CN103858277B - 一种三极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三极化天线，所述三极化天线包括底部介质板、金属圆柱体、顶部介质盘；所述底部介质板的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙、第二条带缝隙和第一圆形缝隙，所述底部介质板的下表面涂覆有微带线组成的馈电网络；所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙和第二条带缝隙相互垂直，并且不相交；所述金属圆柱体的半径小于所述第一圆形缝隙的半径，并且所述金属圆柱体位于所述第一圆形缝隙的中心，所述金属圆柱体的一端与所述底部介质板的上表面相连接，从而实现三个正交的极化方向，并且其带宽、增益、方向图稳定性和尺寸等能满足移动通信要求对于尺寸和增益等的要求。

Description

一种三极化天线

技术领域

本发明属于天线领域，尤其涉及一种三极化天线。

背景技术

随着用户对无线通信需求的不断增长和通信系统的日益扩大复杂，小型化和宽带化成为基站天线产品的发展趋势。小型化的意义在于节约站址空间，站址工程简单，以及风荷特性优良。宽带化的意义在于实现多系统公用天线，节省天馈资源。

多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）是当前提高通信系统容量和频谱利用率的重要技术。其核心思想是在发射机和接收机同时使用多个天线发送和接收信号，从而改善传输效率，并抑制多径衰落。基于MIMO技术，在复杂的多径环境中，具有多极化的天线能够提高无线通信的信道容量，因为当不同极化方向的分支之间相关系数很低也即隔离度很高时，它们之间完全可以看作为相互独立的收发信道。因此，多极化天线可以利用更少的体积实现更多统计独立的多径信道，从而在不改变系统设备体积的前提下，大大的提高了系统的信道容量。

对于某个传播方向确定的平面电磁波，其只具有两个正交方向上的极化方向。但对于基站天线而言，富散射环境中的来波信号可能是多个方向的叠加，空间中存在与接收天线口径垂直的电场分量，因此只有具备三个相互正交的极化方向的基站天线才能充分接收来波信号。三极化天线充分利用三维空间特征，提供三个相互正交的极化方向，在有限空间内实现三个独立通道。

现有的三极化技术多采用立体结构来实现，这使得天线的结构尺寸较大，较为占用系统设备的空间，不满足现在设备体积小型化的趋势，因此它们的应用范围受到很大的限制，这些三极化天线共同的缺陷就在于其体积较大，不利于系统集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三极化天线，旨在解决现有技术中三极化天线尺寸较大的问题。

第一方面，一种三极化天线，所述三极化天线包括底部介质板、金属圆柱体、顶部介质盘；

所述底部介质板的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙、第二条带缝隙和第一圆形缝隙，所述底部介质板的下表面涂覆有微带线组成的馈电网络，所述三条微带馈电线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线，所述第一微带线的一端连接第一极化端口，另一端与所述第一条带缝隙电磁耦合连接；所述第二微带线的一端连接第二极化端口，另一端与所述第二条带缝隙电磁耦合连接；所述第三微带线的一端连接第三极化端口，另一端与所述第一圆环缝隙电磁耦合连接；

所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙和第二条带缝隙相互垂直，并且不相交；

所述金属圆柱体的半径小于所述第一圆形缝隙的半径，并且所述金属圆柱体位于所述第一圆形缝隙的中心，所述金属圆柱体的一端与所述底部介质板的上表面相连接，所述金属圆柱体的另一端与所述顶部介质盘的下表面相连接；

所述顶部介质盘的上表面涂覆有金属层。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述底部介质板的下表面的馈电网络包括三条微带线，分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线：

所述第一微带线的一端连接第一极化端口，另一端与所述第一条带缝隙电磁耦合连接；

所述第二微带线的一端连接第二极化端口，另一端与所述第二条带缝隙电磁耦合连接；

所述第三微带线的一端连接第三极化端口，另一端与所述第一圆环缝隙电磁耦合连接；

所述第一条带缝隙与所述顶部介质盘电磁耦合连接，通过所述顶部介质盘将所述第一极化端口馈入的电磁能量向空间辐射，产生第一极化电磁波；

所述第二条带缝隙与所述顶部介质盘电磁耦合连接，通过所述顶部介质盘将所述第二极化端口馈入的电磁能量向空间辐射，产生第二极化电磁波；

所述第一圆环缝隙与所述金属圆柱体电磁耦合连接，通过所述金属圆柱体和所述顶部介质盘将第三极化端口馈入的电磁能量向空间辐射，产生第三极化电磁波。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，第一极化电磁波、第二极化电磁波和第三极化电磁波的极化方向在空间中两两彼此正交。

结合第一方面的第一种可能的实现方式或者第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述底部介质板的下表面的馈电网络还包括第四条微带线，所述第一微带线和所述第二微带线之间用第四微带线连接。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述底部介质板还包括第一集总元件和第二集总元件，所述第一集总元件连接第一微带线和第四微带线，所述第二集总元件连接第二微带线和第四微带线。

结合第一方面或者第一方面的第一种可能的实现方式或者第一方面的第二种可能的实现方式或者第一方面的第三种可能的实现方式或者第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述金属圆柱体为空心结构。

本发明实施例提供一种三极化天线，所述三极化天线包括底部介质板、金属圆柱体、顶部介质盘；所述底部介质板的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙、第二条带缝隙和第一圆形缝隙，所述底部介质板的下表面涂覆有微带线组成的馈电网络；所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙和第二条带缝隙相互垂直，并且不相交；所述金属圆柱体的半径小于所述第一圆形缝隙的半径，并且所述金属圆柱体位于所述第一圆形缝隙的中心，所述金属圆柱体的一端与所述底部介质板的上表面相连接，所述金属圆柱体的另一端与所述顶部介质盘的下表面相连接，所述顶部介质盘的上表面涂覆有金属层，从而实现三个正交的极化方向，并且其电路参数、辐射参数和尺寸能够满足移动通信要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种三极化天线的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种使用电容和未使用电容的隔离度效果对比图；

图3是产生第三种极化的加载单极子天线的结构图；

图4是本发明实施例提供的一种三极化天线的结构图；

图5是本发明实施例提供的一种三极化天线的电路参数S11仿真结果；

图6是本发明实施例提供的一种三极化天线的增益仿真图；

图7是本发明实施例提供的一种三极化天线的二维方向图；

图8a、图8b是本发明实施例提供的一种三极化天线的样机照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考图1，图1是本发明实施例提供的一种三极化天线的结构图。如图1所示，所述方法包括：

具体的，如图1所示，所述三极化天线包括底部介质板F2、金属圆柱体A4、顶部介质盘A3；

其中，F2面积大于A3面积，A3面积大于A4底面面积。

所述底部介质板F2的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙A1、第二条带缝隙A2和第一圆形缝隙D1，所述底部介质板的下表面涂覆有三条微带馈电线组成的馈电网络，所述三条微带馈电线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线，所述第一微带线的一端连接第一极化端口，另一端与所述第一条带缝隙电磁耦合连接；所述第二微带线的一端连接第二极化端口，另一端与所述第二条带缝隙电磁耦合连接；所述第三微带线的一端连接第三极化端口，另一端与所述第一圆环缝隙电磁耦合连接；

其中，所述三条微带馈电线的一端分别与A1、A2、D1电磁耦合连接，另一端分别与三个端口连接，所述三个端口分别为三个极化端口P1、P2和P3。

所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙A1和第二条带缝隙A2相互垂直，并且不相交；

所述金属圆柱体A4的半径小于所述第一圆形缝隙D1的半径，并且所述金属圆柱体A4位于所述第一圆形缝隙D1的中心，所述金属圆柱体A4的一端与所述底部介质板F2的上表面相连接，所述金属圆柱体A4的另一端与所述顶部介质盘A3的下表面相连接；

其中，A3的中心和A4的中心重合。

所述顶部介质盘A3的上表面涂覆有金属层。

其中，所述底部介质板F2不局限于方形，图1仅是本发明具体的一种实现方式。

具体的，所述底部介质板的下表面的馈电网络包括三条微带线，分别为第一微带线B1、第二微带线B2、第三微带线B3：

所述第一微带线B1的一端连接第一极化端口P1，另一端与所述第一条带缝隙A1电磁耦合连接；

所述第二微带线B2的一端连接第二极化端口P2，另一端与所述第二条带缝隙A2电磁耦合连接；

所述第三微带线B3的一端连接第三极化端口P3，另一端与所述第一圆环缝隙D1电磁耦合连接；

所述第一条带缝隙A1与所述顶部介质盘A3电磁耦合连接，通过所述顶部介质盘A3将所述第一极化端口P1馈入的电磁能量向空间辐射，产生第一极化电磁波；

所述第二条带缝隙A2与所述顶部介质盘A3电磁耦合连接，通过所述顶部介质盘A3将所述第二极化端口P2馈入的电磁能量向空间辐射，产生第二极化电磁波；

所述第一圆环缝隙D1与所述金属圆柱体A4电磁耦合连接，通过所述金属圆柱体A4和所述顶部介质盘A3将第三极化端口P3馈入的电磁能量向空间辐射，产生第三极化电磁波。

具体的，A1、A2、D1都是条带或圆环缝隙，均会向上泄漏电磁场，所泄漏的电磁场会在A3表面激励起电磁流，产生三个极化方向的辐射电磁波。因此A1、A2、D1都是通过泄漏电磁场与A3电磁耦合连接的。而非传统用导体直接电连接。

第一极化电磁波、第二极化电磁波和第三极化电磁波的极化方向在空间中两两彼此正交。

可选地，所述底部介质板F2的下表面的馈电网络还包括第四条微带线C1，所述第一微带线B1和所述第二微带线B2之间用第四微带线连接C1。

第四条微带线C1主要起到能提高第一极化端口与第二极化端口隔离度的效果。

可选地，所述底部介质板还包括第一集总元件Pf1和第二集总元件Pf2，所述第一集总元件Pf1连接第一微带线B1和第四微带线C1，所述第二集总元件Pf2连接第二微带线B2和第四微带线C1。

具体的，使用第一集总元件Pf1和第二集总元件Pf2达到馈电网络面积小型化的效果。

可选地，所述金属圆柱体A4为空心结构。

所述金属圆柱体A4优先采用空心结构，可以降低所述三级化天线的总重量。

具体的，对于贴片模式的激励通常有微带馈电、电容耦合馈电、探针馈电和缝隙馈电等多种方式。为了在x-y平面内激励起两个正交的极化模式，并保持端口间较高的隔离度，本发明采用了缝隙耦合馈电的方式来激励两个贴片模式，如图1所示。两个缝隙A1和A2垂直放置，使得两个缝隙A1和A2激励起的模式相互正交。通常为了提高端口之间的隔离度，两个缝隙呈“T”字形布局，但在本发明中，如果采用“T”形布局势必会破坏第三种极化模式的场分布，因此本发明采用了“L”形布局方案。

采用了“L”形布局方案后，由于两个缝隙A1和A2电流最强处离的较近，因此两个缝隙A1和A2之间的隔离度下降较多。本发明在两个微带馈电线B1和B2之间引入了另一微带线枝节C1，C1与B1和B2之间分别用电容Pf1和Pf2相连接，从而抵消两缝隙产生的耦合，使端口P1和P2之间具有较高隔离度，如图2，图2是本发明实施例提供的一种使用电容和未使用电容的隔离效果对比图。

如图2所示，使用电容Pf1和Pf2后隔离度（isolation）随频率（Frequency）的变化值比使用电容前的隔离度（isolation）随频率（Frequency）的变化值明显优化。

第三种极化通过与端口P3连接的加载单极子天线实现。加载单极子天线由顶部介质盘A3和金属圆柱体A4组成。A3由介质盘与其上表面金属层构成，参考图3，图3是产生第三种极化的加载单极子天线的结构图。如图3所示，加载单极子天线的圆柱体对性能的影响如下：圆柱体的半径越大，则天线的带宽越宽。中心金属圆柱的高度对天线的带宽和增益都有影响。由于金属圆柱体A4的存在，引入了一定的电感，因此在馈电时本发明通过引入电容的方式来实现阻抗匹配。在端口P3的阻抗匹配设计中，没有采用传统的集总电容或电感加载的方式，而是充分利用了结构设计，通过设计圆环缝隙D1来引入电容，这样既增加的结构性能的稳定性，又使得方向图保持一定的轴对称性。

本发明实施例提供一种三极化天线，所述三极化天线包括底部介质板、金属圆柱体、顶部介质盘；所述底部介质板的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙、第二条带缝隙和第一圆形缝隙，所述底部介质板的下表面涂覆有微带线组成的馈电网络；所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙和第二条带缝隙相互垂直，并且不相交；所述金属圆柱体的半径小于所述第一圆形缝隙的半径，并且所述金属圆柱体位于所述第一圆形缝隙的中心，所述金属圆柱体的一端与所述底部介质板的上表面相连接，所述金属圆柱体的另一端与所述顶部介质盘的下表面相连接，所述顶部介质盘的上表面涂覆有金属层，从而实现三个正交的极化方向，并且其电路参数、辐射参数和尺寸能够满足移动通信要求。

参考图4，图4是本发明实施例提供的一种三极化天线的结构图。如图4所示，一个方形介质板上表面覆盖一层金属，在金属层上沿x轴和y轴方向制作出两个条带状缝隙A1和A2。在与A1和A2相对应的介质板下表面贴上两个微带馈电线B1和Ｂ2，它们之间用一段微带线枝节Ｃ1和两个电容Pf1和Pf2连接。在介质板上方中心处放置一个由金属涂覆介质圆盘A3和金属圆柱A4组成的加载单极子天线，在与金属柱对应的方形介质板下表面制作一个端口为近似圆形的微带馈电线B3。方形介质板上表面的金属层中心处制作出一个圆形缝隙，金属柱表面与此圆形缝隙形成一个圆环缝隙结构D1。

本发明实施例中金属涂覆介质圆盘A3也可以为其他形状，如矩形等。

图5是本发明实施例提供的一种三极化天线的电路参数S11仿真结果。如图5所示，在2.3GHz-2.7GHz频段内S11均在-10dB以下。

图6是本发明实施例提供的一种三极化天线的增益仿真图。如图6所示，可见在2.3GHz-2.7GHz频段内第一种极化和第二种极化的增益范围为8.8dBi～10.1dBi，第三种极化的增益范围为4.75dBi～5.4dBi。

图7是本发明实施例提供的一种三极化天线的二维方向图。如图7所示，可见三种极化的方向图可以在空间中实现定向覆盖，而且第一种极化和第二种极化的方向图3dB波宽内一致。

图8是本发明实施例提供的一种三极化天线的样机照片。图8a是样机的正面图，图8b是样机的背面图。

本发明实施例提供一种三极化天线，所述三极化天线包括底部介质板、金属圆柱体、顶部介质盘；所述底部介质板的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙、第二条带缝隙和第一圆形缝隙，所述底部介质板的下表面涂覆有微带线组成的馈电网络；所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙和第二条带缝隙相互垂直，并且不相交；所述金属圆柱体的半径小于所述第一圆形缝隙的半径，并且所述金属圆柱体位于所述第一圆形缝隙的中心，所述金属圆柱体的一端与所述底部介质板的上表面相连接，所述金属圆柱体的另一端与所述顶部介质盘的下表面相连接，所述顶部介质盘的上表面涂覆有金属层，从而实现三个正交的极化方向，并且其电路参数、辐射参数和尺寸能够满足移动通信要求。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明要求包含范围之内。

Claims (8)

1.一种三极化天线，其特征在于，所述三极化天线包括底部介质板、金属圆柱体、顶部介质盘；

所述底部介质板的上表面涂覆有金属层，所述金属层上刻蚀有第一条带缝隙、第二条带缝隙和第一圆环缝隙，所述底部介质板的下表面涂覆有三条微带馈电线组成的馈电网络，所述三条微带馈电线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线，所述第一微带线的一端连接第一极化端口，另一端与所述第一条带缝隙电磁耦合连接；所述第二微带线的一端连接第二极化端口，另一端与所述第二条带缝隙电磁耦合连接；所述第三微带线的一端连接第三极化端口，另一端与所述第一圆环缝隙电磁耦合连接；

所述底部介质板的上表面的第一条带缝隙和第二条带缝隙相互垂直，并且不相交；

所述金属圆柱体的半径小于所述第一圆环缝隙的半径，并且所述金属圆柱体位于所述第一圆环缝隙的中心，所述金属圆柱体的一端与所述底部介质板的上表面相连接，所述金属圆柱体的另一端与所述顶部介质盘的下表面相连接；

所述顶部介质盘的上表面涂覆有金属层。

2.根据权利要求1所述的三极化天线，其特征在于，所述第一条带缝隙与所述顶部介质盘电磁耦合连接，通过所述顶部介质盘将所述第一极化端口馈入的电磁能量向空间辐射，产生第一极化电磁波；

所述第二条带缝隙与所述顶部介质盘电磁耦合连接，通过所述顶部介质盘将所述第二极化端口馈入的电磁能量向空间辐射，产生第二极化电磁波；

所述第一圆环缝隙与所述金属圆柱体电磁耦合连接，通过所述金属圆柱体和所述顶部介质盘将第三极化端口馈入的电磁能量向空间辐射，产生第三极化电磁波。

3.根据权利要求2所述的三极化天线，其特征在于，第一极化电磁波、第二极化电磁波和第三极化电磁波的极化方向在空间中两两彼此正交。

4.根据权利要求2所述的三极化天线，其特征在于，所述底部介质板的下表面的馈电网络还包括第四条微带线，所述第一微带线和所述第二微带线之间用第四微带线连接。

5.根据权利要求3所述的三极化天线，其特征在于，所述底部介质板的下表面的馈电网络还包括第四条微带线，所述第一微带线和所述第二微带线之间用第四微带线连接。

6.权利要求4所述三极化天线，其特征在于，所述底部介质板还包括第一集总元件和第二集总元件，所述第一集总元件连接第一微带线和第四微带线，所述第二集总元件连接第二微带线和第四微带线。

7.权利要求5所述三极化天线，其特征在于，所述底部介质板还包括第一集总元件和第二集总元件，所述第一集总元件连接第一微带线和第四微带线，所述第二集总元件连接第二微带线和第四微带线。

8.权利要求1-7任意一项所述的三极化天线，其特征在于，所述金属圆柱体为空心结构。