阅读说明：本技术 一种室内外中继通讯窗体天线 (Indoor outer relay communication window form antenna ) 是由 张凯博 皇甫江涛 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种室内外中继通讯窗体天线。它包括缝隙天线单元、连接线、窗体框架和无线中继收发机。天线单元为双面金属结构,上下表面金属层分别开有十字缝隙和椭圆形缝隙,中间为介质材料,十字缝隙一侧朝外安装在窗体框架上。天线单元按周期间隔竖直安装在窗体框架上,一列天线十字缝隙朝向室内、另一列天线十字缝隙朝向室外,使其天线方向图最大方向分别指向室内和室外。每列天线的馈线并行连接,分别连接到无线中继收发机的两端来实现室内外无线信号的接收、放大和发射。本发明结构紧凑、兼容各种金属窗体结构,可作为无线通信尤其5G通讯中继站,解决无线通讯覆盖中室内信号不足的问题,有效提升无线通信质量。(The invention discloses an indoor and outdoor relay communication window antenna. The wireless relay window comprises a slot antenna unit, a connecting wire, a window frame and a wireless relay transceiver. The antenna unit is of a double-sided metal structure, the upper surface metal layer and the lower surface metal layer are respectively provided with a cross gap and an oval gap, the middle part of the antenna unit is made of a dielectric material, and one side of the cross gap is outwards arranged on the window frame. The antenna units are vertically arranged on the window frame at periodic intervals, one row of the antenna cross-shaped slits face indoors, the other row of the antenna cross-shaped slits face outdoors, and the maximum directions of antenna directional diagrams of the antenna units are respectively directed indoors and outdoors. And the feeder lines of each row of antennas are connected in parallel and are respectively connected to two ends of the wireless relay transceiver to realize the receiving, amplification and transmission of indoor and outdoor wireless signals. The invention has compact structure, is compatible with various metal window structures, can be used as a wireless communication relay station, particularly a 5G communication relay station, solves the problem of insufficient indoor signals in wireless communication coverage, and effectively improves the quality of wireless communication.)

一种室内外中继通讯窗体天线

技术领域

本发明涉及以窗体为载体的室内外无线通讯中继天线，属于天线技术领域，具体地说可作为无线通讯的中继站，实现室内外通讯信号增强，提升无线通讯质量。

背景技术

随着社会经济的发展，各类科技也得到不断的变迁，特别是在无线通信方面。无线通信技术打破了传统的通信应用方式，拥有很强大的抗自然灾害的能力，并且其在建设方面也不十分依赖电网网架，同时还拥有传输距离远、非视距传输等优良的特点，能够最大程度的弥补当前实际通信应用中方式的单一化、覆盖面不全等不良缺陷。但在传输高频段信号时，电磁波近乎直线传播，绕射能力非常弱，很容易被障碍物阻挡，即使信号能够“穿透”障碍物，但透过的信号已经产生很大衰减，特别是频率越高时，产生的衰减越大，信号接收越不稳定，尤其对室内用户而言，无线通讯信号的衰减会对用户使用无线设备造成很大影响。

而近年来，第五代移动通信系统5G已经成为通信业和学术界探讨的热点。由于5G商用频段上移，电磁波波长变短，5G所面临的挑战除了覆盖差之外，还有穿透性差和信号不稳定问题。根据3GPP制定的规则，无线基站可按照功率划分为四大类，分别为宏基站、微基站、皮基站和飞基站。5G时代，利用单一宏基站实现室内和室外全覆盖难度增大。一方面，5G相比4G使用频段上移，导致5G宏基站信号在穿透墙壁时相比4G衰减更大，室内信号覆盖难度凸显。室外信号在穿透砖墙、玻璃和水泥等障碍物后只能提供浅层的室内覆盖，无法保证室内深度覆盖所需要的良好体验，因此传统的“室外覆盖室内”方式将面临更多挑战。同时，室内5G新业务对室内覆盖体验提出更高要求，且与室外网络建设相比，室内网络建设周期更长、难度更大。对此，5G将会选择“宏基站为主，小基站为辅”的组网方式来实现室内外全面覆盖。

发明内容

为解决现阶段无线通讯信号穿透性差及信号不稳定所带来的室内外通讯问题，本发明提出一种室内外中继通讯窗体天线，该天线可兼容各种金属窗体结构。

本发明的技术方案如下：

本发明包括窗体框架以及安装在窗体框架内的两组天线阵列和无线中继收发机，窗体框架的两侧分别布置有一组天线阵列，每组天线阵列主要由多个缝隙天线单元沿窗体框架的侧边等间隔排列组成，无线中继收发机安装在窗体框架的底部，两组天线阵列分别连接到无线中继收发机的两端。

缝隙天线单元包括介质载体、下层辐射缝隙、上层辐射缝隙和馈电端口，介质载体的上下表面均覆盖有金属薄层，上表面的金属薄层镂空有十字形结构形成上层辐射缝隙，下表面的金属薄层镂空有椭圆形结构形成下层辐射缝隙，下表面的金属薄层还镂空开有条形缝隙，条形缝隙的一端与下层辐射缝隙连通，条形缝隙的另一端连通到介质载体的边沿；下层辐射缝隙内同心布置有环型结构，金属条安装在条形缝隙中，并且金属条的一端与环型结构连接，金属条的另一端与设置在介质载体边沿处的馈电端口连接，同组天线阵列的所有缝隙天线单元并行连接后再通过连接线与无线中继收发机连接。

其中一组天线阵列的所有缝隙天线单元均安装在窗体框架朝向室内的内侧表面，并使所有缝隙天线单元的上层辐射缝隙均朝向室内，另外一组天线阵列的所有缝隙天线单元均安装在窗体框架朝向室外的外侧表面，并使所有缝隙天线单元的上层辐射缝隙均朝向室外。

来自室外的电磁波信号先通过朝向室外的天线阵列接收后输入到无线中继收发机，经无线中继收发机进行信号的滤波、放大处理后再通过朝向室内的天线阵列进行馈电激励，向室内辐射电磁波，从而使室内的信号得到增强；同理，来自室内的电磁波信号依次经过两组天线阵列作用后使得传输到室外的信号得到增强。

所述的无线中继收发机包括依次首尾连接的第一双工器、第一低噪声放大器LNA、第一带通滤波器BPF、第一功率放大器SPA、第二双工器、第二低噪声放大器LNA、第二带通滤波器BPF和第二功率放大器SPA，其中一组天线阵列作为室内收发天线与第一双工器相连，另外一组天线阵列作为室外收发天线与第二双工器相连。

所述的上层辐射缝隙的十字形结构的中心位于介质载体的正中心，十字形结构的两个交叉边的宽度相同但长度不同，较长边的两端分别开有矩形结构，矩形结构的宽度大于交叉边的宽度。

所述的下层辐射缝隙的椭圆形结构位于介质载体的正中心，环形结构同样为椭圆形，且椭圆形的长轴与下层辐射缝隙的长轴共线，金属条为矩形。

所述的馈电端口与微带接口相连，微带接口再与同轴线相连，馈电端口通过同轴线进行馈电，每个缝隙天线单元通过馈电端口及引出的同轴线与其他缝隙天线单元并联。本发明采用多路功分方法同时馈电，通过调节同轴线的长度改变缝隙天线单元的激励电流相位。

所述的介质载体材料为FR4板材或其他高硬度绝缘板材。

本发明的有益效果是：本发明设置的两个缝隙天线单元阵列分别朝向室内和室外，进行室内外信号收发；每个阵列结构可大幅提升天线整体增益性能；通过改变与馈电端口连接的同轴线长度调节各缝隙天线单元的激励电流相位，从而实现对各阵列辐射主瓣的方向在较大角度内进行调节；无线中继收发机对接受到的信号进行滤波、放大处理，使得信号传输更加稳定，整个系统可以解决无线通讯覆盖中室内信号不足的问题，有效提升无线通信质量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的缝隙天线单元上表面结构示意图；

图3是本发明的缝隙天线单元下表面结构示意图；

图4是本发明实施例1所述的窗框缝隙天线单元结构示意图；

图5是本发明实施例1所述的窗框缝隙天线单元在φ＝90°的方向图；

图6是本发明实施例1所述的窗框缝隙天线单元的S11曲线图；

图7是本发明实施例2所述的窗框缝隙天线组阵的具体工作原理框图；

图8是本发明实施例2所述的窗框缝隙天线组阵在φ＝90°的辐射方向图；

图9为本发明实施例2所述的窗框缝隙天线组阵在φ＝0°的辐射方向图。

图中附图标记表示为：1-金属薄层；2-介质载体；3-下层辐射缝隙；4-环形结构；5-金属条；6-馈电端口；7-上层辐射缝隙；8-小型窗框；9-缝隙天线单元；10-填充缝；11-上层边框面；12-下层边框面；13-侧框面；14-左天线组阵；15-右天线组阵；16-窗体框架；17-连接线；18-无线中继收发机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，天线组阵分左右两列，左天线组阵14的上层辐射缝隙7朝向室内、右天线组阵15的上层辐射缝隙7朝向室外，每列天线的连接线17并行连接，分别连接到无线中继收发机18的两端。左天线组阵14在室内一侧，各天线单元的上层辐射缝隙7朝向室内，右天线组阵15在室外一侧，各缝隙天线单元9的上层辐射缝隙7朝向室外。

如图2、图3所示，缝隙天线单元9包括上层辐射缝隙7、下层辐射缝隙3、馈电端口6和介质载体2，介质载体2上下表面均覆盖金属薄层1，上层辐射缝隙7设置在上层金属薄层7，下层辐射缝隙设置在下层金属薄层3，上层辐射缝隙3内附着一环型结构4，并通过金属条5延伸至馈电端口6，馈电端口6设置在金属条5末端，电磁波通过馈电端口6传递到金属条5，并在下层辐射缝隙3及上层辐射缝隙7激起辐射，所述的缝隙天线单元9按周期间隔竖直安装在窗体框架16上。

如图2所示，上层辐射缝隙7呈十字型，其中心位于天线单元正中心，十字缝隙两交叉边宽度相同，且较长边两端开有宽度较大的矩形结构。

如图3所示，下层辐射缝隙3为椭圆形，其中心位于天线单元正中心，且缝隙内部设置与该缝隙同心的环形结构4，环形结构4与金属条5拼合并延伸至馈电端口6。环形结构4为椭圆形，且长轴与下层辐射缝隙3的长轴共线，所述金属条5为矩形。具体实施中，环型结构(4)与金属条(5)均为金属薄层镂空加工时所保留的部分。

具体实施中，馈电端口6与微带接口相连，并通过与微带接口连接的同轴线馈电，每个缝隙天线单元9均通过馈电端口6引出的同轴线与其他缝隙天线单元9并联，并采用多路功分方法同时馈电，通过调节同轴线的长度改变缝隙天线单元9的激励电流相位。介质载体2的材料采用FR4板材或其他高硬度绝缘板材。上层金属薄层7与下层金属薄层3厚度相同。无线中继收发机18和连接线17均安装于窗体框架16内部。

实施例一

如图4所示，将单个缝隙天线单元9安装于小型窗框8之上，并与窗框8进行紧密拼合。小型窗框8可设置为矩形空腔金属体，宽度设32mm，厚度设10mm，金属体厚度设1.6mm。缝隙天线单元9的介质载体2使用FR4板材，厚度设1.6mm，与小型窗框8的金属体厚度相同，缝隙天线单元9的金属薄层1与窗框8材料相同。

小型窗框8六个表面中相对表面积较大的两个表面分别作为上层边框面11和下层边框面12，其余四个表面作为侧框面13，缝隙天线单元9安装在上层边框面11上且与矩形空腔的上层边框面11共轴，天线单元9的上层辐射缝隙7朝向小型窗框8的外部，下层辐射缝隙3朝向小型窗框8的内部空腔。为便于馈电激励，缝隙天线单元9的一边下沿开有1mm填充缝10并用FR4材料填充。

本发明的信号增强原理是：

馈电激励后电流经过矩形金属条5流向环形结构4并向四周辐射能量，下层辐射缝隙3与上层辐射缝隙7受到激励同时向四周辐射能量，由于框体为空腔结构，因此辐射电磁波在遇到下层边框面12后返回，仅有少许能量穿透下层边框面12与侧框面13，其余能量均从缝隙流出或在留在空腔内，因此大部分电磁波将会通过缝隙向上层边框11一侧辐射，小部分电磁波留在空腔内。

图5为该结构在φ＝90°(YZ平面)的方向图，图6为该结构的s11曲线图，谐振点为3.8GHz，-10dB以下带宽为300MHz。本实施例说明本发明具有以下特点：结构简单且易于调节、工作带宽大、单向辐射方向图好、可与窗体结构共体紧密拼合、外观齐整。

实施例二

如图1所示，本实施例对缝隙天线单元9进行组阵，窗体框架16左右两侧均沿竖直方向依次设置8个天线单元分别形成一个阵列结构，每个阵列结构的各天线单元周期间距15cm，左天线组阵14用于室内收发，右天线组阵15均用于室外收发，图7为本实施例具体工作原理框图：室内信号依次经第一双工器、LNA、BPF、SPA发送到室外基站，此为上行频率，室内接收基站的信号是依次经第二双工器、LNA、BPF、SPA到室内，此为下行频率。无线中继收发机18通过双工器引出两路连接线17分别引向窗框左天线组阵14、右天线组阵15，并通过多路功分方法经同轴线向各缝隙天线单元9进行馈电，调节同轴线长度可改变电流相位，从而改变天线阵的主瓣俯仰角(与XZ平面的夹角)，使其对准无线通讯基站，实现信号的稳定接受，或调整室内辐射朝向，达到全范围覆盖，以实现移动或固定无线电设备稳定收发无线通讯信号。

如图1所示，分别平行于窗体框架16的两个相互垂直的方向作为X方向和Y方向，垂直于XY平面的方向为Z方向，图8的φ＝90°(水平面)是指XZ平面，图9的φ＝0°是指YZ平面。

图8为馈电相位差为0°时右侧天线阵在φ＝90°(水平面)的线性功率辐射方向图，图9为馈电相位差为120°时右侧天线阵在φ＝0°时的方向图，图中显示辐射主瓣方向为水平仰角10°位置。经测试，在不影响辐射功率的前提下，通过调节电流相位差，波束可在水平面±20°夹角之间稳定调节。

本发明结构紧凑、兼容各种金属窗体结构，可作为无线通信尤其5G通讯中继站，解决无线通讯覆盖中室内信号不足的问题，有效提升无线通信质量。