15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，包括介質(zhì)基片、主輻射單元和寄生輻射貼片，所述介質(zhì)基片上具有金屬襯底，所述主輻射單元和寄生輻射貼片均懸浮設(shè)置在介質(zhì)基片上。本實用新型針對工作頻率在3.3-3.8GHz的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)接入點進行了優(yōu)化設(shè)計，天線形式為低剖面的平板吸頂天線，實現(xiàn)了具有寬帶(500MHz)、中高增益(15.5±0.5dBi)、低交叉極化-共極化比(20dB)和高端口隔離度(>20dB)的，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，滿足平面電路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
【專利說明】15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及通信系統(tǒng)綜合設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種適用于
3.5GHz (3300-3800MHz)無線局域網(wǎng)(WiFi/WiMax)的雙極化平板形式接入天線。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線局域網(wǎng)技術(shù)的普及和相關(guān)終端設(shè)備的大量商業(yè)化出現(xiàn)，無線局域網(wǎng)正迅速在各種建筑物內(nèi)外實現(xiàn)布網(wǎng)和覆蓋。目前，主流的無線局域網(wǎng)工作頻率包括2.4GHz，
5.8GHz和3.5GHz，根據(jù)各個國家和地區(qū)對無線電頻譜的管理要求不同而選取不同的頻率。需要注意的是，不同的工作頻率對應(yīng)著不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，但都能夠有效的支持寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。無線局域網(wǎng)正作為對移動通信網(wǎng)絡(luò)的一種有效補充方式，與生產(chǎn)生活的聯(lián)系日益緊密。
[0003]在架設(shè)和部署無線局域網(wǎng)時，尤其在室內(nèi)場景下，相關(guān)的天線設(shè)備必須安裝在特定的位置以滿足對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求。同時，天線的輻射特性，諸如增益、輻射方向圖，也都決定了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋特性。以3.5GHz無線局域網(wǎng)技術(shù)為例，為了實現(xiàn)較好的傳輸速率，天線增益要求不小于15dBi。為了有效的提升信道容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，多天線或多通道技術(shù)正逐步取消原始的單天線或單通道技術(shù)。此外，天線的暴露安裝需求，會帶來美觀問題，因此，無線局域網(wǎng)天線的小型化和美觀化也是設(shè)計中必須考慮的問題。眾所周知，天線的小型化與高增益之間是一對設(shè)計矛盾；此外，多天線設(shè)計必然會帶來體積增加或者天線間互耦等問題。因此，研制一款同時具有中高增益(>15dBi)、雙極化輻射特性和小型化或平面形式的天線是新型無線局域網(wǎng)天線研發(fā)中的難點。
實用新型內(nèi)容
[0004]要解決的技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提出15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，用于解決現(xiàn)有的局域網(wǎng)天線設(shè)備中的多天線技術(shù)無法同時兼顧小型化、高增益的技術(shù)問題。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0006]15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，包括介質(zhì)基片、主輻射單元和寄生輻射貼片，所述介質(zhì)基片上具有金屬襯底，所述主輻射單元和寄生輻射貼片均懸浮設(shè)置在介質(zhì)基片上；所述寄生輻射貼片共有9個并且排列成三行三列的田字格形式，所述主輻射單元共有4個且分別均勻地呈幾何對稱分布于田字格的4個象限內(nèi)；每個主輻射單元包括上下兩層貼片，其中靠近介質(zhì)基片的貼片為四條長邊四條短邊間隔組成的八邊形金屬貼片，遠(yuǎn)離介質(zhì)基片的貼片為正方形金屬貼片；還包括兩個微帶線形式的饋電網(wǎng)絡(luò)，每個饋電網(wǎng)絡(luò)均為由3組樹狀二等分功率分配器形成的一分四的功率分配饋電結(jié)構(gòu)；對于每個饋電網(wǎng)絡(luò)，其末端配備一組金屬線，每組金屬線內(nèi)包含4根與介質(zhì)基片相垂直的金屬線，饋電網(wǎng)絡(luò)的4個末端與4根金屬線一一對應(yīng)并且通過金屬線連接到八邊形金屬貼片中與饋電網(wǎng)絡(luò)連接的長邊中點上；每個八邊形金屬貼片中各有一組相鄰的2個長邊分別連接到兩個不同的饋電網(wǎng)絡(luò)上。
[0007]本實用新型在傳統(tǒng)貼片天線陣列基礎(chǔ)上提出了主輻射單元加寄生輻射單元結(jié)構(gòu)，寄生輻射單元巧妙而緊湊地分布在主輻射單元周邊，實現(xiàn)了緊湊化的排布設(shè)計。其中主輻射單元通過饋電網(wǎng)絡(luò)直接激勵，寄生輻射單元則由主輻射單元通過空間耦合實現(xiàn)二次激勵。主輻射單元和寄生輻射單元共同構(gòu)成了一個較大的天線輻射口徑，寄生輻射單元的引入可以提高輻射口徑中輻射場的均勻性，從而有效地提高天線的增益；同時，由于寄生輻射單元采用空間激勵方式，避免了引入復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)和由饋電網(wǎng)絡(luò)引入的插入損耗，可以有效的簡化天線結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計和實現(xiàn)，同時可以使天線具有較高的輻射效率。此外，寄生輻射單元的引入還可以豐富天線的諧振頻率，進一步拓展天線的工作帶寬。
[0008]進一步的，在本實用新型中，位于相鄰象限的兩兩主輻射單元之間的距離為0.8?0.9個工作波長；所述八邊形金屬貼片距離介質(zhì)基片0.02?0.03個工作波長；所述正方形金屬貼片距離介質(zhì)基片0.08?0.12個工作波長；所述寄生輻射貼片距離介質(zhì)基片的距離為0.06?0.07個工作波長。本實用新型所采用的主輻射單元為正方形金屬貼片和八邊形金屬貼片層疊結(jié)構(gòu)，貼片間距和貼片到介質(zhì)基片背面金屬地間距的選取符合常規(guī)貼片天線設(shè)計準(zhǔn)則，在I %個工作波長左右?？紤]到寄生輻射單元的排布需要，主輻射單元間距的選取較大，但仍小于一個工作波長以避免輻射方向圖中柵瓣出現(xiàn)。寄生輻射單元與介質(zhì)基片背面金屬地之間的間距也控制在I %個工作波長左右。
[0009]進一步的，在本實用新型中，在寄生輻射貼片中，位于中心的一個尺寸最小，位于四個頂角上的四個尺寸相同且尺寸最大，剩余的四個尺寸相同且尺寸居中。寄生輻射貼片的尺寸設(shè)計是優(yōu)選的結(jié)果，優(yōu)選目標(biāo)在于能夠有效提升天線的增益，同時需要滿足不會與主輻射單元發(fā)生交疊。
[0010]進一步的，在本實用新型中，主輻射單元的中心設(shè)置有金屬柱，將主輻射單元支撐并固定在介質(zhì)基片的金屬襯底上。利用金屬柱支撐固定主輻射單元為本行業(yè)內(nèi)通用的做法。
[0011]進一步的，在本實用新型中，寄生輻射貼片的中心設(shè)置有尼龍柱，將寄生輻射貼片支撐并固定在介質(zhì)基片的金屬襯底上。需要指出，之所以采用尼龍柱是因為部分寄生輻射貼片中心下方存在饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶線，如果選用金屬柱會破壞饋電結(jié)構(gòu)，因此采用了尼龍柱支撐。
[0012]有益效果:
[0013]本實用新型的天線具有較寬的工作帶寬，覆蓋了 3.3-3.SGHz無線局域網(wǎng)工作頻帶，并且經(jīng)過實驗測試，工作頻帶內(nèi)兩個端口的駐波均優(yōu)于14dB ;同時支持雙極化輻射，極化端口隔離優(yōu)于20dB，兩個極化輻射增益均大于15dBi，共極化交叉極化比優(yōu)于22dB ；
[0014]將本實用新型的結(jié)構(gòu)制備成實物，外形尺寸長*寬*厚約為188mmX 188mmX20mm,為平板結(jié)構(gòu)，能夠作為吸頂式天線安裝在建筑物內(nèi)，具有良好的隱蔽特性；
[0015]另外，本設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)簡單，是由幾種基本的元件以類似的方式組合而成，因此可以方便地利用印刷電路板工藝和金屬片線切割工藝生產(chǎn)，成本低、精度高、重復(fù)性好，適合大批量生產(chǎn)。
[0016]綜上所述，本實用新型的無線局域網(wǎng)接入天線具有寬工作頻帶、高增益、雙極化(雙端口)、體積小巧(平板狀)、吸頂式安裝的特點，并且具有成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，因此適用于無線局域網(wǎng)(WiFi/WiMax)系統(tǒng)中應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線的平面示意圖；
[0018]圖2為天線雙端口駐波和端口間隔離測試結(jié)果；
[0019]圖3為天線I號端口輸入時，電場平面(E面)和磁場平面(H面)福射方向圖測試結(jié)果；
[0020]圖4為天線I號端口輸入時，電場平面(E面)和磁場平面(H面)增益測試結(jié)果；
[0021]圖5為天線2號端口輸入時，電場平面(E面)和磁場平面(H面)福射方向圖測試結(jié)果；
[0022]圖6為天線2號端口輸入時，電場平面(E面)和磁場平面(H面)增益測試結(jié)果。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本實用新型作更進一步的說明。
[0024]如圖1所示，為本實用新型的15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，該天線由具有金屬襯底的介質(zhì)基片I構(gòu)成天線的地板和支撐結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基片I上表面印刷有兩組微帶線形式的饋電網(wǎng)絡(luò)2、3，饋電網(wǎng)絡(luò)2中包含了三組樹狀二等分功率分配器21、22、23，饋電網(wǎng)絡(luò)
3中包含了三組樹狀二等分功率分配器31、32、33，使得饋電網(wǎng)絡(luò)形成一分四的等功率分配饋電結(jié)構(gòu)。
[0025]天線的主輻射單元有4組，分別由懸浮在介質(zhì)基片I上方的距離介質(zhì)基片I約0.02?0.03個工作波長高度的下層八邊形金屬貼片41、43、45、47和距離介質(zhì)基片I約0.1個工作波長左右高度的上層正方形金屬貼片42、44、46、48—一對應(yīng)構(gòu)成，其中八邊形金屬貼片41、43、45、47的八條邊由四條長邊和四條短邊間隔構(gòu)成。每組輻射單元通過穿過其中心的金屬柱51、52、53、54進行支撐并固定在介質(zhì)基片I的金屬襯底上；
[0026]饋電網(wǎng)絡(luò)2通過一組包含4根與介質(zhì)基片I垂直的金屬線81、82，83、84分別對應(yīng)連接到主輻射單元的下層八邊形金屬貼片41、43、45、47的一條長邊的中點上，饋電網(wǎng)絡(luò)3的末端通過另一組5根與介質(zhì)基片I垂直的金屬線85、86、87、88分別——對應(yīng)連接到主輻射單元的下層八邊形金屬貼片41、43、45、47的另一條長邊的中點上；上述屬于同一個八邊形金屬貼片的2條長邊相互垂直。
[0027]所述天線還包括排布為三行三列的九片正方形寄生輻射貼片61?69，寄生輻射貼片61?69同樣懸浮在介質(zhì)基片I的上方，高度約為0.06?0.07個工作波長，由位于其中心的尼龍柱71?79將其支撐并固定在介質(zhì)基片I上；其中，位于中間的寄生輻射貼片65的尺寸最小，位于四個頂角位置的寄生輻射貼片61、63、67、69具有相同尺寸且尺寸最大，剩余的寄生輻射貼片62、64、66、68具有相同尺寸且尺寸居中；所述九片寄生貼片61?69的中心點構(gòu)成一個規(guī)則的田字格,前述由八邊形金屬貼片41、43、45、47和正方形金屬貼片42、44、46、48--對應(yīng)構(gòu)成的四個主輻射單元呈幾何對稱均勻分布分布在該田字格中，
相鄰的2組主輻射單元之間間距約為0.8?0.9個工作波長。
[0028]將本裝置制備成實物，長*寬*高的尺寸為188mmX188mmX20mm。
[0029]本實施例的天線中心頻率為3.5GHz，工作頻帶為3.3-3.8GHz，以饋電網(wǎng)絡(luò)2為I號端口、饋電網(wǎng)絡(luò)3為2號端口，工作頻帶內(nèi)兩端口的駐波均優(yōu)于14dB，雙端口隔離優(yōu)于20dB ;兩個極化輻射增益均大于15dBi，共極化交叉極化比優(yōu)于22dB。
[0030]實測的天線兩端口的駐波(I號端口駐波ISllI和2號端口駐波Is22I)和隔離度(I S121)的結(jié)果示于圖2，由圖2可以看出，在設(shè)計頻率范圍內(nèi)，兩端口駐波滿足設(shè)計要求，且兩端口之間具有較高的隔離度。將天線I號端口激勵時對應(yīng)的輻射方向圖和增益結(jié)果分別示于圖3、圖4 ;將天線2號端口激勵時對應(yīng)的輻射方向圖和增益結(jié)果分別示于圖5、圖6。其中，圖3和圖5所給出的兩個端口分別激勵情況下的輻射方向圖具有較好的相似性，電場平面(E面)和磁場(H面)的主極化分量在主瓣方向近似重合，最大點增益大于15dBi，并高于交叉極化分量25dB以上，具有良好的輻射特性。圖4和圖6所給出的兩個端口分別激勵下的增益曲線，可以看出在需求的工作頻帶3.3-3.8GHz，天線在電場平面(E面)和磁場平面(H面)內(nèi)的主向增益均優(yōu)于15dBi，具有高增益輻射特性。
[0031]以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，其特征在于:包括介質(zhì)基片、主輻射單元和寄生輻射貼片，所述介質(zhì)基片上具有金屬襯底，所述主輻射單元和寄生輻射貼片均懸浮設(shè)置在介質(zhì)基片上；所述寄生輻射貼片共有9個并且排列成三行三列的田字格形式，所述主輻射單元共有4個且分別均勻地呈幾何對稱分布于田字格的4個象限內(nèi)；每個主輻射單元包括上下兩層貼片，其中靠近介質(zhì)基片的貼片為四條長邊四條短邊間隔組成的八邊形金屬貼片，遠(yuǎn)離介質(zhì)基片的貼片為正方形金屬貼片；還包括兩個微帶線形式的饋電網(wǎng)絡(luò)，每個饋電網(wǎng)絡(luò)均為由3組樹狀二等分功率分配器形成的一分四的功率分配饋電結(jié)構(gòu)；對于每個饋電網(wǎng)絡(luò)，其末端配備一組金屬線，每組金屬線內(nèi)包含4根與介質(zhì)基片相垂直的金屬線，饋電網(wǎng)絡(luò)的4個末端與4根金屬線一一對應(yīng)并且通過金屬線連接到八邊形金屬貼片中與饋電網(wǎng)絡(luò)連接的長邊中點上；每個八邊形金屬貼片中各有一組相鄰的2個長邊分別連接到兩個不同的饋電網(wǎng)絡(luò)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，其特征在于:位于相鄰象限的兩兩主輻射單元之間的距離為0.8?0.9個工作波長；所述八邊形金屬貼片距離介質(zhì)基片0.02?0.03個工作波長；所述正方形金屬貼片距離介質(zhì)基片0.08?0.12個工作波長；所述寄生輻射貼片距離介質(zhì)基片的距離為0.06?0.07個工作波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，其特征在于:在寄生輻射貼片中，位于中心的一個尺寸最小，位于四個頂角上的四個尺寸相同且尺寸最大，剩余的四個尺寸相同且尺寸居中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一條所述的15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，其特征在于:主輻射單元的中心設(shè)置有金屬柱，將主輻射單元支撐并固定在介質(zhì)基片的金屬襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一條所述的15dBi雙極化無線局域網(wǎng)接入天線，其特征在于:寄生輻射貼片的中心設(shè)置有尼龍柱，將寄生輻射貼片支撐并固定在介質(zhì)基片的金屬襯底上。
【文檔編號】H01Q1/36GK204144432SQ201420598928
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】張彥, 楊天楊, 洪偉, 朱曉維 申請人:東南大學(xué)