CN103606757A - 一种双频双极化天线阵 - Google Patents

Abstract

一种双频双极化天线阵，属于无线通信的天线领域，解决现有天线阵列所存在的馈线长度长、天线体积大的问题，适用于无线局域网、WiMax等网络。本发明包括水平基板、N个水平极化天线和N个垂直极化天线，水平基板上印制有N个以水平基板圆心为对称均匀分布的水平极化天线，各水平极化天线的形状、尺寸完全相同；N个垂直极化天线印制在矩形基板上，分别插入所述水平基板圆周上的N个凹槽，使得各矩形基板与所述水平基板相垂直。本发明采用双频双极化的结构，缩短了天线尺寸，有效支持无线通信中的MIMO和智能天线的波束切换技术。一个典型的应用是支持2.4GHz/5GHz无线局域网的波束切换和MIMO技术，能显著提高无线局域网的系统容量和抗干扰性能。

Description

一种双频双极化天线阵

技术领域

本发明属于无线通信的天线领域，具体涉及一种双频双极化天线阵，适用于无线局域网、WiMax等网络。

背景技术

随着无线通信的大规模普及应用，对于无线通信系统的要求更高，不仅需要其具有高速率，同时要求其能够有效抵制干扰。智能天线技术与多输入多输出(MIMO)技术是无线通信系统中广泛应用的两种技术。智能天线技术通过将智能天线阵列合成的波束指向用户信号，同时将零陷对准干扰信号，提高了系统的抗干扰性能；MIMO技术则充分利用无线信道的多径特性，通过在收发两端都放置多根天线的方式，成倍地增加系统的容量。

J.M.Steyn等提出了一种2端口的双频双极化天线，此天线只能支持2个流的MIMO，同时由于馈线长度长，造成天线体积大，见文献[1]：J.M.Steyn，J.W.Odendaal and J.Joubert，“Dual-band dual-polarized array forWLAN applications，”PIER C，vo1.10，pp.151-161，2009。S.W.Su等提出一种三天线的MIMO阵列，但是由于其天线为立体结构，当要实现双极化结构时，会占用更大空间，见文献[2]：S.Su，“High-gain dual-Loopantennas for MIMO access points in the2.4/5.2/5.8GHz bands，”IEEETrans.Antennas Propag.，vo1.58，no.7，pp.2412-2419，July2010以及文献[3]：S.W.Su and C.T.Lee，“Low-cost dual-loop-antennasystem for dual-WLAN-band access points，”IEEE Trans.AntennasPropag.，vol.59，no.5，pp.1652-1659，May2011。H.Lin and W.Liao提出一种既支持MIMO又支持智能天线技术的天线阵列，但此天线采用单频单极化，限制了其对系统容量的提升，见文献[4]：H.Lin and W.Liao，″A beamswitching array based on Rotman lens for MIMO technology，″ICMMT，Vo1.2，pp.1-4，2012。

发明内容

本发明提供一种双频双极化天线阵，解决现有天线阵列所存在的馈线长度长、天线体积大的问题。

本发明所提供的一种双频双极化天线阵，包括水平基板、N个水平极化天线和N个垂直极化天线，N＝3～8，其特征在于：

A.所述水平基板为圆形印刷电路板，水平基板下表面中心部位印制有正N边形接地面，水平基板上印制有N个以水平基板圆心为对称均匀分布的水平极化天线，各水平极化天线的形状、尺寸完全相同，均包括平行微带线、引向器、上准偶极子、下准偶极子，所述平行微带线由形状、尺寸相同的下微带线和上微带线构成，所述下微带线为宽度W2、长度L2的矩形，下微带线印制在水平基板下表面所述正N边形接地面各边垂直平分线位置，通过渐变微带线与所述正N边形接地面连接，所述渐变微带线为由顶边、底边和左右侧边构成的四边形，其顶边宽度W2与下微带线宽度相同，左右侧边为关于所述正N边形接地面各边垂直平分线对称的1/4圆弧，圆弧半径为R1，渐变微带线底边为直线，其长度L＝2R1+W2；上微带线印制在水平基板上表面对应所述正N边形接地面各边垂直平分线位置，上微带线和下微带线投影重合，上微带线下端通过印制在水平基板上表面的条形微带线延伸至对应所述正N边形接地面部位，所述条形微带线为矩形，其长边的长度L0＝R1+L1，其宽边的宽度W1小于上微带线21B的宽度；

所述上准偶极子由下小扇形面和上小扇形面构成，下小扇形面和上小扇形面形状相同，均为半径R3、圆心角α的扇形；下小扇形面印制在水平基板下表面，其圆心点与所述下微带线相接，下小扇形面的等分线与所述下微带线的中轴线垂直，下小扇形面的等分线和下微带线顶边之间距离小于0.5mm；所述上小扇形面印制在水平基板上表面，和下小扇形面关于所述正N边形接地面各边垂直平分线为对称；

所述下准偶极子由下大扇形面和上大扇形面构成，下大扇形面和上大扇形面形状相同，均为半径R2、圆心角β的扇形，R2≥R3；下大扇形面印制在水平基板下表面，其圆心点与所述下微带线相接，下大扇形面的等分线与所述下微带线的中轴线垂直，下大扇形面的等分线和下小扇形面的等分线之间距离为L3；所述上大扇形面印制在水平基板上表面，和下大扇形面关于所述正N边形接地面各边垂直平分线为对称；

所述引向器为长度W3、宽度L5的矩形，印制在水平基板下表面，引向器长边的垂直平分线与所述正N边形接地面相应边垂直平分线重合，引向器底边和所述下小扇形面的等分线之间距离为L4；

B.所述水平基板圆周上具有N个沿半径方向的凹槽，N个凹槽分别嵌入所述正N边形接地面的N个顶角；所述水平基板下表面的正N边形接地面的每个顶角两侧印制有以通过该顶角的角平分线为对称的一对蛇形细槽；

所述N个垂直极化天线的形状尺寸完全相同，均包括印制在矩形基板上的平行微带线、引向器、上准偶极子、下准偶极子、渐变微带线、条形微带线和矩形接地面，其中各垂直极化天线的平行微带线、引向器、上准偶极子、下准偶极子、渐变微带线、条形微带线各自形状、结构和尺寸分别与所述各水平极化天线的平行微带线、引向器、上准偶极子、下准偶极子、渐变微带线、条形微带线对应形状、结构和尺寸相同，区别在于：以矩形基板代替水平基板，所述矩形基板下表面下部印制有矩形接地面，所述矩形接地面为长度W、宽度L1的矩形，以矩形接地面代替水平基板下表面所述正N边形接地面；以矩形基板的垂直平分线代替水平基板下表面所述正N边形接地面各边垂直平分线；

构成平行微带线的下微带线通过渐变微带线与所述矩形接地面连接，上微带线下端通过印制在矩形基板上表面的条形微带线延伸至对应所述矩形接地面部位；

所述N个垂直极化天线分别插入所述水平基板圆周上的N个凹槽，使得各矩形基板与所述水平基板相垂直。

所述的双频双极化天线阵，其进一步特征在于：

所述W2＝2mm～3mm，W＝50mm～70mm，R1＝5mm～15mm，R3＝5mm～10mm、α＝15°～25°，R2＝10mm～25mm、β＝15°～25°，L1＝3mm～10mm，L2＝5mm～15mm，L3＝5mm～10mm，W3＝10mm～20mm、L5＝1mm～3mm，L4＝3mm～6mm。

所述的双频双极化天线阵，其更进一步特征在于：

所述N＝6；所述蛇形细槽长度为天线工作的低频段的有效波长的四分之一。

本发明同时支持智能天线技术和MIMO技术，既能满足成倍增加系统容量的要求，又能满足提高系统抗干扰性能的要求。

本发明中，每个水平极化天线和每个垂直极化天线均包括工作在高频的上准偶极子和工作在低频的下准偶极子，上准偶极子前方设置了引向器。当天线工作在高频时，引向器、上准偶极子和下准偶极子构成一个准八木结构，实现高增益和定向性的方向图；而当天线工作在低频时，上准偶极子可以作为引向器，接地面可以作为反射器，于是实现了低频段的准八木结构。上、下准偶极子用同一馈线馈电，该馈线由平行微带线、渐变微带线和条形微带线共同组成，渐变微带线两端分别连接平行微带线及条形微带线。当天线阵列工作时，为了支持多个数据流的MIMO和抗干扰技术，可采用波束切换技术，利用射频电路切换选择N个水平极化天线和N个垂直极化天线，可以实现多种切换组合。

与文献[1]～文献[3]所提出的天线阵相比较，本发明所使用的馈线结构更简单，天线的匹配也更容易，同时也减少了馈线的长度，实现了天线的小型化；与文献[4]中的MIMO波束选择阵列相比较，本发明实现了双频双极化特性，双频特性使得天线工作频段加宽，而双极化特性使得系统容量增加。另外，文献[1]～文献[3]中都未考虑智能天线技术，本发明提出的阵列可以支持波束切换这种智能天线技术，从而成倍提高系统抗干扰性能。

N个水平极化天线和N个垂直极化天线都是定向天线，可以定向对准环境中的一定区域，从而避免其他区域的干扰，通过切换选择这些天线，可以实时选择最佳的信道，避免环境的干扰，将信号对准用户，从而实现了抗干扰功能。

由于采用水平和垂直双极化的结构，在水平极化天线和垂直极化天线中各自任选一个，当两个天线位于不同数据流时，使得两个数据流之间的隔离度提高，从而增加了系统容量。

采用渐变微带线形式的馈电结构，使得天线拥有较宽的匹配阻抗，能够很好实现双频段的阻抗匹配，与采用多节微带线馈电结构的现有天线阵相比较，缩短了馈线的长度，从而使得尺寸更小，缩小了无线接入点的体积。

水平基板上的蛇形细槽进一步提高了天线之间的隔离度。因为蛇形细槽长度约为工作频段的四分之一有效波长，使得细槽成为一个辐射器，当有电流流经细槽时，就会被细槽辐射出去，减少了流经到其他天线的电流，从而提高了天线间的隔离度，提升了整个阵列的MIMO性能。

综上所述，本发明采用双频双极化的结构，缩短了天线尺寸，有效支持无线通信中的MIMO和智能天线的波束切换技术。一个典型的应用是支持2.4GHz/5GHz无线局域网的波束切换和MIMO技术，能显著提高无线局域网的系统容量和抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视图；

图2为本发明实施例的立体示意图；

图3为水平极化天线示意图；

图4为渐变微带线示意图；

图5为蛇形细槽结构示意图；

图6为垂直极化天线立体示意图；

图7为垂直极化天线各部分尺寸示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的实施例，包括水平基板1、6个水平极化天线2A～2F和6个垂直极化天线3A～3F；

A.所述水平基板1为圆形印刷电路板，水平基板1下表面中心部位印制有正6边形接地面1-1，水平基板1上印制有6个以水平基板圆心为对称均匀分布的水平极化天线2A～2F，如图3所示，各水平极化天线的形状、尺寸完全相同，均包括平行微带线21、引向器22、上准偶极子23、下准偶极子24，所述平行微带线21由形状、尺寸相同的下微带线21A和上微带线21B构成，所述下微带线21A为宽度W2＝2.46mm、长度L2＝9.2mm的矩形，下微带线21A印制在水平基板下表面所述正6边形接地面1-1各边垂直平分线位置，通过渐变微带线25与所述正6边形接地面1-1连接，如图4所示，所述渐变微带线25为由顶边、底边和左右侧边构成的四边形，其顶边宽度W2＝2.46mm，与下微带线宽度相同，左右侧边为关于所述正6边形接地面各边垂直平分线对称的1/4圆弧，圆弧半径R1＝6mm，渐变微带线25底边为直线，其长度L＝2R1+W2；上微带线21B印制在水平基板上表面对应所述正6边形接地面1-1各边垂直平分线位置，上微带线21B和下微带线21A投影重合，上微带线21B下端通过印制在水平基板上表面的条形微带线26延伸至对应所述正6边形接地面1-1部位，所述条形微带线26为矩形，其长边的长度L0＝11mm，其宽边的宽度W1小于上微带线21B的宽度；

所述上准偶极子23由下小扇形面23A和上小扇形面23B构成，下小扇形面23A和上小扇形面23B形状相同，均为半径R3＝6.5mm、圆心角α＝20°的扇形；下小扇形面23A印制在水平基板下表面，其圆心点与所述下微带线21A相接，下小扇形面23A的等分线与所述下微带线21A的中轴线垂直，下小扇形面的等分线和下微带线21A顶边之间距离为0.2mm；所述上小扇形面23B印制在水平基板上表面，和下小扇形面23A关于所述正6边形接地面各边垂直平分线为对称；

所述下准偶极子24由下大扇形面24A和上大扇形面24B构成，下大扇形面24A和上大扇形面24B形状相同，均为半径R2＝17.8mm、圆心角β＝20°的扇形；下大扇形面24A印制在水平基板下表面，其圆心点与所述下微带线相接，下大扇形面24A的等分线与所述下微带线的中轴线垂直，下大扇形面24A的等分线和下小扇形面的等分线之间距离为L3＝7mm；所述上大扇形面24B印制在水平基板上表面，和下大扇形面24A关于所述正6边形接地面各边垂直平分线为对称；

所述引向器22为长度W3＝12.5mm、宽度L5＝1mm的矩形，印制在水平基板下表面，引向器长边的垂直平分线与所述正N边形接地面相应边垂直平分线重合，引向器底边和所述下小扇形面的等分线之间距离L4＝3mm；

B.如图1、图2所示，所述水平基板1圆周上具有6个沿半径方向的凹槽，6个凹槽分别嵌入所述正6边形接地面1-1的6个顶角；所述水平基板1下表面的正6边形接地面1-1的每个顶角两侧印制有以通过该顶角的角平分线为对称的一对蛇形细槽1-2；如图5所示，每个蛇形细槽距离相应平行微带线的垂直平分线距离为19.98mm；每个蛇形细槽由7段互呈90度的折线连接构成，自接地面边缘起算，各段折线长度依次为2.5mm、3mm、3mm、3mm、3mm、3mm和3.5mm，所述蛇形细槽总长度为天线工作的低频段的有效波长的四分之一；蛇形细槽的宽度为0.5mm。

如图6、图7所示，所述6个垂直极化天线3A～3F的形状尺寸完全相同，均包括印制在矩形基板30上的平行微带线21、引向器22、上准偶极子23、下准偶极子24、渐变微带线25、条形微带线26和矩形接地面31，其中各垂直极化天线的平行微带线21、引向器22、上准偶极子23、下准偶极子24、渐变微带线25、条形微带线26各自形状、结构和尺寸分别与所述各水平极化天线的平行微带线21、引向器22、上准偶极子23、下准偶极子24、渐变微带线25、条形微带线26对应形状、结构和尺寸相同，区别在于：以矩形基板30代替水平基板1，所述矩形基板30下表面下部印制有矩形接地面31，所述矩形接地面31为长度W＝60mm、宽度L1＝5mm的矩形，以矩形接地面31代替水平基板下表面所述正6边形接地面1-1；以矩形基板的垂直平分线代替水平基板下表面所述正6边形接地面各边垂直平分线；

构成平行微带线的下微带线通过渐变微带线与所述矩形接地面连接，上微带线下端通过印制在矩形基板上表面的条形微带线延伸至对应所述矩形接地面部位；

所述6个垂直极化天线分别插入所述水平基板圆周上的6个凹槽，使得各矩形基板与所述水平基板相垂直。

本实施例中，6个水平极化天线2A～2F和6个垂直极化天线3A～3F工作在2.4GHz和5GHz的无线局域网频段；具体到每一个水平极化天线和垂直极化天线，上准偶极子工作在5GHz频段，下准偶极子工作在2.4GHz频段。

本实施例可以支持3个数据流的MIMO和波束切换的抗干扰技术。利用射频电路从6个水平极化天线2A～2F和6个垂直极化天线3A～3F中切换选择，可以实现多种切换组合，例如一个典型的切换组合为：(2A，2D，3B，3E)，(2B，2E，3C，3F)和(2C，2F，3A，3D)。这三组分别代表MIMO的3个数据流，每个数据流里面有4根天线，通过射频开关切换4根天线，以消除干扰。

Claims (3)

1.一种双频双极化天线阵，包括水平基板(1)、N个水平极化天线和N个垂直极化天线，N＝3～8，其特征在于：

A.所述水平基板(1)为圆形印刷电路板，水平基板(1)下表面中心部位印制有正N边形接地面(1-1)，水平基板(1)上印制有N个以水平基板圆心为对称均匀分布的水平极化天线，各水平极化天线的形状、尺寸完全相同，均包括平行微带线(21)、引向器(22)、上准偶极子(23)、下准偶极子(24)，所述平行微带线(21)由形状、尺寸相同的下微带线(21A)和上微带线(21B)构成，所述下微带线(21A)为宽度W2、长度L2的矩形，下微带线(21A)印制在水平基板下表面所述正N边形接地面(1-1)各边垂直平分线位置，通过渐变微带线(25)与所述正N边形接地面(1-1)连接，所述渐变微带线(25)为由顶边、底边和左右侧边构成的四边形，其顶边宽度与下微带线宽度相同，左右侧边为关于所述正N边形接地面各边垂直平分线对称的1/4圆弧，圆弧半径为R1，渐变微带线(25)底边为直线，其长度L＝2R1+W2；上微带线(21B)印制在水平基板上表面对应所述正N边形接地面(1-1)各边垂直平分线位置，上微带线(21B)和下微带线(21A)投影重合，上微带线(21B)下端通过印制在水平基板上表面的条形微带线(26)延伸至对应所述正N边形接地面(1-1)部位，所述条形微带线(26)为矩形，其长边的长度L0＝R1+L1，其宽边的宽度W1小于上微带线(21B)的宽度；

所述上准偶极子(23)由下小扇形面(23A)和上小扇形面(23B)构成，下小扇形面(23A)和上小扇形面(23B)形状相同，均为半径R3、圆心角α的扇形；下小扇形面(23A)印制在水平基板下表面，其圆心点与所述下微带线(21A)相接，下小扇形面(23A)的等分线与所述下微带线(21A)的中轴线垂直，下小扇形面的等分线和下微带线(21A)顶边之间距离小于0.5mm；所述上小扇形面(23B)印制在水平基板上表面，和下小扇形面(23A)关于所述正N边形接地面各边垂直平分线为对称；

所述下准偶极子(24)由下大扇形面(24A)和上大扇形面(24B)构成，下大扇形面(24A)和上大扇形面(24B)形状相同，均为半径R2、圆心角β的扇形，R2≥R3；下大扇形面(24A)印制在水平基板下表面，其圆心点与所述下微带线相接，下大扇形面(24A)的等分线与所述下微带线的中轴线垂直，下大扇形面(24A)的等分线和下小扇形面的等分线之间距离为L3；所述上大扇形面(24B)印制在水平基板上表面，和下大扇形面(24A)关于所述正N边形接地面各边垂直平分线为对称；

所述引向器(22)为长度W3、宽度L5的矩形，印制在水平基板下表面，引向器长边的垂直平分线与所述正N边形接地面相应边垂直平分线重合，引向器底边和所述下小扇形面的等分线之间距离L4；

B.所述水平基板(1)圆周上具有N个沿半径方向的凹槽，N个凹槽分别嵌入所述正N边形接地面(1-1)的N个顶角；所述水平基板(1)下表面的正N边形接地面(1-1)的每个顶角两侧印制有以通过该顶角的角平分线为对称的一对蛇形细槽(1-2)；

所述N个垂直极化天线(3A～3F)的形状尺寸完全相同，均包括印制在矩形基板(30)上的平行微带线(21)、引向器(22)、上准偶极子(23)、下准偶极子(24)、渐变微带线(25)、条形微带线(26)和矩形接地面(31)，其中各垂直极化天线的平行微带线(21)、引向器(22)、上准偶极子(23)、下准偶极子(24)、渐变微带线(25)、条形微带线(26)各自形状、结构和尺寸分别与所述各水平极化天线的平行微带线(21)、引向器(22)、上准偶极子(23)、下准偶极子(24)、渐变微带线(25)、条形微带线(26)对应形状、结构和尺寸相同，区别在于：以矩形基板(30)代替水平基板(1)，所述矩形基板(30)下表面下部印制有矩形接地面(31)，所述矩形接地面(31)为长度W、宽度L1的矩形，以矩形接地面(31)代替水平基板下表面所述正N边形接地面(1-1)；以矩形基板的垂直平分线代替水平基板下表面所述正N边形接地面各边垂直平分线；

构成平行微带线的下微带线通过渐变微带线与所述矩形接地面连接，上微带线下端通过印制在矩形基板上表面的条形微带线延伸至对应所述矩形接地面部位；

所述N个垂直极化天线分别插入所述水平基板圆周上的N个凹槽，使得各矩形基板与所述水平基板相垂直。

2.如权利要求1所述的双频双极化天线阵，其特征在于：

所述W2＝2mm～3mm，W＝50mm～70mm，R1＝5mm～15mm，R3＝5mm～10mm、α＝15°～25°，R2＝10mm～25mm、β＝15°～25°，L1＝3mm～10mm，L2＝5mm～15mm，L3＝5mm～10mm，W3＝10mm～20mm、L5＝1mm～3mm，L4＝3mm～6mm。

3.如权利要求1或2所述的双频双极化天线阵，其特征在于：

所述N＝6；所述蛇形细槽长度为天线工作的低频段的有效波长的四分之一。

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