CN104201467B - 一种双馈双极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
一种双馈双极化微带天线，涉及一种贴片天线。设有介质基板和辐射贴片；辐射贴片设于介质基板正面，辐射贴片的几何中心与介质基板1的几何中心重合，介质基板的背面接地。辐射贴片呈齿轮状，辐射贴片设有中心圆片、4片相同的同心圆弧片、4片相同的辐条片及4个齿；以中心圆片为基准，4片同心圆弧片和4片辐条片对称设于中心圆片的外围，每片同心圆弧片通过1片辐条片与中心圆片接；4个齿均布正交位于辐射贴片的上下左右四个端部，且设于各同心圆弧片两端，4个齿中有相邻的2个齿为相同的U字形齿，相邻的另2个齿为相同的断开式齿，断开式齿是U字形齿设有径向中间断开口，径向中间断开口作为馈电端口。隔离度较高，具有良好的双极化特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种贴片天线，尤其是涉及通过槽线馈电的单向辐射高隔离度的一种双馈双极化微带天线。
背景技术
随着现代数字多媒体技术的飞速发展，人类在日常的移动通信中对图像、音频、视频等媒体的传输的需求日益增加。4G网络通信作为一项新兴的技术，与传统的通信技术相比，传输速率可以达到100Mbit/s，并且可以确保传输的稳定性和安全性。因此，4G网络受到越来越多的用户的关注。作为4G网络技术标注之一的TD-LTE技术，其关键技术便是MIMO(Multi-InputMulti-Output)技术。MIMO技术利用多天线系统的空时处理技术，能够同时传送多条数据，成倍提高系统的传输效率。
MIMO系统，指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，在不增加带宽的情况下可以成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。决定分集性能的重要因素是支路之间的相关性(WintersJH,SalzJ,GitlinRD.Theimpactofantennadiversityonthecapacityofwirelesscommunicationsystems[J].Communications,IEEETransactionson,1994,42(234):1740-1751)。对于传统空间分集MIMO天线，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对等效的发-收天线间的无线传输信道趋于独立，接收机采用信号处理技术能够恢复出原始数据流。故MIMO共极化多天线结构要占据较大空间，使天线系统成本增大，且各支路的平均接收功率差异变大导致天线单元间的相关系数增大。极化分集技术是在同一单元上采取不同极化来发射或接收信号，不同极化方向上的多径信号仅是部分相关的，因此，可以获得极化分集增益，分集性能与空间分集相当，并可以减少极化失配影响。
目前已有多种可应用于MIMO系统的双极化天线结构。如文献(AddaciR,DialloA,LeThucP,etal.Dual-bandwlanmulti-antennasystemwithhighisolation[C].AntennasandPropagation(EUCAP),Proceedingsofthe5thEuropeanConferenceon.IEEE,2011:2478-2482)利用两个平面倒F天线构成的共面双频双极化贴片天线，通过在接地面开槽，使得天线在两个频段内的辐射效率提高到95％以上，隔离性能优于20dB，但是在高频段的回波损耗只有-12dB。文献(LuJ,KuaiZ,ZhuX,etal.Ahigh-isolationdual-polarizationmicrostrippatchantennawithquasi-cross-shapedcouplingslot[J].AntennasandPropagation,IEEETransactionson,2011,59(7):2713-2717)采用准十字缝隙耦合馈电的双极化贴片天线，隔离度在工作频带内大体好于40dB，但在S21曲线内出现了两个峰值，严重影响了这个频带内的隔离性能，且此结构的馈电模型比较复杂；又由于采用缝隙耦合馈电，会向接地板背面辐射，影响天线的增益。文献(YuanD,DuZ,GongK,etal.Anoveldual-bandprinteddiversityantennaformobileterminals[J].AntennasandPropagation,IEEETransactionson,2007,55(7):2088-2096)介绍一种印制在电路板上的两个背向单极子构成的双频双极化天线，应用于移动终端上的能够实现双频工作的极化天线，但是其隔离度在两个频段内分别只有13dB和16dB。
发明内容
本发明的主要目的在于提供高隔离度、具有良好的双极化特性的一种双馈双极化微带天线。
本发明设有介质基板和辐射贴片；所述辐射贴片设于介质基板正面，辐射贴片的几何中心与介质基板1的几何中心重合，介质基板的背面接地。辐射贴片呈齿轮状，辐射贴片设有中心圆片、4片相同的同心圆弧片、4片相同的辐条片及4个齿；以中心圆片为基准，4片同心圆弧片和4片辐条片对称设于中心圆片的外围，每片同心圆弧片通过1片辐条片与中心圆片接；4个齿均布正交位于辐射贴片的上下左右四个端部，且设于各同心圆弧片两端，4个齿中有相邻的2个齿为相同的U字形齿，相邻的另2个齿为相同的断开式齿，所述断开式齿是U字形齿设有径向中间断开口，所述径向中间断开口作为馈电端口。
所述介质基板为正方形双面覆铜FR4微波介质基板，可市购；该介质基板的边长L可为55～65mm，厚度可为2～4mm；介质基板的相对介电常数可为3～5，损耗角正切值不大于0.01。
所述中心圆片的半径(d)可为5.5～6.0mm
所述4个齿的径向4片同心圆弧片的外径(2R)均可为22～23mm，内径(2r)均可为18～19mm。
所述径向中间断开口的宽度(c)可为3.5～4.0mm，长度(h)可为6.5～7.2mm，径向中间断开口两侧的齿宽(a)均可为2.5～3.5mm。
所述U字形齿的齿顶宽度(f)可为2.0～3.0mm。
所述4片辐条片的宽度(e)均可为2.4～2.8mm。
与现有技术比较，本发明具有以下突出优点：
由于采用上述技术方案，本发明在工作频带内，2个馈电端口之间的隔离度可为20dB以上。隔离度明显提高，天线具有良好的双极化特性，交叉极化小于-20dB。由于天线具有良好的端口隔离度和极化隔离度，因此可更好地适用于采用MIMO技术的无线通信系统。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例所述双馈双极化微带天线的两个端口S参数的仿真值。在图2中，曲线a1是天线回波损耗S11仿真曲线；曲线b1是天线回波损耗S22仿真曲线；a1与b1重合；曲线c1是天线两端口间隔离度S21仿真曲线；曲线d1是天线两端口间隔离度S12仿真曲线。
图3为本发明实施例所述双馈双极化微带天线的其中一个馈电端口(馈电端口5)激励时(另一馈电端口6接匹配负载)天线的H面方向图。在图3中，曲线a2为馈电端口5激励时的H面主极化方向图；曲线b2为馈电端口5激励时的H面交叉极化方向图。
图4为本发明实施例所述双馈双极化微带天线的馈电端口之一(馈电端口5)激励时(另一馈电端口6接匹配负载)天线的E面方向图。在图4中，曲线a3为馈电端口5激励时的E面主极化方向图；曲线b3为馈电端口5激励时的E面交叉极化方向图。
图5为本发明实施例所述双馈双极化微带天线的其中另一个馈电端口(馈电端口6)激励时(另一馈电端口5接匹配负载)天线的H面方向图。在图5中，曲线a4为馈电端口6激励时的H面主极化方向图；曲线b4为馈电端口6激励时的H面交叉极化方向图。
图6为本发明实施例所述双馈双极化微带天线的其中另一个馈电端口(馈电端口6)激励时(另一馈电端口5接匹配负载)天线的E面方向图。在图6中，曲线a5为馈电端口6激励时的E面主极化方向图；曲线b5为馈电端口6激励时的E面交叉极化方向图。
具体实施方式
参见图1，本实施例设有介质基板1和辐射贴片；辐射贴片设于介质基板1正面，辐射贴片的几何中心与介质基板1的几何中心重合，介质基板1的背面接地。辐射贴片的图案呈齿轮状，辐射贴片设有中心圆片7、4片相同的同心圆弧片2、4片相同的辐条片8、9、10和11，以及4个齿14、15、12和13。以中心圆片7为基准，4片同心圆弧片2和4片辐条片8、9、10和11对称设于中心圆片7的外围，每片同心圆弧片2通过1片辐条片与中心圆片7连接。4个齿均布正交位于辐射贴片的上下左右四个端部，且设于各同心圆弧片两端，4个齿中有相邻的2个齿14和15(位于右端和下端的齿)为相同的U字形齿，相邻的另2个齿12和13为相同的断开式齿，所述断开式齿是在U字形齿基础上设有径向中间断开口5和6，所述径向中间断开口5和6作为馈电端口。
所述介质基板1为正方形双面覆铜FR4微波介质基板，可市购。该介质基板1的边长L为55～65mm，厚度为2mm(可为2～4mm)；介质基板1的相对介电常数为3(可为3～5)，损耗角正切值不大于0.01。
所述中心圆片7的半径d为5.5mm(可为5.5～6.0mm)
所述4片同心圆弧片2的外径2R为22mm(可为22～23mm)，内径2r为18mm(可为18～19mm)。
所述径向中间断开口5和6的宽度c为3.5mm(可为3.5～4.0mm)，长度h均为6.5mm(可为6.5～7.2mm)，径向中间断开口5和6两侧的齿宽a为2.5mm(可为2.5～3.5mm)。
所述U字形齿的齿顶宽度f为3.0mm(可为2.0～3.0mm)。
所述4片辐条片的宽度e均为2.4mm(可为2.4～2.8mm)。
参见图2，由于天线结构的对称性，天线两个馈电端口的回波损耗频率曲线理论上是相同的。由仿真曲线可见，馈电端口5和6的-10dB回波损耗带宽范围为2.39～2.44GHz。由仿真曲线可见，工作频带2.39～2.44GHz内，隔离度S21和S12的仿真值大于20dB。
图3～6为天线两端口分别激励(另一端口接匹配负载)时的方向图。图3为槽线馈电端口5激励时天线H面方向图；图4为槽线馈电端口5激励时天线E面方向图；图5为槽线馈电端口6激励时天线H面方向图；图6为槽线馈电端口6激励时天线E面方向图。
由于天线结构的对称性，天线两个端口分别激励时的E面和H面方向图的仿真结果数值相同，但是两端口各自对应的E面和H面相互垂直。当槽线馈电端口5激励时，天线主极化为水平极化；当槽线馈电端口6激励时，天线主极化为垂直极化。图3～6表明，E面交叉极化小于-20dB，最大辐射方向交叉极化小于-35dB。H面交叉极化均小于-20dB。
Claims (8)
1.一种双馈双极化微带天线，其特征在于，设有介质基板和辐射贴片；
辐射贴片设于介质基板正面，辐射贴片的几何中心与介质基板的几何中心重合，介质基板的背面接地；辐射贴片呈齿轮状，辐射贴片设有中心圆片、4片相同的同心圆弧片、4片相同的辐条片及4个齿；以中心圆片为基准，4片同心圆弧片和4片辐条片对称设于中心圆片的外围，每片同心圆弧片通过1片辐条片与中心圆片接；4个齿均布正交位于辐射贴片的上下左右四个端部，且设于两个相邻同心圆弧片相邻的两端上，4个齿中有相邻的2个齿为相同的U字形齿，相邻的另2个齿为相同的断开式齿，所述断开式齿是U字形齿设有径向中间断开口，所述径向中间断开口作为馈电端口。
2.如权利要求1所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述介质基板为正方形双面覆铜FR4微波介质基板。
3.如权利要求1或2所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述介质基板的边长为55～65mm，厚度为2～4mm；介质基板的相对介电常数为3～5，损耗角正切值不大于0.01。
4.如权利要求1所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述中心圆片的半径为5.5～6.0mm。
5.如权利要求1所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述4个齿的径向4片同心圆弧片的外径均为22～23mm，内径均为18～19mm。
6.如权利要求1所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述径向中间断开口的宽度为3.5～4.0mm，长度为6.5～7.2mm，径向中间断开口两侧的齿宽均为2.5～3.5mm。
7.如权利要求1所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述U字形齿的齿顶宽度为2.0～3.0mm。
8.如权利要求1所述一种双馈双极化微带天线，其特征在于，所述4片辐条片的宽度均为2.4～2.8mm。
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