本發(fā)明涉及一種移動通信終端/基站天線設備與技術，特別是涉及一種三頻段高增益全向偶極子天線及其技術。

背景技術：

目前，移動蜂窩網(wǎng)絡已基本實現(xiàn)無線信號廣域連續(xù)覆蓋，基站數(shù)量越來越多，密度也愈來愈大。隨著無線網(wǎng)絡日益完善，終端接入設備越來越多。由于終端設備相對于基站發(fā)射臺的位置和方位是任意的，一般使用全向天線才能保證良好的通信效果。這要求輻射方向圖必須在水平面具有理想的均勻性，即不圓度較好。其次，終端天線必須具有較高增益(G≥3dBi)，才能在距離基站較遠處獲得較高的信噪比和數(shù)據(jù)傳輸率。另外，由于終端設備是廣泛部署，需要大量采購，其普遍具有尺寸小、功耗低、價格便宜等要求，故常采用全向輻射、垂直極化、結構簡單、成本低廉的印制單/偶極子天線。再者，終端天線要求覆蓋的頻段越來越多，通常是2G/3G/4G/WLA/WiFi(0.698-0.96GHz/1.71-2.70GHz/3.5GHz/5.5GHz)頻帶內的兩個或以上且彼此間隔很寬的頻段?？紤]到上述要求，在外形、尺寸、成本等嚴格受限的情況下，采用常規(guī)胖塊單/偶極子以連續(xù)覆蓋各頻段的超寬帶方案，將不能很好地滿足不圓度的要求。常規(guī)的印制單/偶極子天線，增大其寬長比，即將兩臂由細線形變成胖塊狀，即可有效展寬帶寬，見圖2。然而，由于振子寬度較寬，相對于高頻是電大尺寸，故高頻方向圖不圓度較差。而且，為了獲得更高增益，寬帶偶極子必須共線組陣。考慮到方向圖的不圓度，陣列饋電宜采用與軸線重合的中心串饋式網(wǎng)絡，即饋線端口位于陣列中點，能量往陣列兩端依次饋入各陣元。由于饋線與陣元共面，為了使兩者不相交，需要將陣元中間部分切除，這時胖塊偶極子帶寬將顯著變窄，見圖3，由超寬帶蛻變成單寬頻天線后，無法覆蓋上述間隔較大的多個頻段。另外，終端設備往往更偏愛窄的長條狀天線設計，使得外觀更加優(yōu)美協(xié)調。這使得靠增大振子寬度展寬帶寬的傳統(tǒng)方法變得不可行，必須進行深度創(chuàng)新才能滿足上述要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在為2G/3G/4G/WiFi/WLAN無線通信設計一種三頻段、高增益、全向性、高效率、尺寸較小、成本低廉的終端/基站天線，并為其他多頻或寬帶高增益全向陣列天線的優(yōu)化設計提供有效或有益的參考方法。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的，提供以下技術方案：

本發(fā)明提供一種三頻段高增益全向偶極子天線，其包括三頻振子陣列、平衡饋線，以及上下依次設置的第一介質板、第二介質板和第三介質板，該平衡饋線設置在第二介質板頂?shù)變擅?，沿三頻振子單元軸線方向印制，該平衡饋線為平行雙線傳輸線，該三頻振子陣列中的三頻振子單元印制于第一介質板和第三介質板，并且各三頻振子單元的饋電點通過該平衡饋線連接，該三頻振子單元包括有鏡像對稱設置的上臂和下臂，該上臂和下臂分別包括沿平行軸線設置的第一枝節(jié)、第二枝節(jié)、第三枝節(jié)，該第二枝節(jié)、第三枝節(jié)對稱設置在第一枝節(jié)的兩側，并且底端通過水平枝節(jié)連接為一體，該上臂和下臂的中心突起處為平衡饋電點。

通過三頻陣子單元共軸或共線組陣方式實現(xiàn)高增益全向輻射，該第一枝節(jié)、第二枝節(jié)、第三枝節(jié)平行軸線并排放置以實現(xiàn)多諧頻特性。

優(yōu)選的，各三頻振子單元的上臂和下臂對稱地分布到平衡饋線的上下兩側，上臂印制在第一介質板，下臂印制在第三介質基板上；或者是下臂印制在第一介質板，上臂印制在第三介質基板上。

優(yōu)選的，各三頻振子單元之間的間距為(0.50～0.75)×λ_L，該平衡饋線長度大于相鄰兩個三頻振子單元之間的間距，其長寬厚分別為L_d2×W_d2×T_d2，介電常數(shù)為ε_r2、損耗角正切為tanδ₂。

優(yōu)選的，在該第一枝節(jié)中心開設有縱向縫隙，以改善高頻阻抗匹配。

優(yōu)選的，該平衡饋線的兩端通過金屬化過孔分別與第一介質板上的振子上臂和第二介質板上的振子下臂連接。

優(yōu)選的，該平衡饋線中點設置為饋電點，連接同軸電纜，其內外導體分別連接平衡饋線的上下導體。優(yōu)選的，該同軸電纜阻抗為50Ω。

優(yōu)選的，該三頻振子單元的上臂和下臂分別還包括有在第一枝節(jié)兩側平行對稱設置的第N枝節(jié)，N大于等于3，該第N枝節(jié)在底端通過水平枝節(jié)與第一枝節(jié)、第二枝節(jié)連接為一體，各對枝節(jié)平行軸線并排放置，按短到長的順序由近及遠依次對稱排列于中心軸線兩側。所述三頻段高增益全向偶極子天線的諧頻數(shù)與對稱枝節(jié)的對數(shù)相同，即一對枝節(jié)對應一個頻段。

優(yōu)選的，該三頻振子單元的各對枝節(jié)的長度為(0.22～0.25)×λ_L，其中λ_L為所對應頻段的最低頻率波長，每對枝節(jié)的寬度與長度之比約為0.1～0.3。優(yōu)選的，相鄰枝節(jié)彼此平行且間隔一定的距離。優(yōu)選的，每對枝節(jié)的末端不齊整，起始端也不平齊。

優(yōu)選的，該平衡饋線由多節(jié)不等寬的四分之一波長阻抗變換段組成。

優(yōu)選的，該第一介質板是一塊長寬厚分別為L_d1×W_d1×T_d1的單面介質板，介電常數(shù)為ε_r1、損耗角正切為tanδ₁。

優(yōu)選的，該三頻振子陣列包括至少兩個共軸或共線組陣排列的所述三頻振子單元，通過三頻陣子單元共軸或共線組陣方式實現(xiàn)高增益全向輻射。

優(yōu)選的，該第二介質板與第三介質基板的尺寸與材料特性相同，中間的饋電基板材料可與之相同或不同。

優(yōu)選的，第一介質板、第二介質板、第三介質板等長寬，三者通過層壓工藝結合在一起。

本發(fā)明通過如下構建步驟實現(xiàn)上述目的：步驟一，建立空間直角坐標系；步驟二，構造三頻振子單元；步驟三，構造三頻振子兩單元陣列；步驟四，設計饋電網(wǎng)絡；步驟五，振子平衡饋電；步驟六，連接同軸線。

對比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明首先設計了一個并排形式的三頻半波振子單元，即振子一臂有六個長短不一的枝節(jié)，兩兩對稱排列于振子中心軸線兩旁，外側為一對長枝節(jié)，中間排列一對短枝節(jié)。長短枝節(jié)分別對應低頻、中頻和高頻。通過優(yōu)化每個枝節(jié)的長度、寬度和相對間距，該偶極子實現(xiàn)了1.71-2.17GHz/2.40-2.70GHz/3.40-3.80GHz三頻工作，且各頻段均有理想的半波振子方向圖，增益為1.7-3.0dBi，不圓度小于1.24dB。為了提高增益，將至少兩個該單元共軸組陣，并采用上述的中心串饋式網(wǎng)絡。由于靠近中間饋線的兩枝節(jié)彼此相隔很近，饋線只能變窄后自間隙處穿過，這將使高頻阻抗匹配變得十分困難。因此，在多枝節(jié)密集并排的情況下，饋線與振子單元不能共面排列，只能分層布局。在這一思路下，本發(fā)明將平行雙線饋線印制于一塊介質基板的正反兩面，再在該基板上下兩側對稱放置另兩塊相同的介質基板。然后，將陣列各單元的左右兩臂分別印制于上下基板的外表面，中心饋線通過過孔與上下振子臂相連。通過設置恰當?shù)年囋g距，為饋線和振子選用合適的基板材料，優(yōu)化饋線節(jié)數(shù)和各節(jié)寬度，本發(fā)明實現(xiàn)兩單元陣列三頻工作(1.71-2.17GHz/2.40-2.70GHz/3.40-3.80GHz，|S₁₁|<-10dB)；增益為3.73-6.09dBi；且各頻段均有理想全向方向圖，不圓度小于1.72dBi；旁瓣電平低于-10dB，效率大于85％；尺寸較小，長寬厚分別為：0.872×λ_L、0.125×λ_L和0.011×λ_L(λ_L-最低工作頻率)。

另外，該設計可采用成熟的印刷電路工藝制作，成本低廉，可靠性高，易于批量生產，是適合終端/基站設備的理想全向天線方案。另外，該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、簡單易行等特點，對于其他更多頻段、更高增益的全向及定向天線的設計和改進也是適用和有效的。

【附圖說明】

圖1為天線模型所采用的直角坐標系定義的示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術中胖塊狀超寬帶印制偶極子天線的模型圖；

圖3為現(xiàn)有技術中寬帶高增益全向偶極子陣列天線的模型圖；

圖4為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的幾何模型圖；

圖5為本發(fā)明三頻段半波振子單元共軸組陣的幾何模型圖；

圖6為本發(fā)明兩單元三頻段半波振子陣列天線的平衡饋線的幾何模型俯視圖；

圖7為本發(fā)明兩單元三頻段半波振子陣列天線的平衡饋線的幾何模型正視圖；

圖8為本發(fā)明兩單元三頻段半波振子陣列天線帶平衡饋線的完整幾何模型俯視圖；

圖9為圖8的局部放大俯視圖；

圖10為本發(fā)明兩單元三頻段半波振子陣列天線帶平衡饋線的整體正視圖；

圖11為本發(fā)明兩單元三頻段半波振子陣列天線帶平衡饋線的饋電連接圖；

圖12為本發(fā)明兩單元三頻段半波振子陣列天線帶平衡饋線的整體立體示意圖；

圖13為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的輸入阻抗Z_in頻率特性曲線；

圖14為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的反射系數(shù)|S₁₁|曲線；

圖15為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的駐波VSWR曲線；

圖16～18為三頻段半波振子單元天線在低頻f_L＝1.71GHz、中頻f_C＝2.50GHz和高頻f_H＝3.60GHz各頻段的實增益方向圖；

圖19為兩單元三頻段振子陣列天線的輸入阻抗Z_in頻率特性曲線；

圖20為兩單元三頻段振子陣列天線的反射系數(shù)|S₁₁|曲線；

圖21為兩單元三頻段振子陣列天線的駐波VSWR曲線；

圖22～24為兩單元三頻段振子陣列天線在低頻f_L＝1.71GHz、中頻f_C＝2.50GHz和高頻f_H＝3.60GHz各頻段的實增益方向圖；

圖25為兩單元三頻段振子陣列天線的增益G隨頻率f變化曲線；

圖26為兩單元三頻段振子陣列天線的E面半功率波束寬度HBPW隨頻率f變化曲線；

圖27為兩單元三頻段振子陣列天線的H面不圓度隨頻率f變化曲線；

圖28為兩單元三頻段振子陣列天線的效率η_A隨頻率f變化曲線；

本文附圖是用來對本發(fā)明的進一步闡述和理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的具體實施例一起用于解釋本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限制或限定。

【具體實施方式】

下面結合附圖給出本發(fā)明的較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。需要說明的是，這里所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制或限定本發(fā)明。

請參閱圖1以及圖4～12，本發(fā)明三頻段高增益全向偶極子天線的構建步驟如下：

步驟一，建立空間直角坐標系，見圖1；

步驟二，構造三頻振子單元：在XOY平面，順著Y軸方向，構建一長寬分別為L₁×W₁的第一枝節(jié)11。然后，在距第一枝節(jié)11兩側D₁和D₂處分別對稱放置一對第二枝節(jié)12和第三枝節(jié)13，長寬分別為L₂×W₂和L₃×W₃，三個枝節(jié)相互平行，長度依次增大，即L₁<L₂<L₃。然后，沿X軸方向畫一中心朝下突起的水平枝節(jié)，將三個豎直枝節(jié)在底端處連接為一體，形成偶極子的上臂，隨后，將其沿X軸鏡像對稱復制出偶極子下臂，上下兩臂構成一個三頻振子單元，兩臂的中心突起處為平衡饋電點31，最后，將三頻振子單元印制于第一介質板21，該第一介質板是一塊長寬厚分別為L_d1×W_d1×T_d1的單面介質板，介電常數(shù)為ε_r1、損耗角正切為tanδ₁，見圖4；

步驟三，構造兩單元陣列：將步驟二的三頻振子單元沿Y軸平移復制一次，構成一個兩單元、間距為(0.50～0.75)×λ_L的共軸線陣列，見圖5；

步驟四，設計饋電網(wǎng)絡：在步驟三的第一介質板的正下方，沿兩單元陣列軸線方向設置一條平衡饋線41，該平衡饋線為平行雙線傳輸線，其長度稍大于陣元間距，將它單獨印制于第二介質板20的頂?shù)變擅?，其長寬厚分別為L_d2×W_d2×T_d2，介電常數(shù)為ε_r2、損耗角正切為tanδ₂，見圖6和圖7；

步驟五，振子平衡饋電：將步驟四的平衡饋線兩端分別與三頻振子陣列的兩個三頻振子單元相連，由于饋線是上下重合的平行雙導線結構，故也需將各三頻振子單元的兩臂對稱地分布到饋線的上下兩側，這就需要在第二介質板20的正下方設置第三介質基板22，其尺寸與材料特性與第一介質板21完全相同。如此，各三頻振子單元的上臂或下臂將統(tǒng)一印制在第一介質板21上，下臂或上臂則印制在第三介質基板22上，反之亦然；另外，在第一枝節(jié)11中心開縱向縫隙，以改善高頻阻抗匹配；然后，將平衡饋線41兩端與第一介質板21和第三介質基板22的振子上臂和下臂通過金屬化過孔連接，見圖8～12；

步驟六，連接同軸線：將步驟四的平衡饋線41中點設置為饋電點，連接50Ω同軸電纜，其內外導體分別連接平衡饋線的上下導體，見圖8～12。

由上述步驟構建的本發(fā)明三頻段高增益全向偶極子天線，具體實施例其包括三頻振子陣列、平衡饋線41，以及上下依次設置的第一介質板21、第二介質板20和第三介質板22，該平衡饋線41設置在第二介質板20頂?shù)變擅?，沿三頻振子單元軸線方向印制，該平衡饋線為平行雙線傳輸線，該三頻振子陣列中的兩個三頻振子單元印制于第一介質板21和第三介質板22，并且各三頻振子單元之間饋電點通過該平衡饋線41連接。

該三頻振子單元包括有鏡像對稱設置的上臂和下臂，該上臂和下臂分別包括沿平行軸線設置的第一枝節(jié)11、第二枝節(jié)12、第三枝節(jié)13，該第二枝節(jié)、第三枝節(jié)對稱設置在第一枝節(jié)兩側，并且底端通過水平枝節(jié)連接為一體，該上臂和下臂的中心突起處為平衡饋電點31。通過三頻陣子單元共軸或共線組陣方式實現(xiàn)高增益全向輻射，該第一枝節(jié)、第二枝節(jié)、第三枝節(jié)平行軸線并排放置以實現(xiàn)多諧頻特性。

該第一介質板是一塊長寬厚分別為L_d1×W_d1×T_d1的單面介質板，介電常數(shù)為ε_r1、損耗角正切為tanδ₁。該第二介質板20與第三介質基板22的尺寸與材料特性相同，中間的饋電基板材料可與之相同或不同。第一介質板、第二介質板、第三介質板等長寬，三者通過層壓工藝結合在一起。

該三頻振子單元的各對枝節(jié)的長度為(0.22～0.25)×λ_L，其中λ_L為所對應頻段的最低頻率波長，每對枝節(jié)的寬度與長度之比約為0.1～0.3。相鄰枝節(jié)彼此平行且間隔一定的距離，每對枝節(jié)的末端不齊整，起始端也不平齊。

在另一實施例中，該三頻振子單元的上臂和下臂分別包括第一枝節(jié)211、第二枝節(jié)212、第三枝節(jié)213，在該第一枝節(jié)11中心開設有縱向縫隙210，以改善高頻阻抗匹配。

請參閱圖11和12，各三頻振子單元的上,和下臂對稱地分布到平衡饋線的上下兩側51，上臂101、201印制在第一介質板21，下臂102、202印制在第三介質基板22上。

各三頻振子單元之間的間距為(0.50～0.75)×λ_L，該平衡饋線長度大于相鄰兩個三頻振子單元之間的間距，其長寬厚分別為L_d2×W_d2×T_d2，介電常數(shù)為ε_r2、損耗角正切為tanδ₂。

該平衡饋線41的兩端通過金屬化過孔分別與第一介質板上的振子上臂和第二介質板上的振子下臂連接。

該平衡饋線41中點設置為饋電點，連接50Ω同軸電纜，其內外導體分別連接平衡饋線的上下導體。

請參閱圖6，該平衡饋線由多節(jié)不等寬的四分之一波長阻抗變換段510、511、512組成。

本發(fā)明三頻段高增益全向偶極子天線參數(shù)性能良好，具體頻率特性可參考圖13～28所示。

圖13為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的輸入阻抗Z_in頻率特性曲線；其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是輸入阻抗Z_in，單位為Ω；實線表示實部R_in，虛線表示虛部X_in。

圖14為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的反射系數(shù)|S₁₁|曲線；其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是S₁₁的幅度|S₁₁|，單位為dB。由圖知，單元天線在LTE頻段(1.71-2.17GHz，BW＝460MHz，23.71％)、LTE+WLAN頻段(2.43-2.69GHz，BW＝250MHz，9.72％)和WLAN/WiFi頻段(3.37-4.95GHz，BW＝1580MHz，37.90％)均實現(xiàn)了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-10dB)，實現(xiàn)了三頻段工作。

圖15為本發(fā)明三頻段半波振子單元天線的駐波VSWR曲線；其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是駐波VSWR。由圖知，單元天線在LTE頻段(1.71-2.17GHz，BW＝460MHz，23.71％)、LTE+WLAN頻段(2.43-2.69GHz，BW＝250MHz，9.72％)和WLAN/WiFi頻段(3.37-4.95GHz，BW＝1580MHz，37.90％)均具有良好的駐波比(VSWR≤2.0)，實現(xiàn)了三頻段工作。

圖16～18分別為三頻段半波振子單元天線在低頻f_L＝1.71GHz、中頻f_C＝2.50GHz和高頻f_H＝3.60GHz各頻段的實增益方向圖；其中，圖中實線表示H-面(Phi＝0°，XOZ平面)，虛線表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由圖知，各頻段都具有理想的半波振子方向圖，增益G＝1.70-3.01dBi，E面半功率波束寬度HPBW＝64.5～83.0°，H面不圓度小于1.05dBi。

圖19為兩單元三頻段振子陣列天線的輸入阻抗Z_in頻率特性曲線；其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是輸入阻抗Z_in，單位為Ω；實線表示實部R_in，虛線表示虛部X_in。

圖20為兩單元三頻段振子陣列天線的反射系數(shù)|S₁₁|曲線；其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是S₁₁的幅度|S₁₁|，單位為dB。由圖知，陣列天線在LTE頻段(1.72-2.01GHz，BW＝290MHz，15.55％)、LTE+WLAN頻段(2.44-2.775GHz，BW＝335MHz，12.86％)和WLAN/WiFi頻段(3.0-4.11GHz，BW＝1110MHz，31.22％)均實現(xiàn)了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-10dB)，實現(xiàn)了三頻段工作。

圖21為兩單元三頻段振子陣列天線的駐波VSWR曲線；其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是駐波VSWR。由圖知，陣列天線在LTE頻段(1.72-2.01GHz，BW＝290MHz，15.55％)、LTE+WLAN頻段(2.44-2.775GHz，BW＝335MHz，12.86％)和WLAN/WiFi頻段(3.0-4.11GHz，BW＝1110MHz，31.22％)均具有良好的駐波比(VSWR≤2.0)，實現(xiàn)了三頻段工作。

圖22～24為兩單元三頻段振子陣列天線在低頻f_L＝1.71GHz、中頻f_C＝2.50GHz和高頻f_H＝3.60GHz各頻段的實增益方向圖；其中，圖中實線表示H-面(Phi＝0°，XOZ平面)，虛線表示E-面(Phi＝90°，YOZ平面)。由圖知，各頻段都具有理想的半波振子方向圖，增益G＝3.87-6.13dBi，E面半功率波束寬度HPBW＝23.5～51.0°。

圖25為兩單元三頻段振子陣列天線的增益G隨頻率f變化曲線；由圖知，在低中高三個頻段，增益G分別為：G＝2.82～4.05dBi、3.02～5.32dBi和3.98～6.65dBi。

圖26為兩單元三頻段振子陣列天線的E面半功率波束寬度HBPW隨頻率f變化曲線；由圖知，在低中高三個頻段，E面半功率波束寬度分別為：HPBW＝43.80～48.30°、23.80～33.27°和23.45～26.78°。

圖27為兩單元三頻段振子陣列天線的H面不圓度隨頻率f變化曲線；由圖知，在低中高三個頻帶內，H面不圓度分別小于1.04dBi、0.83dBi和2.36dBi。

圖28為兩單元三頻段振子陣列天線的效率η_A隨頻率f變化曲線；由圖知，在低中高三個頻帶內，天線效率分別大于80％、90％和91％(最高達94％)。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制或限定本發(fā)明。對于本領域的研究或技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明所聲明的保護范圍之內。