CN102956965A

CN102956965A - 一种超宽带双极化平面天线

Info

Publication number: CN102956965A
Application number: CN2012102640041A
Authority: CN
Inventors: 高鹏; 熊灵; 贺爽
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102956965B

Abstract

本发明涉及一种超宽带双极化平面天线，包括介质基板及位于介质基板上的金属层，所述金属层包含了金属区和镂空区，其特征在于，所述金属区包括位于介质基板四周边缘的接地板，所述接地板的中心为属于镂空区的多边形槽；所述接地板的两相邻边上分别具有相互垂直的第一开口和第二开口；所述第一共面波导传输线贯穿第一开口后一端与位于多边形槽的第一金属辐射体连接，另一端作为天线的输入或输出端口；所述第二共面波导传输线贯穿第二开口后一端与位于多边形槽的第二金属辐射体连接，另一端作为天线的输入或输出端口。本发明的优点和有益效果：可以有效提高接收或者发射的电磁信号的健壮性和多路径性，而且该天线结构简单，易于加工，成本低。

Description

一种超宽带双极化平面天线

技术领域

本发明涉及无线通信中的天线技术领域，特别涉及超宽带双极化平面天线。

背景技术

伴随着个人无线移动通信的迅猛发展，对系统的带宽、数据传输率、抗干扰能力提出了更高的要求。超宽带通信技术由于其很宽的工作频带（绝对带宽达到7.5GHz），很低的传输功率（低于-41.3dBm），很高的数据传输速率（在10米范围内可达到110MHz/s）和很强的抗干扰能力而受到了广泛的关注。然而，由于很低的传输功率造成了超宽带系统在复杂环境中的多径衰落现象从而影响系统的性能。多天线MIMO技术（多输入多输出技术）的出现可以有效的解决上诉问题。MIMO技术可以在不增加额外带宽或者增大发射功率的情况下提供更大的数据吞吐量和更广的连接范围。天线作为实现超宽带通信的关键部件之一成为人们的研究热点。

国际电子电气工程师协会《天线与传播》杂志（IEEE Transactions on Antenna and Propagation,2009,57(10),3347-3351）介绍了一种宽带双极化的等腰三角形槽天线，该天线两端口之间的隔离度达到-30dB，但该天线的阻抗带宽仅能覆盖5-6GHz频率范围，因此不能满足超宽带的应用。

国际电子电气工程师协会《天线与传播》杂志（IEEE Transactionson Antenna and Propagation,2012,60(3),1596-1600）介绍了一种双端口环形缝隙超宽带天线，该天线能完全覆盖超宽带通信需要的3.1-10.6GHz的频率范围，两端口之间的隔离度达到-15dB，满足无线通信系统对隔离度的要求，但该天线外观尺寸较大，因此不满足便携式无线通信设备的应用需求。

鉴于上述要求，有必要提出一种紧凑的超宽带双极化平面天线。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的平面天线在宽带范围和外观尺寸上不能兼顾的不足，提出了一种超宽带双极化平面天线。

本发明的技术方案是：一种超宽带双极化平面天线，包括介质基板及位于介质基板上的金属层，所述金属层包含了金属区和镂空区，其特征在于，所述金属区包括位于介质基板四周边缘的接地板，所述接地板的中心为属于镂空区的多边形槽；所述接地板的两相邻边上分别具有相互垂直的第一开口和第二开口；所述第一共面波导传输线贯穿第一开口后一端与位于多边形槽的第一金属辐射体连接，另一端作为天线的输入或输出端口（图1中端口1）；所述第二共面波导传输线贯穿第二开口后一端与位于多边形槽的第二金属辐射体连接，另一端作为天线的输入或输出端口（图1中端口2）；所述接地板、多边形槽自身关于水平方向和垂直方向之间的45度角对称，所述第一开口、第一共面波导传输线和第一金属辐射体分别与第二开口、第二共面波导传输线和第二金属辐射体关于水平方向和垂直方向之间的45度角对称。

本发明的优点和有益效果：本技术方案采用单面敷铜介质基板制作而成，采用共面波导馈电方式，辐射单元与接地板均位于介质基板上表面，这种平面结构使得该天线易于与其他射频电路相集成，从而减小整个系统的体积；同时，多边形槽中的矩形枝节和刻在天线右上角的呈等腰直角三角形的三角形切角提高了天线的隔离度，改善了天线性能。该天线是双极化MIMO天线，可以有效提高接收或者发射的电磁信号的健壮性和多路径性，从而克服复杂恶劣环境下的多径衰落提高整个通信系统的性能。而且该天线结构简单，易于加工，成本低。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图。

图2为本发明的S11和S22图。

图3为本发明的S12和S21图。

附图标记说明：金属区1、接地板11、第一共面波导传输线12、第一金属辐射体13、第二共面波导传输线14、第二金属辐射体15、矩形枝节16、镂空区2、多边形槽21、第一开口22、第二开口23、三角形切角24

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，一种超宽带双极化平面天线，包括介质基板及位于介质基板上的金属层（图中未示出该双层结构的截面），所述金属层包含了金属区1和镂空区2，其特征在于，所述金属区1包括位于介质基板四周边缘的接地板11，所述接地板11的中心为属于镂空区2的多边形槽21；所述接地板11的两相邻边（图1中的左和下两边）上分别具有相互垂直的第一开口22和第二开口23；所述第一共面波导传输线12贯穿第一开口22后一端与位于多边形槽21的第一金属辐射体13连接，另一端作为天线的输入或输出端口（图1中端口1）；所述第二共面波导传输线14贯穿第二开口23后一端与位于多边形槽21的第二金属辐射体15连接，另一端作为天线的输入或输出端口（图1中端口2）；所述接地板11、多边形槽21自身关于水平方向和垂直方向之间的45度角对称（通过图1中左和下两边的交点并与下边呈45度角的中心线所示），所述第一开口22、第一共面波导传输线12和第一金属辐射体13分别与第二开口23、第二共面波导传输线14和第二金属辐射体15关于水平方向和垂直方向之间的45度角对称。

作为对上述基本技术方案的补充和改进：

上述第一开口22和第二开口23为呈阶梯变化的矩形槽，所述矩形槽靠近多边形槽21的一段开口较大，远离多边形槽21的一段开口较小。

上述介质基板的右上角还具有三角形切角24。

上述接地板11沿水平方向和垂直方向之间的45度角方向在多边形槽21内延伸有一矩形枝节16，所述矩形枝节16的末端与接地板11保持一定间隔。

上述接地板11、第一共面波导传输线12、第一金属辐射体13、第二共面波导传输线14、第二金属辐射体15和矩形枝节16保留金属构成了金属层的金属区1图案，上述多边形槽21、第一开口22、第二开口23和三角形切角24消除了金属构成了金属层的镂空区2图案。

本技术方案的工作原理：通过把两个端口（端口1和端口2）设置在天线平面上相互垂直的位置从而使天线通过两个辐射贴片向水平和垂直方向接收或者发射电磁能量，有效的减少了天线的尺寸。进一步的在形成端口1和端口2的第一共面波导传输线12和第二共面波导传输线14的两侧的第一开口22和第二开口23内设置呈阶梯变化的矩形槽，这可以使馈电口到天线之间达到更好的阻抗匹配从而拓展天线的带宽。放置于多边形槽21中央的矩形枝节16可以隔断两个辐射单元（即第一金属辐射体13和第二金属辐射体15）的近场耦合，从而提高端口1和端口2之间的隔离度。刻在天线右上角的呈等腰直角三角形的三角形切角24可以改变原有的通过端口1到达端口2或者通过端口2到达端口1的电流路径，从而改变磁流分布，使得在不增加天线尺寸的基础上进一步减小端口1和端口2之间的耦合。

为了进一步的说明上述技术方案的可实施性，下面给出一个具体实施例：

本实施例中，介质基板长L=50mm，宽W=50mm，厚度=0.762mm，介质基板的材料为RogersRO4350，介电常数为3.66。

上述第一共面波导传输线12和第二共面波导传输线14长h1+h（h1=8mm,h=2.6mm）,宽Wd=3mm，采用共面波导馈电方式，且接地板11上的第一开口22和第二开口23呈阶梯变化的矩形槽，优化了天线匹配，提高了天线性能，其中远离多边形槽21的一段开口的缝隙宽度g=0.3mm，靠近多边形槽21的一段开口的缝隙宽度为g2=0.6mm，该段开口的长度为4.6mm，第一共面波导传输线12的中心线偏移介质基板的中心11.6mm。所述第一开口22的下边缘到多边形槽21的下边缘的垂直距离为W2，该距离根据需要进行设置，需要保证第一金属辐射体13和第二金属辐射体15与接地板11具有足够的间隙。

上述第一金属辐射体13和第二金属辐射体15的形状为直角梯形，且梯形下底W4=12mm，上底W5为下底的一半，高h2=6mm。

上述多边形槽21为关于自身对称的五边形结构，所述多边形槽21距介质基板的边缘的宽度（图1中左和下）h1=8mm，直角边的长度（图1中左和下）W1=40mm，直角边的长度（图1中上）W3=6.5mm，同时天线上端开有的三角形切角24的直角边长h3=24mm，在多边形槽21内加有矩形枝节16，矩形枝节16的长度L1=30mm，宽度为3mm，且其中心线位于水平方向和垂直方向之间的45度角上。

该天线设计完成后，经过实际仿真和测试，天线的S11和S22参数如图2所示，在3.1GHz~11GHz天线回波损耗小于-10dB，同时S21和S12参数如图3所示，在整个工作频段S21和S12都小于-15dB，特别在4GHz以上可达-25dB，具有很好的隔离度。因此，本技术方案能够满足超宽带通信的双极化MIMO天线的要求，该天线能工作在3.1-11.2GHz的频率范围内且两个端口之间的隔离度小于-20dB。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种超宽带双极化平面天线，包括介质基板及位于介质基板上的金属层，所述金属层包含了金属区和镂空区，其特征在于，所述金属区包括位于介质基板四周边缘的接地板，所述接地板的中心为属于镂空区的多边形槽；所述接地板的两相邻边上分别具有相互垂直的第一开口和第二开口；所述第一共面波导传输线贯穿第一开口后一端与位于多边形槽的第一金属辐射体连接，另一端作为天线的输入或输出端口（图1中端口1）；所述第二共面波导传输线贯穿第二开口后一端与位于多边形槽的第二金属辐射体连接，另一端作为天线的输入或输出端口（图1中端口2）；所述接地板、多边形槽自身关于水平方向和垂直方向之间的45度角对称，所述第一开口、第一共面波导传输线和第一金属辐射体分别与第二开口、第二共面波导传输线和第二金属辐射体关于水平方向和垂直方向之间的45度角对称。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化平面天线，其特征在于，上述第一开口和第二开口为呈阶梯变化的矩形槽，所述矩形槽靠近多边形槽的一段开口较大，远离多边形槽的一段开口较小。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化平面天线，其特征在于，上述介质基板的右上角还具有三角形切角24。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化平面天线，其特征在于，上述接地板沿水平方向和垂直方向之间的45度角方向在多边形槽内延伸有一矩形枝节，所述矩形枝节的末端与接地板保持一定间隔。