CN107248613B - 一种高增益双频天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益双频天线单元，包括辐射结构组、馈电带和反射地板，所述辐射结构组与所述反射地板连接导通形成电磁偶极子。本发明涉及移动通讯技术领域，一种高增益双频天线单元，采用层叠设置、结构互补的上层高频振子和下层低频振子结构，有效提高了低频的增益，实现高增益要求的同时，波束宽度超过80度，覆盖范围广。该高增益双频天线单元在两个短路壁之间的间隙设置馈电带，获取阻抗匹配，保证天线单元在2.4GHz‑2.47GHz和3.3GHz‑4GHz的频率范围内回波反射小于‑15dB，电压驻波比VSWR小于1.5。

Description

一种高增益双频天线单元

技术领域

本发明涉及移动通讯技术领域，尤其涉及一种高增益双频天线单元。

背景技术

WiMAX：全称为Worldwide Interoperability for Microwave Access,即全球微波互联接入。

随着无线通信技术的迅猛发展，当今世界涌现出大量不同类型的通信网络，使用户置身于一个纷繁复杂的异构网络环境当中。其中，无线接入和高速传输是WIFI技术的优势，但是WiFi技术的网络覆盖面积十分有限，可移动性不足，难以保证通信质量。而WiMAX能够在50公里范围内借助无线方式进行数据传输，且网络覆盖半径高达1.6公里，WiFi与WiMAX两者相结合可以形成更大的网络覆盖面积，从热电到热区、再到整个城市，可以实现每秒多兆比特移动宽带上网，因此，WiFi/WiMAX双频系统有较为广阔的前景。用于WiFi和WiMAX频段的双频天线及其微基站天线单元也就成为迫切的需求。

常见的WiFi和WiMAX天线结构有空气微带结构，也有对称振子结构等，一般的，对称振子结构的对称振子为方形贴片，尺寸为波长的一半，尺寸较大，实现双频功能时为保证增益会造成方向图波束宽度较小。对称振子形式的天线单元由于其宽带特性在2.6-2.7GHz频段工作，会对其他LTE基站系统天线引起干扰，并且低频增益2.4GHz通常比高频增益3.5GHz增益会有所降低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种覆盖范围广、高增益双频天线单元。

本发明所采用的技术方案是：一种高增益双频天线单元，包括辐射结构组、馈电带和反射地板，所述辐射结构组与所述反射地板连接导通形成电磁偶极子，所述辐射结构组包括对称设置的左辐射结构和右辐射结构，所述左辐射结构包括左辐射体和左短路壁，所述左辐射体设置在所述左短路壁的顶端且与左短路壁垂直所述右辐射结构包括右辐射体和右短路壁，所述右辐射体设置在所述右短路壁的顶端且与右短路壁垂直平行设置的所述左短路壁的底部与所述右短路壁的底部均与所述反射地板垂直连接，所述左短路壁和所述右短路壁相对平行设置，所述左短路壁和所述右短路壁之间具有第一间隙，所述第一间隙设有所述馈电带，所述馈电带与所述左短路壁之间具有第二间隙，所述馈电带与所述右短路壁之间具有第三间隙，所述左辐射体包括层叠设置且相互平行的左高频振子和左低频振子，所述右辐射体包括层叠设置且相互平行的右高频振子和右低频振子，所述左高频振子和右高频振子分别设置在所述左低频振子的上方和右低频振子的上方，所述左高频振子包括左高频辐射天线线路区和左高频振子窗口，所述左低频振子包括左低频辐射天线线路区和左低频振子窗口，所述左高频辐射天线线路区和左高频振子窗口分别与所述左低频振子窗口和左低频辐射天线线路区对应匹配使得所述左高频振子与所述左低频振子形成互补结构，所述右高频振子包括右高频辐射天线线路区和右高频振子窗口，所述右低频振子包括右低频辐射天线线路区和右低频振子窗口，所述右高频辐射天线线路区和右高频振子窗口分别与所述右低频振子窗口和右低频辐射天线线路区对应匹配使得所述右高频振子与所述右低频振子形成互补结构。

作为上述方案的进一步改进，所述左高频辐射天线线路区和所述右高频辐射天线线路区均呈n字型，所述左高频辐射天线线路区包括左高频连接带，所述左高频连接带呈L字型，所述左高频连接带包括相互垂直的左高频平行连接带和左高频垂直连接带，所述左高频辐射天线线路区还包括基于左高频平行连接带一侧同向伸出的两个左高频振臂，所述左高频垂直连接带的两侧分别与所述左高频平行连接带的一侧和所述左短路壁的顶端连接；所述右高频辐射天线线路区包括右高频连接带，所述右高频连接带呈L字型，所述右高频连接带包括相互垂直的右高频平行连接带和右高频垂直连接带，所述右高频辐射天线线路区还包括基于右高频平行连接带一侧同向伸出的两个右高频振臂，所述右高频垂直连接带的两侧分别与所述右高频平行连接带的一侧和所述右短路壁的顶端连接。

作为上述方案的进一步改进，所述左低频辐射天线线路区和所述右低频辐射天线线路区均呈E字型，所述左低频辐射天线线路区包括左低频连接带和基于左低频连接带同向伸出的三个左低频振臂，所述左低频振臂包括第一左低频振臂、第二左低频振臂和第三左低频振臂，所述第一左低频振臂和所述第三左低频振臂分别分布在所述第二左低频振臂的两侧，所述左低频连接带、第一左低频振臂、左短路壁和第三左低频振臂前后依次连接形成闭口环状；所述右低频辐射天线线路区包括右低频连接带和基于右低频连接带一侧同向伸出的三个右低频振臂，所述右低频振臂包括第一右低频振臂、第二右低频振臂和第三右低频振臂，所述第一右低频振臂和所述第三右低频振臂分别分布在所述第二右低频振臂的两侧，所述右低频连接带、第一右低频振臂、右短路壁和第三右低频振臂前后依次连接形成闭口环状。

作为上述方案的进一步改进，所述馈电带为类n型结构，所述馈电带包括第一馈电带、第二馈电带和第三馈电带，所述第一馈电带与所述右短路壁相对平行设置形成第三间隙，所述第三馈电带与所述左短路壁相对平行设置形成第二间隙，所述第二馈电带的两端分别与所述第一馈电带的顶端和所述第三馈电带的顶端连接，所述第二馈电带垂直于所述左短路壁和所述右短路壁，所述馈电带与所述反射地板之间具有避空间隙。

作为上述方案的进一步改进，所述左高频垂直连接带上开有左窗口，所述右高频垂直连接带第二高频连接面上开有右窗口，所述左窗口与所述右窗口对称设置。

作为上述方案的进一步改进，所述左短路壁两侧对称开设有左缝隙，所述右短路壁两侧对称开设有右缝隙，所述左缝隙与所述右缝隙对称设置，所述左缝隙和所述右缝隙均与所述反射地板垂直。

作为上述方案的进一步改进，所述反射地板为长方形或者带翻边的长方形导体腔。

作为上述方案的进一步改进，所述反射地板由金属材料制成。

作为上述方案的进一步改进，所述馈电带由金属材料制成。

本发明的有益效果是：

一种高增益双频天线单元，采用层叠设置、结构互补的上层高频振子和下层低频振子结构，有效提高了低频的增益，实现高增益要求的同时，波束宽度超过80度，覆盖范围广。该高增益双频天线单元在两个短路壁之间的间隙设置馈电带，获取阻抗匹配，保证天线单元在2.4GHz-2.47GHz和3.3GHz-4GHz的频率范围内回波反射小于-15dB，电压驻波比VSWR小于1.5。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种高增益双频天线单元的结构示意图；

图2是本发明一种高增益双频天线单元的正视图；

图3是本发明一种高增益双频天线单元左高频振子的结构示意图；

图4是本发明一种高增益双频天线单元右低频振子的俯视图；

图5是本发明一种高增益双频天线单元回波损耗的波形图；

图6是本发明一种高增益双频天线单元在3.5GHz的E、H面增益方向图示意图；

图7是本发明一种高增益双频天线单元在2.4GHz的E、H面增益方向图示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是本发明一种高增益双频天线单元的结构示意图，图2是本发明一种高增益双频天线单元的正视图，结合图1和图2所示，一种高增益双频天线单元，包括辐射结构组、反射地板3和馈电带4，辐射结构组与反射地板3连接导通形成电磁偶极子。

本实施例辐射结构组包括对称设置的左辐射结构和右辐射结构，左辐射结构包括左辐射体和左短路壁13，右辐射结构包括右辐射体和右短路壁23，左辐射体设置在左短路壁13的顶端且与左短路壁13垂直，右辐射体设置在右短路壁23的顶端且与右短路壁13垂直，平行设置的左短路壁13的底部和右短路壁23的底部均与所述反射地板3垂直连接，左短路壁13与右短路壁23相对平行设置，左短路壁13与右短路壁23之间具有第一间隙，所述第一间隙设有所述馈电带43。

进一步地，左辐射体包括层叠设置且相互平行的左高频振子11和左低频振子12，左高频振子11设置在左低频振子12的上方，右辐射体包括层叠设置且相互平行的右高频振子21和右低频振子22，右高频振子21设置在右高频振子22的上方，左高频振子11与左低频振子12之间的间距d1近似0.04λ₁，其中λ₁表示低频工作频率的波长。右高频振子21与右低频振子22之间的间距d1近似0.04λ₁，其中λ₁表示低频工作频率的波长。左低频振子12与反射地板3之间的间距d2小于0.25λ₁，其中λ₁表示低频工作频率的波长。本实施例中，d2＝21.6mm。

图3是本发明一种高增益双频天线单元左高频振子的结构示意图，图4是本发明一种高增益双频天线单元右低频振子的俯视图，结合图1、图3和图4所示，左高频振子11包括左高频振子窗口111和左高频辐射天线线路区112，右高频振子21包括右高频振子窗口211和右高频辐射天线线路区212，左低频振子12包括左低频振子窗口121和左低频辐射天线线路区122，右低频振子22包括右低频振子窗口221和右低频辐射天线线路区222，左高频振子窗口111和左高频辐射天线线路区112分别与左低频振子窗口121和左低频辐射天线线路区122对应匹配，使得左高频振子11与左低频振子12形成互补结构，右高频振子窗口211和右高频辐射天线线路区212分别与右低频振子窗口221和右低频辐射天线线路区222对应匹配，使得右高频振子21与右低频振子22形成互补结构，左高频辐射天线线路区112包括左高频连接带1121和基于左高频连接带1121一侧同向伸出的两个左高频振臂1122，其中，左高频连接带1121呈L字型，左高频连接带1121包括相互垂直的左高频平行连接带11211和左高频垂直连接带11212，左高频平行连接带11211一侧同向伸出两个左高频振臂1122，左高频振臂1122和左高频垂直连接带11212分别分布在左高频平行连接带11211的两侧，左高频垂直连接带11212的两侧分别与左高频平行连接带11211的一侧和左短路壁13的顶端连接。右高频振子21结构与左高频振子11结构相同，右高频辐射天线线路区112包括右高频连接带和基于右高频连接带一侧同向伸出的两个右高频振臂，其中，右高频连接带呈L字型，右高频连接带包括相互垂直的右高频平行连接带和右高频垂直连接带，右高频平行连接带的一侧同向伸出两个右高频振臂，右高频振臂和右高频垂直连接带分别分布在右高频平行连接带的两侧，右高频垂直连接带的两侧分别与右平行连接带的一侧和右短路壁23的顶端连接。

本实施例中，左高频振子11和右高频振子21均采用N字型结构设计，左高频振子11的左高频振臂1122的长度和右高频振子21的右高频振臂的长度均可用于控制高频谐振频率。更为优选的，本实施例左高频振子的臂长和右高频振子的臂长均为15mm、壁宽均为3mm。

进一步地，与左短路壁13连接左高频垂直连接带11212上开有左窗口113，与右短路壁23连接右高频垂直连接带上开有右窗口213，左窗口113和右窗口213对称设置，窗口的尺寸影响高偏振子的谐振尺寸。优选的，左窗口113和右窗口213均呈长方形形状。在左高频振子11和右高频振子21上开窗设计进一步缩小了高频振子的尺寸。更为优选的，左窗口和右窗口均是长为6mm、宽为5.4mm的长方形窗口。

进一步地，结合图1和图4，左低频辐射天线线路区122和右低频辐射天线线路区222均呈E字型，左低频辐射天线线路区包括左低频连接带1121和基于左低频连接带1121同向伸出的三个左低频振臂，左低频振臂包括第一左低频振臂1222、第二左低频振臂1223和第三左低频振臂1224，第一左低频振臂1222和第三左低频振臂1224分别分布在第二左低频振臂1223的两侧，左低频连接带1121、第一左低频振臂1222、左短路壁23、第三左低频振臂1224前后依次连接形成矩形闭口环状；右低频振子22的结构与左低频振子12的结构相同。右低频辐射天线线路区222包括右低频连接带和基于右低频连接带一侧同向伸出的三个右低频振臂，右低频振臂包括第一右低频振臂、第二右低频振臂和第三右低频振臂，第一右低频振臂和第三右低频振臂分别分布在第二右低频振臂的两侧，右低频连接带、第一右低频振臂、右短路壁和第三右低频振臂前后依次连接形成矩形闭口环状。优选的，本实施例中，矩形闭口环的外环尺寸均为22mm*19mm。

本实施例中，左低频振子21和右低频振子22均采用E字型结构，左低频振子12的第一左低频振臂1222的壁宽和第三左低频振臂1224的壁宽以及右低频振子22的第一右低频振臂的壁宽和第三右低频振臂的壁宽均可用于调节该天线单元在低频部分的输入匹配，左低频振子12的第一左低频振臂1222的长度和第三左低频振臂1224的长度以及右低频振子22的第一右低频振臂的长度和第三右低频振臂的长度均可用于改变该天线单元在低频部分的频率，左低频振子12的第二左低频振臂1223向左短路壁13方向延伸的长短用于调整该天线单元在低频部分的频率偏移，右低频振子22的第二右低频振臂向右短路壁23方向延伸的长短也可用于调整天线单元在低频部分的频率偏移。

更为优选的，本实施例中，第一左低频振臂1222的壁宽和第三左低频振臂1224的壁宽均为2mm，第一右低频振臂的壁宽和第三右低频振臂的壁宽均为2mm，第二左低频振臂1223的长度和第二右低频振臂的长度均为5mm，第二左低频振臂1223的宽度和第二右低频振臂的宽度均为8mm。

进一步地，左短路壁13两侧对称开设有左缝隙131，右短路壁23两侧对称开设有右缝隙231，左缝隙131和右缝隙231对称设置，左缝隙131和右缝隙231均与反射地板3垂直。优选的，本实施例左短路壁13和右短路壁23均为22mm*21.6mm长方形。左缝隙131和右缝隙231均为1mm*5mm的矩形。在短路壁上开设缝隙，可减小低频振子尺寸，实现天线单元小型化，且当该天线单元在2.59GHz-2.69GHz的LTE频段工作时，具有一定的滤波效应，可以抑制其对4G其他天线的干扰。

进一步地，结合图1和图2，该高增益双频天线单元中，馈电带4为类n形结构，馈电带4包括第一馈电带41、第二馈电带42和第三馈电带43，第一馈电带41与右短路壁23相对平行设置形成第三间隙M3，第三馈电带43与左短路壁13相对平行设置形成第二间隙M2，第二馈电带42的两端分别与第一馈电带41的顶端和第三馈电带43的顶端连接，第二馈电带42垂直于左短路壁13和右短路壁23。第一馈电带41底部和第三馈电带43的底部与反射地板3之间具有避空间隙。本实施例优选的，馈电带4由金属材料制成。

优选的，本实施例中，第二间隙M2为4.7mm，第三间隙M3为0.72mm，第一馈电带41高度为20.9mm、宽度为3.1mm，第二馈电带42长度为6.8mm、宽度为4.6mm，第三馈电带43高度为15.9mm、宽度为3.1mm。除了本实施例的类n字型结构的馈电带，馈电带还可以是渐变结构，如梯形结构等，本实施例在两个短路壁之间设计馈电带，可以有效拓展该天线单元的频段范围，改善天线单元带宽内阻抗匹配。在实际应用时，馈电带可以使用支架固定。

优选的，本实施例中，反射地板3为正方形，显然的，反射地板也可以是长方形或者带翻边的矩形导体腔。更为优选的，本实施例中，反射地板3由金属材料制成。

本发明的高增益双频天线单元，采用层叠设置、结构互补的上层高频振子和下层低频振子结构，上层的高频振子在充当高频辐射体的同时，对下层低频振子也具有引向寄生作用，提高低频段的增益性能。

本实施例中，高频振子和低频振子均可以采用压铸振子或者金属弹片制成。

图5是本发明一种高增益双频天线单元回波损耗的波形图，如图5所示，本实施例，天线单元在2.4GHz-2.47GHz和3.3GHz-4GHz的频率范围内回波反射小于-15dB。在LTE的2.5GHz-2.7GHz频段内具有陷波特性，防止对其他LTE基站天线及其单元造成干扰。

图6是本发明一种高增益双频天线单元在频率3.5GHz的E、H面增益方向图示意图，如图6所示，该天线单元在3.5GHz频率中，工作增益满足8dBi，增益大于3dBi时，波束宽度超过80度。E面和H面方向图法向增益波束宽度等同。

图7是本发明一种高增益双频天线单元在频率2.4GHz的E、H面增益方向图示意图，如图7所示，该天线在2.4GHz频率中，工作增益满足9dBi，增益大于3dBi时，波束宽度大于75度、接近80度。E面和H面方向图法向增益波束宽度等同。

一种高增益双频天线单元，采用层叠设置、结构互补的上层高频振子和下层低频振子结构，有效提高了低频的增益，实现高增益要求的同时，波束宽度超过80度，覆盖范围广。该高增益双频天线单元在两个短路壁之间的间隙设置馈电带，获取阻抗匹配，保证天线单元在2.4GHz-2.47GHz和3.3GHz-4GHz的频率范围内回波反射小于-15dB，电压驻波比VSWR小于1.5。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种高增益双频天线单元，其特征在于，其包括辐射结构组、馈电带和反射地板，所述辐射结构组与所述反射地板连接导通形成电磁偶极子，所述辐射结构组包括对称设置的左辐射结构和右辐射结构，所述左辐射结构包括左辐射体和左短路壁，所述左辐射体设置在所述左短路壁的顶端且与左短路壁垂直所述右辐射结构包括右辐射体和右短路壁，所述右辐射体设置在所述右短路壁的顶端且与右短路壁垂直平行设置的所述左短路壁的底部与所述右短路壁的底部均与所述反射地板垂直连接，所述左短路壁和所述右短路壁相对平行设置，所述左短路壁和所述右短路壁之间具有第一间隙，所述第一间隙设有所述馈电带，所述馈电带与所述左短路壁之间具有第二间隙，所述馈电带与所述右短路壁之间具有第三间隙，所述左辐射体包括层叠设置且相互平行的左高频振子和左低频振子，所述右辐射体包括层叠设置且相互平行的右高频振子和右低频振子，所述左高频振子和右高频振子分别设置在所述左低频振子的上方和右低频振子的上方，所述左高频振子包括左高频辐射天线线路区和左高频振子窗口，所述左低频振子包括左低频辐射天线线路区和左低频振子窗口，所述左高频辐射天线线路区和左高频振子窗口分别与所述左低频振子窗口和左低频辐射天线线路区对应匹配使得所述左高频振子与所述左低频振子形成互补结构，所述右高频振子包括右高频辐射天线线路区和右高频振子窗口，所述右低频振子包括右低频辐射天线线路区和右低频振子窗口，所述右高频辐射天线线路区和右高频振子窗口分别与所述右低频振子窗口和右低频辐射天线线路区对应匹配使得所述右高频振子与所述右低频振子形成互补结构。

2.根据权利要求1所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述左高频辐射天线线路区和所述右高频辐射天线线路区均呈n字型，所述左高频辐射天线线路区包括左高频连接带，所述左高频连接带呈L字型，所述左高频连接带包括相互垂直的左高频平行连接带和左高频垂直连接带，所述左高频辐射天线线路区还包括基于左高频平行连接带一侧同向伸出的两个左高频振臂，所述左高频垂直连接带的两侧分别与所述左高频平行连接带的一侧和所述左短路壁的顶端连接；所述右高频辐射天线线路区包括右高频连接带，所述右高频连接带呈L字型，所述右高频连接带包括相互垂直的右高频平行连接带和右高频垂直连接带，所述右高频辐射天线线路区还包括基于右高频平行连接带一侧同向伸出的两个右高频振臂，所述右高频垂直连接带的两侧分别与所述右高频平行连接带的一侧和所述右短路壁的顶端连接。

3.根据权利要求2所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述左低频辐射天线线路区和所述右低频辐射天线线路区均呈E字型，所述左低频辐射天线线路区包括左低频连接带和基于左低频连接带同向伸出的三个左低频振臂，所述左低频振臂包括第一左低频振臂、第二左低频振臂和第三左低频振臂，所述第一左低频振臂和所述第三左低频振臂分别分布在所述第二左低频振臂的两侧，所述左低频连接带、第一左低频振臂、左短路壁和第三左低频振臂前后依次连接形成闭口环状所述右低频辐射天线线路区包括右低频连接带和基于右低频连接带一侧同向伸出的三个右低频振臂，所述右低频振臂包括第一右低频振臂、第二右低频振臂和第三右低频振臂，所述第一右低频振臂和所述第三右低频振臂分别分布在所述第二右低频振臂的两侧，所述右低频连接带、第一右低频振臂、右短路壁和第三右低频振臂前后依次连接形成闭口环状。

4.根据权利要求3所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述馈电带为类n型结构，所述馈电带包括第一馈电带、第二馈电带和第三馈电带，所述第一馈电带与所述右短路壁相对平行设置形成第三间隙，所述第三馈电带与所述左短路壁相对平行设置形成第二间隙，所述第二馈电带的两端分别与所述第一馈电带的顶端和所述第三馈电带的顶端连接，所述第二馈电带垂直于所述左短路壁和所述右短路壁，所述馈电带与所述反射地板之间具有避空间隙。

5.根据权利要求4所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述左高频垂直连接带上开有左窗口，所述右高频垂直连接带第二高频连接面上开有右窗口，所述左窗口与所述右窗口对称设置。

6.根据权利要求5所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述左短路壁两侧对称开设有左缝隙，所述右短路壁两侧对称开设有右缝隙，所述左缝隙与所述右缝隙对称设置，所述左缝隙和所述右缝隙均与所述反射地板垂直。

7.根据权利要求6所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述反射地板为长方形或者带翻边的长方形导体腔。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述反射地板由金属材料制成。

9.根据权利要求8所述的一种高增益双频天线单元，其特征在于，所述馈电带由金属材料制成。

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