CN103746184A

CN103746184A - 电下倾宽带贴片天线

Info

Publication number: CN103746184A
Application number: CN201410023824.0A
Authority: CN
Inventors: 李伟文; 张斌; 颜聪泉; 陈杰良; 游佰强; 徐伟明
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: CN103746184B

Abstract

电下倾宽带贴片天线，涉及一种贴片天线。设有正方形介质基板，在正方形介质基板的正面设有正方形贴片，所述正方形贴片作为天线辐射元，正方形贴片的两条侧边分别与正方形介质基板的两条侧边平行，且正方形介质基板和正方形贴片的几何中心重合，在正方形贴片的顶角处沿两相邻侧边设有两个相同尺寸的窄缝隙，在正方形贴片的对角线上设有同轴馈电点。设计天线的相对带宽为5.15%，在工作频带内，天线辐射场可产生约30°的下倾角，在主辐射方向能保持良好的垂直线极化特性。通过馈电位置的调整，可实现辐射场下倾角的调整。可应用于移动通信或WLAN的室内壁挂小型基站系统。

Description

电下倾宽带贴片天线

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，尤其是涉及一种电下倾宽带贴片天线。

背景技术

在移动通信室内壁挂基站系统，包括WLAN的无线接入点，为了实现电磁场的有效覆盖，需要天线辐射有一定下倾角的单向电磁波（Benner E,Sesay A B.Effects of antenna height,antenna gain,and pattern downtilting for cellular mobile radio[J].IEEE Transactions on VehicularTechnology,1996,45(2)：217-224）。由于较小功率需求，这类系统常期望由单个天线实现，以简化天线结构和降低加工成本，微带天线以其低剖面易集成的结构特点而广受欢迎。

一般来说，微带天线主辐射方向在辐射元正法向，为实现下倾角，可与垂直方向取一夹角在墙壁上安置微带天线，即采用机械调整的方式产生波束的下倾，由于采用物理下倾，其施工和维护十分麻烦，且调整倾角的精度较低。若直接利用微带天线结构本身产生电调辐射场的下倾，将减少机械调整的麻烦（Shu X R,Dong Y L,Wang H.Analysis on radiationcharacteristics for base station antenna with mechanical and electrical descending[J].Journal ofMicrowaves,2012,28(6)：43-45）。

微带天线在实际应用的另一个限制因素是其窄频带特性，典型矩形微带天线的阻抗带宽在1%左右，达不到无线通信频带范围要求（Carver K,Mink J.Microstrip antenna technology[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1981,29(1)：2-24；Chang E,Long S,Richards W.An experimental investigation of electrically thick rectangular microstrip antennas[J].IEEETransactions on Antennas and Propagation,1986,AP-34(6)：767-772）。目前已有多种用于展宽微带天线带宽的方法，如采用厚基板、缝隙加载或取分形轮廓辐射元、馈电结构调整等（Shackelford A K,Lee K F,Luk K M.Design of small-size wide-bandwidth microstrip-patchantennas[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2003,45(1)：75-83；Pues H F,Van DeCapelle A R.An impedance-matching technique for increasing the bandwidth of microstripantennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1989,37(11)：1345-1354；SiakavaraK,Tsaldaris F.A multi-wideband microstrip antenna designed by the square-curve fractal technique[J].Microwave and Optical Technology Letters,2004,41(3)：180-185）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有电下倾辐射特性的电下倾宽带贴片天线。

本发明设有正方形介质基板，在正方形介质基板的正面设有正方形贴片，所述正方形贴片作为天线辐射元，正方形贴片的两条侧边分别与正方形介质基板的两条侧边平行，且正方形介质基板和正方形贴片的几何中心重合，在正方形贴片的顶角处沿两相邻侧边设有两个相同尺寸的窄缝隙，在正方形贴片的对角线上设有同轴馈电点。

所述正方形介质基板可采用双面敷铜的FR4微波介质基板；正方形介质基板的边长可为80mm±0.1mm，厚度可为3mm±0.1mm，相对介电常数可为4.3，损耗角正切可为0.02。所述正方形贴片的边长可为45mm±0.1mm；所述正方形贴片的顶角处沿两相邻侧边开两个相同尺寸的窄缝隙，缝隙的长为35mm±0.1mm，宽为5.6mm±0.1mm；缝隙与正方形贴片的两侧边的距离分别为6mm±0.1mm和4mm±0.1mm。

所述同轴馈电点在正方形贴片的对角线上与正方形贴片两侧边的距离可为10.2mm±0.1mm，同轴馈电点的直径可为1mm±0.1mm。

本发明在正方形贴片一角侧开垂直双缝隙，利用对称角形缝隙加载，实现具有电下倾的宽带微带天线。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出优点和显著效果：

设计天线的相对带宽为5.15%，在工作频带内，天线辐射场可产生约30°的下倾角，在主辐射方向能保持良好的垂直线极化特性。通过馈电位置的调整，可实现辐射场下倾角的调整。

本发明结构可应用于移动通信或WLAN的室内壁挂小型基站系统。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图（放置在yox平面内）。

图2为本发明实施例的阻抗频率特性曲线图。在图2中，曲线a是天线阻抗频率特性仿真曲线，曲线b是天线阻抗频率特性实测曲线。

图3为本发明实施例的在两谐振点2.11GHz和2.14GHz时的E面(yoz面)方向图。在图3中，曲线a是天线在谐振点2.11GHz时的E面主极化方向图，曲线b是天线在谐振点2.14GHz时的E面主极化方向图。

图4为本发明实施例的在两谐振点2.11GHz和2.14GHz时相对xoz面下倾30截面的H面方向图。在图4中，曲线a是天线在谐振点2.11GHz时的H面主极化方向图，曲线b是天线在谐振点2.14GHz时的H面主极化方向图，曲线c是天线在谐振点2.14GHz时的H面交叉极化方向图，曲线d是天线在谐振点2.11GHz时的H面交叉极化方向图。

图5为本发明实施例的同轴馈电点位置调整到距离两侧边为g=19.1mm±0.1mm时的天线E面(yoz面)方向图。在图5中，曲线a是天线在谐振点2.11GHz时的E面主极化方向图，曲线b是天线在谐振点2.14GHz时的E面主极化方向图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明在正方形介质基板1上采用正方形贴片一角侧开垂直双缝隙作为天线辐射元，如图放置在yox平面内。正方形介质基板1的正面设有正方形贴片2为天线辐射元，正方形贴片2的两条侧边分别与正方形介质基板1的两条侧边平行，且正方形介质基板1和正方形贴片2的几何中心重合。在正方形贴片2的顶角处沿两相邻侧边开两个相同尺寸的窄缝隙4和5。同轴馈电点3在正方形贴片2的对角线上。

正方形介质基板1采用双面敷铜的FR4微波介质基板。正方形介质基板1的边长为a=80mm±0.1mm，厚度为3mm±0.1mm，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。正方形贴片2的边长为b=45mm±0.1mm。正方形贴片2的顶角处沿两相邻侧边开两个相同尺寸的窄缝隙4和5，缝隙4和5的长为c=35mm±0.1mm，宽为d=5.6mm±0.1mm。缝隙4和5与正方形贴片2的两侧边的距离分别为e=6mm±0.1mm和f=4mm±0.1mm。同轴馈电点3在正方形贴片2的对角线上，与正方形贴片2两侧边的距离为g=10.2mm±0.1mm。同轴馈电点3的直径为h=1mm±0.1mm。

参见图2，天线阻抗频率特性曲线图，其中曲线a是仿真曲线，曲线b是实测曲线。由仿真结果可见，其S11参数小于–10dB的阻抗带宽范围为2.08～2.17GHz，相对带宽为4.24%。在工作频带内具有双谐振特性，其谐振频率分别是2.11GHz和2.14GHz，表明宽带的实现正是基于双谐振特性。实测结果与仿真频带范围基本相符，为2.08～2.19GHz，相对带宽为5.15%，满足WCDMA下行频段的频带要求。

参见图3，天线在两谐振点2.11GHz和2.14GHz时的E面(yoz面)方向图，其中曲线a是天线在谐振点2.11GHz时的E面主极化方向图，曲线b是天线在谐振点2.14GHz时的E面主极化方向图。由图可见，天线主极化为垂直线极化（由于交叉极化很小，图中未给出），其最大辐射指向相对于辐射元正法向（+z方向）有一约30的下倾角。在工作频带内随着频率变化，其最大辐射方向倾角有所变化，但变化不大，可满足实际应用要求。

参见图4，天线在两谐振点2.11GHz和2.14GHz时相对xoz面下倾30截面的H面方向图。其中曲线a是天线在谐振点2.11GHz时的H面主极化方向图，曲线b是天线在谐振点2.14GHz时的H面主极化方向图，曲线c是天线在谐振点2.14GHz时的H面交叉极化方向图，曲线d是天线在谐振点2.11GHz时的H面交叉极化方向图。由图可见，H面方向图的波瓣宽度较大，而这正是实际应用为达到较大覆盖范围所期望的。在±60范围内，其极化隔离度可达到10dB以上，表明天线辐射场可在较大水平范围内满足极化要求，实现大范围辐射场的有效覆盖。

参见图5，同轴馈电点位置调整到距离两侧边为g=19.1mm±0.1mm时，所得到的的E面(yoz面)方向图。曲线a是天线在谐振点2.11GHz时的E面主极化方向图，曲线b是天线在谐振点2.14GHz时的E面主极化方向图。为保持频点不变，对缝隙宽度做出了稍微的调整。由图可见，此时主辐射方向产生上倾。因此，改变馈电点位置，可实现天线倾角的调整。

Claims

1.电下倾宽带贴片天线，其特征在于设有正方形介质基板，在正方形介质基板的正面设有正方形贴片，所述正方形贴片作为天线辐射元，正方形贴片的两条侧边分别与正方形介质基板的两条侧边平行，且正方形介质基板和正方形贴片的几何中心重合，在正方形贴片的顶角处沿两相邻侧边设有两个相同尺寸的窄缝隙，在正方形贴片的对角线上设有同轴馈电点。

2.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述正方形介质基板采用双面敷铜的FR4微波介质基板。

3.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述正方形介质基板的边长为80mm±0.1mm，厚度为3mm±0.1mm。

4.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述正方形介质基板的相对介电常数为4.3。

5.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述正方形介质基板的损耗角正切为0.02。

6.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述正方形贴片的边长为45mm±0.1mm。

7.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述正方形贴片的顶角处沿两相邻侧边开两个相同尺寸的窄缝隙，缝隙的长为35mm±0.1mm，宽为5.6mm±0.1mm；缝隙与正方形贴片的两侧边的距离分别为6mm±0.1mm和4mm±0.1mm。

8.如权利要求1所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述同轴馈电点在正方形贴片的对角线上与正方形贴片两侧边的距离为10.2mm±0.1mm。

9.如权利要求1或8所述电下倾宽带贴片天线，其特征在于所述同轴馈电点的直径可为1mm±0.1mm。