CN105071044A - 一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线 - Google Patents

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本发明公开了一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其包括天线结构架、设置于所述天线结构架上并形成有微带-“H”缝隙馈电结构的电路板、设置于所述天线结构架上并位于所述电路板上方的第一加载金属片、设置于所述天线结构架上并位于所述电路板下方的第二加载金属片；还包括设置于所述电路板上并分别与所述第一加载金属片和所述第二加载金属片形成有间隙的矩形介质谐振器；所述矩形介质谐振器绕所述电路板中心轴旋转45°，使所述介质谐振器两边分别在与所述电路板对角线平行的方向上，形成±45°双极化。

Description

一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体地说，是涉及一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线。
背景技术
随着FDD-LTE技术的不断成熟以及国家对FDD-LTE牌照的发放，自此中国移动通信业开始进入全面4G时代。天线作为无线通信系统最核心的部件之一，其性能的好坏直接影响到整个通信网络质量和用户体验。
双极化天线技术是利用正交电磁波不相干性和信号的多径传输效应，在收发双工模式下采用极化相互正交的天线同时工作，在无线信道中传输的信号会受到很多因素的衰落，这种分集技术可以有效地降低多径衰落的影响，提高系统的通信容量。
目前实现小型双极化基站天线设计的方法主要有两种：第一种为使用中心馈电的振子天线，第二种为使用改进的微带贴片天线。
第一种振子天线需要巴伦馈电，馈电结构和振子结构都较为复杂，加工难度大；第二种实现双极化需要采用多层结构，带宽较小且不易实现高隔离度。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线。本发明采用的技术方案如下：
一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其包括天线结构架、设置于所述天线结构架上并形成有微带-“H”缝隙馈电结构的电路板、设置于所述天线结构架上并位于所述电路板上方的第一加载金属片、设置于所述天线结构架上并位于所述电路板下方的第二加载金属片；还包括设置于所述电路板上并分别与所述第一加载金属片和所述第二加载金属片形成有间隙的矩形介质谐振器；所述矩形介质谐振器绕所述电路板中心轴旋转45°，使所述介质谐振器两边分别在与所述电路板对角线平行的方向上，形成±45°双极化。
根据一个优选的实施方式，所述电路板包括第三介质板和设置于所述第三介质板上表面的金属接地板；在所述金属接地板上开设有两个互相垂直的“H”形耦合缝，两个所述“H”形耦合缝中部矩形缝长边分别在与所述电路板对角线平行的方向上，并且两个所述“H”形耦合缝中心之间形成有间隙；在所述第三介质板上设置有两个分别与所述“H”形耦合缝垂直的微带馈线；在所述微带馈线的末端各设置有一不同尺寸的矩形开路枝节，在所述微带馈线的始端连接有天线射频接头；所述“H”形耦合缝与所述微带馈线构成所述微带-“H”缝隙馈电结构；并且所述矩形介质谐振器位于所述金属接地板中心正上方。
根据一个优选的实施方式，所述第一加载金属片为包括长边和短边的八边形，其对边两两相等，相邻长边和短边之间的夹角为135°；其中，短边边长wp1＝18mm，约为0.12λ0；长边边长wp2＝22.63mm，约为0.15λ0。
根据一个优选的实施方式，所述第二加载金属片为正方形，其边长lp＝65mm，约为0.42λ0。
根据一个优选的实施方式，所述第二加载金属片和所述电路板之间间隙的间距为h1＝12mm；所述矩形介质谐振器上表面和第一加载金属片下表面之间间隙的距离为h2＝3mm。
根据一个优选的实施方式，所述矩形介质谐振器的相对介电常数为12；其长a,宽b，高h满足以下关系：a＝b＝24mm、h＝12.5mm。
根据一个优选的实施方式，所述天线结构架包括用于安装所述电路板的支撑架、用于安装所述第一加载金属片的第一介质板和用于安装所述第二加载金属片的第二介质板；其中，所述支撑架为一金属框架，所述电路板固定于所述金属框架内；所述第一介质板和所述第二介质板分别通过支撑柱连接在所述支撑架上；所述第一加载金属片粘贴于所述第一介质板的下表面；所述第二加载金属片粘贴于所述第二介质板的上表面；并且，所述第一加载金属片和所述第二加载金属片的位置与所述电路板相对应。
根据一个优选的实施方式，所述支撑架为正方形，其厚度为4.6mm，宽度为67mm，约等于0.44λ0；用于安装所述第一加载金属片的所述第一介质板为正方形，其边长为lg＝67mm，约为0.44λ0。
根据一个优选的实施方式，所述第一介质板、所述第二介质板和所述第三介质板的材料均为高频板材FR4；其厚度为1.6mm，相对介电常数为3.38。
根据一个优选的实施方式，在所述支撑架侧面设置有卡板，用于固定天线射频接头。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明体积上做到小型化，高隔离度双极化，便于集成，适用范围广；
(2)本发明采用矩形介质谐振器为辐射主体，没有表面波损耗且自身介质损耗小，降低了欧姆损耗；
(3)本发明以矩形介质谐振器为主辐射体，第一加载金属片和第二加载金属片为寄生辐射体，可产生三个频率谐振点，相对带宽较宽，包含了国内FDD-LTE、WCDMA通信系统的主要频段，实用性强；
(4)本发明的增益高，极化纯度高，辐射面积广；
(5)本发明结构简单、成本低廉，值得大规模推广使用。
附图说明
图1为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线的结构示意图；
图2为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线的侧视图；
图3为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线的俯视图；
图4为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线的前视图；
图5为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线仿真S参数图；
图6为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线在1.86GHz辐射方向图；
图7为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线在1.94GHz辐射方向图；
图8为本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线在2GHz辐射方向图；
图9为本发明中电路板的结构示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-矩形介质谐振器，2-电路板，3-第一加载金属片，4-第二加载金属片，5-射频接头，6-支撑柱，7-支撑架，810-第一介质板，820-第二介质版，9-矩形开路枝节，12-卡板；110-第一H形耦合缝，120-第二H形耦合缝，210-金属接地板，220-第三介质板，111-第一微带馈线，112-第二微带馈线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1～4所示，其示出了本发明一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其包括天线结构架、设置于天线结构架上并形成有微带-“H”缝隙馈电结构的电路板2、设置于天线结构架上并位于电路板2上方的第一加载金属片3、设置于天线结构架上并位于电路板2下方的第二加载金属片4。另外，还包括设置于电路板2上并分别与第一加载金属片3和第二加载金属片4形成有间隙的矩形介质谐振器1；矩形介质谐振器1绕电路板2中心轴旋转45°，使介质谐振器1两边分别在与电路板2对角线平行的方向上，形成±45°双极化。
优选的，电路板2包括第三介质板220和设置于第三介质板220上表面的金属接地板210，如图9所示。
在金属接地板210上开设有两个互相垂直的“H”形耦合缝，两个“H”形耦合缝中部矩形缝长边分别在与电路板2对角线平行的方向上，并且两个“H”形耦合缝中心之间形成有间隙。对于H形耦合缝，中间矩形耦合缝用于调节耦合量大小，两端矩形缝用于调节天线阻抗。
如，H形耦合缝包括间隔设置并互相垂直的第一H形耦合缝110和第二H形耦合缝120。
在第三介质板220上设置有两个分别与“H”形耦合缝垂直的微带馈线。
如，微带馈线包括第一微带馈线111和第二微带馈线112。第一微带馈线111的与第一H形耦合缝110垂直，第二微带馈线112的与第二H形耦合缝120垂直。微带馈线包括第一、第二馈线，分别对应第一、第二H形耦合缝，馈线与H形耦合缝、H形耦合缝与H形耦合缝互相垂直保证了H形耦合缝的中间矩形缝内的电场方向平行于电路板的对角线方向(即±45°方向)，这样在介质谐振器内形成的电场方向也全部沿±45°方向。第一、第二微带馈线，其所对应的H形耦合缝相互垂直且中心有一定距离，保证两极化电场±45°正交和一定的隔离度
在微带馈线221的末端各设置有一不同尺寸的矩形开路枝节9，在微带馈线221的始端连接有用以馈电的天线射频接头5。在第一微带馈线111的末端端部设置有第一矩形开路枝节，其另一端连接有用以馈电的天线射频接头5。在第二微带馈线112的末端设置有第二矩形开路枝节，其始端连接有另一天线射频接头5。并且，第一矩形开路枝节与第二矩形开路枝节的尺寸不同。
“H”形耦合缝与微带馈线构成微带-“H”缝隙馈电结构。
矩形介质谐振器1位于金属接地板210中心正上方。并且，矩形介质谐振器1绕电路板2中心轴旋转45°，使介质谐振器1两边分别在与电路板2对角线平行的方向上，形成±45°双极化。其可以使天线具有体积小、结构简单、隔离度高、宽阻抗带宽、辐射方向图稳定和增益高优点，十分适合应用于移动通信基站天线。
通过H形耦合缝和微带馈线的组合可以形成微带-H缝隙馈电结构，在使用微带-H缝隙馈电结构下，矩形介质谐振器为主辐射体，第一加载金属片和第二加载金属片作为寄生辐射体。
如图5～8所示，采用矩形介质谐振为辐射主体，没有表面波损耗且自身介质损耗小，降低了欧姆损耗；以矩形介质谐振器为主辐射体，第一加载金属片和第二加载金属片为寄生辐射体，可产生三个频率谐振点，三个谐振点相互靠近，可实现天线宽带化，产生相对带宽较宽，包含了国内FDD-LTE、WCDMA通信系统的主要频段，实用性强。
优选的，第一加载金属片3为包括长边和短边的八边形，其对边两两相等，相邻长边和短边之间的夹角为135°；其中，短边边长wp1＝18mm，约为0.12λ0；长边边长wp2＝22.63mm，约为0.15λ0。其中，λ0表示中心频率波长。
优选的，第二加载金属片4为正方形，其边长lp＝65mm，约为0.42λ0。其中，λ0表示中心频率波长。
优选的，第二加载金属片4和电路板2之间间隙的间距为h1＝12mm；矩形介质谐振器1上表面和第一加载金属片3下表面之间间隙的距离为h2＝3mm。
优选的，矩形介质谐振器1的相对介电常数为12；其长a,宽b，高h满足以下关系：a＝b＝24mm、h＝12.5mm。
优选的，天线结构架包括用于安装电路板2的支撑架7、用于安装第一加载金属片3的第一介质板810和用于安装第二加载金属片4的第二介质板820。其中，支撑架7为一金属框架，电路板2固定于金属框架内。第一介质板810和第二介质板820分别通过支撑柱6连接在支撑架7上。第一加载金属片3粘贴于第一介质板810的下表面。第二加载金属片4粘贴于第二介质板820的上表面。第一加载金属片3和第二加载金属片4的位置与电路板2相对应。
优选的，支撑架7为正方形，其厚度为4.6mm，宽度为67mm，约等于0.44λ0，其中，λ0表示中心频率波长。用于安装第一加载金属片3的第一介质板810为正方形，其边长为lg＝67mm，约为0.44λ0，其中，λ0表示中心频率波长。
优选的，第一介质板810、第二介质板820和第三介质板220的材料均为高频板材FR4；其厚度为1.6mm，相对介电常数为3.38。
优选的，在支撑架7侧面设置有卡板12，用于固定天线射频接头5。
本发明采用辐射体层叠结构，馈电结构为微带-H缝隙，天线辐射方向图稳定、对称，天线的前后比值较高。本实施例中的天线在工作频带平均增益达到8dB左右，隔离度大于35dB。与传统介质谐振器天线相比具有体积小、高增益、隔离度高和宽带宽的优点。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，其包括天线结构架、设置于所述天线结构架上并形成有微带-“H”缝隙馈电结构的电路板(2)、设置于所述天线结构架上并位于所述电路板(2)上方的第一加载金属片(3)、设置于所述天线结构架上并位于所述电路板(2)下方的第二加载金属片(4)；
还包括设置于所述电路板(2)上并分别与所述第一加载金属片(3)和所述第二加载金属片(4)形成有间隙的矩形介质谐振器(1)；所述矩形介质谐振器(1)绕所述电路板(2)中心轴旋转45°，使所述矩形介质谐振器(1)两边分别在与所述电路板(2)对角线平行的方向上，形成±45°双极化。
2.根据权利要求1所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述电路板(2)包括第三介质板(220)和设置于所述第三介质板(220)上表面的金属接地板(210)；
在所述金属接地板(210)上开设有两个互相垂直的“H”形耦合缝，两个所述“H”形耦合缝中部矩形缝长边分别在与所述电路板(2)对角线平行的方向上，并且两个所述“H”形耦合缝中心之间形成有间隙；
在所述第三介质板(220)上设置有两个分别与所述“H”形耦合缝垂直的微带馈线；在所述微带馈线的末端各设置有一不同尺寸的矩形开路枝节(9)，在所述微带馈线的始端连接有天线射频接头(5)；
所述“H”形耦合缝与所述微带馈线构成所述微带-“H”缝隙馈电结构；并且所述矩形介质谐振器(1)位于所述金属接地板(210)中心正上方。
3.根据权利要求1所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第一加载金属片(3)为包括长边和短边的八边形，其对边两两相等，相邻长边和短边之间的夹角为135°；其中，短边边长wp1＝18mm，约为0.12λ0；长边边长wp2＝22.63mm，约为0.15λ0。
4.根据权利要求1所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第二加载金属片(4)为正方形，其边长lp＝65mm，约为0.42λ0。
5.根据权利要求1所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第二加载金属片(4)和所述电路板(2)之间间隙的间距为h1＝12mm；所述矩形介质谐振器(1)上表面和第一加载金属片(3)下表面之间间隙的距离为h2＝3mm。
6.根据权利要求1所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述矩形介质谐振器(1)的相对介电常数为12；其长a,宽b，高h满足以下关系：a＝b＝24mm、h＝12.5mm。
7.根据权利要求1至6之一所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述天线结构架包括用于安装所述电路板(2)的支撑架(7)、用于安装所述第一加载金属片(3)的第一介质板(810)和用于安装所述第二加载金属片(4)的第二介质板(820)；
其中，所述支撑架(7)为一金属框架，所述电路板(2)固定于所述金属框架内；
所述第一介质板(810)和所述第二介质板(820)分别通过支撑柱(6)连接在所述支撑架(7)上；
所述第一加载金属片(3)粘贴于所述第一介质板(810)的下表面；
所述第二加载金属片(4)粘贴于所述第二介质板(820)的上表面；
并且，所述第一加载金属片(3)和所述第二加载金属片(4)的位置与所述电路板(2)相对应。
8.根据权利要求7所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述支撑架(7)为正方形，其厚度为4.6mm，宽度为67mm，约等于0.44λ0；用于安装所述第一加载金属片(3)的所述第一介质板(810)为正方形，其边长为lg＝67mm，约为0.44λ0。
9.根据权利要求7所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质板(810)、所述第二介质板(820)和所述第三介质板(220)的材料均为高频板材FR4；其厚度为1.6mm，相对介电常数为3.38。
10.根据权利要求7所述的小型高隔离度双极化介质谐振器天线，其特征在于，在所述支撑架(7)侧面设置有卡板(12)，用于固定天线射频接头(5)。
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