CN107946756B - 一种电磁超表面加载的窄波束wlan ap天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线；方形辐射贴片上方加载圆形寄生贴片，方形辐射贴片和圆形寄生贴片由一根绝缘介质支柱固定在天线接地板上方，构成原型WLAN AP天线；原型WLAN AP天线采用50Ω同轴线在方形辐射贴片不同位置馈电的方式实现双极化；本发明WLAN AP天线的工作频段为5.15GHz～5.95GHz，支持双极化工作方式，并且较原型WLANAP天线有较窄的3dB波束宽度和较强的方向性，是一种满足IEEE802.11a/n使用标准的双极化窄波束WLAN AP天线，可广泛应用于室内高密用户场景需求的WLAN网络覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线。
背景技术
目前，对于各种场合下的WLAN网络覆盖，WLAN无线接入点(Access Point：AP)是无线接入的关键设备，且已得到了广泛应用。在机场候机大厅，大型会议中心等高密度用户场景下，为满足大量用户的无线接入要求，通常需要部署大量WLAN AP以提供充足的网络容量。由于普通WLAN AP天线辐射波束较宽，单个AP覆盖范围过广，且当两个天线距离较近时，相互间的干扰将严重影响用户的接入数量和数据传输速率，经常导致网络拥堵、用户接入困难甚至无法接入，从而大大降低客户体验，无法满足高密度用户场景下的WLAN接入要求。
发明内容
本发明目的在于利用电磁超表面加载，提供一种宽带双极化窄波束WLAN AP天线，以克服高密度用户场景下普通WLAN AP天线波束宽、覆盖范围过大的缺点。本WLAN AP天线的工作频带覆盖5.15GHz～5.95GHz，不仅支持双极化工作，且辐射波束较普通WLAN AP天线有明显收窄，能够有效减少单个AP天线的覆盖范围。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，包括天线接地板、方形辐射贴片、圆形寄生贴片和宽带电磁超表面覆层；
所述天线接地板、方形辐射贴片和圆形寄生贴片依次间隔设置，方形辐射贴片的两个馈电端口连接同轴线并由该同轴线馈电；方形辐射贴片和圆形寄生贴片由一根第一绝缘介质柱固定在天线接地板上，与同轴馈线一起构成原型WLAN AP天线；
所述宽带电磁超表面覆层包括FR4介质板和设置在FR4介质板两侧的双层频率选择表面，且FR4介质板与频率选择表面之间填充空气，FR4介质板由一根第二绝缘介质柱固定在原型WLAN AP天线上方。
所述的天线接地板为方形，其长宽尺寸为30mm×30mm；方形辐射贴片尺寸为24mm×24mm；方形辐射贴片与天线接地板间隔2mm；圆形寄生贴片半径为12.5mm；方形辐射贴片与圆形寄生贴片间隔3mm。
两侧频率选择表面与FR4介质板之间的空气厚度均为2.5mm；FR4介质板为方形，其长宽尺寸为60mm×60mm，厚度为1.6mm；
宽带电磁超表面覆层与原型WLAN AP天线间的距离为36.6mm。
所述频率选择表面是由基本单元为方环型金属贴片组成的阵列形状。
阵列中方环型金属贴片的长度从中心向两侧依次递减，宽度不变；方环型金属贴片阵列与FR4介质板一起构成折射率梯度变化的宽带电磁超表面覆层。
频率选择表面整体轮廓为长轴沿x方向、短轴沿y方向的椭圆。
方环金属贴片型频率选择表面沿x方向共有38列基本单元，单元周期为1.6mm，其中方环宽度为1.2mm，方环线宽为0.4mm；沿y方向每列有4个相同的基本单元，其长度沿x方向从中心向两边依次递减，在中心处方环长度为12.5mm，单元周期为13.9mm；边缘处方环长度为1.5mm，单元周期为2.9mm。
原型WLAN AP天线通过50Ω同轴线在方形辐射贴片上不同位置馈电，以实现双极化。
线接地板、方形辐射贴片、圆形寄生贴片和FR4介质板中心线重合，且均以中心线中心对称。
本发明具有以下有益效果：
本发明由一个双极化原型WLAN AP天线和加载在天线上方一定高度处的宽带电磁超表面覆层组成，其中方形辐射贴片上方加载圆形寄生贴片，方形辐射贴片和圆形寄生贴片由一根绝缘介质支柱固定在天线接地板上方，构成原型WLAN AP天线；原型WLAN AP天线采用50Ω同轴线在方形辐射贴片不同位置馈电的方式实现双极化，采用空气微带和在方形辐射贴片上方加载圆形寄生贴片的方法增加天线的阻抗带宽。本发明设计了一种宽带电磁超表面覆层结构，并用一根绝缘介质柱固定在原型WLAN AP天线上方，起到了提高原型WLANAP天线方向性，收窄天线波束宽度的作用。本发明WLAN AP天线的工作频段为5.15GHz～5.95GHz，支持双极化工作方式，并且较原型WLAN AP天线有较窄的3dB波束宽度和较强的方向性，是一种满足IEEE802.11a/n使用标准的双极化窄波束WLAN AP天线，可广泛应用于室内高密用户场景需求的WLAN网络覆盖。
进一步，采用长度从中心向两侧依次递减的方环型金属贴片构成折射率梯度变化的双层频率选择表面，并且在双层频率选择表面与FR4介质板之间填充空气以增加带宽；结合上述方法，用于提高电磁超表面覆层的带宽；根据特定频带范围内方环折射率与其长度成正比的特性，利用不同长度的方环构成宽带电磁超表面覆层，通过将折射率沿中心向两侧梯度分布的设计，达到对不同传播路径电磁波相位的修正作用，将球面波变换为平面波，从而提高天线的方向性，收窄天线波束宽度。
附图说明
图1为本发明的原型WLAN AP天线结构正视图；
图2为本发明的原型WLAN AP天线结构侧视图；
图3(a)为本发明的宽带电磁超表面覆层正视图；
图3(b)为本发明的宽带电磁超表面覆层侧视图；
图4(a)为本发明宽带电磁超表面覆层单元结构正视图；
图4(b)为本发明宽带电磁超表面覆层单元结构侧视图；
图5(a)为本发明电磁超表面覆层加载的宽带双极化窄波束WLAN AP天线整体结构透视图中原型WLAN AP天线+45°极化馈电；
图5(b)为本发明电磁超表面覆层加载的宽带双极化窄波束WLAN AP天线整体结构透视图中原型WLAN AP天线-45°极化馈电；
图5(c)为本发明电磁超表面覆层加载的宽带双极化窄波束WLAN AP天线整体结构透视图侧视图；
图6为本发明电磁超表面覆层加载的宽带双极化窄波束WLAN AP天线的回波损耗示意图；
图7为本发明电磁超表面覆层加载的宽带双极化窄波束WLAN AP天线在5.5GHz处的辐射方向图。
具体实施方式
本发明提供了一种结构简单，体积小，成本低，易加工的WLAN AP天线，其包括：双极化原型WLAN AP天线、宽带电磁超表面覆层、50Ω同轴线馈电结构以及绝缘介质支柱。本发明根据特定频带范围内方环折射率与其长度成正比的特性，利用不同长度的方环构成宽带电磁超表面覆层，通过将折射率沿中心向两侧梯度分布的设计，达到对不同传播路径电磁波相位的修正作用，将球面波变换为平面波，从而提高天线的方向性，收窄天线波束宽度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线包括金属天线接地板1、设置在天线接地板1上方的方形辐射贴片2和加载在方形辐射贴片2上方的圆形寄生贴片3，方形辐射贴片2的馈电点5、馈电点5'连接50Ω标准同轴线，天线接地板1、方形辐射贴片2和圆形寄生贴片3由第一绝缘介质柱4进行支撑固定。
如图3(a)和3(b)所示，宽带电磁超表面覆层由FR4介质板7上、下表面的方环6、方环6'构成，并由第二绝缘介质柱8支撑固定在原型WLAN AP天线上方。
其中，天线接地板1为方形，其长宽尺寸30mm×30mm；方形辐射贴片2尺寸为24mm×24mm；方形辐射贴片2与其下方的天线接地板1间隔2mm；圆形寄生贴片3半径为12.5mm；方形辐射贴片2与其上方的圆形寄生贴片3间隔3mm；FR4介质板的长宽尺寸为60mm×60mm，厚度为1.6mm。
宽带电磁超表面覆层由双层频率选择表面(Frequency Selective Surface:FSS)构成，双层FSS的单元结构如图4(a)和4(b)所示，下、上两侧FSS与FR4介质板间填充空气，空气厚度p为2.5mm，用于提高电磁超表面覆层的带宽。
具体的，宽带电磁超表面覆层沿x方向的单元周期w为1.6mm，沿y方向的单元周期为l，l的变化范围为2.9mm～13.9mm；在5GHz～6GHz频带范围内，方环折射率n的大小与方环长度成正比，令宽带电磁超表面覆层的折射率n沿x方向从中心向两侧依次递减，通过调整方环长度可以有效的调节超表面覆层的折射率分布。对于边长为R的宽带电磁超表面覆层，其折射率分布应满足：其中：r为方环到介质板中心的距离，d为电磁超表面覆层厚度。在本例中，令方环宽度不变，恒为1.2mm，单元线宽a为0.4mm，沿x方向共取38列基本单元，每列取4个长度相同的方环，其长度沿x方向从中心向两边依次递减。在中心处方环长度为12.5mm，单元周期为13.9mm；边缘处方环长度为1.5mm，单元周期为2.9mm。
根据费马等光程原理，要使宽带电磁超表面覆层具有提高方向性、收窄波束的效果，需要使不同传播路径的电磁波到达覆层上表面时具有相等的光程；由此可得，对于边长为R的电磁超表面覆层，其焦距为h，令k＝h/R，则覆层上的折射率变化范围为：取R＝60mm，由r＝0时折射率为12.3，r＝1.5时折射率为5.5，可得折射率变化范围为6.8，由此得到k＝0.6，h＝36mm。由于当天线位于电磁超表面覆层焦点处时，天线的方向性最强，3dB波束宽度最窄。因此，取宽带电磁超表面覆层与原型WLAN AP天线间的距离h为36.6mm。
对于±45°双极化馈电的原型WLAN AP天线，令方环方向与天线的两个极化方向呈45°放置，如图5(a)、图5(b)所示，由于方环在两个方向上的投影长度相同，因而对两个极化方向均产生相同作用。
完成上述设计后，使用商业电磁仿真软件CST Studio Suite 2015进行仿真实验。
图6为本发明电磁超表面覆层加载的宽带双极化窄波束WLAN AP天线的回波损耗曲线图。从图中可以看出，在|S11|＜-10dB的条件下，该天线的阻抗带宽为5.15GHz～5.95GHz，满足5.15GHz～5.85GHz的WLAN AP天线工作频段。
图7为±45°极化时本发明天线在5.5GHz处的yoz平面的辐射方向图。由仿真结果可知，该天线在5.5GHz处的方向性为10.9dB，较原型WLAN AP天线的方向性提高了2.9dB；3dB波束宽度为44°，较原型WLAN AP天线的波束宽度收窄了25.5°。
总之，本发明的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线；方形辐射贴片上方加载圆形寄生贴片，方形辐射贴片和圆形寄生贴片由一根绝缘介质支柱固定在天线接地板上方，构成原型WLAN AP天线；原型WLAN AP天线采用50Ω同轴线在方形辐射贴片不同位置馈电的方式实现双极化；双层频率选择表面采用长度从中心向两侧依次递减的方环型金属贴片，并与FR4介质板一起构成折射率梯度变化的宽带电磁超表面覆层，由一根绝缘介质支柱固定在原型WLAN AP天线上方；双层频率选择表面上、下两个表面与FR4介质板间填充一定厚度的空气，用于提高电磁超表面覆层的带宽；原型WLAN AP天线、宽带电磁超表面覆层一起构成电磁超表面覆层加载的WLAN AP天线。本发明WLAN AP天线的工作频段为5.15GHz～5.95GHz，支持双极化工作方式，并且较原型WLAN AP天线有较窄的3dB波束宽度和较强的方向性，是一种满足IEEE802.11a/n使用标准的双极化窄波束WLAN AP天线，可广泛应用于室内高密用户场景需求的WLAN网络覆盖。
最后，需要说明的是，上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想和范围的前提下，可在上述说明的基础上进行其他不同形式的变化和改进，这些变化和改进应仍处于本发明创造的保护范围之中。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1. 一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于，包括天线接地板（1）、方形辐射贴片（2）、圆形寄生贴片（3）和宽带电磁超表面覆层；
所述天线接地板（1）、方形辐射贴片（2）和圆形寄生贴片（3）依次间隔设置，方形辐射贴片（2）的两个馈电端口连接同轴线并由该同轴线馈电；方形辐射贴片（2）和圆形寄生贴片（3）由一根第一绝缘介质柱（4）固定在天线接地板（1）上，与同轴馈线一起构成原型WLAN AP天线；
所述宽带电磁超表面覆层包括FR4介质板（7）和设置在FR4介质板（7）两侧的双层频率选择表面，且FR4介质板（7）与频率选择表面之间填充空气，FR4介质板（7）由一根第二绝缘介质柱（8）固定在原型WLAN AP天线上方；
所述频率选择表面是由基本单元为方环型金属贴片组成的阵列形状；
阵列中方环型金属贴片的长度从中心向两侧依次递减，宽度不变；方环型金属贴片阵列与FR4介质板（7）一起构成折射率梯度变化的宽带电磁超表面覆层；
原型WLAN AP天线通过50Ω同轴线在方形辐射贴片（2）上不同位置馈电，以实现双极化。
2. 根据权利要求1所述的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于：所述的天线接地板（1）为方形，其长宽尺寸为30mm×30mm；方形辐射贴片（2）尺寸为24mm×24mm；方形辐射贴片（2）与天线接地板（1）间隔2mm；圆形寄生贴片（3）半径为12.5mm；方形辐射贴片（2）与圆形寄生贴片（3）间隔3mm。
3. 根据权利要求1所述的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于：两侧频率选择表面与FR4介质板（7）之间的空气厚度均为2.5mm；FR4介质板（7）为方形，其长宽尺寸为60mm×60mm，厚度为1.6mm。
4. 根据权利要求1所述的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于：宽带电磁超表面覆层与原型WLAN AP天线间的距离为36.6mm。
5. 根据权利要求1所述的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于：频率选择表面整体轮廓为长轴沿x方向、短轴沿y方向的椭圆。
6. 根据权利要求1所述的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于：方环金属贴片型频率选择表面沿x方向共有38列基本单元，单元周期为1.6mm，其中方环宽度为1.2mm，方环线宽为0.4mm；沿y方向每列有4个相同的基本单元，其长度沿x方向从中心向两边依次递减，在中心处方环长度为12.5mm，单元周期为13.9mm；边缘处方环长度为1.5mm，单元周期为2.9mm。
7. 根据权利要求1所述的一种电磁超表面加载的窄波束WLAN AP天线，其特征在于：线接地板（1）、方形辐射贴片（2）、圆形寄生贴片（3）和FR4介质板（7）中心线重合，且均以中心线中心对称。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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