一种超宽频带的定向天线及在无线通信网络覆盖中的应用

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种超宽频带的定向天线及在无线通信网络覆盖中的应用。

背景技术

5G也称第五代移动通信技术，外语缩写：5G，也是4G之后的延伸，5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分，与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联和新一代人工智能的应用需求，工信部公布5G频段，规划3300MHz－3600MHz频段作为5G系统低频的工作频段。

常规的移动通信定向天线的频率范围一般只有2G、3G和4G频段，如何在现有频段的基础上拓展到5G系统低频的工作频段并达到优良的电性能指标，是当今移动通信定向天线亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种超宽频带的定向天线，包括射频连接器、同轴电缆、高频双面覆铜PCB板、反射板和天线罩，所述天线罩扣合在所述反射板上；

所述高频双面覆铜PCB板固定安装在所述反射板上，所述高频双面覆铜PCB板的正面设有馈电连接点、传输线、阻抗匹配线路、开路线匹配线路、低频段辐射振子、中频段辐射振子、高频段辐射振子、高频段辐射振子缝隙孔；

所述高频双面覆铜PCB板的背面设置有接地焊接处、传输线路缝隙孔、背面传输线路底层覆铜面和耦合覆铜片；

所述同轴电缆第一端的外导体与所述接地焊接处焊接导通；所述同轴电缆第一端的内导体与所述馈电连接点焊接连通后，通过阻抗匹配线路、开路线匹配线路与所述低频段辐射振子、所述中频段辐射振子、所述高频段辐射振子连通；

所述同轴电缆的第二端与所述射频连接器连接导通并焊接固定。

进一步地，所述阻抗匹配线路包括第一阻抗匹配线路和第二阻抗匹配线路，所述开路线匹配线路包括第一开路线匹配线路和第二开路线匹配线路，其中，所述第一阻抗匹配线路的第一端通过传输线与所述馈电连接点连接导通，所述第一阻抗匹配线路的第二端与所述第一开路线匹配线路的第一端连接导通，所述第一开路线匹配线路的第二端与所述第二开路线匹配线路的第一端连接导通，所述第二开路线匹配线路的第二端与所述第二阻抗匹配线路的第一端连接导通，所述第二阻抗匹配线路的第二端通过传输线与所述低频段辐射振子、所述中频段辐射振子、所述高频段辐射振子连接导通。

进一步地，所述低频段辐射振子和中频段辐射振子的形状均为L形；所述高频段辐射振子的形状为有锥度且有弧度的杯型梅花瓣。

进一步地，所述低频段辐射振子、所述中频段辐射振子和所述高频段辐射振子均以微带线印制在所述高频双面覆铜PCB板的正面；所述传输线、所述第一阻抗匹配线路、所述第二阻抗匹配线路、所述第一开路线匹配线路和第二开路线匹配线路均以微带线印制在所述高频双面覆铜PCB板的正面；

所述耦合覆铜片包括第一耦合覆铜片和第二耦合覆铜片；所述第一耦合覆铜片和第二耦合覆铜片均以微带线印制在所述高频双面覆铜PCB板的背面；所述第一耦合覆铜片的外形为长方形，第二耦合覆铜片外形为喇叭形；所述背面传输线路底层覆铜面的外形为类似h形；

所述高频段辐射振子缝隙孔包括高频段辐射振子第一缝隙孔和高频段辐射振子第二缝隙孔，其中，所述高频段辐射振子第一缝隙孔为四个和所述高频段辐射振子第二缝隙孔为一个；所述高频段辐射振子第一缝隙孔的外形为剑形，所述高频段辐射振子第二缝隙孔的外形为圆形；

所述传输线路缝隙孔外形为L形。

进一步地，所述低频段辐射振子、所述中频段辐射振子和所述高频段辐射振子的高度均为1/4λ

进一步地，所述超宽频带的定向天线的低频段为698MHz～960MHz，中频段为1710MHz～2200MHz，高频段为2300MHz～3800MHz；所述超宽频带的定向天线的水平面半功率角65°～80°，垂直面半功率角55°～65°，前后比大于23dB。

进一步地，所述高频双面覆铜PCB板的厚度为0.80mm～1.20mm，长度为128.46mm～131.38mm，宽度为102.54mm～104.75mm；所述高频双面覆铜PCB板的材料为F4BM-2双面覆铜板，介电常数为2.65。

进一步地，所述反射板的长度为208mm～212mm，宽度为170mm～174mm，厚度为1.4mm～1.6mm，所述反射板的材料为铝合金板。

进一步地，所述高频双面覆铜PCB板与所述反射板之间的间距为12.6mm～14.4mm，所述高频双面覆铜PCB板通过塑料柱和塑料螺丝固定安装在所述反射板上。

上述任一项所述的超宽频带的定向天线在无线通信网络覆盖中的应用，所述超宽频带的定向天线应用的无线通信网络覆盖包括4G-LTE系统的低频段、CDMA频段、GSM频段、DCS频段、PCS频段、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000频段、WLAN频段、4G-LTE频段以及移动通信5G系统低频工作频段。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种超宽频带的定向天线，利用介质微带技术、多频和超宽频带技术以及耦合谐振等技术，通过改变介质基板上的阻抗匹配线路、开路线匹配线路、低频段辐射振子、中频段辐射振子、高频段辐射振子和耦合覆铜片上的微带传输线的大小和形状以及反射板和高频双面覆铜PCB板的间距，来获得天线较好的电性能参数。

同时，在高频双面覆铜PCB板的正面和背面设置辐射振子缝隙孔和传输线路缝隙孔，可得到天线性能所匹配的容抗和感抗，从而达到天线阻抗的完美匹配，能够在有限的空间和体积内达到较好的电性能指标，省去了阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，使其能够应用在尺寸受限的通信设备之中，体积较小、重量较轻、频带较宽、辐射性能指标较好。

附图说明

图1为超宽频带的定向天线的结构示意图；

图2为反射板的结构示意图；

图3为天线罩的主视结构示意图；

图4为天线罩的立体结构示意图；

图5为高频双面覆铜PCB板的正面结构示意图；

图6为高频双面覆铜PCB板的正面顶层覆铜结构示意图；

图7为高频双面覆铜PCB板的背面结构示意图；

图8为高频双面覆铜PCB板的背面底层覆铜结构示意图；

图9为超宽频带的定向天线测试的驻波图；

图10为超宽频带的定向天线在698MHz频段测试的方向图；

图11为超宽频带的定向天线在824MHz频段测试的方向图；

图12为超宽频带的定向天线在960MHz频段测试的方向图；

图13为超宽频带的定向天线在1710MHz频段测试的方向图；

图14为超宽频带的定向天线在2170MHz频段测试的方向图；

图15为超宽频带的定向天线在2450MHz频段测试的方向图；

图16为超宽频带的定向天线在2690MHz频段测试的方向图；

图17为超宽频带的定向天线在3500MHz频段测试的方向图；

其中，1、射频连接器；2、同轴电缆；3、反射板；4、天线罩；5、馈电连接点；6、传输线；7、第一阻抗匹配线路；8、第一开路线匹配线路；9、第二开路线匹配线路；10、第二阻抗匹配线路；11、低频段辐射振子；12、中频段辐射振子；13、高频段辐射振子；14、高频段辐射振子第一缝隙孔；15、高频段辐射振子第二缝隙孔；16、接地焊接处；17、传输线路缝隙孔；18、背面传输线路底层覆铜面；19、第一耦合覆铜片；20、第二耦合覆铜片。

具体实施方式

本发明提供一种超宽频带的定向天线。以下结合附图对本发明技术方案进行详细描述，以使其更易于理解和掌握。

实施例1

参考图1-8，一种超宽频带的定向天线，包括射频连接器1、同轴电缆2、高频双面覆铜PCB板、反射板3和天线罩4。

其中，天线罩4扣合在反射板3上。

高频双面覆铜PCB板固定安装在反射板3上，高频双面覆铜PCB板的正面设有馈电连接点5、传输线6、阻抗匹配线路、开路线匹配线路、低频段辐射振子11、中频段辐射振子12、高频段辐射振子13、高频段辐射振子缝隙孔。

高频双面覆铜PCB板的背面设置有接地焊接处16、传输线路缝隙孔17、背面传输线路底层覆铜面18和耦合覆铜片。

同轴电缆2第一端的外导体与接地焊接处16焊接导通；同轴电缆2第一端的内导体与馈电连接点5焊接连通后，通过阻抗匹配线路、开路线匹配线路与低频段辐射振子11、中频段辐射振子12、高频段辐射振子13连通；同轴电缆2的第二端与射频连接器1连接导通并焊接固定。

在本实施例中，阻抗匹配线路包括第一阻抗匹配线路7和第二阻抗匹配线路10，开路线匹配线路包括第一开路线匹配线路8和第二开路线匹配线路9，其中，第一阻抗匹配线路7的第一端通过传输线6与馈电连接点5连接导通，第一阻抗匹配线路7的第二端与第一开路线匹配线路8的第一端连接导通，第一开路线匹配线路8的第二端与第二开路线匹配线路9的第一端连接导通，第二开路线匹配线路9的第二端与第二阻抗匹配线路10的第一端连接导通，第二阻抗匹配线路10的第二端通过传输线6与低频段辐射振子11、中频段辐射振子12、高频段辐射振子13连接导通。

在本实施例中，低频段辐射振子11和中频段辐射振子12的形状均为L形；高频段辐射振子13的形状为有锥度且有弧度的杯型梅花瓣。

在本实施例中，低频段辐射振子11、中频段辐射振子12和高频段辐射振子13均以微带线印制在高频双面覆铜PCB板的正面；传输线6、第一阻抗匹配线路7、第二阻抗匹配线路10、第一开路线匹配线路8和第二开路线匹配线路9均以微带线印制在高频双面覆铜PCB板的正面。

在本实施例中，耦合覆铜片包括第一耦合覆铜片19和第二耦合覆铜片20；第一耦合覆铜片19和第二耦合覆铜片20均以微带线印制在高频双面覆铜PCB板的背面；第一耦合覆铜片19的外形为长方形，第二耦合覆铜片20外形为喇叭形；背面传输线路底层覆铜面18的外形为类似h形。

在本实施例中，高频段辐射振子缝隙孔包括高频段辐射振子第一缝隙孔14和高频段辐射振子第二缝隙孔15，其中，高频段辐射振子第一缝隙孔14为四个和高频段辐射振子第二缝隙孔15为一个；高频段辐射振子第一缝隙孔14的外形为剑形，高频段辐射振子第二缝隙孔15的外形为圆形。

在本实施例中，传输线路缝隙孔外形为L形。

在本实施例中，在高频双面覆铜PCB板的正面微带传输线路阻抗匹配中，采用全新的独特的设计，由多节阻抗变换线路和开路线匹配线路构成，高频双面覆铜PCB板的正面传输线路包括传输线6、第一阻抗匹配线路7、第一开路线匹配线路8、第二开路线匹配线路9和第二阻抗匹配线路10，把微带传输线6设计成有凸型和L型等不规则形状的匹配线，并通过改变高频双面覆铜PCB板上微带传输线6的大小、形状以及微带传输线6的间距来获得天线较好的电性能参数。同时，在高频段辐射振子13上设置四个剑形缝隙孔和一个圆形缝隙孔，这种设计可改变天线性能的容抗和感抗，调整缝隙孔形状的数量和大小，可得到天线性能所匹配的容抗和感抗，获得天线较好的电性能指标。

在本实施例中，在高频双面覆铜PCB板的背面微带传输线路阻抗匹配中，高频双面覆铜PCB板背面的传输线路缝隙孔外形设置为L形，第一耦合覆铜片19的外形设置为长方形，第二耦合覆铜片20外形设置为喇叭形，所述高频双面覆铜PCB板背面传输线路底层覆铜面18外形设置为类似h形，利用介质微带技术、多频和超宽频带技术以及耦合谐振技术，通过改变介质基板上的接地线路、缝隙孔和耦合覆铜片所设计的形状和大小，可得到天线性能所匹配的容抗和感抗，使得该超宽频带的定向天线在性能的匹配方面能起到耦合谐振的作用，使得电流的不平衡变为平衡，形成宽频带，低驻波的特性，从而达到天线阻抗的共轭匹配。

在本实施例中，低频段辐射振子11和中频段辐射振子12的形状设计为L形，可减低辐射振子的高度，减小天线的尺寸，使得天线结构的体积变小；在高频双面覆铜PCB板的正面高频段辐射振子13的设计中，高频段辐射振子13为有锥度和有弧度的杯型梅花瓣形状，使得馈电连接点5到达各顶部的电长度是渐变的，从而达到各个频点的谐振，由于高频段辐射振子13辐射面的外形采用有锥度和有弧度的杯型梅花瓣形状的设计，等于该辐射振子的辐射面的上部接上了不同的平滑过渡段，使得沿天线表面电流反射很小，从而有效地展宽阻抗和带宽，实现天线高频段的超宽频特性；本实施例的上述设计既可增加带宽，同时在阻抗的匹配方面也起到了耦合谐振的作用，可以在有限空间和体积内达到完美的电性能指标。

本实施例提供的超宽频带的定向天线经仪器的检测验证，其频率范围可达到698MHz～960MHz/1710MHz～2200MHz/2300MHz～3800MHz，宽频带达到了比同类产品更完善的覆盖范围和更优良的性能，可应用于2G到5G的各类无线通信网络覆盖中；低频段为698MHz～960MHz，增益达到7dBi左右，驻波比1.50以下；中频段为1710MHz～2200MHz，增益达到8dBi左右，驻波比1.80以下；高频段为2300MHz～3800MHz，增益达到9dBi左右，驻波比1.60以下，超宽频带的定向天线的水平面半功率角65°～80°，垂直面半功率角55°～65°，前后比大于23dB。其中，低频段辐射振子11、中频段辐射振子12和高频段辐射振子13的高度均为1/4λ

在本实施例中，超宽频带的定向天线的厚度为25mm，高频双面覆铜PCB板的厚度为0.80mm～1.20mm，长度为128.46mm～131.38mm，宽度为102.54mm～104.75mm；高频双面覆铜PCB板的材料为F4BM-2双面覆铜板，介电常数为2.65。反射板3的长度为208mm～212mm，宽度为170mm～174mm，厚度为1.4mm～1.6mm，反射板3的材料为铝合金板。高频双面覆铜PCB板与反射板3之间的间距为12.6mm～14.4mm，高频双面覆铜PCB板通过塑料柱和塑料螺丝固定安装在反射板3上。

在本实施例提供的超宽频带的定向天线具有馈电简洁、尺寸较小、厚度较薄、易于规模生产以及辐射性能指标较好等特点，同时该超宽频带定向天线的结构较为简单，成本较低，安装较为方便。

同时，还突破了传统定向天线缺少5G频段的局限性，实现了超宽频段的定向辐射，同时成本较为低廉，能解决传统的超宽频天线难加工、难调试、成本高和性能差的问题；其制作简单，易于批量生产，体积较小，重量较轻，便于天线的安装，具有损耗较小、阻抗匹配较好、增益较高和驻波比较低等优点。

其中，图9为超宽频带的定向天线测试的驻波图；图10为超宽频带的定向天线在698MHz频段测试的方向图；图11为超宽频带的定向天线在824MHz频段测试的方向图；图12为超宽频带的定向天线在960MHz频段测试的方向图；图13为超宽频带的定向天线在1710MHz频段测试的方向图；图14为超宽频带的定向天线在2170MHz频段测试的方向图；图15为超宽频带的定向天线在2450MHz频段测试的方向图；图16为超宽频带的定向天线在2690MHz频段测试的方向图；图17为超宽频带的定向天线在3500MHz频段测试的方向图。

实施例2

本实施例为实施例1提供的超宽频带的定向天线在无线通信网络覆盖中的应用，超宽频带的定向天线应用的无线通信网络覆盖包括4G-LTE系统的低频段、CDMA频段、GSM频段、DCS频段、PCS频段、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000频段、WLAN频段、4G-LTE频段以及移动通信5G系统低频工作频段。

以上对本发明的技术方案进行了充分描述，需要说明的是，本发明的具体实施方式并不受上述描述的限制，本领域的普通技术人员依据本发明的精神实质在结构、方法或功能等方面采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。