形辐射振子11以纵向和横向呈阵列式排列，相邻两列之间的间距是天线设计使用频率的最低频率点的1/2波长，相邻两行之间的间距接近天线设计使用频率的最高频率点的I/2波长。
[0025]信号耦合板12与相应的信号输入线3的一端电性连接，信号输入线3的另一端连接信号源，多个信号输入线3构成信号分布网络。信号耦合板12以特定宽度和长度的金属面附着在顶部PCB板I的下表面，对准上表面的辐射体特定位置，将信号输入线3馈入的信号耦合到上表面的辐射体即梯形辐射振子11。信号耦合板12的宽度与天线设计使用频率的最低频率点的1/4波长对应。
[0026]信号耦合板12通过顶部PCB板I的介质产生区域性耦合信号电场，将信号耦合到相应的梯形辐射振子11上。信号耦合板12的宽度谐振在天线设计使用频率的最高频率和最低频率构成的频率宽带的中心频率点上，信号耦合板12与梯形辐射振子11的距离以顶部PCB板I的厚度为间隙。信号耦合板12可为从相应的信号输入线3延伸出来的金属面。在本实施例中，信号耦合板12主体为方形，梯形辐射振子11为顶部PCB板I的上表面金属层，中间层为介质层顶部PCB板I，通过顶部PCB板I足够小的厚度产生的耦合效应，信号耦合板12与梯形辐射振子11能够产生高效率的信号耦合传递。
[0027]顶部PCB板I上的多个梯形辐射体即梯形辐射振子11，附着在顶部PCB板I的上表面，按照一定间距规律排列成的阵列，实现相互之间辐射信号的叠加，产生高增益的定向辐射波形。在本实施例中，梯形宽带振子单频阵列天线总共8个梯形辐射振子11的阵列，横向两组排列，纵向四组排列。
[0028]底部PCB板2的下表面设置主反射板21，主反射板21与顶部PCB板I的间距为天线设计使用频率的最低频率点的对应波长的1/4。主反射板21可为底部PCB板2下表面上的金属覆盖面，主反射板21也可为底部PCB板2下表面的原有金属覆盖面。信号输入线3布置在主反射板21的上方，如果天线总共有8个子单元的阵列，则每个子单元的信号输入分配网络分布与底部PCB板2的上表面。
[0029 ]底部PCB板2与顶部PCB板I可采用绝缘材质的连接件组装结合，如塑料材料，连接件可以是安装壳、支撑架等等，只要将确保底部PCB板2与顶部PCB板I中间的距离保持一致。
[0030]主反射板21可为底部PCB板2的下表面上的金属覆盖面，信号分布网络以底部PCB板2作为介质层与主反射板21隔离。在本实施例中，主反射板21以底部PCB板2下表面的金属覆盖面实现，与信号分布网络以PCB板作为介质层隔离，以介质层的高介电常数产生等效压缩的空气距离，实现很薄厚度的阻抗匹配效果。梯形辐射振子11与主反射板21的距离，其对应的物理距离需要将顶部PCB板I加底部PCB板2的总厚度以相对介电常数值代入，折算为纯空气距离为天线设计使用频率的最低频率点的1/4波长对应。
[0031]信号输入线3以特定宽度的金属线作为信号的馈入通道，在本实施例中，信号输入线3为特定阻抗匹配段，信号输入线3与信号耦合板12连接，信号耦合板12通过顶部PCB板I这个介质，与顶部PCB板I上表面的梯形辐射振子11以特定位置对应，通过顶部PCB板I产生区域性耦合信号电场，将信号耦合到梯形辐射振子11上。梯形辐射振子11以短边对应谐振在特定的高频率点，以长边对应谐振在特定的低频率点，可以灵活的控制天线使用在特定的高、低频率点之间，达到宽频带工作的目的。梯形辐射振子11以纵向和横向排列，纵向和横向排列的间距根据天线使用频率的高、低频率点的中点来设置，实现每个辐射体的辐射波形都能够在空中组合，形成特定方向的高增益波形。此波形被主反射板21向某方向反射，主反射板21与顶部PCB板I保持特定的间距，此间距为天线设计使用频率的最低频率点的对应波长的1/4。
[0032]本发明利用底部PCB板2和顶部的PCB板I这两个介质层，达到压缩天线高度的目的，以特定宽度和长度的信号耦合板12与梯形辐射振子11的位置对应，实现信号的耦合传递，梯形辐射振子11采用长边、短边的设计结构，实现了特定频率宽度的宽带信号辐射能力。梯形辐射振子11以特定的间距进行纵向和横向的排列组合，实现了空间特定方向的高增益波形，以主反射板21将梯形辐射体的其中一个方向的辐射信号反射向特定的方向，使特定方向的空间波的增益进一步提高，最终实现了宽带高增益的目的。
[0033]顶面的梯形振子，其一端的长度对应天线设计使用的最高频率点，另一端的长度对应天线设计使用的最低频率点，所以天线所使用的频率范围很灵活，可以实现比常规矩形振子更宽的频率宽度，梯形振子以PCB表面的铜箔形成，工艺简单，一致性非常好。梯形振子的横向两组排列，间距是天线设计使用频率宽度的中心频率点的1/2波长，纵向四组排列，间距是天线设计使用频率宽度的中心频率点的1/2波长，这样可以使振子的辐射波形前方合成。梯形振子对应的PCB另一面是信号耦合板，信号耦合板的宽度谐振在天线设计使用频率的中心频率点上，与顶面的梯形振子的距离以PCB板厚度为间隙，其等效距离需要折算上PCB基材的相对介电常数，确保信号耦合板与梯形振子的耦合效率足够高，信号耦合板连接信号传输线。信号传输线宽度为50欧。在下面的PCB板顶面，是均匀分布的50欧信号传输分配网络，能够确保输入每个信号耦合板的信号处于幅度相等、相位相同的状态，下面的PCB板底面铜箔，是完整的保留，作为整个天线的主反射板。上面的PCB上的信号耦合板距离下面的主反射板的距离接近天线设计使用频率的中心频率点的1/4波长，确保被反射板反射的信号能够与向前辐射的信号能够做到同相位合成，提高向前辐射的信号增益值。
[0034]本发明通过信号传输线3将输入的信号传送给耦合信号板12上，信号耦合板12将信号通过耦合传递的方式传导到梯形辐射振子11上，梯形辐射振子11向外辐射电磁波信号，其中向下辐射的信号被主反射板21反射，反射电磁波与向上的电磁波重叠，产生定向的辐射电磁波，形成高增益的窄波束。
[0035]本发明采用两块PCB的两面金属层实现了反射、耦合、辐射的功能，利用PCB的加工工艺，保证了每一批次的产品都有良好的一致性，简化了生产，同时确保了天线的增益，节省了成本，并使全部天线可以完整的融合进整机的外壳中。
[0036]综上所述，本发明的优选方式为:所述的信号传输线宽度确保与规定的阻抗向对应，常规为50欧和75欧，在耦合信号板的宽度对应天线设计使用频率的中心频率点的1/4*入，耦合信号板与梯形辐射体的电信号距离是物理距离h(顶部PCB的厚度)乘以PCB的介质层的相对介电常数er的开二次根号，梯形辐射体的长边对应天线设计使用的最低频率点的I/4*λ，短边对应天线设计使用的最高频率点的1/4*λ，提供调整长边和短边的长度，可以灵活的实现不同频率范围的正常工作。主反射板与梯形辐射体的距离为hi(底部PCB等效厚度)+h2(顶部PCB等效厚度)+h(两个PCB之间的空气厚度)。总距离等效约等于天线设计使用的中心频率点0.20*1/4*λ，确保了反射信号与前向的信号的相位重叠，从而达成高增益目标。
[0037]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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】
1.一种梯形宽带振子单频阵列天线，其包括顶部PCB板(1)、底部PCB板(2)、若干信号输入线(3);其特征在于: 顶部PCB板(I)的上表面设置有与若干信号输入线(3)相对应的若干梯形福射振子(11);梯形辐射振子(II)以短边对应谐振在天线设计使用频率的最高频率点，以长边对应谐振在天线设计使用频率的最低频率点，以控制天线使用频率在最高频率点和低频率点之间；梯形辐射振子(11)以纵向和横向呈阵列式排列，相邻两列之间的间距是天线设计使用频率的最低频率点的1/2波长，相邻两行之间的间距接近天线设计使用频率的最高频率点的I/2波长； 顶部PCB板(I)的下表面设置有与若干信号输入线(3)相对应的若干信号耦合板(12)，信号耦合板(12)与相应的信号输入线(3)的一端电性连接;信号耦合板(12)通过顶部PCB板(1)的介质产生区域性耦合信号电场，将信号耦合到相应的梯形辐射振子(11)上;信号耦合板(12)的宽度谐振在天线设计使用频率的最高频率和最低频率构成的频率宽带的中心频率点上，信号耦合板(12)与梯形辐射振子(11)的距离以顶部PCB板(I)的厚度为间隙； 底部PCB板(2)的下表面设置主反射板(21)，主反射板(21)与顶部PCB板(I)的间距为天线设计使用频率的最低频率点的对应波长的1/4。2.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:信号耦合板(12)为从相应的信号输入线(3)延伸出来的金属面。3.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:主反射板(21)为底部PCB板(2)下表面上的金属覆盖面。4.如权利要求3所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:信号输入线(3)的另一端连接信号源，多个信号输入线(3)构成信号分布网络，所述信号分布网络以底部PCB板(2)作为介质层与主反射板(21)隔离。5.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:梯形辐射振子(11)为顶部PCB板(I)的上表面金属层，顶部PCB板(I)作为梯形辐射振子(11)与信号耦合板(12)的中间层介质层。6.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:信号耦合板(12)的形状为方形。7.如权利要求6所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:信号耦合板(12)的宽度为天线设计使用频率的最低频率点的1/4波长。8.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:梯形辐射振子(11)与主反射板(21)的物理距离需要将顶部PCB板(I)加底部PCB板(2)的总厚度以相对介电常数值代入，折算为纯空气距离:天线设计使用频率的最低频率点的1/4波长。9.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:所述梯形宽带振子单频阵列天线总共8个梯形辐射振子(11)的阵列，横向两组排列，纵向四组排列。10.如权利要求1所述的梯形宽带振子单频阵列天线，其特征在于:底部PCB板(2)与顶部PCB板(I)采用绝缘材质的连接件组装结合。
【文档编号】H01Q21/00GK106058454SQ201610581293
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月21日 公开号201610581293.6, CN 106058454 A, CN 106058454A, CN 201610581293, CN-A-106058454, CN106058454 A, CN106058454A, CN201610581293, CN201610581293.6
【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