CN101615724B

CN101615724B - 一种三极化的共形天线

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Publication number: CN101615724B
Application number: CN 200910089503
Authority: CN
Inventors: 钟华; 张志军; 陈文华; 冯正和
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: CN101615724A

Abstract

一种三极化共形天线属于多输入多输出天线技术领域，其特征在于所述天线由第一介质基片、空气层和第二介质基片重叠组成，双极化圆环形贴片附着于第一介质基片表面，两个H形缝位于所述两个基片之间的接地平面上，在双极化圆环形贴片和两条微带馈线间进行耦合馈电，所述两条微带馈线位于第二介质基片的下表面，并分别位于所述两个H形缝下方，这种馈电方式形成和X轴、Y轴平行的两个方向的正交极化，在所述圆环形贴片中心处加入圆盘加载单极子天线，并引入并联电感改进天线的工作特性，形成和Z轴平行的极化方向。本发明中可以很好地实现三个正交方向的极化，提供三个独立的端口，且具有强度高、隐蔽性好、占用空间少的优点。

Description

一种三极化的共形天线

技术领域

本发明属于多输入多输出MIMO无线通信技术中三极化天线的技术领域。

背景技术

无线通信技术在当今通信领域飞速发展，成为了倍受人们关注也对人们生产生活产生重要影响的科学技术领域。随着无线通信技术的发展，人们对无线通信的需求不断增长，人们希望能随时随地相互通信交换信息，对通信信号质量的要求也越来越高，这就对作为通信系统中重要部件的天线提出了越来越高的性能指标要求。同时，通信系统规模不断扩大，通信系统小型化和高度集成化的趋势日益显著，人们要求天线在达到相应性能指标的前提下占用尽可能小的空间。

在复杂多径的传播环境中，天线的通信信道常受到温度、湿度、地形等环境因素的影响，同时在传播过程中因为邻近建筑物和周围环境的反射影响出现多路信号互相干扰的情况，这些方面都会对通信质量产生不利的影响。为了减少信号传输过程中的多径衰落影响，并且能使天线在占用空间尽量小的前提下实现高性能指标，许多先进的无线通信天线技术的研究便显得尤为重要。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)无线通信技术的研究是当前无线通信研究的一个重要内容，它以独特的结构和优异的性能引起了人们的广泛关注。MIMO系统即多输入多输出系统，最早由Marconi于1908年提出，它的核心思想是在通信系统发射机和接收机两端同时使用多个天线，通过同时采用多个天线发送和接收信号，大大提高频谱利用率，改善信号传输效率，抑制多径衰落。因而MIMO技术被认为是在多径环境下实现不断增长的容量需求的强有力解决方法。虽然MIMO系统很早就已提出，但是运用到无线通信中还是70年代之后的事，90年代贝尔实验室的研究人员对MIMO系统的研究更是推动了MIMO系统的发展。贝尔实验室的研究工作表明，MIMO系统的信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大。若发射天线为M个，接受天线为N个，则系统容量可以达到单天线系统的min(M，N)倍。

许多已发表的文章中都提到线性单极化阵列的MIMO系统，而多极化天线则刚开始受到关注。Andrews et al.在他的文中提到，在复杂多径环境中，具有多极化性质的天线能够提高无线通信信道容量。A.S.Konanur在他的文中提出一种由圆环和偶极子构成的矢量天线，研究结果表明多极化天线MIMO阵列比相同天线单元数的单极化天线阵列的信道容量更大。因为不同极化方向的分支之间相关系数很低，完全可看作相互独立的收发通道。因此，多极化天线可以利用更少的体积实现更多的统计独立多径通道，从而有效地提高系统容量和传输速率。

三极化天线充分利用空间坐标系三个轴方向相互正交的特点，设计出三个正交方向极化，在有限的体积内实现三个独立的收发通道。Das et al.研究出一种由双极化圆形贴片和单极子构成的三极化天线。Gray et al.在他的文中介绍了一种由双极化介质谐振器和单极子构成的三极化天线。Itoh et al.则提出了一种由两个垂直缝隙和单极子构成的三极化天线。

发明内容

现有的三极化天线都采用了立体结构，这使它们的应用范围受到了相当的限制。

本发明的目的在于提供一种强度高、外形隐蔽、占用空间少的三极化共形天线。

同时，为了提高各端口间的隔离度，本发明提出采用耦合馈电和同轴馈电相结合的方法。

本发明的特征在于含有：第一介质基片，第二介质基片和加载单极子天线，其中：

第一介质基片，呈正方形，边长为W，高h₁，有一个圆环形贴片贴在所述第一介质基片上端面上，所述圆环形贴片和所述第一介质基片上端面的中心重合，所述圆环形贴片的外直径为R，内直径为Rn，所述圆环形贴片的中心为三维笛卡尔坐标的原点；

第二介质基片，呈正方形，边长与所述第一介质基片的边长W相等，高为h₂，所述第二介质基片上端面与所述第一介质基片的下端面中有一个高为h₀的空气层，所述第二介质基片的上端面为一个接地平面，该接地平面的中心与所述圆环形贴片的圆心位于同一条垂直线上，在所述接地面上有第一H形缝和第二H形缝共两个H形缝，其中，所述第一个H形缝配置在与正Y轴平行的位置，该第一H形缝中心和所述圆环形贴片圆心的距离为D₁，该第一H形缝的中间横臂在与所述正Y轴平行位置上的高度为La₁，宽度为wa₁，两臂的宽度都为wa₂，高度各为La₂，所述第二H形缝配置在与正X轴平行的位置上，该第二H形缝的中间横臂在所述正X轴平行位置上的长度、所述中间横臂的宽度、两臂的高度和宽度都和所述第一H形缝对应部位的尺寸相等，所述第二H形缝的中心距所述圆环形贴片的圆心的距离为D₂，在所述第二介质基片下端面沿着平行于所述负X轴方向，从所述第二介质基片边缘的端口P1开始，有一条第一馈线，长度P1_L＝ds₁+ls₁，ds₁为所述端口P1到所述第一H形缝中心的距离，ls₁为所述第一馈线在X轴方向上超出所述第一H形缝中心的长度，所述第一馈线与所述圆环形贴片圆心的垂直距离等于所述第一H形缝中心到所述圆环形贴片圆心的垂直距离，在所述第二介质基片的下端面，沾着平行于所述负Y轴方向，从所述第二介质基片边缘的端口P2开始，有一条第二馈线，长度P2_L＝ds₂+ls₂，ds₂为所述端口P2到所述第二H形缝中心的垂直距离，ls₂为所述第二馈线在Y轴方向上超过所述第二H形缝隙中心的长度，所述第二馈线到所述圆环形贴片圆心的水平距离等于所述第二H形缝中心到所述圆环形贴片圆心的水平距离，所述两条微带馈线通过所述两个H形缝对圆环形贴片的双极化方式进行耦合馈电；

加载单极子天线是用一个半径r的加载圆盘加载的，该加载圆盘在所述第一介质基片上端面的中心处，该加载圆盘的圆心和该第一介质基片的中心以及该圆环贴片中心重合，该加载单极子天线下端与一根从所述第一介质基片和第二介质基片的中心点穿过的同轴线的内导体相连，该同轴线的外导体与所述接地平面相连。

图2给出了天线实测的反射系数，可以看到各端口反射系数小于-6dB的带宽范围测量结果分别如下：S₁₁(端口P1)带宽2.33-2.54GHz，S₂₂(端口P2)带宽2.33-2.54GHz，S₃₃(单极子端口M1)带宽2.36-2.57GHz。

图3给出了天线三端口间实测的隔离度。可以看出，端口P1和端口P2的隔离度在带宽范围内小于-24dB，端口P1和端口M1的隔离度在带宽范围内小于-35dB，端口P2和端口M1在带宽范围内小于-35dB。测量结果表明，槽耦合馈电三极化天线的三个端口相互隔离效果理想，均可以独立工作。

图4为各端口实测方向图。为了便于方向图的比较，所有的方向图都进行了相应的归一化。图4.1和图4.2为端口P1的XZ、YZ面方向图。从结果图中可知，在XZ面内E_theta大于E_phi，而在YZ面内，E_phi大于Etheta，则说明端口P1辐射的电场平行于X轴。端口P2的XZ、YZ面方向图为图4.3和图4.4，也可以看出端口P2辐射的电场与Y轴平行。图4.5和图4.6所示为端口M1的XZ、YZ面方向图。从实测结果可以看出，无论在XZ面还是YZ面，端口M1的E_theta都大于E_phi，说明端口M1的电场为平行于Z轴方向。可见天线有三个正交的极化模式。

本发明所提出的这种三极化共形天线经过实际制作测量证实，可以实现三个正交方向的极化模式，提供三个独立的端口，端口间隔离度比较理想，其改进的单极子结构使得天线很好地实现了共形设计，极大地减小了天线的高度，从而使得天线占用的空间进一步减小。

附图说明

图1三极化天线结构图：1.1俯视图，1.2正侧视图。1-加载圆盘，2-圆环贴片，3-介质基片，31-第一介质基片，32-第二介质基片，4-电感，5-有缝隙的接地平面，6-同轴线及端口M1，71-第一馈线及端口P1，72-第二馈线及端口P2。

图2三端口反射系数实测曲线：

端口P1，

端口P2，

端口M1。

图3任意两个端口在频带范围内的变化曲线：

端口P1-端口P2，端口P1-端口M1，端口P2-端口M1。

图4三端口实测辐射方向图：

Ephi，

Etheta

4.1XZ平面，端口P1馈电

4.2YZ平面，端口P1馈电

4.3XZ平面，端口P2馈电

4.4YZ平面，端口P2馈电

4.5XZ平面，同轴线端口M1馈电

4.6YZ平面，同轴线端口M1馈电

具体实施方式

采用双缝耦合对贴片馈电是设计双极化天线较常用的方法，缝隙耦合可以有效地提高端口间的隔离度，本发明正是采用的这种方法对圆环形贴片进行馈电形成双极化。天线结构如图1所示。天线由两层介质层基片和一层空气层组成，分别为第一介质基片、第二介质基片和空气层。双极化圆环形贴片附着于第一介质基片上表面。两个“H”型缝位于第二介质基片和空气层之间的接地平面，在双极化圆环形贴片和馈线间进行耦合馈电。两条微带馈线位于第二介质基片的下表面，并分别位于相应缝隙的下方，馈电形成和X轴，Y轴平行的两个方向的正交极化。

我们提出的单极子设计方案为将一根同轴线从介质基片中心点穿过。同轴线的外导体同时与接地平面相连。同轴线的内导体和一个圆盘加载的单极子天线相连。由于圆环贴片中心镂空的独特结构，给放置单极子提供了空间，因此在这个设计中双极化圆环贴片和单极子圆盘位于同一介质层，都处于第一介质基片的上端面。这个单极子天线激励起的电场和Z轴平行。

本发明采用了加载单极子天线而不是四分之一波长单极子天线作为辐射单元，从而有效地减小了单极子的高度。在2.6GHz的工作频率，四分之一波长单极子天线需要29mm的高度，传统的加载单极子天线通常也有15mm的高度。本发明采用这种类型的加载单极子天线后使得整个天线的高度仅为5.8mm。随着加载单极子天线高度的降低，加载圆盘和大地之间的等效并联电容值开始增加，从而导致加载单极子天线的端口匹配恶化。为了抵消等效并联电容的影响，本发明在天线输入端引入了1.3nH的并联电感，使并联电感、电容构成的谐振电路在天线的工作频段内谐振而对消，从而实现了纯阻特性的天线输入阻抗。

天线的具体尺寸如图1所示，图1.1和图1.2分别是天线的俯视图和侧视图。图中1为加载圆盘，2为圆环贴片，3为介质基片，31为第一介质基片，32为第二介质基片，4为电感，5为有缝隙的接地平面，6为同轴线及端口M1，71为第一馈线及端口P1，72为第二馈线及端口P2。整个天线体积为94mm*94mm*5.8mm。第一介质基片的介电常数为4.5，第二介质基片的介电常数为4.5。两个介质层由W，L，R，Rn，h₁和h₂定义，空气层由h₀定义，“H”型缝隙由ds₁，ls₁，ds₂，ls₂，la1，la2，wa1，wa2，D₁，D₂定义，加载单极子天线由r定义。实际天线的设计参数如下：W＝L＝94mm，R＝40mm，Rn＝28mm，h₁＝0.8mm，h₂＝0.8mm，h₀＝4.2mm，r＝6.5mm。端口1：ds₁＝47mm，ls₁＝7mm，la₁＝12mm，la₂＝2mm，wa₁＝1mm，wa₂＝4mm，D₁＝18mm。端口2：ds₂＝47mm，ls₂＝7mm，la₁＝12mm，la₂＝2mm，wa₁＝1mm，wa₂＝4mm，D₂＝18mm，。

双极化圆环形贴片激励起平行于X，Y轴的两个正交方向的电场，加载单极子激励起了平行于Z轴方向的场，故该天线形成了三个方向的极化。

Claims

1.一种三极化的共形天线，其特征在于含有：第一介质基片，第二介质基片和加载单极子天线，其中：

第二介质基片，呈正方形，边长与所述第一介质基片的边长W相等，高为h₂，所述第二介质基片上端面与所述第一介质基片的下端面中有一个高为h₀的空气层，所述第二介质基片的上端面为一个接地平面，该接地平面的中心与所述圆环形贴片的圆心位于同一条垂直线上，在所述接地平面上有第一H形缝和第二H形缝共两个H形缝，其中，所述第一H形缝配置在与正Y轴平行的位置，该第一H形缝中心和所述圆环形贴片圆心的距离为D₁，该第一H形缝的中间横臂在与所述正Y轴平行位置上的高度为La₁，宽度为wa₁，两臂的宽度都为wa₂，高度各为La₂，所述第二H形缝配置在与正X轴平行的位置上，该第二H形缝的中间横臂在所述正X轴平行位置上的长度、所述中间横臂的宽度、两臂的高度和宽度都和所述第一H形缝对应部位的尺寸相等，所述第二H形缝的中心距所述圆环形贴片的圆心的距离为D₂，在所述第二介质基片下端面沿着平行于负X轴方向，从所述第二介质基片边缘的端口P1开始，有一条第一微带馈线，长度P1_L＝ds₁+ls₁，ds₁为所述端口P1到所述第一H形缝中心的距离，ls₁为所述第一微带馈线在X轴方向上超出所述第一H形缝中心的长度，所述第一微带馈线与所述圆环形贴片圆心的垂直距离等于所述第一H形缝中心到所述圆环形贴片圆心的垂直距离，在所述第二介质基片的下端面，沿着平行于负Y轴方向，从所述第二介质基片边缘的端口P2开始，有一条第二微带馈线，长度P2_L＝ds₂+ls₂，ds₂为所述端口P2到所述第二H形缝中心的垂直距离，ls₂为所述第二微带馈线在Y轴方向上超过所述第二H形缝隙中心的长度，第二微带馈线到所述圆环形贴片圆心的水平距离等于所述第二H形缝中心到所述圆环形贴片圆心的水平距离，两条微带馈线通过所述两个H形缝对圆环形贴片的双极化方式进行耦合馈电；

加载单极子天线是用一个半径r的加载圆盘加载的，该加载圆盘在所述第一介质基片上端面的中心处，该加载圆盘的圆心和该第一介质基片的中心以及该圆环贴片中心重合，该加载单极子天线下端与一根从所述第一介质基片和第二介质基片的中心点穿过的同轴线的内导体相连，该同轴线的外导体与所述接地平面相连，所述第一介质基片边长W＝94mm，高h₁＝0.8mm，所述圆环形贴片的外径R＝40mm，内径Rn＝28mm，所述第二介质基片边长W＝94mm，高h₂＝0.8mm，所述第一H形缝的中间横臂在垂直方向的高度La₁＝12mm，中间横臂宽度wa₁＝1mm，两臂的宽度各为wa₂＝4mm，两臂的高度各为La₂＝2mm，所述第二H形缝和该第一H形缝完全对称，相当于其旋转了90度，所述第一微带馈线长度P1_L＝ds₁+ls₁，ds₁＝47mm，ls₁＝7mm，与圆环形贴片圆心距离D₁＝18mm，所述第二微带馈线长度P2_L＝ds₁+ls₁，ds₂＝47mm，ls₂＝7mm，与圆环形贴片圆心距离D₂＝18mm，所述加载圆盘的半径r＝6.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种三极化的共形天线其特征在于：在圆环形贴片的中心处加入一个并联电感，使用所述并联电感，加载圆盘和接地平面之间的等效并联电容形成的谐振电路在该加载单极子天线的工作频段内产生谐振而使得电容和电感相互抵消，实现纯阻特性的天线输入阻抗。