一种应用于智能电网电箱的宽带多频带通信天线

本发明属于无线通信及智能电网硬件终端领域，具体是一种应用于智能电网电箱的宽带多频带通信天线。

背景技术：

1、随着能源互联网的发展，智能电网已成为现代电力系统发展的必然趋势，通过集成先进的传感测量技术、通信技术、计算机技术和控制技术，实现了电力系统的智能化、高效化和可靠运行。在智能电网中，从发电、输电、变电、配电到用电的各个环节，都需要进行海量数据的高效传输与实时交互（如电网状态监测、高级计量架构ami、配电自动化等）。

2、一般来说智能电网可分为三个部分：家庭区域网(han)，邻域网(nan)和广域网(wan)。

3、han是在智能电表和家用电器之间建立的通信网络，使用户能够通过家用显示设备收集关于其用电行为和用电成本的信息。han要求的带宽较低，因此可使用高性价比的通信技术，如wifi、蓝牙和zigbee等。

4、nan的作用是建立邻近区域的数据集中器和智能仪表之间的通信网络，可使用wifi和无线射频网络技术的短距离通信从智能仪表收集测量数据，并将数据传输到数据集中器。

5、wan是建立在供电企业的数据中心和数据集中器之间的通信网络，它是一个具有宽带宽和高吞吐量的双向通信网络，进行长距离的数据传输，通常采用成本较低但覆盖广泛的通信技术，如4g-lte/5g、2g-3g系统、电力线通信网络等。

6、天线是在无线通信系统发射和接收电磁波的设备，其性能优劣直接决定了整个智能电网通信链路的质量。无论是部署在户外的电力杆塔监测终端，还是安装在室内的智能电表，都需要高性能的天线来保障信号的稳定传输。

7、然而，在复杂的电网环境中，普遍存在高电压、大电流以及强电磁干扰，无线信号往往受到干扰，单一的通信技术无法满足智能电网所有环节的需求，多频带天线提供了冗余通信路径，通信设备可以根据实际业务需求，选择最优的频段和网络接入，实现通信链路的最优化，有助于智能电网通信的可靠性。

8、在智能电网配电自动化、低压配电台区终端以及高级计量架构ami中，智能电箱（如开关箱、电表箱）通常采用全金属封闭或半封闭结构。为了实现电网多路传感器的数据采集、远程调度与状态实时上报，内部的通信终端往往需要天线同时兼容窄带低频物联网数据传输（如0.88ghz附近）以及高频宽带无线微功率网传输（如1.7ghz~2.7ghz的超宽带频段）。

9、智能电箱内集成的业务日益繁杂，往往需要同时接入电力专网、公网物联网（如nb-iot/4g/5g）以及局域网（如wi-fi/lora）。现有的电力天线多为窄带或单频段设计，无法在一个微型天线内实现上述多个频段的高效覆盖。为了满足多模通信需求，通常需要安装多根不同的天线，这导致电箱内部空间挤占严重、系统集成度低、相互之间极易产生电磁干扰，且大幅增加了硬件成本。

10、因此，设计一款覆盖智能电网主要通信频段的宽带多频带通信天线十分必要。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种应用于智能电网电箱的宽带多频带通信天线，实现了超宽的频带工作范围，能够兼容电力专网、公网蜂窝网络（4g/5g）以及无线局域网等多种通信频段，减少了电箱内多天线共存的干扰与空间占用，提升了系统集成度，有利于降低硬件成本。

2、所述宽带多频带通信天线印刷在正面和背面不互通的介质基板上，正面为天线的辐射主体，包括一对呈中心对称分布的蝶形金属辐射贴片，分别位于中心馈电区的两侧，形成偶极子结构；在每个蝶形金属辐射贴片表面，沿远离中心的方向开有三条平行的细长条形开槽，贯穿整个贴片。从中心向外侧三条开槽分别命名为第一开槽，第二开槽，第三开槽；与中心的距离分别为31mm，35mm和50mm；开槽宽度均为1mm；在每个贴片的第二开槽和第三开槽中，各自均匀加载5个电阻，在第二开槽上电阻之间的距离是6mm，在第三开槽上电阻之间的距离是12mm。

3、背面加载多边形寄生贴片，包括同心的内外两部分。贴片本身由四个中心交叉的矩形组成；相邻两个矩形的夹角是45°，在组成的贴片上镂空一个环，将其分为内外两个贴片，内部贴片半径与外部贴片半径的比值为0.5，镂空环的半径与外部贴片半径的比例关系为0.65。

4、天线的工作原理为：通电后，电流从中心馈电处向外扩散，由于趋肤效应和开槽的作用，电流沿着贴片边缘和开槽流动，开槽结构有效地引导并改变了表面电流的路径，改善了天线表面电流分布，增加了电流的有效电长度，从而使原有的高频谐振点向低频方向移动且匹配加深；同时低频谐振点向高频方向移动，影响了谐振频率的变化。

5、而在背面的寄生贴片上，感应电流由贴片中心向外侧流动，受其表面多边形结构的引导，电流无法走直线，而是被迫沿着贴片的边缘流动，使有效电长度增大，并引入了新的谐振频率，公式如下：

6、

7、c为光速，为介质基板的有效介电常数，为寄生贴片的有效电流长度。

8、寄生贴片上的电流沿齿轮外廓及对角线交叉流动的有效电流长度约为49.8mm，有效介电常数约为1.46，带入公式计算新引入的谐振频率为2.49ghz。

9、本发明的优点在于：

10、1、本发明所述天线具有超宽带，多频段，工作频带覆盖0.8-2.7ghz，相对带宽达到113%，且具有良好的辐射性能，最大增益达到1.82dbi。

11、2、本发明通过加载多边形寄生贴片，可在原有谐振频率的基础上引入一个新的谐振频率为后续优化天线带宽创造条件。

12、3、本发明在天线表面开槽，金属贴片表面的高频表面电流无法切向穿过空气槽，被迫绕着槽线边缘流动，改善了天线表面电流分布，使得天线表面电流的实际有效物理路径（即电长度）显著增加，打破了原有物理尺寸对谐振波长的限制。

1.一种应用于智能电网电箱的宽带多频带通信天线，其特征在于，所述天线印刷在正面和背面不互通的介质基板上，正面为天线的辐射主体，包括一对呈中心对称分布的蝶形金属辐射贴片，分别位于中心馈电区的两侧，形成偶极子结构；在每个蝶形金属辐射贴片表面，沿远离中心的方向开有三条平行的细长条形开槽，贯穿整个贴片；从中心向外侧三条开槽分别命名为第一开槽，第二开槽，第三开槽；在每个贴片的第二开槽和第三开槽中，各自均匀加载电阻；

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，第一开槽，第二开槽，第三开槽与中心的距离分别为31mm，35mm和50mm；开槽宽度均为1mm。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，加载电阻的个数为5个，在第二开槽上电阻之间的距离是6mm，在第三开槽上电阻之间的距离是12mm。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，相邻两个矩形的夹角是45°。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，内部贴片半径与外部贴片半径的比值为0.5，镂空环的半径与外部贴片半径的比例关系为0.65。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，通电后，电流从中心馈电处向外扩散，沿着贴片边缘和开槽流动，开槽结构有效地引导并改变了表面电流的路径，改善了天线表面电流分布，增加了电流的有效电长度，从而使原有的高频谐振点向低频方向移动且匹配加深；同时低频谐振点向高频方向移动，影响了谐振频率的变化；

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，寄生贴片上的电流沿齿轮外廓及对角线交叉流动的有效电流长度约为49.8mm，有效介电常数约为1.46，带入公式计算新引入的谐振频率为2.49ghz。