CN104078753A - 具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，包括金属地板、倾斜设置在金属地板四周的四块反射板以及直立设置在金属地板上的四个辐射单元，所述四个辐射单元在金属地板中心围成一个方形盒状结构，所述每个辐射单元正面的中间位置开有两个开槽，两个开槽之间通过一连通槽相连，所述连通槽的中心至辐射单元顶部开有渐变开槽。本发明的双极化宽带天线具有四个围成方形盒状结构的辐射单元，相比一单元天线，具有较好的增益，每个辐射单元上开有两个开槽和一个渐变开槽，既可以实现阻抗匹配，扩展带宽，也可以改变辐射单元的辐射特性，使得天线具有定向性把能量垂直辐射出去，具有结构简单、低成本、体积小和频带宽的优点，适合工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种双极化宽带天线，尤其是一种具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，属于无线通信领域。
背景技术
无线通信技术的迅速发展，使得各种电子设备都在朝着小型化和宽带化发展，而作为无线通信技术桥梁和空中接口，也必然朝着这个方向发展。传统的天线是由一个固定元件构成，屏蔽性不好，集成度不高，尺寸大，频带较窄，这些因素导致了传统天线已经无法满足未来的无线通信需求。因此，小型宽带天线的研究成为一个重要的课题。
随着宽带通信网络技术的发展，尤其是现在LTE技术3G迈向4G过程的关键一步，LTE移动通信技术是将来的发展趋势。不过，现在宽带天线的尺寸较大而且结构复杂，这对于双极化宽带天线的制作成本和推广利用都不太理想。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2013年16期的《移动通信》，夏小勇和廖成发表题为“一种双极化印刷偶极子基站天线”的文章中提出了一种新型的印刷偶极子天线，因为印刷偶极子天线具有剖面薄、重量轻、体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优点而得到广泛运用。该文章采用中间馈电结构，调节馈电的巴伦的尺寸，以此实现扩展带宽，并将其应用于双极化基站天线中，研究表明该双极化天线具有较好的电特性和方向图特性。但这种现有技术仍没解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，该天线具有偶极子和双极化特性，且易加工、结构简单、体积小、成本低、频带宽，能够满足宽带高速无线通讯系统的要求。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，包括金属地板，其特征在于：还包括倾斜设置在金属地板四周的四块反射板以及直立设置在金属地板上的四个辐射单元，所述四个辐射单元在金属地板中心围成一个方形盒状结构；
所述四个辐射单元分别为第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元，其中第一辐射单元与第三辐射单元相互对称，第二辐射单元与第四辐射单元相互对称；所述每个辐射单元正面的中间位置开有两个开槽，两个开槽之间通过一连通槽相连，所述连通槽的中心至辐射单元顶部开有渐变开槽；
所述金属地板上设有第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔，且金属地板底面上设有第一馈线和第二馈线，所述第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔所在位置与第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元的位置一一对应；所述第一馈线，其一端作为第一端口，另一端分为第一支路和第二支路，所述第一支路通过第一过孔与第一辐射单元连接，所述第二支路通过第三过孔与第三辐射单元连接；所述第二馈线，其一端作为第二端口，另一端分为第三支路和第四支路，所述第三支路通过第二过孔与第二辐射单元连接，所述第四支路通过第四过孔与第四辐射单元连接。
作为一种优选方案，所述每个辐射单元的连通槽上方设有第五过孔和第六过孔，下方设有第七过孔，所述第五过孔和第六过孔还位于渐变开槽的两边；所述每个辐射单元背面设有第三馈线和第四馈线；
所述第一辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第一辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第一过孔，通过第一过孔与第一馈线的第一支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第一辐射单元的正面连接；
所述第二辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第二辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第二过孔，通过第二过孔与第二馈线的第三支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第二辐射单元的正面连接；
所述第三辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第三辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第三过孔，通过第三过孔与第一馈线的第二支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第三辐射单元的正面连接；
所述第四辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第四辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第四过孔，通过第四过孔与第二馈线的第四支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第四辐射单元的正面连接。
作为一种优选方案，所述两个开槽均为圆形开槽，两个圆形开槽相互对称。
作为一种优选方案，所述两个开槽均为半月形开槽，两个半月形开槽相互对称。
作为一种优选方案，所述两个开槽均为半月形开槽，其中一个半月形开槽的面积大于另一个半月形开槽的面积。
作为一种优选方案，所述第一端口和第二端口均用于连接SMA头，且第一端口所在的轴线与第二端口所在的轴线相垂直。
作为一种优选方案，所述每个辐射单元采用一块表面覆盖有金属材料的板构成。
作为一种优选方案，所述金属地板、四块反射板和四个辐射单元的形状均为矩形。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的双极化宽带天线与现有技术的设计相比，具有四个围成方形盒状结构的辐射单元，其中第一辐射单元和第二辐射单元构成二元阵，第三辐射单元和第四辐射单元构成二元阵，可以完成天线信号的发射或接收，相比一单元天线，具有较好的增益。
2、本发明的双极化宽带天线的每个辐射单元上开有两个开槽(圆形开槽或半月形开槽)和一个渐变开槽，既可以实现阻抗匹配，扩展带宽，也可以改变辐射单元的辐射特性，使得天线具有定向性把能量垂直辐射出去。
3、本发明的双极化宽带天线与现有技术的设计相比，可以改善频带内性能，从输入端口和输出端口的回波损耗的仿真结果表明，该天线具有较长的带宽，较大的增益，性能良好，能够满足宽带高速无线通讯系统的要求。
4、本发明的双极化宽带天线具有结构简单、低成本、体积小和频带宽的优点，需要调整的参数较少，容易加工设计，适合工程应用，解决了现有技术的一些双极化宽带天线结构复杂、尺寸大，且带内带外特性不好的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的双极化宽带天线立体图。
图2为本发明实施例1的双极化宽带天线正视图。
图3为本发明实施例1的双极化宽带天线左视图。
图4为本发明实施例1的双极化宽带天线俯视图。
图5为本发明实施例1的双极化宽带天线中金属地板的俯视图。
图6为本发明实施例1的双极化宽带天线中第一辐射单元(或第四辐射单元)的正面结构图。
图7为本发明实施例1的双极化宽带天线中第一辐射单元(或第四辐射单元)的背面结构图。
图8为本发明实施例1的双极化宽带天线中第二辐射单元(或第三辐射单元)的正面结构图。
图9为本发明实施例1的双极化宽带天线中第二辐射单元(或第三辐射单元)的背面结构图。
图10为本发明实施例1的双极化宽带天线S参数的仿真结果曲线图。
图11a和图11b为本发明实施例1的双极化宽带天线CST仿真模型在1.6GHz时不同位置的辐射方向图。
图12a和图12b为本发明实施例1的双极化宽带天线CST仿真模型在2.2GHz时不同位置的辐射方向图。
图13a和图13b为本发明实施例1的双极化宽带天线CST仿真模型在2.6GHz时不同位置的辐射方向图.
图14为本发明实施例2的双极化宽带天线立体图。
图15为本发明实施例2的双极化宽带天线中第一辐射单元(或第四辐射单元)的正面结构图。
图16为本发明实施例2的双极化宽带天线中第二辐射单元(或第三辐射单元)的正面结构图。
图17为本发明实施例2的双极化宽带天线S参数的仿真结果曲线图。
图18a和图18b为本发明实施例2的双极化宽带天线CST仿真模型在1.6GHz时不同位置的辐射方向图。
图19a和图19b为本发明实施例2的双极化宽带天线CST仿真模型在2.2GHz时不同位置的辐射方向图。
图20a和图20b为本发明实施例2的双极化宽带天线CST仿真模型在2.6GHz时不同位置的辐射方向图。
图21为本发明实施例3的双极化宽带天线立体图。
图22为本发明实施例3的双极化宽带天线中第一辐射单元(或第四辐射单元)的正面结构图。
图23为本发明实施例3的双极化宽带天线中第二辐射单元(或第三辐射单元)的正面结构图。
图24为本发明实施例3的双极化宽带天线S参数的仿真结果曲线图。
图25a和图25b为本发明实施例3的双极化宽带天线CST仿真模型在1.6GHz时不同位置的辐射方向图。
图26a和图26b为本发明实施例3的双极化宽带天线CST仿真模型在2.2GHz时不同位置的辐射方向图。
图27a和图27b为本发明实施例3的双极化宽带天线CST仿真模型在2.6GHz时不同位置的辐射方向图。
上述图中，以第四辐射单元作为天线的正面，以虚线示出金属地板底面的第一馈线和第二馈线的位置；其中，1-金属地板，2-反射板，3-第一辐射单元，4-第二辐射单元，5-第三辐射单元，6-第四辐射单元，7-第一过孔，8-第二过孔，9-第三过孔，10-第四过孔，11-第一馈线，12-第二馈线，13-第一端口，14-第一支路，15-第二支路，16-第二端口，17-第三支路，18-第四支路，19-圆形开槽，20-连通槽，21-渐变开槽，22-第五过孔，23-第六过孔，24-第七过孔，25-第三馈线，26-第四馈线，27-半月形开槽。
具体实施方式
实施例1：
如图1～图9所示，本实施例的双极化宽带天线，包括金属地板1、四块反射板2、第一辐射单元3、第二辐射单元4、第三辐射单元5以及第四辐射单元6，所述第一辐射单元3与第三辐射单元5相互对称，所述第二辐射单元4与第四辐射单元6相互对称，所述金属地板1、四块反射板2和四个辐射单元的形状均为矩形；所述四块反射板2倾斜45度设置在金属地板1的四周，所述四个辐射单元直立设置在金属地板1上，且在金属地板1中心围成一个方形盒状结构；
所述金属地板1上设有第一过孔7、第二过孔8、第三过孔9和第四过孔10，且金属地板1底面上设有第一馈线11和第二馈线12、第一过孔7、第二过孔8、第三过孔9和第四过孔10，所述第一过孔7、第二过孔8、第三过孔9和第四过孔10所在位置与第一辐射单元3、第二辐射单元4、第三辐射单元5和第四辐射单元6的位置一一对应；所述第一馈线11，其一端作为第一端口13，另一端分为第一支路14和第二支路15；所述第二馈线12，其一端作为第二端口16，另一端分为第三支路17和第四支路18；
所述每个辐射单元采用一块表面覆盖有金属材料的板构成；每个辐射单元正面的中间位置开有两个相互对称的圆形开槽19，两个圆形开槽19之间通过一连通槽20相连，所述连通槽20的中心至辐射单元顶部开有渐变开槽21；所述每个辐射单元的连通槽20上方设有第五过孔22和第六过孔23，下方设有第七过孔24，所述第五过孔22和第六过孔23还位于渐变开槽21的两边；所述每个辐射单元背面设有第三馈线25和第四馈线26；
所述第一辐射单元3中，所述第三馈线25的一端通过第五过孔22与第一辐射单元3的正面连接，另一端向下延伸到金属地板1的第一过孔7，通过第一过孔7与第一馈线11的第一支路14连接；所述第四馈线26通过第六过孔23和第七过孔24与第一辐射单元3的正面连接；
所述第二辐射单元4中，所述第三馈线25的一端通过第五过孔22与第二辐射单元4的正面连接，另一端向下延伸到金属地板1的第二过孔8，通过第二过孔8与第二馈线12的第三支路17连接；所述第四馈线26通过第六过孔23和第七过孔24与第二辐射单元4的正面连接；
所述第三辐射单元5中，所述第三馈线25的一端通过第五过孔22与第三辐射单元5的正面连接，另一端向下延伸到金属地板1的第三过孔9，通过第三过孔9与第一馈线11的第二支路15连接；所述第四馈线26通过第六过孔23和第七过孔24与第三辐射单元5的正面连接；
所述第四辐射单元6中，所述第三馈线25的一端通过第五过孔22与第四辐射单元6的正面连接，另一端向下延伸到金属地板1的第四过孔10，通过第四过孔10与第二馈线12的第四支路18连接；所述第四馈线26通过第六过孔23和第七过孔24与第四辐射单元6的正面连接。
所述第一端口13所在的轴线与第二端口16所在的轴线相垂直，两个端口均用于连接SMA头(图中未示出)，通过SMA头馈电到地板底面上的一个功分器(图中未示出)，功分器的末端通过第一过孔7、第二过孔8、第三过孔9和第四过孔10分别与第一辐射单元3、第二辐射单元4、第三辐射单元5和第四辐射单元6连接。
调整本实施例的双极化宽带天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的双极化宽带天线进行了验证仿真，调整本实施例的双极化宽带天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的双极化宽带天线进行了验证仿真，如图10所示，给出了该天线在1.4～3Ghz频率范围内的S参数仿真结果的曲线，图中有两条曲线，S11的曲线是指第一端口的回波损耗，S22的曲线是指第二端口的回波损耗；可以看到，在1.62GHz～2.8GHz的TD-LTE频段内，S11曲线的值小于-10dB，仿真结果表明本实施例的双极化宽带天线具有较长的带宽，较大的增益，性能良好，能够满足宽带高速无线通讯系统的要求。
本实施例的双极化宽带天线CST仿真的模型在1.6GHz时不同位置的辐射方向图如图11a和图11b所示，在2.2GHz时不同位置的辐射方向图如图12a和图12b所示，在2.6GHz时不同位置的辐射方向图如图13a和图13b所示。
实施例2：
本实施例的主要特点是：如图14～图16所示，所述每个辐射单元正面的中间位置开有两个相互对称的半月形开槽27。其余结构同实施例1。
调整本实施例的双极化宽带天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的双极化宽带天线进行了验证仿真，如图17所示，给出了该天线在1.4～3Ghz频率范围内的S参数仿真结果的曲线，图中有三条曲线，S11的曲线是指第一端口的回波损耗，S22的曲线是指第二端口的回波损耗，S21的曲线是指第一端口到第二端口的正向传输系数；可以看到，在1.62GHz～2.8GHz的TD-LTE频段内，S11曲线的值小于-10dB，仿真结果表明本实施例的双极化宽带天线具有较长的带宽，较大的增益，性能良好，能够满足宽带高速无线通讯系统的要求。
本实施例的双极化宽带天线CST仿真的模型在1.6GHz时不同位置的辐射方向图如图18a和图18b所示，在2.2GHz时不同位置的辐射方向图如图19a和图19b所示，在2.6GHz时不同位置的辐射方向图如图20a和图20b所示。
实施例3：
本实施例的主要特点是：如图21～图23所示，所述每个辐射单元正面的中间位置开有两个半月形开槽27，从图中可以看到，其中一个半月形开槽27的面积大于另一个半月形开槽27的面积，即一个为大半月形开槽，另一个为小半月形开槽。其余结构同实施例1。
调整本实施例的双极化宽带天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的双极化宽带天线进行了验证仿真，如图24所示，给出了该天线在1.4～3Ghz频率范围内的S参数仿真结果的曲线，图中有三条曲线，S11的曲线是指第一端口的回波损耗，S22的曲线是指第二端口的回波损耗，S21的曲线是指第一端口到第二端口的正向传输系数；可以看到，在1.62GHz～2.8GHz的TD-LTE频段内，S11曲线的值小于-10dB，仿真结果表明本实施例的双极化宽带天线具有较长的带宽，较大的增益，性能良好，能够满足宽带高速无线通讯系统的要求。
本实施例的双极化宽带天线CST仿真的模型在1.6GHz时不同位置的辐射方向图如图25a和图25b所示，在2.2GHz时不同位置的辐射方向图如图26a和图26b所示，在2.6GHz时不同位置的辐射方向图如图27a和图27b所示。
上述实施例1～3中，所述每个辐射单元采用的板可以由FR4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布和共烧陶瓷任意一种材料构成；所述金属地板、四块反射板和四个辐射单元采用的金属为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，包括金属地板，其特征在于：还包括倾斜设置在金属地板四周的四块反射板以及直立设置在金属地板上的四个辐射单元，所述四个辐射单元在金属地板中心围成一个方形盒状结构；
所述四个辐射单元分别为第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元，其中第一辐射单元与第三辐射单元相互对称，第二辐射单元与第四辐射单元相互对称；所述每个辐射单元正面的中间位置开有两个开槽，两个开槽之间通过一连通槽相连，所述连通槽的中心至辐射单元顶部开有渐变开槽；
所述金属地板上设有第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔，且金属地板底面上设有第一馈线和第二馈线，所述第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔所在位置与第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元的位置一一对应；所述第一馈线的一端作为第一端口，另一端分为第一支路和第二支路，所述第一支路通过第一过孔与第一辐射单元连接，所述第二支路通过第三过孔与第三辐射单元连接；所述第二馈线的一端作为第二端口，另一端分为第三支路和第四支路，所述第三支路通过第二过孔与第二辐射单元连接，所述第四支路通过第四过孔与第四辐射单元连接。
2.根据权利要求1所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述每个辐射单元的连通槽上方设有第五过孔和第六过孔，下方设有第七过孔，所述第五过孔和第六过孔还位于渐变开槽的两边；所述每个辐射单元背面设有第三馈线和第四馈线；
所述第一辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第一辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第一过孔，通过第一过孔与第一馈线的第一支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第一辐射单元的正面连接；
所述第二辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第二辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第二过孔，通过第二过孔与第二馈线的第三支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第二辐射单元的正面连接；
所述第三辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第三辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第三过孔，通过第三过孔与第一馈线的第二支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第三辐射单元的正面连接；
所述第四辐射单元中，所述第三馈线的一端通过第五过孔与第四辐射单元的正面连接，另一端向下延伸到金属地板的第四过孔，通过第四过孔与第二馈线的第四支路连接；所述第四馈线通过第六过孔和第七过孔与第四辐射单元的正面连接。
3.根据权利要求1或2所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述两个开槽均为圆形开槽，两个圆形开槽相互对称。
4.根据权利要求1或2所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述两个开槽均为半月形开槽，两个半月形开槽相互对称。
5.根据权利要求1或2所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述两个开槽均为半月形开槽，其中一个半月形开槽的面积大于另一个半月形开槽的面积。
6.根据权利要求1或2所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述第一端口和第二端口均用于连接SMA头，且第一端口所在的轴线与第二端口所在的轴线相垂直。
7.根据权利要求1或2所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述每个辐射单元采用一块表面覆盖有金属材料的板构成。
8.根据权利要求1或2所述的具有开槽式辐射单元的双极化宽带天线，其特征在于：所述金属地板、四块反射板和四个辐射单元的形状均为矩形。
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