CN102110904A

CN102110904A - 天线及天线排列方法

Info

Publication number: CN102110904A
Application number: CN2011100056963A
Authority: CN
Inventors: 李红波
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2011-06-29
Also published as: WO2012094876A1

Abstract

本发明提供了一种天线及天线排列方法，该天线包含多个单元天线，且多个单元天线排成均匀直线边射阵。采用本发明能够使得天线阵的方向图在水平面具有最大值，且为全向，提高天线的增益，进而提高天线性能。

Description

天线及天线排列方法

技术领域

本发明涉及天线领域，具体而言，涉及一种天线及天线排列方法。

背景技术

随着无线技术的发展，在笔记本电脑上使用数据卡类产品随时随地上网变得非常流行。而WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通)和TD-LTE(Time-Division Long Term Evolution，时分长期技术演进)以其更高的用户数据速率等优势在未来的商用中无疑将占有很大的市场。但是，由于目前各种制式数据卡产品的外形都趋于小巧化，这必然使得数据卡天线不可能有很高的增益，从而减弱数据卡的接收能力，影响其使用范围。

为了在现有网络覆盖条件下尽量扩大终端的使用范围，增加网络容量，可以通过使用高增益的拉远天线这一方案来提高数据卡产品的收发性能。如图1、图2所示，分别为配有外置拉远天线的数据卡及天线切换装置的示意图，数据卡中配置内置天线，数据卡外部通过拉远天线接口连接拉远天线，而天线切换装置还包括射频开关及射频输出单元，其工作过程为：CPU在拉远天线接口处检测拉远天线的使用状态，在检测结果为拉远天线被使用的情况下，控制射频开关连接至拉远天线；检测结果为拉远天线未被使用的情况下，控制射频开关连接至内置天线。由此可见，拉远天线是整个方案中不可或缺的部分，而对拉远天线要求最严格的指标就是要它有高的增益，而现有的天线在应用中均存在增益不足的问题，使得天线性能较差。

针对相关技术中现有的天线在应用中均存在增益不足，使得天线性能较差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种天线及天线排列方法，以解决相关技术中现有的天线在应用中均存在增益不足，使得天线性能较差的问题，。

根据本发明的一个方面，提供了一种天线，包含多个单元天线，且所述多个单元天线排成均匀直线边射阵。

较优的，所述多个单元天线间采用串联馈电的馈电方式。

较优的，所述天线集成在具有低剖面特性的印刷PCB板上。

较优的，所述多个单元天线为半波对称振子，且所述振子为平面印刷结构，所述振子的两臂分别位于所述PCB板的正反两面上。

较优的，所述多个单元天线在铅垂面上分布形成均匀直线阵。

较优的，所述多个单元天线在铅垂面按各单元天线的等间距波长排列。

较优的，每个单元天线的臂长小于自身的中心频率对应波长的四分之一。

较优的，当所述多个单元天线排成N元均匀直线边射阵时，根据所述N元均匀直线边射阵的阵因子确定所述天线的增益，其中，所述阵因子公式如下：

其中Ψ(δ)＝ξ+kd cosδ，ξ为各单元天线之间的初始相位差，d为各单元天线间的间距，k为斜率系数。

较优的，当Ψ＝2mπ，m为任意整数时，天线的阵因子有最大值。

根据本发明的一个方面，提供了另外一种天线排列方法，包括：将天线包含的多个单元天线排成均匀直线边射阵。

在本发明实施例中，将天线包含的多个单元天线排成均匀直线边射阵，能够使得天线阵的方向图在水平面具有最大值，且为全向，提高天线的增益，进而提高天线性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的使用内置天线并配置外置拉远天线的数据卡的结构示意图；

图2是根据相关技术的天线切换装置示意图；

图3是根据本发明实施例的二元阵示意图；

图4是根据本发明实施例的WiMAX高增益天线结构的正面示意图；

图5是根据本发明实施例的WiMAX高增益天线结构的反面示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。

相关技术中提到，拉远天线是整个方案中不可或缺的部分，而对拉远天线要求最严格的指标就是要它有高的增益，而现有的天线在应用中均存在增益不足的问题，使得天线性能较差。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种天线，包含多个单元天线，且多个单元天线排成均匀直线边射阵。

较优的，多个单元天线间采用串联馈电的馈电方式，馈电网络简单，便于工程实现。

较优的，天线集成在具有低剖面特性的印刷PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)板上，降低成本并且使得天线占有尽可能小的空间。

较优的，多个单元天线为半波对称振子，且振子为平面印刷结构，振子的两臂分别位于PCB板的正反两面上，由于天线结构很对称，因此其不圆度很好，即天线的全向性很好。

较优的，多个单元天线在铅垂面上分布形成均匀直线阵。

较优的，多个单元天线在铅垂面按各单元天线的等间距波长排列。

较优的，当多个单元天线排成N元均匀直线边射阵时，根据N元均匀直线边射阵的阵因子确定天线的增益，其中，阵因子公式如下：

当Ψ＝2mπ，m为任意整数时，天线的阵因子有最大值。

具体的，单个天线的方向性都很有限，而根据方向图乘积定理可知：如果将若干个单元天线按照某种特殊方式排列，使得各单元天线的辐射场在所需位置上相互叠加，则可增强天线的方向性。由于一般组阵时的单元天线都采用相似元，故整个天线阵的方向函数就等于单元天线方向函数与阵因子的乘积。而本发明实施例中采用的单元天线已确定为半波对称振子，因此，天线阵的方向函数就只由阵因子来决定。对于N元均匀直线阵(单元天线结构相同，并且等间距、等幅激励而相位沿阵轴线依次等量递增或递减的直线阵)，其阵因子为：

其中Ψ(δ)＝ξ+kd cosδ，ξ为各单元天线之间的初始相位差。当Ψ＝2mπ(m＝0，±1，±2，...)时，天线的阵因子有最大值。图3所示为N＝2时的二元阵示意图，当N取其他数值时所形成的N元阵与二元阵相类似，在此不做赘述。

要使得阵因子实现最大值，一种简单的方法是只需在天线阵设计时使Ψ＝0即可。由于实际应用中通常要求天线在水平面内具有全向性，因此可以使单元天线在铅垂面上分布形成均匀直线阵；并且使单元天线间的间距d＝λ，这样恰好将使得单元天线间的初始相位差ξ为0°。此时阵因子达到最大值时，δ恰好等于90°，即最大辐射方向在水平面上，且为全向。可见，当把单元天线在铅垂面内按照等间距λ排成均匀直线阵时，天线阵的方向图在水平面具有最大值，且为全向。

本发明实施例提供的天线具有以下优点：其E面方向图的最大方向在水平面上，最大波瓣没有发生偏移；天线增益很高，并且由于天线结构很对称，因此其不圆度很好，即天线的全向性很好，H面方向图很圆；由于采用了印刷PCB天线的形式，因此成本很低，一致性好，重量轻；本发明实施例所采用的串联馈电的馈电方式，其电路结构非常简单。

现以具体实施例进行说明：本实施例的天线采用平衡微带线的串联馈电与平面的单元天线相连接的一体化结构来实现。

在本例中，该WiMAX高增益天线工作在3.4GHz～3.6GHz。如图4及图5所示，天线包括1mm厚的PCB介质板401、若干个单元天线402、微带馈线403和过孔404(其中，在天线正面的过孔通常称为过孔(上)，在天线反面的过孔通常称为过孔(下))等组成，其中，图4表示天线正面，图5表示天线背面。考虑到天线增益要求和空间尺寸的限制，这里采用了3个单元天线。具体地：单元天线为半波对称振子，不同的是振子为平面印刷结构，另外，振子的两臂分别位于PCB板的正反两个面上，位于天线正面的称为上臂，位于天线反面的称为下臂。多个单元天线之间由微带馈线连接。馈电是由同轴线来馈电，其中，同轴线的内芯由天线反面的过孔(下)穿过到天线正面的过孔(上)，将内芯焊接到图示天线正面的馈电点A的位置，将同轴线的外皮地焊接到图示天线反面的馈电点B位置，这样将保证单元天线上臂与单元天线下臂的电流方向相同。

天线单元天线的长度主要由其谐振频率来决定，但是考虑到基板介电常数、厚度以及阵列中各个单元间相互耦合的影响，单元天线的臂长取略小于中心频率对应波长的四分之一；另外，通过适当的增加振子臂的宽度可以起到展宽天线带宽的作用。平衡微带馈线的宽度为50欧姆微带线宽所对应的宽度，长度主要由单元天线间的间距D决定。单元天线间的间距D理论上取恰好一个波长来满足阵列对各个单元同相馈电的要求，但实际一般取中心频率所对应波长的0.8到0.9倍。

实施时，仿真中在3.5GHz时天线的增益能达到6dB，实测增益也能达到5.7dB。天线的E面波瓣宽度为23度，且最大辐射方向是在水平面上，并没有发生波瓣上翘或下倾；由于阵列的单元采用了以微带馈线为中心的互补对称结构，所以天线的H面方向图很圆，其不圆度小于2dB，全向性很好。

本发明实施例所采用的串联馈电的直线阵是一种比较通用的排阵方式，虽然该天线工作在WiMAX的3.5GHz频段，但针对提供无线接入功能的TD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA等终端装置，其设计思路都可以采用本发明所述的方法来实现外置高增益天线的设计，实用范围广，简单易行。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种天线排列方法，包括：将天线包含的多个单元天线排成均匀直线边射阵。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种天线，其特征在于，包含多个单元天线，且所述多个单元天线排成均匀直线边射阵。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述多个单元天线间采用串联馈电的馈电方式。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线集成在具有低剖面特性的印刷PCB板上。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述多个单元天线为半波对称振子，且所述振子为平面印刷结构，所述振子的两臂分别位于所述PCB板的正反两面上。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述多个单元天线在铅垂面上分布形成均匀直线阵。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述多个单元天线在铅垂面按各单元天线的等间距波长排列。

7.根据权利要求1至6任一项所述的天线，其特征在于，每个单元天线的臂长小于自身的中心频率对应波长的四分之一。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，当所述多个单元天线排成N元均匀直线边射阵时，根据所述N元均匀直线边射阵的阵因子确定所述天线的增益，其中，所述阵因子公式如下：其中Ψ(δ)＝ξ+kd cosδ，ξ为各单元天线之间的初始

相位差，d为各单元天线间的间距，k为斜率系数。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，当＝2mπ，m为任意整数时，天线的阵因子有最大值。

10.一种天线排列方法，其特征在于，包括：将天线包含的多个单元天线排成均匀直线边射阵。