專利名稱：一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)的天線設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線。
背景技術(shù)：
天線作為移動(dòng)通信系統(tǒng)的咽喉要道，是輻射和接收電磁波的系統(tǒng)部件。天線性能的優(yōu)劣，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的總體性能起著決定性的作用。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷完善發(fā)展，天線性能除了要滿足重量輕、體積小、制作簡(jiǎn)單、成本低的特性要求，還要支持分布式天線、MIMO多天線等技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)于多徑豐富的通信環(huán)境而言，極化分集近年來被認(rèn)為是最優(yōu)的多輸入多輸出MIM0(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)之一。在城市或者室內(nèi)無(wú)線環(huán)境中，雖然基站發(fā)射的都是特定的極化信號(hào)，比如常見的垂直極化信號(hào)，但是很難直接傳播到移動(dòng)終端，一般要經(jīng)過多徑傳播，才能到達(dá)移動(dòng)終端。在傳播的過程中，極化要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，可能既有水平極化信號(hào)，又有垂直極化信號(hào)?？梢钥紤]在發(fā)射端和接收端分別安裝兩個(gè)天線，一個(gè)水平極化天線和一個(gè)垂直極化天線，以得到兩個(gè)不相關(guān)的信號(hào)，這就是極化分集，它正是利用了空中水平路徑和垂直路徑的不相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)抗快衰落的。在TD-SCDMA 基站中，士45°雙極化的扇區(qū)定向天線被采用來增加信道容量和提高系統(tǒng)性能。然而在一些應(yīng)用中，如無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)或者分布式MIMO系統(tǒng)，全向天線比定向天線更加合適。與采用定向天線的系統(tǒng)相比，采用全向天線的系統(tǒng)只需一組天線就可以覆蓋整個(gè)小區(qū)，可以大幅度地減少系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。全向天線也更有利于MIMO技術(shù)的應(yīng)用。MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高容量的一個(gè)重要前提就是存在著豐富的多徑環(huán)境，定向天線由于自身定向反射器的遮擋效應(yīng)，只能接收到有限角度的多徑信號(hào)。而全向天線則可以充分地利用 360度的多徑資源，提供更大的信道容量。但是，已有應(yīng)用報(bào)道的全向天線的多是垂直極化天線，水平極化的類型和方案并不多。所以研究新型的水平極化全向天線，滿足實(shí)現(xiàn)極化分集的要求，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。電流分布均勻的電小環(huán)天線理論上可以等效為一個(gè)磁偶極子，從而獲得一個(gè)水平極化的全向方向圖。然而，由于其輻射電阻太小、電抗太高，電小環(huán)天線的阻抗匹配難以實(shí)現(xiàn)。電大環(huán)天線雖然可以獲得理想的阻抗帶寬，但它在環(huán)上的電流大小和方向都不均勻，這樣就不能產(chǎn)生水平極化的全向方向圖。因此，迫切需要提出一種新型的水平極化全向天線來支持極化分集的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線，利用左右手復(fù)合傳輸線的零階諧振特性，實(shí)現(xiàn)水平極化的全向覆蓋。該天線用于支持無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)通信系統(tǒng)，具有水平極化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全向覆蓋率、低成本的優(yōu)點(diǎn)。為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線，由圓形微波介質(zhì)基板(10)、通過刻蝕銅箔形成的上表面元件00)和下表面元件(30) 構(gòu)成，所述的圓形微波介質(zhì)基板(10)為聚四氟乙烯材料，介電常數(shù)為2. 65，損耗正切角為 0. 002，厚度為0. 7mm，半徑為20mm，基板雙面覆銅的厚度均為0. 07mm ；所述的上表面元件(20)、下表面元件(30)分別包括數(shù)條圓弧形金屬，通過刻蝕的方法周期性地加工在微波介質(zhì)基板(10)上；上表面的圓弧形金屬條0；3)，(24), (25)， (26), (27)和下表面的圓弧形金屬條(31)，(32)，(33)，(34)，(35)，(36)大小尺寸相等，周期性地分布在一個(gè)圓周上，分別在上、下表面構(gòu)成圓環(huán)。優(yōu)選的，所述下表面的圓弧形金屬條與上面圓弧形金屬條相互耦合引入平行板電容，相當(dāng)于周期性的引入串聯(lián)電容，在微波介質(zhì)基板上構(gòu)成左右復(fù)合傳輸線，從而構(gòu)成零次模環(huán)天線。優(yōu)選的，同一表面相鄰的圓環(huán)形金屬條之間刻蝕有縫隙，下表面的圓弧形金屬條的中心設(shè)于與之對(duì)應(yīng)的上表面圓弧形金屬條間縫隙的正下方。優(yōu)選的，上表面的圓弧形金屬條和02)的總尺寸與其他圓弧形金屬條相等， 饋電端口位于圓弧形金屬條和圓弧形金屬條0 之間縫隙處；該端口一端連接圓弧形金屬條(21)，另一端連接圓弧形金屬條02)。優(yōu)選的，所述圓弧形金屬條長(zhǎng)度不大于中心工作波長(zhǎng)的1/6，其構(gòu)成的零次模環(huán)天線周長(zhǎng)不超過1. 5中心工作波長(zhǎng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供一種基于左右手復(fù)合傳輸線的零階諧振環(huán)天線，利用左右手復(fù)合傳輸線的零階諧振特性，實(shí)現(xiàn)水平極化的全向覆蓋。該天線用于支持無(wú)線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)，具有水平極化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全向覆蓋率、低成本的優(yōu)點(diǎn)。水平極化全向天線的基本單元必需具有大小相等、方向相同的電流分布。通過采用左右手復(fù)合傳輸線的零次模諧振，由于其相速度為零，環(huán)天線上各段電流沒有相位偏移，都是均勻同向的，解決了電大天線電流分布不均勻的問題，保證了水平極化全向的方向圖，同時(shí)又獲得了良好的阻抗帶寬。通過改變?cè)摿愦文－h(huán)天線的尺寸大小，可以實(shí)現(xiàn)不同頻段的覆蓋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，天線的水平極化全向輻射特性好，為無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)或者小型化基站天線提供極化分集的單元，促進(jìn)新型天線技術(shù)的發(fā)展，讓小型化、多極化及低成本的全向天線成為現(xiàn)實(shí)。


圖1為本發(fā)明提供的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線三維圖；圖2為圖1的A向視圖即俯視圖；圖3為圖1的B向視圖即仰視圖；圖4為圖1的A、B向視圖結(jié)構(gòu)的實(shí)施實(shí)例尺寸圖，以印刷電路板上下表面分別表示，單位均為毫米(mm)；圖5為圖4實(shí)施實(shí)例的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線的回波損耗測(cè)量圖(Sll)；圖6為圖4的實(shí)施實(shí)例的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線工作于2.44GHz時(shí)的E面輻射方向圖(- -:φ分量功率增益方向圖；—▲—: θ分量功率增益方向圖)；圖7為圖4的實(shí)施實(shí)例的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線工作于 2. 44GHz時(shí)的H面輻射方向圖(- -:φ分量功率增益方向圖；—▲一 θ分量功率增益方向圖)。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。近年來，左手材料(Left-Handed Metamaterial)是材料科學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，電磁波在左手材料中電場(chǎng)強(qiáng)度的方向、磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向以及波矢量的方向滿足左手規(guī)則。左手材料具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，它具有很多右手媒質(zhì)不具有的特殊性質(zhì)。 左右手復(fù)合傳輸線是左手材料在電磁領(lǐng)域的典型應(yīng)用，由于其兼有左手媒質(zhì)和右手媒質(zhì)的特性，依據(jù)其構(gòu)成的天線可在正負(fù)、零次模下實(shí)現(xiàn)諧振。工作在零次模下，左右手復(fù)合傳輸具有很多特殊的性質(zhì)，如相速度為零而群速度不為零。本發(fā)明提出基于左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的零次模環(huán)天線，實(shí)現(xiàn)了水平極化的全向覆蓋。水平極化全向天線的基本單元必需具有大小相等、方向相同的電流分布。通過采用左右手復(fù)合傳輸線的零次模諧振，由于其相速度為零，環(huán)天線上各段電流沒有相位偏移，都是均勻同向的，解決了電大天線電流分布不均勻的問題，保證了水平極化全向的方向圖，同時(shí)又獲得了良好的阻抗帶寬。通過改變零次模環(huán)天線的尺寸大小，可以實(shí)現(xiàn)不同頻段的覆蓋， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，天線的全向輻射特性好，可靈活配置。參閱圖1，示出了本發(fā)明所述的一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線的三維圖，具體包括圓形微波介質(zhì)基板10、上表面元件20和下表面元件30 ；上表面元件20和下表面元件30可采用刻蝕的方法周期性地加工在微波介質(zhì)基板 10上；相鄰的圓環(huán)形金屬條之間刻蝕有縫隙，下表面的圓弧形金屬條與上面圓弧形金屬條交錯(cuò)分布；饋電端口位于圓弧形金屬條21和圓弧形金屬條22之間縫隙處，該端口一端連接圓弧形金屬條21，另一端連接圓弧形金屬條22 ；本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的要實(shí)現(xiàn)水平極化的全向天線，必須獲得分布均勻的環(huán)電流。本發(fā)明采用周期性的圓弧形結(jié)構(gòu)，通過上下表面圓弧形金屬條的耦合，引入串聯(lián)電容，從而構(gòu)成左右手復(fù)合傳輸線；根據(jù)左右手復(fù)合傳輸線理論，可以實(shí)現(xiàn)在正負(fù)、零次模下實(shí)現(xiàn)諧振；當(dāng)其工作在零次模時(shí)，相速度變?yōu)榱慵聪辔黄茷榱?，圓弧形金屬條構(gòu)成圓環(huán)上電流均勻同向，可以等效為磁偶極子的模型，從而獲得水平極化的全向方向圖；通過調(diào)節(jié)圓弧形金屬條的大小和數(shù)目，以及相鄰單元之間的串聯(lián)電容，可以獲得良好的阻抗匹配。該結(jié)構(gòu)具體說明如下所述的左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線，上下表面的各個(gè)圓環(huán)形金屬條大小尺寸相等，不大于中心工作波長(zhǎng)的1/6 ；微波介質(zhì)基板10采用低成本的聚四氟乙烯材料， 介電常數(shù)為2. 65，損耗正切角為0. 002，厚度為0. 7mm,半徑為20mm ；饋電端口采用同軸線饋電，特性阻抗為50Ω ；其余各部份尺寸如圖4所示，單位均為毫米(mm)。
以圖4所示尺寸制作的實(shí)施實(shí)例的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線的Sll測(cè)試結(jié)果如圖5所示，該天線的回波損耗Sll < -IOdB的帶寬為 2. 39-2. 53GHz (140MHz)，可以覆蓋無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的 2. 4GHz 頻段(2. 40GHz_2. 48GHz)。以圖4所示尺寸制作的實(shí)施實(shí)例的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線工作于2. 44GHz時(shí)的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖分別如圖5和圖6所示。在E面 (X-Z平面、Y-Z平面)，該天線輻射方向圖類似于倒8型，在3dB波束帶寬內(nèi)交叉極化均優(yōu)于 20dB ；H面(X-Y平面)有很好的全向性，增益波動(dòng)小于1. 2dBi，交叉極化均優(yōu)于18dB。在無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GHz頻段(2. 40GHz-2. 48GHz)的范圍內(nèi)，天線增益為2. 2 2. 4dBi?？芍?，所述天線實(shí)現(xiàn)基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線的阻抗匹配良好，可以完全覆蓋無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GHz頻段；輻射方向圖水平面內(nèi)全向性好，極化方式為水平極化；同時(shí)所述天線結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。本發(fā)明為無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)或者小型化基站天線提供極化分集的單元，促進(jìn)新型天線技術(shù)的發(fā)展，讓小型化、多極化及低成本的全向天線成為現(xiàn)實(shí)。本發(fā)明的基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線不僅可以無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)中，也可以應(yīng)用于移動(dòng)通信的基站中，相應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)工作頻率調(diào)整所述天線的尺寸。本發(fā)明制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，提供水平極化的全向覆蓋，且滿足了低剖面、小型化的結(jié)構(gòu)要求，天線穩(wěn)定性好，具有很高的實(shí)用價(jià)值。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種基于左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線，由圓形微波介質(zhì)基板(10)、通過刻蝕銅箔形成的上表面元件00)和下表面元件(30)構(gòu)成，其特征在于所述的圓形微波介質(zhì)基板(10)為聚四氟乙烯材料，介電常數(shù)為2. 65，損耗正切角為 0. 002，厚度為0. 7mm,半徑為20mm，基板雙面覆銅的厚度均為0. 07mm ；所述的上表面元件(20)、下表面元件(30)分別包括數(shù)條圓弧形金屬，通過刻蝕的方法周期性地加工在微波介質(zhì)基板(10)上；上表面的圓弧形金屬條(23), (24), (25), (26), (27)和下表面的圓弧形金屬條(31)，(32)，(33)，(34)，(35)，(36)大小尺寸相等，周期性地分布在一個(gè)圓周上，分別在上、下表面構(gòu)成圓環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線，其特征在于下表面的圓弧形金屬條與上面圓弧形金屬條相互耦合引入平行板電容，相當(dāng)于周期性的引入串聯(lián)電容，在微波介質(zhì)基板上構(gòu)成左右復(fù)合傳輸線，從而構(gòu)成零次模環(huán)天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線，其特征在于同一表面相鄰的圓環(huán)形金屬條之間刻蝕有縫隙，下表面的圓弧形金屬條的中心設(shè)于與之對(duì)應(yīng)的上表面圓弧形金屬條間縫隙的正下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線其特征在于上表面的圓弧形金屬條和0 的總尺寸與其他圓弧形金屬條相等，饋電端口位于圓弧形金屬條和圓弧形金屬條0 之間縫隙處；該端口一端連接圓弧形金屬條 (21)，另一端連接圓弧形金屬條02)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的左右手復(fù)合傳輸線的水平極化全向天線其特征在于所述圓弧形金屬條長(zhǎng)度不大于中心工作波長(zhǎng)的1/6，其構(gòu)成的零次模環(huán)天線周長(zhǎng)不超過1. 5中心工作波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于左右手復(fù)合傳輸線的零階諧振環(huán)天線，利用左右手復(fù)合傳輸線的零階諧振特性，實(shí)現(xiàn)水平極化的全向覆蓋，可用于支持無(wú)線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)，水平極化全向天線的基本單元必需具有大小相等、方向相同的電流分布。通過采用左右手復(fù)合傳輸線的零次模諧振，由于其相速度為零，環(huán)天線上各段電流沒有相位偏移，都是均勻同向的，解決了電大天線電流分布不均勻的問題，獲得了良好的阻抗帶寬。通過改變?cè)摿愦文－h(huán)天線的尺寸大小，可以實(shí)現(xiàn)不同頻段的覆蓋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，天線的水平極化全向輻射特性好，為無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)或者小型化基站天線提供極化分集的單元，促進(jìn)新型天線技術(shù)的發(fā)展，讓小型化、多極化及低成本的全向天線成為現(xiàn)實(shí)。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102170044SQ20111007376
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者馮正和, 張志軍, 魏鯤鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)