本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)的天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種具有高增益全向方向圖的單極子天線。

背景技術(shù)：

由于工作在無需授權(quán)的ISM頻段(2.4-2.48GHz)，無線局域網(wǎng)WLAN目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。天線作為發(fā)送和接收電磁波的轉(zhuǎn)換裝置，其性能直接影響著整個(gè)WLAN通信系統(tǒng)的性能。為了保證較大的空間角度覆蓋，同時(shí)兼顧較簡單的天線結(jié)構(gòu)，當(dāng)前WLAN通信系統(tǒng)通常采用單極子天線作為收發(fā)裝置以提供水平全向覆蓋。

天線的增益是影響鏈路預(yù)算的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)鏈路預(yù)算公式，在接收功率不變的前提下，增加天線的增益能夠減小發(fā)射功率。因此，提高單極子天線的增益是改善WLAN通信系統(tǒng)性能的有效方式。

經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)和專利檢索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前主要有2種增加單極子天線增益的方法。第一種方法是增加單極子的長度。周樂兵的發(fā)明專利“三分支2.4G高增益柱狀單極子天線”提出用三個(gè)分支串聯(lián)的技術(shù)提高天線增益。第二種方法是在大地板上放置多個(gè)單極子。2010年12月發(fā)表在《Microwave and Optical Technology Letters》的論文“High-gain,short-circuited six-monopole-antenna system for concurrent,dual-band WLAN access points”提出用多個(gè)單極子組陣的思想提高增益。然而，這兩種方法均具有天線尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高增益單極子天線，其結(jié)構(gòu)緊湊、輻射增益高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種高增益單極子天線，包括一個(gè)單極子輻射體1、一個(gè)圓形地板2、一個(gè)環(huán)形扼流器3和一個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)4，其中環(huán)形扼流器3包括水平方向的圓環(huán)3a和垂直方向的套筒3b；環(huán)形扼流器3通過套筒3b與圓形地板2相連，單極子輻射體1的底部與饋電網(wǎng)絡(luò)4相連。

所述單極子輻射體1為圓柱形金屬導(dǎo)體，電長度為0.25波長，且位于圓形地板2的中心軸線上。

所述單極子輻射體1位于圓形地板2的中心。

所述環(huán)形扼流器3的圓環(huán)3a的外半徑與圓形地板2的半徑相等。

所述套筒3b的上/下沿連接在圓環(huán)3a的內(nèi)環(huán)邊沿，下/上沿與圓形地板2相連。

所述環(huán)形扼流器3與圓形地板2組成了一個(gè)環(huán)形開路槽，且開路槽沿徑向的電長度為0.25波長。

所述饋電網(wǎng)絡(luò)4可以為集總元件或分布式微帶線。

本發(fā)明的可能變化形式有：

將單極子從圓柱形變?yōu)閳A錐形或者金屬片；將圓柱形單極子變?yōu)轫敹藞A盤加載的單極子；將扼流環(huán)從地板上方翻轉(zhuǎn)到地板下方；將饋電網(wǎng)絡(luò)從集總元件變?yōu)榉植际皆取?/p>

本發(fā)明的突出有益效果：

在地板尺寸較小的情況下，不需要改變單極子天線的結(jié)構(gòu)即可提供具有高增益的全向方向圖，而且天線的結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，適用于以無線路由器為代表的各種小型終端天線設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2為具體實(shí)施方式中單極子天線的側(cè)視圖。

圖3為具體實(shí)施方式中單極子天線仿真的回波損耗特性圖。

圖4為具體實(shí)施方式中單極子天線在2.45GHz仿真的歸一化方向圖；其中(a)為xz平面的歸一化方向圖，(b)為xy平面的歸一化方向圖。

圖5為具體實(shí)施方式中單極子天線在45度仰角處仿真的增益圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明所述高增益單極子天線的三維結(jié)構(gòu)圖和側(cè)視圖如圖1和圖2所示。本天線包括圓柱形金屬棒結(jié)構(gòu)的單極子輻射體1、圓形地板2、環(huán)形扼流器3以及饋電網(wǎng)絡(luò)4。單極子輻射體1位于圓形地板2的中心軸線上，其底部通過塑料螺釘固定在饋電網(wǎng)絡(luò)4的介質(zhì)基板上。饋電網(wǎng)絡(luò)4包括一段微帶線、一個(gè)并聯(lián)電容和一個(gè)SMA饋電口。環(huán)形扼流器3通過一體成型鍛造在金屬地板2上，其整體輪廓與金屬地板2的輪廓相同。

本實(shí)施例的中心工作頻率選定為2.45GHz，帶寬為2.4～2.48GHz，覆蓋WLAN通信系統(tǒng)的工作頻段。

本實(shí)施例的單極子輻射體1的材料為鋁材料，長度為28mm，該尺寸約為四分之一波長，半徑為1mm。圓形地板2的材料為鋁材料，半徑為50mm。環(huán)形扼流器3的材料為鋁材料，水平方向的圓環(huán)外半徑和內(nèi)半徑分別為50mm和26mm，內(nèi)外半徑之差約為四分之一波長，豎直方向的高度為8mm。饋電網(wǎng)絡(luò)4的介質(zhì)基板為FR4單面覆銅板，基板的平面尺寸為4*3mm²，基板的厚度為0.8mm，微帶線的寬度為1.5mm，對應(yīng)的特征阻抗約為50歐姆，并聯(lián)電容的值為1.5pf。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：通過將環(huán)形扼流器的開路槽電長度設(shè)置為0.25波長，扼流器的開口處與單極子之間的距離小于0.5波長，天線的增益有了顯著改善。第一，開路槽實(shí)現(xiàn)了扼流的作用，它能夠?qū)㈤_路電阻轉(zhuǎn)換為短路電阻，從而遏制了地板上的電流沿半徑向外流動(dòng)。第二，扼流器的開路槽與單極子產(chǎn)生同向疊加的電場，從而增強(qiáng)了天線的方向性。此外，考慮到單極子的阻抗一般不是50歐姆，而且扼流器的引入會(huì)改變輸入電阻，因此，可以通過集總電容電感的串并聯(lián)或者四分之一阻抗變換線將輸入阻抗匹配到50歐姆，本實(shí)例采用一個(gè)并聯(lián)電容作為饋電網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明饋電網(wǎng)絡(luò)4是為了將輸入阻抗匹配到50歐姆，不同的單極子形式對應(yīng)的輸入阻抗不同，如果輸入阻抗恰好在50歐姆附近，則可以直接將單極子與SMA頭相連，如果單極子的輸入阻抗偏離了50歐姆，則可以通過串并聯(lián)電容電感或者分布式的微帶線將單極子的阻抗匹配到50歐姆。因此，饋電網(wǎng)絡(luò)4根據(jù)具體天線形式?jīng)Q定。

圖3為本發(fā)明的高增益單極子天線仿真的回波損耗特性圖。天線的中心頻率為2.45GHz，帶寬為110MHz(2.39～2.5GHz)，覆蓋了WLAN的工作頻段。

圖4為本發(fā)明的高增益單極子天線在2.45GHz仿真的歸一化方向圖。天線在xz平面內(nèi)為八字形，且波束上翹，最大增益在45度仰角處。平面內(nèi)的交叉極化均在-30dB以下。天線在xy平面內(nèi)為全向方向圖，整個(gè)水平內(nèi)的增益波導(dǎo)在1dB范圍內(nèi)，且平面內(nèi)的交叉極化均在-30dB以下。

圖5為本發(fā)明的高增益單極子天線在45度仰角處仿真的增益圖。天線的增益在整個(gè)觀測頻段內(nèi)均在4dBi以上，且波動(dòng)范圍在1dB范圍內(nèi)。傳統(tǒng)沒有加扼流環(huán)的單極子天線增益在1.5dBi左右。在WLAN頻段內(nèi)，本發(fā)明的天線的增益為4.5dBi，傳統(tǒng)單極子的增益為1.5dBi，因而扼流環(huán)能有效提高3dB的增益。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限定，凡是在本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)所作的均等變化與修飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。