CN104157978B - 一种改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线通信中的改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线，该天线具有频带宽、双极化、隔离度高和天馈高度集成的优点。该天线通过偏移传统角馈天线馈电点，并在贴片边沿开三角形槽的方法来提高其不同极化端口的隔离度，其基本结构包括上层介质板(1)、下层介质板(2)、塑料螺钉(3)、上层方形贴片(4)、开有三角形槽的下层方形贴片(5)、偏离下层贴片边角的微带阻抗变换线(6)、馈电微带线(7)。本发明最大的创新在于通过偏移其馈电点以及开三角形槽的方法来提高其不同极化端口之间的隔离度，使天线在驻波比小于1.5的情况下达到9％的阻抗带宽，在工作频带内端口隔离度由传统角馈天线的19dB提高到29dB。
Description
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种叠层微带天线，具体来说是一种可用于无线通信领域的改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线。
背景技术
随着新一代无线移动通信的发展，移动用户数量上升，对基站建设的数量和密度要求更高，各个移动运营商建网选址也越来越困难。微基站具有一体化、小型化、低成本、安装方便等优点，在新一代无线移动通信中成为当今的研究热点。微带天线具有低剖面，低成本，重量轻，易加工，适合大批量生产等优点，非常适合用于微基站当中。通常微基站天线要求具有宽的频带，双极化，高隔离度。通过采用叠层结构、口径耦合、L形探针馈电、电容探针馈电、E形槽贴片等形式可以拓展天线的带宽。叠层微带天线因为结构简单、易于批量生产等优点而受到天线厂商的青睐。然而，在双极化叠层微带天线中因为两个端口之间的强耦合作用实现高的端口隔离度并不容易。A.U.Zaman等人在Electronic Letter(vol.43,pp:551-552,May2007)上发表的题为“Dual polarised microstrip patch antenna withhigh port isolation”中介绍了一种底馈高隔离度的宽带双极化叠层微带天线，该天线在2.5GHz-2.7GHz内驻波比小于2，通过在底层贴片上开T形槽方法将端口隔离度提高到30dB。B.Li等人在2012年的International Workshop on Microwave Millimeter WaveCircuits and System Technol(MMWCST2012,Chengdu)上发表了题为“A compact anddual-polarized microstrip array antenna for mini base station applications”的文章，通过采用双馈技术提高端口隔离度。前面两篇关于叠层微带天线的文章均采用底馈的方式进行馈电，需要额外的一层介质板来进行馈电网络的布线，增加了天线的整体高度和成本。相比于探针馈电的底馈技术，角馈技术可以使得天线具有更低的剖面，并且降低成本，因为角馈微带天线的馈电微带线和下层贴片印制在同一层介质板上。在传统的角馈叠层微带天线中，馈电点一般位于底层贴片的边角位置，因为馈电微带线的引入，天线的结构不再对称，辐射贴片上的表面电流分布不对称。通常两个极化端口之间的隔离度只有19dB，而在微基站天线中，不同极化端口之间的隔离度一般要求在25dB以上。因此，传统角馈叠层微带天线难以满足当前的微基站需要。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景，目的在于解决现有技术存在双极化叠层微带天线端口隔离度差的问题，提出了一种改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线。该天线单元在2.5GHz-2.7GHz频段内驻波比小于1.5，并且在工作频带内，天线单元的不同极化端口隔离度达到29dB，适合于微基站对于天线两极化端口高隔离度的要求。该天线通过角馈的方式馈电，馈电网络和底层贴片印刷在同一层介质板上表面，无需探针馈电，易于加工，同时节省了一层用于馈电网络布线的介质板，有利于实现天线组阵以及天线与馈电网络的高度集成化和低成本化。
该天线适用于第四代无线移动通信系统，特别适合于微基站天线。它的基本结构包括上层介质板(1)、下层介质板(2)、四个塑料螺钉(3)、上层方形微带贴片(4)、开有三角形槽的下层方形微带贴片(5)、偏移的四分之一波长微带阻抗变换线(6)、50欧姆馈电微带线(7)，下层介质板(1)底面为金属地，天线结构关于两个极化端口的中线对称。其中：所述50欧姆馈电微带线(7)用于馈入微波信号，四分之一波长微带阻抗变换线(6)用于实现阻抗匹配，四分之一波长微带阻抗变换线(6)在偏离下层方形微带贴片(5)的边角5mm距离的地方进行馈电，下层方形微带贴片(5)上有一个小的三角形槽，上层方形微带贴片(4)印制在上层介质板(1)的上表面，下层方形微带贴片(5)印制在下层介质板(2)的上表面，上层介质板(1)和下层介质板(2)通过四个塑料螺钉(3)进行固定。
本发明最大的创新在于采用改进型的角馈技术以及下层贴片开槽技术，提升了角馈双极化天线的两极化端口之间隔离度。具体来说，一是将传统角馈微带天线的馈电点由贴片的边角位置偏移5mm距离，二是在下层微带贴片边沿中间位置开一个三角形的槽。
本发明的特点是采用微带线角馈的方式，通过对微带馈线偏移5mm的距离，在不改变天线其他特性的情况下，大大地提高了双极化天线中两极化端口之间的隔离度。同时，天线采取共面微带线馈电的方式，有利于天线组阵。为了进一步提高天线端口之间的隔离度，在下层方形贴片边沿开有一个三角形的槽。
本发明实施方式是微波信号由50欧姆微带线输入，通过一段四分之一波长微带阻抗变换线传输至下层微带贴片进行馈电，上层微带贴片通过耦合而来的电磁场引起谐振。角馈的微带线从传统的贴片边角馈电位置偏移了5mm距离，等效地补偿了由于馈电微带线引起的贴片表面电流的不对称性。在下层贴片开三角形槽，进一步补偿了天线贴片表面电流的不对称性。天线尺寸经过优化设计后，在工作频带内天线的两极化端口的隔离度得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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个实施例，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是本发明一种实施方式提供的一种改进型高隔离度双极化叠层微带天线透视示意图；
图2是图1所示的下层介质板(2)的俯视图；
图3是图1所示的上层介质板(1)的俯视图；
图4是图1所示的双极化天线左边端口的电压驻波比和两极化端口隔离度仿真结果示意图；
图5是图1所示的双极化天线左边端口的电压驻波比和两极化端口隔离度测试结果示意图；
图6是图1所示的双极化天线的左边端口馈电时，双极化天线的E面和H面的主极化和交叉极化测试结果示意图；
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请一并参考图1至图6，为本发明实施方式提供的角馈双极化叠层微带天线。所述双极化天线依图1所示描述主要包括：上层介质板(1)、下层介质板(2)、四个塑料螺钉(3)、上层方形微带贴片(4)、开有三角形槽的下层方形微带贴片(5)、偏移的四分之一波长微带阻抗变换线(6)、50欧姆馈电微带线(7)。上层介质板(1)采用介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4材料，下层介质板(2)采用介电常数为2.55，厚度为0.78mm的材料，两层介质板之间的空气高度为5mm，两层介质板的横向尺寸均为80mm×80mm,四个塑料螺钉材料为尼龙，直径为3mm。下层介质板(1)底面为金属地，下层方形贴片(5)印制在天线介质板(2)上表面，尺寸为35.7mm×35.7mm，下层方形贴片(5)通过长度为17.5mm宽度为2.66mm的四分之一波长微带阻抗变换线(6)进行馈电，四分之一波长微带阻抗变换线(6)偏离方形贴片边角5mm，四分之一波长微带阻抗变换线(6)连接50欧姆微带线(7)，在下层方形贴片(5)的边沿开有一个三角形的槽,槽的高度为2.5mm，底边长度为5mm。上层方形贴片(4)印制在上层介质板(1)的上表面，尺寸为39.2mm×39.2mm，上层介质板(1)下表面金属全部腐蚀掉。介质板四周有四个螺孔，便于通过塑料螺钉将上下层介质板固定。
该天线结构为双极化天线，有两个工作于不同极化的端口，两个端口及其馈电微带线和阻抗变换线关于两个极化端口的中线对称。由于两个极化彼此对称，本实施实例仅对左边极化端口馈电，另一个端口接匹配负载。图4是图1所示的双极化天线左边端口的电压驻波比和两端口隔离度仿真结果示意图，在回波损耗小于-14dB(对应电压驻波比小于1.5)的情况下，本专利提出的天线的相对带宽达到9％(工作于2.5GHz～2.75GHz)，同时在2.5GHz-2.7GHz的带宽内隔离度达到了29dB。为了和传统的角馈叠层天线(馈电位置在边角，下层贴片没有三角形的开槽)作对比，传统角馈叠层天线的仿真结果也一并呈现在图4中，通过对比可发现相比传统角馈天线本专利所提出的天线的隔离度提高了9dB。图5是图1所示的双极化天线左边端口的电压驻波比和两端口隔离度实测结果。在工作频带2.5GHz～2.7GHz内，回波损耗小于-15dB，隔离度达到28dB。图6是图1所示的双极化天线左边端口馈电时，在中心频点2.6GHz测试的天线E面和H面主极化和交叉极化方向图，该方向图稳定，3dB波束宽度内交叉极化低于-17dB。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。
Claims (2)
1.一种改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线,其特征在于所述天线分别包括上层介质板(1)、下层介质板(2)、四个塑料螺钉(3)、上层方形微带贴片(4)、开有三角形槽的下层方形微带贴片(5)、四分之一波长微带阻抗变换线(6)、50欧姆馈电微带线(7)，天线结构关于两个极化端口的中线对称，其中：所述50欧姆馈电微带线(7)用于馈入微波信号，四分之一波长微带阻抗变换线(6)用于实现阻抗匹配，四分之一波长微带阻抗变换线(6)在偏离下层方形微带贴片(5)的边角5mm距离的地方进行馈电，下层方形微带贴片(5)上有一个三角形槽，槽的高度为2.5mm，底边长度为5mm，上层方形微带贴片(4)印制在上层介质板(1)的上表面，下层方形微带贴片(5)印制在下层介质板(2)的上表面，上层介质板(1)和下层介质板(2)通过四个塑料螺钉(3)进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线其特征还在于其适合用作共面馈电的双极化微带贴片天线阵。
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