CN104868247B - 圆形背腔结构方向性三极化天线 - Google Patents
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Abstract
圆形背腔结构方向性三极化天线，涉及一种多端口馈电的腔体结构方向性天线。设有接地金属板、金属圆环、介质基板、同轴线和“十”字形金属单元；介质基板双面覆有金属层，在金属层上刻蚀有图案，介质基板中心切出一个圆柱体；在接地金属板中心位置设有一圆孔；金属圆环位于接地金属板和介质基板之间的金属侧壁；所述同轴线下端与接地金属板几何中心位置的馈电端口相连，同轴线向垂直于接地金属板的方向穿过介质基板的缝隙并继续延伸，同轴线内导体与“十”字形金属单元相连；介质基板的下表面涂覆有金属层，金属层上刻蚀有圆环缝隙和圆环贴片；介质基板上表面涂覆有4条相同的微带贴片；介质基板上切出的圆柱体的厚度与介质基板相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种多端口馈电的腔体结构方向性天线，尤其是涉及通过微带线馈电结合同轴馈电加载单极子进行辐射，具有高隔离度的一种圆形背腔结构方向性三极化天线。
背景技术
随着移动互联网的快速发展，如何提高频谱利用率，使得系统在有限的频带内传输更高速率的数据业务是现代通信技术研究的热点问题。MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术利用多天线系统的空时处理技术，能够同时收发成倍数据，显著改善通信系统的传输效率。“准4G”技术LTE采用了MIMO技术，对推动移动通信与个人通信系统实现高数据速率，改善传输质量具有重大意义。
MIMO系统是指在发射端和接收端同时采用多个天线的通信系统，在不增加带宽和发射功率的情况下可以成倍地提高信道容量和频谱利用率。决定MIMO系统分集性能的重要因素是支路之间的相关性(Winters J H,Salz J,Gitlin R D.The impact of antennadiversity on the capacity of wireless communication systems[J].Communications,IEEE Transactions on,1994,42(234):1740-1751)。对于空间分集MIMO天线，只要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，各对等效的收-发天线间的无线传输信道则趋于独立，接收机采用信号处理技术恢复出原始数据流。MIMO共极化多天线占据较大空间，增大天线系统运营成本。极化分集可以获得与空间分集相当的分集增益，在同一单元上发射或接收不同极化方向上的信号，有利于实现设备的小型化。
文献(Andrews M R,Mitra P P.Tripling the capacity of wirelesscommunications using electromagnetic polarization[J].Nature,2001,409(6818):316-318.)提出在多径环境下，多极化天线能够提高无线通信信道容量，并证实了多极化天线在无线通信系统中对于提高信道容量和传输速率方面的性能。目前已有多种可应用于MIMO系统的三极化天线。如文献(Oikonomopoulos-Zachos C,Rembold B.A 3-PortAntenna for MIMO applications[C]Antennas,2007.INICA'07.2nd International ITGConference on.IEEE,2007:49-52.)利用矩形贴片实现双极化，垂直于平面的单极子实现第三极化方向。设计了一种谐振于5.6GHz的WLAN频段应用。回波损耗和隔离度的实测值也符合要求，频带内端口之间隔离度的仿真值只有-17dB，第三端口的谐振曲线平坦。文献(Zhong H,Zhang Z,Chen W,et al.A tri-polarization antenna fed by proximitycoupling and probe[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2009,8:465-467.)利用双缝隙耦合馈电对贴片进行馈电，同样由同轴线加载圆盘实现三极化。天线的谐振曲线和隔离度改进很多，仿真隔离度小于-20dB，实测隔离度小于-16dB。天线具有体积小，易共形等特点。文献(Chiu C Y,Yan J B,Murch R D.Compact three-portorthogonally polarized MIMO antennas[J].Antennas and Wireless PropagationLetters,IEEE,2007,6:619-622.)利用三个偶极子单元设计的三极化天线。该天线由三个互相垂直的辐射单元构成，以此获得较好的端口隔离度和低端口间信号相关系数。实测结果显示在谐振频点的端口隔离度大于18dB，但其中两个端口的回波损耗仅达到-12dB。天线的增益和效率分别是4.8dBi和80％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高隔离度、定向辐射、结构紧凑等特点的圆形背腔结构方向性三极化天线。
本发明设有接地金属板、金属圆环、介质基板、同轴线和“十”字形金属单元；
所述介质基板双面覆有金属层，在金属层上刻蚀有图案，介质基板的中心位置切出一个圆柱体；所述接地金属板为一正方形结构，在接地金属板中心位置设有一圆孔，以提供第三极化方向的馈电端口；所述金属圆环位于接地金属板和介质基板之间的金属侧壁；所述同轴线下端与接地金属板几何中心位置的馈电端口相连，同轴线向垂直于接地金属板的方向穿过介质基板的缝隙并继续延伸，同轴线内导体与“十”字形金属单元相连；
所述介质基板的下表面涂覆有金属层，金属层上刻蚀有圆环缝隙和圆环贴片；所述介质基板的上表面涂覆有4条相同的微带贴片；所述介质基板上切出的圆柱体的厚度与介质基板相同。
所述介质基板上表面的微带贴片中相邻的两个贴片作为微带馈电线分别连接第一极化端口和第二极化端口，另外两个相邻的微带贴片通过金属贴片与腔体侧壁连接。
所述同轴线位于腔体的中心位置，同轴线下端与接地金属板相连，在同轴线与接地板相接处设置馈电端口，构成第三极化端口，三个极化方向两两正交，同轴线穿过介质基板的缝隙向上延伸，同轴线内导体与“十”字形金属单元相连。
所述圆环金属侧壁的下端与接地金属板连接，圆环金属侧壁的上端与介质基板的下表面连接。
与现有技术比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：端口间的隔离度均在25dB以上。天线具有三极化特性，在最大辐射方向其极化隔离度均在25dB以上。本发明天线可用于WLAN的2.4GHz MIMO系统。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构图。
图2为介质基板上表面的俯视图。
图3为介质基板下表面的俯视图。
图4为单极子加载圆盘的侧视图。
图5为本发明实施例的侧视图。
图6为天线三个端口回波损耗的仿真值。在图6中，曲线a是天线回波损耗S11仿真曲线；曲线b是天线回波损耗S22仿真曲线；曲线c是天线回波损耗S33仿真曲线。
图7为天线端口间隔离度的仿真值。在图7中，曲线a是天线端口间隔离度S12仿真曲线；曲线b是天线端口间隔离度S13仿真曲线；曲线c是天线端口间隔离度S23仿真曲线。
图8为端口1或2激励时(另两端口接匹配负载)天线E面方向图。在图8中，曲线a是端口1、2激励时E面主极化方向图；曲线b是端口1、2激励时E面交叉极化方向图。
图9为端口1或2激励时(另两端口接匹配负载)天线H面方向图。在图9中，曲线a是端口1、2激励时H面主极化方向图；曲线b是端口1、2激励时H面交叉极化方向图。
图10为端口3激励时(另两端口接匹配负载)天线E面方向图。在图10中，曲线a是端口3激励时E面主极化方向图；曲线b是端口3激励时E面交叉极化方向图。
图11为端口3激励时(另两端口接匹配负载)天线H面方向图。在图11中，曲线a是端口3激励时H面主极化方向图；曲线b是端口3激励时H面交叉极化方向图。
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。
参见图1，是本发明实施例提供的圆环背腔方向性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,所述圆环背腔方向性三极化天线包括接地金属板4、金属圆环3、介质基板1、同轴线12和“十”字形金属单元14。所述介质基板1双面覆有金属层，金属层上刻蚀有特定图案，介质基板的中心切出一个圆柱体11；所述接地金属板4为一正方形结构，在其中心位置设有一圆孔15，用于提供第三极化方向的馈电端口；所述金属圆环3是位于接地金属板4和介质基板1之间的金属侧壁；所述同轴线12下端与接地金属板4的几何中心位置的馈电端口相接，向垂直于接地金属板4的方向穿过介质基板1的缝隙11并继续延伸一段距离，同轴线内导体13与“十”字形金属单元14相连。
参见图2，所述介质基板1为圆形结构，介质基板1的直径2R为42～46mm，厚度h为1～1.5mm，介质基板1的相对介电常数为1～3，损耗角正切值不大于0.01；圆柱体11的直径2R0可为4.5～5.2mm，优选4.8mm，厚度与介质基板1相同。所述4条相同的矩形微带线5、6、7、8的长度d可为8～9mm，优选8.5mm，宽度c可为1.5～2.5mm，优选2mm，靠近介质基板1的边界对称放置4条矩形微带线的短边。
参见图3，所述圆形贴片2的内径2R为42～46mm，在圆形贴片2上刻蚀有圆环缝隙9和圆环贴片10，圆环缝隙9的外径2R1为33mm(可为32～34mm)，内径2R2为30.7mm(可为30～31mm)；圆环贴片10的外径2R2为30.7mm(可为30～31mm)，内径2R3为24mm(可为23～25mm)。贴片2和圆环缝隙9、圆环贴片10的几何中心重合。
参见图4，所述同轴线外导体12的横截面外径2r1为3.2mm(可为2.8～3.6mm)，内径2r2为2.8mm(可为2.5～3.0mm)，高度H3为19.3mm(可为18.5～20mm)；同轴线内导体13的横截面直径2r3为0.9mm(可为(0.7～1.1mm)，高度H2为25.3mm(可为24～26mm)；所述“十”字形金属单元14为两条长方体垂直放置，长度a为4.2mm(可为4～4.5mm),宽度b为0.9mm(可为0.7～1.1mm)，厚度为0.5mm。
参见图5，所述正方形接地金属板4的边长L为66mm(可为64～68mm)；所述金属圆环3的高度H0为9.4mm(可为9～10mm)，直径与介质基板的外径相同。贴片5和6作为微带馈电线分别连接第一和第二方向极化波端口，金属贴片16连接微带贴片8和金属圆环3，金属贴片17连接微带贴片7和金属圆环3，贴片16和17的宽度与微带贴片7和8相同，高度与介质基板1的厚度相同；圆孔15连接第三极化方向波的馈电端口，三个极化方向相互垂直。
参见图6，天线3个端口回波损耗频率曲线的仿真值图。由于结构对称性，天线5、6两个馈电端口的回波损耗曲线理论上是相同的。由仿真曲线可见，馈电端口5、6的-10dB回波损耗带宽范围为2.43～2.48GHz，馈电端口15的-15dB回波损耗带宽范围为2.40～2.50GHz。
参见图7，天线端口间隔离度的仿真值图。在工作频带2.43～2.48GHz内，端口5和6之间的隔离度大于30dB，端口15与端口5、6的隔离度均大于25dB。
图8～11为天线3个端口分别激励(另两端口接匹配负载)时的方向图。图8为馈电端口5或6激励时天线的E面方向图，图9为馈电端口5或6激励时天线的H面方向图，图10为馈电端口15激励时天线的E面方向图，图11为馈电端口15激励时天线的H面方向图。
由于端口5和6的对称性，端口5和6分别激励时的E面和H面方向图的仿真数值相同。图8～11表明，馈电端口5或6激励时，E面交叉极化小于-30dB，H面交叉极化小于-30dB；馈电端口15激励时，E面交叉极化小于-25dB，H面交叉极化小于-30dB。
圆形背腔结构方向性三极化天线，特征在于所述天线包括接地金属板、金属圆环、介质基板、同轴线和“十”字形金属单元；圆形腔体的顶面为刻蚀有特定图案的双面覆有金属的介质基板，腔体的底面连接接地的金属板，金属板与介质基板之间为圆环形的金属侧壁。腔体的中心位置有一垂直于接地板的同轴线，同轴线内导体与“十”字形金属单元相连。利用微带线对圆环缝隙进行耦合实现双极化和同轴线加载金属单元实现第三极化方向，三个极化方向相互正交。天线具有良好的端口隔离度和极化隔离度。-10dB阻抗带宽覆盖2.4GHz的WLAN频段，端口间的隔离度均在25dB以上。天线具有三极化特性，在最大辐射方向其极化隔离度均在25dB以上。本发明天线可用于WLAN的2.4GHz MIMO系统。
Claims (2)
1.圆形背腔结构方向性三极化天线，其特征在于设有接地金属板、金属圆环、介质基板、同轴线和“十”字形金属单元；
所述介质基板双面覆有金属层，在金属层上刻蚀有图案，介质基板的中心位置切出一个圆柱体；所述接地金属板为一正方形结构，在接地金属板中心位置设有一圆孔，以提供第三极化方向的馈电端口；所述金属圆环为位于接地金属板和介质基板之间的金属侧壁；由接地金属板、介质基板和金属圆环构成一个圆形背腔，腔体侧壁为金属圆环；所述同轴线下端与接地金属板几何中心位置的馈电端口相连，同轴线向垂直于接地金属板的方向穿过介质基板的中心圆柱体缝隙并继续延伸；
所述介质基板的下表面涂覆有金属层，金属层上刻蚀有圆环缝隙和圆环贴片；所述介质基板的上表面涂覆有4条相同的微带贴片；所述介质基板上切出的圆柱体的厚度与介质基板相同；
所述介质基板上表面的微带贴片中相邻的两个贴片作为微带馈电线分别连接第一极化端口和第二极化端口，另外两个相邻的微带贴片通过金属贴片与腔体侧壁连接；
所述同轴线位于腔体的中心位置，同轴线下端与接地金属板相连，在同轴线与接地板相接处设置馈电端口，构成第三极化端口，三个极化方向两两正交，同轴线穿过介质基板的缝隙向上延伸，同轴线内导体与“十”字形金属单元相连。
2.如权利要求1所述圆形背腔结构方向性三极化天线，其特征在于所述金属圆环侧壁的下端与接地金属板连接，金属圆环侧壁的上端与介质基板的下表面连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170627 |