CN103022702A - 一种低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，在介质基板的屏蔽导体上蚀刻三个缝隙，在介质基板的另一面制作微带馈线和多边形辐射贴片，引入具有一定高度且与屏蔽导体相连接的非全封闭金属背腔，使天线具有定向辐射特性。多边形辐射贴片的位置、面积，缝隙的位置、数量、面积，以及腔体的高度均影响着天线的性能，通过改变这些结构参数可以得到性能较好的超宽带定向天线。本发明所确定的天线结构与传统宽带背腔式单缝隙微带天线结构相比，可以提高天线的交叉极化性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，属于微波技术领域。
背景技术
近年来，随着室内短距离无线接入技术的不断发展，超宽带通信技术备受重视。一般认为，相对带宽超过25%的天线属于超宽带天线。另一方面，随着无线通信的快速发展，为了满足室内信号覆盖和增强的需要，高增益特性的定向天线得到了越来越广泛的应用。然而现存的室内通信信号覆盖系统中的定向天线结构复杂、成本较高，带宽有限，不能覆盖多种制式无线通信系统的频段；此外，改善宽带天线的交叉极化特性，不仅有助于改进其高频段的辐射特性，还有利于实现宽带极化分集功能。无论对超宽带无线通信，还是现存的各种无线通信系统而言，宽带定向天线的研究都具有重要的实际价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计超宽带定向天线，提高其交叉极化性能的问题。通过采用三个不同结构的缝隙和多边形辐射贴片进行组合，提出一种结构简单、工作频带宽、交叉极化好、便于制作实现和集成的一种低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线。
本发明为解决以上技术问题采用如下技术方案：
一种低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，包括介质基板、以及一个长宽与介质基板的长宽相等的非全封闭金属背腔；所述金属背腔是一个缺少上表面和前端面的长方体，其中，所述介质基板的顶层设置有多边形辐射贴片和微带馈线，其中，多边形辐射贴片与微带馈线直接相连，构成天线的馈电部分；所述介质基板的底层为屏蔽导体，所述金属背腔上表面的开口部分与介质基板的底层的屏蔽导体直接相连，使得介质基板作为该金属背腔的上表面；在所述屏蔽导体上，刻蚀有相互平行的第一缝隙、第二缝隙以及第三缝隙，其中第一缝隙的长度小于第二缝隙的长度，第二缝隙的长度小于第三缝隙的长度。
作为本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的进一步优化方案，所述第二缝隙为梯形缝隙，该梯形缝隙的渐变部分具有渐变角，该渐变角的范围为40°到70°。
作为本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的进一步优化方案，所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙的形状为矩形、或矩形和三角形的组合而成的多边形，多边形辐射贴片的形状为矩形、三角形或其它多边形的组合形状。
作为本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的进一步优化方案，非全封闭金属背腔的高度范围为7.5mm到25mm。
作为本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的进一步优化方案，介质基板的介电常数为2至20。
作为本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的进一步优化方案，所述第一缝隙与第二缝隙、第二缝隙与第三缝隙的间距均小于4mm。
作为本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的进一步优化方案，所述第一、第二、第三缝隙覆盖区域与多边形辐射贴片覆盖区域相对应；其中多边形辐射贴片的顶端超出第一缝隙的上沿2.5mm；多边形辐射贴片的底端不超出第三缝隙的下沿。
本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：
本发明通过采用多边形辐射贴片和微带馈线组合构成低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的馈电系统并将其置于介质基板的顶层，在获得相对带宽约为69%的工作频带的同时，较之传统宽带背腔式单缝隙微带天线其交叉极化性能显著提高，并通过引入非全封闭金属背腔使天线具有定向辐射特性。本天线结构简单，无需附加馈电部件；制作工艺简单、成本低廉，且其交叉极化性能好。
附图说明
图1是本发明天线的结构平面示意图、剖面图与三维立体示意图。其中图1a是平面示意图，图1b是剖面示意图，图1c是三维立体示意图。
图2是传统宽带背腔式单缝隙微带天线的结构平面示意图、剖面图与三维立体示意图。其中图2a是平面示意图，图2b是剖面示意图，图2c是三维立体示意图。
图3是利用IE3D软件计算的本发明天线结构反射系数频率特性图。
图4是利用IE3D软件计算的传统宽带背腔式单缝微带天线结构反射系数率特性图。
图5是利用IE3D软件计算的本发明天线的方向图。
图6是利用IE3D软件计算的传统宽带背腔式单缝微带天线的方向图。
图1中标号：1是介质基板，2是第一缝隙，3是第二缝隙，4是第三缝隙，5是多边形辐射贴片，6是微带馈线，7是非全封闭金属背腔,8是渐变角度。
图2中标号：11是介质基板，21是缝隙，31是矩形贴片，41是微带馈线，51是非全封闭金属背腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明的结构是：天线制作在介质基板1、第一缝隙2、第二缝隙3、第三缝隙4、多边形辐射贴片5、微带馈线6、非全封闭金属背腔7关于y轴对称；多边形辐射贴片5和微带馈线6相连构成馈电结构；金属背腔7为一个非全封闭的长方体，其缺少上表面和前端面，所述介质基板1作为该金属背腔的上表面，非封闭的前端面为与微带馈线靠近的那一面。本发明从上到下的结构层次依次为多边形辐射贴片5和微带馈线6，介质基板1, 第一缝隙2、第二缝隙3和第三缝隙4，金属背腔7。第一缝隙与第二缝隙、第二缝隙与第三缝隙的间距均小于4mm，因此可以将这三条缝隙视作一个辐射体，这样设计的优点是在增加带宽的同时改善了天线的交叉极化性能。第二缝隙为梯形缝隙，该梯形缝隙的渐变部分具有渐变角，该渐变角的范围为40°到70°。渐变角位于电流密度最集中的位置附近，对电流分布有很大的影响。通过改变渐变角的大小可以进行电流密度调控，进而调整阻抗带宽。当渐变角由小变大时，其阻抗带宽会相应减小；反之，当渐变角由大变小时，其阻抗带宽会相应增大。但是，当渐变角的范围超出上述范围时，当渐变角太大或太小，天线的阻抗匹配性能会变差。
本发明的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其缝隙的形状为矩形或三角形，多边形辐射贴片的形状为矩形、三角形或其它多边形的组合形状。其中，三条缝隙的长宽比控制在一定的范围内，其中第一缝隙的长度小于第二缝隙的长度，第二缝隙的长度小于第三缝隙的长度，以达到低交叉极化特性的要求。
贴片与缝隙间的相对位置可用于调控阻抗带宽。具体表现为：第一、第二、第三缝隙覆盖区域与贴片所在位置的区域对应，其中贴片的顶端要超出第一缝隙的上沿，一般超出的长度为2.5mm左右为最佳，不能超出太多，否则会使天线的阻抗匹配性能变差。同时贴片的顶端也不能低于第一缝隙的上沿，否则也会使天线的阻抗匹配性能变差。在贴片的顶端超出第一缝隙的长度在2.5mm范围内时：当贴片的顶端超出第一缝隙的上沿的距离越大，其阻抗带宽会相应减小；反之，其阻抗带宽会相应增大。
贴片的底端不能超出第三缝隙的下沿，当贴片的底端超出第三缝隙的下沿，对电流分布有很大影响，会使天线的阻抗匹配性能变差。
如图2所示，图2是传统宽带背腔式单缝隙微带天线，其结构是：介质基板11、缝隙21、矩形贴片31、微带馈线41、非全封闭金属背腔51关于y轴对称；矩形贴片31和微带馈线41相连构成馈电装置；从上到下的结构层次依次为矩形贴片31和微带馈线41，介质基板11，缝隙21，非全封闭金属背腔51。
对照附图3，附图3给出了介质基板1按照相对介电常数为2.2、厚为0.8毫米实施，非全封闭金属背腔7按照长52毫米、宽46毫米实施，渐变角8按照45°实施，低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线各部分轮廓与附图1一致时，利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图3的结果可见，低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的工作频带为5.15GHz到10.51GHz，相对工作频带宽度约为69%，具有超宽带工作特性。
对照附图4，附图4给出了介质基板11按照相对介电常数为2.2、厚为0.8毫米实施，全封闭金属背腔51按照长40毫米、宽20毫米实施，传统宽带背腔式单缝微带天线各部分轮廓与附图2一致时，利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图4的结果可见，传统宽带背腔式单缝微带天线的工作频带为5.14GHz到7.74GHz，相对工作频带宽度约为40%，同样具有超宽带工作特性。
对照附图5，附图5给出了工作频率为6.5GHz时，低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的zx平面方向图，图中的实线为同极化分量，虚线为交叉极化分量。从附图5可见，3dB主瓣的角度范围是47°，在此范围内，交叉极化分量低于主极化约33dB。
对照附图6，附图6给出了工作频率为6.5GHz时，传统宽带背腔式单缝微带天线的zx平面方向图，图中的实线为同极化分量，虚线为交叉极化分量。3dB主瓣的角度范围是60°，在此范围内，交叉极化分量低于主极化24dB。比较图5与图6，在47°的主瓣范围内，传统宽带背腔式缝隙微带天线的交叉极化分量比本发明天线的交叉极化分量差9dB，可见本发明天线的交叉极化性能优于常规天线的交叉极化性能。
低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线克服了传统宽带背腔式缝隙微带天线带宽小、交叉极化差的缺点，使其具有较好的超宽带特性。增加非全封闭金属背腔使天线具有定向性，而且此天线结构简单、易于制作、成本低廉。按照前述实施方式制作的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线的工作频段覆盖C波段和X波段，也可以按尺寸比例进行放大后，将其用作DCS-1800/IMT-2000/WLAN-2400/TD-LTE等移动通信系统的室内分布定向天线，具有广泛的应用前景。
Claims (7)
1.一种低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：包括介质基板（1）、以及一个长宽与介质基板（1）的长宽相等的非全封闭金属背腔（7）；所述金属背腔（7）是一个缺少上表面和前端面的长方体，其中，所述介质基板（1）的顶层设置有多边形辐射贴片（5）和微带馈线（6），其中，多边形辐射贴片（5）与微带馈线（6）直接相连，构成天线的馈电部分；所述介质基板（1）的底层为屏蔽导体，所述金属背腔上表面的开口部分与介质基板（1）的底层的屏蔽导体直接相连，使得介质基板（1）作为该金属背腔的上表面；在所述屏蔽导体上，刻蚀有相互平行的第一缝隙（2）、第二缝隙（3）以及第三缝隙（4），其中第一缝隙（2）的长度小于第二缝隙（3）的长度，第二缝隙（3）的长度小于第三缝隙（4）的长度。
2.根据权利要求1所述的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：所述第二缝隙（3）为梯形缝隙，该梯形缝隙的渐变部分具有渐变角，该渐变角（8）的范围为40°到70°。
3.根据权利要求1所述的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：所述第一缝隙（2）、第二缝隙（3）、第三缝隙（4）的形状为矩形、或者是任意多边形的组合形状，多边形辐射贴片（5）的形状为矩形、三角形或其它多边形的组合形状。
4.根据权利要求1所述的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：所述非全封闭金属背腔（7）的高度范围为7.5mm到25mm。
5.根据权利要求1所述的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：介质基板（1）的介电常数为2至20。
6.根据权利要求1所述的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：所述第一缝隙与第二缝隙、第二缝隙与第三缝隙的间距均小于4mm。
7.根据权利要求1所述的低交叉极化特性的宽带背腔式多缝隙微带天线，其特征在于：所述第一、第二、第三缝隙覆盖区域与多边形辐射贴片覆盖区域相对应；其中多边形辐射贴片的顶端超出第一缝隙的上沿2.5mm；多边形辐射贴片的底端不超出第三缝隙的下沿。
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