CN103500882A

CN103500882A - 高隔离度双极化双端口贴片天线

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Publication number: CN103500882A
Application number: CN201310499240.6A
Authority: CN
Inventors: 李伟文; 张斌; 游佰强; 周建华; 刘勇; 徐伟明
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: CN103500882B

Abstract

高隔离度双极化双端口贴片天线，涉及一种贴片天线。设有介质基板，在介质基板的正面构建正方形贴片作为天线辐射元，介质基板的背面接地；正方形贴片的两条对角线分别和介质基板的两条侧边平行，在正方形贴片下顶角处对称设一正方形缺口，所述正方形缺口向正方形贴片的两相邻侧边延伸出两个对称的缝隙，在缝隙角两侧外接两导体片；同轴线馈电端口位于正方形贴片垂直方向的对角线上，共面带状线馈电端口位于两外接导体片之间。工作频带内，端口间的隔离度在23dB以上。天线可实现双极化特性，在最大辐射方向其极化隔离度在30dB以上。天线具有良好的端口隔离度和极化隔离度，可应用于壁挂WLAN壁挂基站天线。

Description

高隔离度双极化双端口贴片天线

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，尤其是涉及一种通过同轴线和共面带状线馈电的单向辐射高隔离度双极化双端口贴片天线。

背景技术

通常，移动通信系统采用单个天线或内置和外部混合天线。然而，为了满足对于近年来流行的小型化和移动通信终端的需求，内置天线更受青睐。而且，随着对于使用了无线移动通信技术的高速多媒体业务的需求增长，移动通信系统中的信道容量趋于迅速提高。因此，对用于满足小型化、增加的信道容量以及传输可靠性的宽带移动通信系统的天线技术的兴趣正在增长。在此背景之下，使用多输入多输出（MIMO）或分集的天线技术近来正在受到关注。

MIMO系统采用多天线结构，在不增加发射功率前提下提高抗多径衰落能力，增加系统通信容量（Kai Yu and Ottersten.Models for MIMO propagation channels,a review[J].Wirel.Commun.Mob.Comput.2002,2(7):653-666）。MIMO技术使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围。但MIMO系统要求各天线信道间尽可能不相关，降低天线间的耦合作用，基于此，各天线间距须在λ/2以上。故即使引入隔离措施，如利用突出接地面结构等，MIMO共极化多天线结构仍要占据较大空间，不利于设备的小型化。在提高信道容量和通信性能方面，极化分集和空间分集具有相同的效果，因此在小型化设备中，更多的是采用双极化天线实现MIMO功能（L.Dong,H.Choo,R.W.Heath Jr,et al.Simulation of MIMO channel capacity with antenna polarization diversity[J].IEEETrans.Wireless Commun.,2005,4(4):1869-1873.）。

目前，已有研究人员进行MIMO天线的相关研究工作，提出了多种实现双极化的天线结构。文献（E.A.Soliman,M.S.Ibrahim and A.K.Abdelmageed.Dual-polarizedomnidirectional planar slot antenna for WLAN applications[J].IEEE Trans.AntennasPropag.2005,53(9):3093-3097.）通过共面波导缝隙及带框单极天线结构实现了低剖面共置双极化结构天线，但它们多是全向或双向辐射天线。文献（T.Chiou and K.Wong.A compactdual-band dual-polarized patch antenna for900/1800-MHz cellular systems[J].IEEETrans.Antennas Propag.2003,51(8):1936-1940）通过底侧缝隙或上侧L形探针馈电实现单向双极天线结构，但底侧开缝会引起较大的后向辐射，同时上侧探针又增加了天线体积。文献（Lee Chi-Hsuan,Chen Shih-Yuan and Hsu Powen,Isosceles triangular slot antennafor broadband dual polarization applications[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2009,57(10):3347-3351）采用等腰三角形缝隙为辐射源，通过两正交微带线耦合馈电，实现端口隔离度小于﹣30dB的宽带双馈双极化单天线结构，但其交叉极化较大。文献（Parker G.S.,Antar Y.M.M.,Ittipiboon A.and Petosa A.,Dual polarised microstrip ring antennawith good isolation[J].Electron.Lett.1998,34(11):1043-1044）利用大环结构，通过正交缝隙感应馈电结构实现了﹣30dB端口隔离度，但该天线的馈线与辐射元也不共面，且带宽较窄。文献（Li Yue,Zhang Zhijun,Feng Zhenghe,and Iskander Magdy F.,Dual-modeloop antenna with compact feed for polarization diversity[J].IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,2011,10:95-98）采用共面波导馈电的带矩形环单极天线及共面波导的缝隙实现了宽带双极化天线，但其端口隔离度只有﹣22dB。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高隔离度双极化双端口贴片天线。

本发明设有介质基板，在介质基板的正面构建正方形贴片作为天线辐射元，介质基板的背面接地；正方形贴片的两条对角线分别和介质基板的两条侧边平行，在正方形贴片下顶角处对称设一正方形缺口，所述正方形缺口向正方形贴片的两相邻侧边延伸出两个对称的缝隙，在缝隙角两侧外接两导体片；同轴线馈电端口位于正方形贴片垂直方向的对角线上，共面带状线馈电端口位于两外接导体片之间。

所述介质基板可采用双面敷铜FR4微波介质基板；FR4微波介质基板的长度可为80mm±0.1mm，宽度可为80mm±0.1mm，厚度可为3mm；微波介质基板的相对介电常数可为4.3，损耗角正切可为0.01。

所述正方形贴片边长可为37.5mm±0.1mm。

所述正方形缺口的边长可为7.2mm±0.1mm。

所述缝隙与正方形贴片侧边的距离可为7.2mm±0.1mm，缝隙的长度可为25.1mm±0.1mm，缝隙的宽度可为3.1mm±0.1mm。

所述导体片的长度可为10.2mm±0.1mm，宽度可为6mm±0.1mm，两导体片的间距可为12.2mm±0.1mm。

所述同轴线馈电端口与上顶角的距离可为23.3mm±0.1mm。

本发明在正方形贴片一角侧开双缝隙，利用贴片天线辐射模式和半波折合振子辐射模式，实现具有紧凑结构的共置双极化单向辐射天线。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

工作频带内，端口间的隔离度在23dB以上。天线可实现双极化特性，在最大辐射方向其极化隔离度在30dB以上。天线具有良好的端口隔离度和极化隔离度，可应用于壁挂WLAN壁挂基站天线。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为天线两个端口散射参数的频率曲线的仿真值和实测值图。在图2中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为回波损耗/dB；曲线a为simulated S11；曲线b为measured S11；曲线c为simulated S22；曲线d为measured S11。

图3为天线两端口间的隔离度的仿真值和实测值图。在图3中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为回波损耗/dB；曲线a为simulated S21；曲线b为measured S21；曲线c为simulatedS12；曲线d为measured S12。

图4为2.45GHz时天线两端口分别激励（另一端口接匹配负载）同轴线馈电端口激励时天线H面方向图。

图5为2.45GHz时天线两端口分别激励（另一端口接匹配负载）同轴线馈电端口激励时天线E面方向图。

图6为2.45GHz时天线两端口分别激励（另一端口接匹配负载）共面带状线馈电端口激励时天线E面方向图。

图7为2.45GHz时天线两端口分别激励（另一端口接匹配负载）共面带状线馈电端口激励时天线H面方向图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明在介质基板1的正面构建正方形贴片2为天线辐射元，介质基板的背面接地。正方形贴片的两条对角线分别和介质基板的两条侧边平行。在正方形贴片下顶角处对称开一正方形缺口，并在其底部向两相邻侧边延伸出两个窄缝隙，在开缝隙角两侧外接两导体片3和4。同轴线馈电端口5位于正方形贴片垂直方向的对角线上，共面带状线馈电端口6位于两外接导体片3和4之间。

介质基板1采用双面敷铜FR4微波介质基板，长度a为80mm±0.1mm，宽度为80mm±0.1mm，厚度为3mm；相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.01。辐射贴片2由存在角切口的边长b为37.5mm±0.1mm的正方形构成。在正方形贴片2垂直方向对角线上，距离上顶角c为23.3mm±0.1mm的位置，为同轴线馈电端口5。在正方形贴片下顶角处对称开一边长e为7.2mm±0.1mm的缺口，并在其底部向两相邻侧边延伸出两个宽f为3.1mm±0.1mm，长d为25.1mm±0.1mm的缝隙。在开缝隙角两侧外接两宽度i为6mm±0.1mm，长度h为10.2mm±0.1mm的导体片3和4，两导体片间距g为12.2mm±0.1mm，共面带状线馈电端口6位于两导体片之间。

参见图2，天线两个端口散射参数的频率曲线的仿真值和实测值图。利用矢量网络分析仪AV3629进行测试，可以看到，两个端口5和6的工作频点都在2.45GHz附近。由仿真曲线可以看到，同轴线馈电端口5的﹣10dB回波损耗带宽范围为2.42～2.47GHz，实测范围为2.38～2.48GHz；共面带状线馈电端口6的﹣10dB回波损耗仿真频带范围为2.42～2.47GHz，实测范围为2.41～2.47GHz。

参见图3，天线两端口间的隔离度的仿真值和实测值图。可以看到，在2.4～2.5GHz频带内，S21和S12的仿真值小于﹣32dB，而实测最大值为﹣23dB，两者相差较大。其原因可能是，实测时为了馈电方便，直接采用了同轴线进行馈电，破坏了共面带状线馈电端口6的电平衡特性。但两曲线变化趋势基本一致。

图4～7为2.45GHz时天线两端口分别激励（另一端口接匹配负载）时的方向图。图4为同轴线馈电端口5激励时天线H面方向图；图5为同轴线馈电端口5激励时天线E面方向图；图6为共面带状线馈电端口6激励时天线E面方向图；图7为共面带状线馈电端口6激励时天线H面方向图。

当同轴线馈电端口5激励时，天线主极化为垂直极化。图5表明，由于E面（yoz面）处于天线结构对称面上，在天线面正法向半平面内其极化隔离度接近35dB。但在H面（xoz面），如图4所示，当偏离正法向后，其极化隔离度迅速减少。偏离30°时，极化隔离度只有17dB左右，这是由于水平分量在偏离对称面后不能较好反相相消所造成。

当共面带状线馈电端口6激励时，天线主极化为水平线极化。在H面（yoz面），如图7所示，在半平面内其极化隔离度都大于30dB，其原因同样由于为天线对称面，垂直极化电场分量可实现反相相消。但因上侧电场分布更强，故其最大辐射方向略有偏向+y轴。对于E面（xoz面）的极化隔离度，如图6所示，与端口5的H面情形类似，其高隔离度的角度范围较小，当偏离正法向30°时，其极化隔离度只15dB左右。

总之在xoz面，两端口的高极化隔离度范围都不大，小于60°；而在yoz面，半平面范围内具有良好的极化隔离。表明设计天线不具有空间分集能力。

Claims

1.高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于设有介质基板，在介质基板的正面构建正方形贴片作为天线辐射元，介质基板的背面接地；正方形贴片的两条对角线分别和介质基板的两条侧边平行，在正方形贴片下顶角处对称设一正方形缺口，所述正方形缺口向正方形贴片的两相邻侧边延伸出两个对称的缝隙，在缝隙角两侧外接两导体片；同轴线馈电端口位于正方形贴片垂直方向的对角线上，共面带状线馈电端口位于两外接导体片之间。

2.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述介质基板采用双面敷铜FR4微波介质基板。

3.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述介质基板的长度为80mm±0.1mm，宽度为80mm±0.1mm，厚度为3mm。

4.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述介质基板的相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.01。

5.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述正方形贴片边长为37.5mm±0.1mm。

6.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述正方形缺口的边长为7.2mm±0.1mm。

7.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述缝隙与正方形贴片侧边的距离为7.2mm±0.1mm。

8.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述缝隙的长度为25.1mm±0.1mm，缝隙的宽度为3.1mm±0.1mm。

9.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述导体片的长度为10.2mm±0.1mm，宽度为6mm±0.1mm，两导体片的间距为12.2mm±0.1mm。

10.如权利要求1所述高隔离度双极化双端口贴片天线，其特征在于所述同轴线馈电端口与上顶角的距离为23.3mm±0.1mm。