CN103560316A - 宽带双频差分天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带双频差分天线，包括用于发射电磁波能量的辐射片（1）；U型槽（2），大致对称的平行设置在辐射片（1）的两侧边缘；用于承载辐射片（1）的介质板（3）；用于给辐射片（1）提供信号馈电的馈电部（4），连接到接地板（5）上的天线接口（6）的内导体；用于承载天线主体并提供接地信号的接地板（5）；用于输入差分信号的天线接口（6）。本发明的宽带双频差分天线，结构简单、方向图对称、工作频带宽、交叉极化低、增益较大，具有良好的推广前景。

Description

宽带双频差分天线

技术领域

本发明涉及一种双频、宽带差分天线，确切地说，涉及一种可应用于双频差分系统的信号收发天线，属于通信天线的技术领域。

背景技术

由于差分电路具有线性度高、抗干扰性能强、动态范围大且具有谐波抑制的优点，因而被广泛应用于射频通信系统中。差分电路的应用提高了信号的共模抑制和对干扰的抑制，可提高射频信号的性能指标。

现有技术中，大部分天线设计都采用单个端口的设计方案，若将单端口天线应用于差分系统中，需要连接额外的平衡非平衡转换器，即巴伦来实现单端口到双端口的转换。另一方面，差分天线可以有效避免巴伦的使用，能直接与差分电路相连，并且差分天线具有方向图高度对称、交叉极化低的优点。

目前，随着通信技术的发展，单频已经不能满足通信系统的需求。通信系统的发展已经提出了双频差分天线的要求。但是，现有的双频差分天线的阻抗带宽都普遍比较窄。因此，设计低成本且抗干扰的宽带双频差分天线对于通信系统来说具有重要大意义。

发明内容

基于上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种广泛适用于差分系统的宽带差分双频天线，该装置在实现宽带双频的同时，还具有制造结构简单、方向图对称、交叉极化低、增益大等优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种宽带双频差分天线，包括：辐射片1，形成为矩形，其设置在介质板3上以用于发射电磁波能量；U型槽2，大致对称的平行设置在辐射片1的两侧边缘；介质板3，用于承载辐射片1；馈电部4，设置在辐射片1下方并与辐射片1保持一定间隔，其连接到天线接口（6）的内导体，用于给辐射片1提供信号馈电；接地板5，用于承载天线主体并提供接地信号；天线接口6，外导体与接地板5相连以接地，内导体与馈电部4相连以输入差分信号。

优选的，所述天线第一谐振频率f₁与辐射片（1）中垂直于U型槽（2）的边长Wp呈负相关关系。

优选的，所述天线第二谐振频率f₂与U型槽（2）的延伸长度L呈负相关关系。

其中，所述辐射片1距离接地板5的高度Hp远大于介质板3的厚度。

其中，所述馈电部4形成为“工”字型金属件，所述“工”字型馈电部4包括竖直方向的垂直部以及水平方向的顶部和底部。

其中，所述馈电部4对称的设置在辐射片1的轴线两侧并使得两个馈电部4的连线垂直于所述U型槽2。

其中，所述馈电部4的高度Hb小于高度Hp，馈电部4的底端与接地板5的距离Ha小于Hp/2。

优选的，所述两个馈电部4的垂直部之间的距离d约为0.6Wp，Wp为为辐射片1中垂直于U型槽2的边长Wp。

所述馈电部4的垂直部距离其顶部或底部一端部的距离为Ta，距离其顶部或底部另一端部的距离为Tb，优选的，Ta/Tb的比值约为f₂/f₁,其中f₁为天线的第一谐振频率，f₂为天线的第二谐振频率。

可选的，所述接地板5上设置有多个支撑件，该多个支撑件连接到介质板3以支撑介质板3及其上的辐射片1，以使得馈电部4与介质板3保持一定间距。

可选的，所述馈电部4顶部设置有多个绝缘柱以支撑介质板3，使得馈电部4与介质板3保持一定间隔。

本发明的有益效果是，本发明的天线通过两个U形槽引入一个较高天线辐射频率，实现双频发射；两个馈电部通过耦合馈电引入电容实现很好地阻抗匹配，有利于扩展天线的带宽；该天线通过使用空气介质来保证较大的辐射增益；差分结构使得天线能够直接应用于差分电路中，避免了额外巴伦的使用，并且差分结构的天线能有效抑制信号干扰，具有方向图高度对称、交叉极化低的优点。并且制造结构简单、可直接与差分电路相连、工作频带宽、方向图对称、交叉极化低、增益较大，具有良好的推广前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1显示了本发明的宽带双频差分天线的三维结构示意图；

图2显示了本发明的宽带双频差分天线的主视图；

图3显示了本发明的宽带双频差分天线的等效电路图；

图4显示了本发明优选实施例的的宽带双频差分天线的实物图；

图5显示了本发明的宽带双频差分天线的差分反射系数实验结果图；

图6显示了本发明的宽带双频差分天线在频率为第一谐振频率时的仿真辐射方向图；

图7显示了本发明的宽带双频差分天线在第二谐振频率仿真值时的仿真辐射方向图；

图8显示了本发明的宽带双频差分天线在第二谐振频率实测值时的仿真辐射方向图。

附图标记说明:

1-辐射片；  2-U形槽；  3-介质板；

4-馈电部；  5-接地板； 6-无线电天线接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了本发明的宽带双频差分天线的三维结构示意图。

图2显示了本发明的宽带双频差分天线的主视图。

如图1和图2所示，本发明的宽带双频差分天线包括下述组件：辐射片1、U形槽2、介质板3、馈电部4、接地板5和天线接口6。其中，辐射片1构成本发明天线的辐射部。

辐射片1设置在介质板3上，用于以电磁波能量的形式发射无线电信号。参见图1，辐射片1优选的印制在介质板3的中间，辐射片1采用辐射性能较好的金属片形成为矩形，例如铜或金等。更优选的，辐射片1形状为正方形。

天线的极化是一个重要参数，是指在最大辐射方向上辐射电波的极化，其定义为在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹，由于天线本身物理结构等原因，天线辐射远场的电场矢量除了有所需要方向的运动外，还在其正交方向上存在分量，这就指的天线的交叉极化。其形成主要是因为辐射片边界的不一致性，使得产生的交叉极化分量无法抵消。本发明通过差分信号对辐射片1进行馈电，因为差分信号的两路信号幅度相等，相位相反，对称的天线结构使得两路信号形成的交叉极化分量在远场相互抵消，降低了交叉极化，线性极化效果最佳。

辐射片1距离接地板5的高度Hp设置为远大于介质板3的厚度。这样，辐射片1下方的介质板3的厚度相对于高度Hp来说可以忽略不计，使辐射片1下方基本可视为空气介质，空气介质介电常数为1，这样使得辐射片1下方整体介电常数较小。根据天线理论，辐射片1与接地板5之间介质的介电常数越小，阻抗带宽越大，天线辐射性能越好，天线具有较强的辐射增益。优选的，介质板3到接地板5的距离Hp约为0.1λ₁,λ₁为第一谐振频率的波长。在本发明的一个优选实施例中，辐射片1距离接地板5的高度Hp=31.5mm，介质板3厚度为1.5mm。

U型槽2大致对称的平行设置在辐射片1的两侧边缘,沿辐射片1的边缘平行延伸。根据天线频率的实际需要，U型槽2可以设置在矩形辐射片1的两侧短边或两侧长边附近。当辐射片1为正方形时，U型槽2设置在任一对平行的两侧边缘即可。U型槽2是通过在辐射片1的两侧边缘挖空形成的“U”型凹槽，该U型凹槽改变了辐射片1上共振模态的电流路径，使得辐射片上U型槽的边缘处产生新的电流路径，为天线引入了新的谐振频率，即第二谐振频率f₂。

参见图1，U型槽2所在的辐射片1两侧边长为Lp，辐射片1与U型槽2垂直的两侧边边长为Wp。U型槽2的纵向长度（沿着坐标轴x轴方向的长度）为Ls，U型槽2的横向长度（沿坐标轴y轴的长度）为Bs，U型槽2的延伸长度L=Ls+2Bs。长度值Wp和L分别决定天线的第一谐振频率f₁和第二谐振频率f₂，具体如下。

本发明天线的第一谐振频率f₁与辐射片1中垂直于U型槽2的边长Wp呈负相关关系，即Wp增大，f₁减小，f₁对应的波长λ₁增大。通常来说，辐射片1的边长Wp低于0.5λ₁，更优选的，辐射片1的边长Wp约为0.27λ₁,λ₁为第一谐振频率的波长，此时天线的线性极化效果最佳，交叉极化较低。在本发明一个优选实施例中，辐射片1的边长Wp为80mm。

本发明天线的第二谐振频率f₂与U型槽的延伸长度L呈负相关关系，即L增大，f₂减小，对应的波长λ₂增大。优选的，U型槽2的延伸长度L约为0.5λ₂,λ₂为天线第二谐振频率f₂（较高谐振频率）对应的波长。在本发明的一个优选实施例中，U型槽2的纵向长度Ls为70mm，横向长度Bs为8mm，总的延伸长度L为86mm。实际应用中，可以根据需要的天线频率设计合适的U型槽长度，也可以通过设计U型槽的长度来控制天线的谐振频率。

另外，U型槽2的延伸长度L对第一谐振频率f₁的影响很小，相对于Wp对f₁的影响来说可以忽略不计。

“U”型凹槽结构在辐射片表面形成新的电流路径实现了天线双频工作。

介质板3为绝缘薄板，用于承载辐射片1。介质板3优选的采用介电常数较低的介质板，例如介电常数为4.4。介质板3厚度为1.5mm，远小于辐射片1距离接地板5的高度Hp，使辐射片1下方的整体介电常数降低，有利于增加天线带宽。在本发明的优选实施例中，介质板3采用环氧玻璃布层压板。

馈电部4设置在辐射片1下方并与辐射片1保持一定间隔，其连接到天线接口6的内导体，用于给辐射片1提供信号馈电。具体来说，馈电部4电连接到天线接口6的内导体以构成天线的馈电部，通过与辐射片1电磁耦合实现信号馈电，同时引入电容补偿来扩展天线的阻抗带宽。当在馈电部4底部的天线接口6输入差分信号时，该信号通过馈电部4以电磁耦合方式传输给辐射片1并发射出去。通常，电抗分量及阻抗的虚部会引起失配，电感的感抗在电路中一般为正虚部，电容的容抗在电路中一般为负虚部，因此电感的正虚部可以补偿电容带来的负虚部。本发明中，馈电部4优选的形成为“工”字型金属件，经仿真和实验验证，这种形状的馈电部4的感抗效应与辐射片1上U型槽2的容抗效应相补偿，从而实现阻抗匹配，有利于信号的电磁耦合。

接地板5用于承载天线主体并提供接地信号。优选的，接地板5采用金属制成。可选的，接地板5上设置有2-4个支撑件（未示出），支撑件连接到介质板3以支撑介质板3及其上的辐射片1，同时使得馈电部4与介质板3保持一定间距。

天线接口6用于输入差分信号。本发明中，差分天线设置有两个同轴结构的天线接口6，天线接口6包括内部的内导体和绝缘设置在内导体外围的外导体。两个天线接口6的外导体与接地板5相连以接入接地信号。两个天线接口6的内导体分别连接到一个馈电部4的底端，以通过天线接口6接收输入的差分信号。该两个天线接口6连接到外部的差分馈电电路以输入差分信号（两个信号大小相等相位相反），使得天线具有方向图对称、交叉极化低的优点。

下面详细介绍馈电部4的结构特征。

如图1和图2所示，两个馈电部4连接到接地板5上的天线接口6的内导体上，设置在辐射片1下方并与辐射片1保持一定间隔，同时与接地板5也保持一定间隔。优选的，两个馈电部4对称设置在辐射片1的轴线（平行于x轴的轴线）两侧并使得二者的连线垂直于U型槽2。进一步，两个馈电部4的连线处于辐射片1的另一轴线（平行于y轴的轴线）上。

如图2所示，“工”字型馈电部4包括竖直方向（z轴方向）的垂直部以及水平方向（y轴方向）的顶部和底部。可选的，两个馈电部4顶部的四端上设置有四个绝缘柱以用于支撑介质板3，使馈电部4与介质板3保持一定间隔。

参见图2，馈电部4的高度Hb（即垂直部的长度）可在小于Hp的范围内适当调整，馈电部4底部与接地板5的距离Ha可在0-Hp/2的范围内适当调整，以达到阻抗匹配的效果。馈电部4的高度Hb以及与接地板5的距离Ha均影响分布电容、电感的大小，进而对带宽有较明显的影响。例如，Ha或Hb在可调范围（约±1mm）内增大，第一谐振频率的带宽增大，第二谐振频率的带宽减小。在一优选实施例中，设置为Ha=3mm±1mm，Hb=23mm±1mm，即Ha和Hb的变动范围为1mm左右。

两个馈电部4的工字型顶部和底部的厚度约为1mm，两者z轴方向的垂直部之间的距离d约为0.6Wp，Wp为辐射片1的宽度（即辐射片1垂直于U型槽（2）的边长）。当辐射片1为正方形时，其宽度Wp即为正方形边长Lp。在优选实施例中，值d=48mm。参见图2，“工”字型馈电部4的垂直部距离其y轴方向的顶部或底部一端部的距离为Ta，距离其顶部或底部另一端部的距离为Tb，Ta/Tb的值约为f₂/f₁,其中f₁为第一谐振频率，f₂为第二谐振频率。在本发明的优选实施例中，Ta=12mm,Tb=5mm。

图3显示了本发明的宽带双频差分天线的等效电路图。

如图3所示，L₁为天线接口6引入的等效电感；C₁为馈电部4底部与接地板5形成的等效电容；L₂为连接到天线接口6的馈电部4的垂直部引入的等效电感；C₂为馈电部4顶部与辐射片1之间形成的等效电容；C₃为辐射片1引入的等效电容；L₃为辐射片1引入的等效电感；R₁为辐射片1引入的等效电阻。L₁与C₁形成为第一并联支路，L₂与C₂形成为串联支路，L₃、C₃和R₁形成为第二并联支路，该第一并联支路、串联支路与第二并联支路形成串联关系。

从图3可以看出，每个馈电部4与所连接的天线接口6共同形成L/C串并联电路，彼此之间互相补偿。具体来说，馈电部4引入的等效电容C₁和C₂与辐射片1引入的电容C₃共同作用，对天线接口6、馈电部4的垂直部以及辐射片1引入的电感L₁、L₂和L₃进行补偿，使得整个天线结构在谐振频点处的虚部在谐振频率点为零，从而使可以更好地扩展天线的带宽。

图4显示了本发明一优选实施例的宽带双频差分天线的实物图，与图1的三维结构示意图一一对应。

在本优选实施例中，设计天线的第一谐振频率f₁=1.03GHz，第二谐振频率f₂=1.66GHz。辐射片1成为正方形，采用铜制作，边长Lp为80mm。辐射片1距离接地板5的高度Hp=31.5mm，介质板3的厚度为1.5mm，尺寸为120mm*120mm。U型槽2的纵向长度Ls为70mm，横向长度Bs为8mm，大致对称的设置在辐射片两侧边缘并与边缘平行。馈电部4的高度Hb=23mm±1mm，馈电部4与接地板5的距离Ha=3mm±1mm，接地板的尺寸为200mm*200mm。馈电部4的工字型顶部和底部的厚度约为1mm，两个馈电部的垂直部之间的距离d=48mm。“工”字型馈电部4的垂直部距离其顶部或底部一端部的距离Ta=12mm，距离其顶部或底部另一端部的距离为Tb=5mm。通过实际测量，得到天线的实际第一谐振频率f₁=1.03GHz，实际第二谐振频率f₂=1.75GHz。

图5显示了本发明的宽带双频差分天线的差分反射系数实验结果图。

如图5所示，图中的横坐标为频率分量，单位为GHz；纵坐标为幅度分量，单位为dB。根据本发明优选实施例的宽带双频差分天线，仿真得到的两个谐振频率点分别为1.03GHz和1.66GHz，实际测试得到的两个谐振频点分别为1.03GHz和1.75GHz，误差很小。测试结果显示两个谐振频率点-10dB的阻抗带宽分别7%和19.6%，带宽相比一般的天线结构有明显增大。

图6显示了本发明的宽带双频差分天线在第一谐振频率（1.03GHz）时的仿真辐射方向图；图7显示了本发明的宽带双频差分天线在第二谐振频率仿真值（1.66GHz）时的仿真辐射方向图；图8显示了本发明的宽带双频差分天线在第二谐振频率实测值（1.75GHz）时的仿真辐射方向图。

图6、图7和图8以极坐标形式呈现，圆的半径表示某方向的主极化或交叉极化增益幅度分量，单位为dB。

从图6、图7和图8的结果可以看出，本发明优选实施例在谐振频率点的最大主极化增益大于8dB，并且辐射方向图高度对称，交叉极化低于-30dB，这样极大地增强了天线的发射效率，提高了发射增益。交叉极化是由交叉极化方向上的电流形成的电场引起的。本发明使用差分结构，在两个端口输入等幅反相的差分信号，在天线结构完全对称的情况下，电流在交叉极化方向上形成的电场可以相互抵消，形成非常低的交叉极化。

实际使用过程中，信号源连接两个无线电天线接口6并输入差分信号，通过两个金属馈电部4向辐射片1进行耦合馈电，并与辐射片1共同作用将电磁波的能量辐射出去，完成无线通信的功能。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种宽带双频差分天线，包括：

辐射片（1），形成为矩形，其设置在介质板（3）上以用于发射电磁波能量；

U型槽（2），大致对称的平行设置在辐射片（1）的两侧边缘；

介质板（3），用于承载辐射片（1）；

馈电部（4），设置在辐射片（1）下方并与辐射片（1）保持一定间隔，其连接到天线接口（6）的内导体，用于给辐射片（1）提供信号馈电；

接地板（5），用于承载天线主体并提供接地信号；

天线接口（6），外导体与接地板（5）相连以接地，内导体与馈电部（4）相连以输入差分信号。

2.根据权利要求1所述的宽带双频差分天线，所述天线第一谐振频率f₁与辐射片（1）中垂直于U型槽（2）的边长Wp呈负相关关系。

3.根据权利要求1所述的宽带双频差分天线，所述天线第二谐振频率f₂与U型槽（2）的延伸长度L呈负相关关系。

4.根据权利要求1所述的宽带双频差分天线，所述辐射片（1）距离接地板（5）的高度Hp远大于介质板（3）的厚度。

5.根据权利要求1所述的宽带双频差分天线，所述馈电部（4）形成为“工”字型金属件，该“工”字型馈电部（4）包括竖直方向的垂直部以及水平方向的顶部和底部。

6.根据权利要求1或5所述的宽带双频差分天线，所述馈电部（4）对称的设置在辐射片（1）的轴线两侧并使得两个馈电部（4）的连线垂直于所述U型槽（2）。

7.根据权利要求4所述的宽带双频差分天线，所述馈电部（4）的高度Hb小于高度Hp，馈电部（4）的底端与接地板（5）的距离Ha小于Hp/2。

8.根据权利要求5所述的宽带双频差分天线，所述两个馈电部（4）的垂直部之间的距离d约为0.6Wp，Wp为辐射片（1）中垂直于U型槽（2）的边长Wp。

9.根据权利要求5所述的宽带双频差分天线，所述馈电部（4）的垂直部距离其顶部或底部一端部的距离为Ta，距离其顶部或底部另一端部的距离为Tb，Ta/Tb的比值约为f₂/f₁,其中f₁为天线的第一谐振频率，f₂为天线的第二谐振频率。

10.根据权利要求1所述的宽带双频差分天线，其中，

所述接地板（5）上设置有多个支撑件，该多个支撑件连接到介质板（3）以支撑介质板（3）及其上的辐射片（1），以使得馈电部（4）与介质板（3）保持一定间距；和/或

所述馈电部（4）顶部设置有多个绝缘柱以支撑介质板（3），使得馈电部（4）与介质板（3）保持一定间隔。

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