CN105406181A - 单极天线及多输入多输出天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供单极天线及多输入多输出天线，该单极天线包括：贴置在介质基板同一侧的辐射金属贴片、导带以及梯形地板，所述梯形地板对称贴置于所述导带的两侧，形成共面波导，所述辐射金属贴片上设有缺口和U形槽，所述U形槽的开口朝向所述导带，所述缺口开设在所述U形槽的开口朝向的区域之外。本发明可以抑制特定频段，并且可拓宽低频部分的带宽，并且天线的方向图更加稳定，全向性更好、天线增益也有所提高。

Description

单极天线及多输入多输出天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及单极天线及多输入多输出天线。

背景技术

随着无线通讯3G/4G技术的发展，无线用户激增，他们迫切需求高速稳定的通信质量，这要求天线不仅具有全向、宽带的特性，还要有较高增益。除此之外，无线产品设备的外观也要求便携美观，这就需要天线小型化且易于集成。

传统的宽带天线包括TEM喇叭天线、Vivaldi天线、加载单极天线、双锥天线及其变形结构等。其中TEM喇叭天线、Vivaldi天线是定向辐射天线，但天线尺寸比较大；对于加载单极天线，其虽然能利用加载技术换来一定的尺寸缩减和带宽提升，但是却降低了辐射效率；对于传统的双锥天线，因其剖面较高导致方向图带宽并不宽，基于目前宽带天线的各种缺点，演变出了印刷在PCB上的印刷天线。

现有的印刷单极天线，如图1所示，该单极天线由贴置在介质基板1同一侧的辐射单元2(辐射金属贴片)、导带4以及梯形地板3，梯形地板3对称贴置在导带4的两侧，形成共面波导，各个梯形地板3与导带4也形成间隙。该单极天线的梯形地板3和辐射单元2在同一面上，馈电采用共面波导馈电。但该单极天线不能抑制特定频段，在需要滤除一部分频带的场景中不适用。

发明内容

本发明提供单极天线及多输入多输出天线，用以解决现有技术中的单极天线不能抑制特定频段，在需要滤除一部分频带的场景中不适用的问题。

一种单极天线，包括贴置在介质基板同一侧的辐射金属贴片、导带以及梯形地板，所述梯形地板对称贴置于所述导带的两侧，形成共面波导，所述辐射金属贴片上设有缺口和U形槽，所述U形槽的开口朝向所述导带，所述缺口开设在所述U形槽的开口朝向的区域之外。

所述单极天线中，所述缺口开设在所述单极天线的馈电耦合区域之外。

这样可以不影响单极天线的馈电耦合。

所述单极天线中，所述辐射金属贴片为矩形金属贴片，所述缺口开设在所述矩形金属贴片的长边上，且该长边与所述导带连接；所述梯形地板为直角梯形金属贴片。

所述单极天线中，所述U形槽的总长度为预设阻带的中心频点工作波长的0.25倍。

所述单极天线中，所述矩形金属贴片的长边的长度为70mm，短边的长度为30mm；或，所述直角梯形金属贴片的上底宽度为20mm；或，所述矩形金属贴片与所述共面波导形成的间隙宽度为2.3mm。

本发明还提供一种二元阵列天线，包括两个上述单极天线，其中，两个单极天线所属的水平面平行且两个单极天线朝向同一方向。

所述二元阵列天线中，其中一个单极天线沿所述方向与另一单极天线错开设定距离，并且两个单极天线竖直方向形成第三间隙。

所述二元阵列天线中，其中一个单极天线的投影与另一个单极天线的投影部分重合。

所述二元阵列天线中，所述第三间隙宽度为10mm，所述设定距离为105mm。

本发明还提供一种二阶多输入多输出MIMO天线，包括两个如权利要求6-9任一所述的二元阵列天线，所述两个二元阵列天线所属的水平面平行，且两个二元阵列天线的中轴的投影呈90度夹角。

利用本发明实施例提供的单极天线以及多输入多输出天线，具有以下有益效果：可以抑制特定频段，并且可拓宽低频部分的带宽，并且天线的方向图更加稳定，全向性更好、天线增益也有所提高。

附图说明

图1为现有技术单极天线俯视图；

图2为本发明实施例提供的单极天线俯视图；

图3为本发明实施例提供的单极天线侧视图；

图4为利用本发明实施例提供的单极天线回波损耗随频率的变化曲线；

图5为本发明实施例提供的二元阵列天线俯视图；

图6为本发明实施例提供的二元阵列天线侧视图；

图7为本发明实施例提供的功分器示意图；

图8为本发明实施例提供二元阵列天线在未接入功分网络时的S参数曲线；

图9利用本发明实施例提供的二元阵列天线在低频段中心频点0.9GHz的辐射方向图；

图10为利用本发明实施例提供的二元阵列天线在高频段中心频点2.2GHz的辐射方向图；

图11为本发明实施例提供的二阶多输入多输出天线俯视图。

附图标记说明

1介质基板2辐射单元3梯形地板4导带

10介质基板20辐射金属贴片30梯形地板40导带

50输入/输出端口60U形槽601开口70缺口

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的单极天线及多输入多输出天线进行更详细地说明。

本发明实施例提供一种单极天线，如图2所示，包括贴置在介质基板10同一侧的辐射金属贴片20、导带40以及梯形地板30，所述梯形地板30对称贴置于所述导带40的两侧，形成共面波导，所述辐射金属贴片20上设有缺口70和U形槽60，所述U形槽60的开口601朝向所述导带40，所述缺口70开设在所述U形槽60的开口601朝向的区域之外。

其中，所述缺口70开设在所述U形槽60的开口601朝向的区域之外，其中，沿开口601朝向的方向作所述U形槽60的延长面，该延长面与辐射金属贴片20相交的部分称为开口601朝向的区域。

具体为缺口70开设在沿U形槽60的外部。该缺口70具体开设在辐射金属贴片20的边缘。该单极天线还包括输入/输出端口50。

具体的，辐射金属贴片20为辐射单元，通过在辐射金属贴片20部分开设有U形槽60，从而使得该单极天线可以抑制特定频段，U形槽60开设在辐射金属贴片20的不同位置可实现抑制不同频段的目的，进而产生不同的阻带。此外，本发明实施例在辐射金属贴片20上开设缺口70可拓宽低频部分的带宽。本发明实施例提供的单极天线的侧视图如图3所示，其中金属贴片层包括：辐射金属贴片20、导带40以及梯形地板30。

优选地如图2所示，所述缺口70开设在所述单极天线的馈电耦合区域之外。本发明实施例通过共面波导馈电，共面波导与辐射金属贴片20之间形成的间隙部分为馈电耦合区域，为了不影响该单极天线的馈电耦合，将辐射金属贴片20上的缺口70开设在馈电耦合区域之外。具体的馈电耦合区域的长度为图2中的Dmin，宽度为图2中的t。

本发明实施例提供的单极天线中的辐射金属贴片20的形状可以为圆形、椭圆形、矩形等，这里不做限定。

优选地如图2所示，辐射金属贴片20为矩形金属贴片，所述缺口70开设在所述矩形金属贴片的长边上，且该长边与所述导带40连接；所述梯形地板30为直角梯形金属贴片。

本发明实施例提供的单极天线的介质基板10的介电常数为3.48，厚度为1.524mm。

进一步优选地，缺口70开设在所述矩形金属贴片的长边上且该缺口70与该矩形金属贴片短边的距离在预设范围之内，该预设范围优选为其中，a表示矩形金属贴片的长边的长度，D_min＝2c+2g+w，其中，c表示直角梯形金属贴片的上底的长度，g表示直角梯形金属贴片与导带40形成的间隙宽度，w表示导带40的宽度。

具体的，单极天线中的各部分的参数大小可以通过实验得出，本发明通过实验得出的各部分最优的参数大小为：该单极天线中的U形槽60的总长度为预设阻带的中心频点工作波长的0.25倍，其中U形槽60的总长度指将U形槽60拉直后所形成的一字形槽的长度；矩形金属贴片的长边的长度a＝70mm，短边的长度b＝30mm。直角梯形金属贴片的上底宽度c＝20mm，下底宽度d＝140mm，高H＝75mm。导带40的宽度w＝2.2mm。直角梯形金属贴片与导带4形成的间隙宽度g＝0.4mm。矩形金属贴片与共面波导形成的间隙宽度t＝2.3mm。其中，Dmin＝2c+2g+w。具体的，该单极天线的输入/输出端口50接50欧姆的SMA(Sub-Miniature-A)接头，本发明实施例中的w和g分别为最终的w和g。

其中，抑制不同的频段即可产生不同的阻带，在具体应用场景中，可根据需要抑制的频段对应的阻带，设置U形槽60的长度，优选预设一个阻带，根据该预设阻带的中心频点工作波长确定U形槽60的长度，本发明实施例中的预设阻带对应的频段为0.96GHz-1.7GHz。

其中，可先根据共面波导特性阻抗计算公式计算出理论w和g的大小，在计算得出理论w和g的基础上，结合AnsolfHFSS13.0仿真软件对w和g不断调试，确定最终的w和g。本发明实施例确定的最终的w＝2.2mm，g＝0.4mm。进而根据最终的w和g调试得出t和Dmin的大小。

其中，共面波导特性阻抗Z₀计算公式如下：

$Z_0=\frac{30}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}\frac{K\left(k_0^{\′}\right)}{K\left(k_0\right)}$

其中，K()表示椭圆函数，k₀表示第一比例常数，k₀'表示第二比例常数，ε_eff为共面波导介质板相对有效介电常数。ε_eff可由以下公式计算得出：

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=1+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-1)}{2}\frac{K\left(k_1\right)K\left(k_0^{\′}\right)}{K\left(k_1^{\′}\right)K\left(k_0\right)}$

其中：ε_r表示相对介电常数，K()表示椭圆函数，k₁表示第三比例常数，k₁'表示第四比例常数。k₀、k₀'、k₁、k₁'分别可由以下公式计算得出：

$k_0=\frac{w}{w+2g},k_0^{\′}=\sqrt{1-k_0^2}$

$k_1=\frac{\sinh (\mathrm{\π}w/4h)}{\sinh \left(\mathrm{\π}\right(w+2g)/4h)},k_1^{\′}=\sqrt{1-k_1^2}$

其中，h为结合电磁边界条件数学推导过程得到的常数，w表示导带40的理论宽度，g表示直角梯形金属贴片与导带形成的间隙的理论宽度。

本发明实施例中，通过调整t和Dmin的大小可调节辐射金属贴片20和共面波导之间的耦合强度，这两个参数对天线的输入电抗影响较大。

基于上述各个参数的值，本发明实施例的单极天线介质基板10的长度为140mm，宽度为115mm，即，该单极天线的尺寸为长140mm，宽115mm。

利用本发明实施例提供的单极天线的尺寸参数所得到的单极天线的全向性相比现有技术更好，并且，该单极天线还具有高增益。如图4所示为利用本发明实施例提供的单极天线回波损耗(S₁₁)随频率(Frequency)的变化曲线，可以看到本发明实施例提供的单极天线在0.825GHz-0.96GHz和1.7GHz-2.7GHz这两个频段上匹配良好，从而使得该单极天线的增益更高。

本发明实施例还提供一种二元阵列天线，如图5和图6所示，包括两个上述各实施例提供的单极天线，其中，两个单极天线所属的水平面平行且两个单极天线朝向同一方向。

具体的，二元阵列天线中的每个单极天线所属的水平面不同，并且，两个单极天线朝向的方向相同，其中，两个单极天线朝向的方向相同可以体现在两个单极天线的U形槽60的开口朝向同一个方向或者两个单极天线的辐射金属贴片20的缺口70的开口朝向同一方向。

本发明实施例，通过将两个天线组合得到了一个二元阵列天线，该二元阵列天线是一种多输入多输出天线。

优选地，该二元阵列天线的其中一个单极天线沿任一单极天线的朝向与另一单极天线错开设定距离，并且两个单极天线竖直方向形成第三间隙。

该二元阵列天线的两个单极天线所属的两个水平面形成第三间隙，即，两个单极天线竖直方向形成第三间隙。进一步优选地，如图6所示，第三间隙宽度h_move＝10mm，所述设定距离L_move＝105mm。具体的，其中一个单极天线的投影与另一个单极天线的投影部分重合。

本发明实施例提供的二元阵列天线综合了单极天线的优点，同时还保证了在高频部分不出现栅瓣并减小了二元天线阵列的尺寸。

具体的，可以利用微带功分结构的功分器将射频信号同相位等幅的分配传输给该二元阵列天线的输入端，从而为该二元阵列天线中的两个单极天线馈电。该功分器如图7所示，为一个输入端和两个输出端的均分功分器，该功分器的介质基板的介电常数为10.2，厚度是1.6mm。该功分器的每个端口都与50欧姆的SMA(Sub-Miniature-A)接头连接。每个端口的微带线导带线宽都为w_2＝1.48mm，从而实现50欧姆的特性阻抗；当两个输出端口对应的微带线并联部分阻抗为35.4欧姆左右时，采用一个1/4波长阻抗变换结构来实现50欧姆到35.4欧姆的阻抗变换。该阻抗变换部分的长度L_1＝13.77mm，线宽W_1＝2.88mm。

如图8所示，为利用本发明实施例提供的二元阵列天线还未接入功分网络时的S(伞色)参数(parameter)，假设位于上方的单极天线的输入端口为第一端口，位于下方的单极天线的输入端口为第二端口，则图8中，S₁₁表征从第一端口输入能量，第二端口接匹配负载的场景下，从第一端口反射的能量和输入能量的比值；S₂₂表征从第二端口输入能量，第一端口接匹配负载的场景下，从第二端口反射的能量和输入能量的比值；S₂₁表征从第一端口输入能量的场景下，从第二端口输出能量和从第一端口输入能量的比值，该比值反映该二元阵列天线的端口隔离度。从图8可以看出，本发明实施例提供的二元阵列天线的匹配特性良好，并且两个单极天线之间保证了较好的端口隔离度。

如图9所示，为利用本发明实施例提供的二元阵列天线在低频段中心频点0.9GHz的辐射方向图，图9中的phi＝0度对应的辐射方向图代表了俯仰角度为0度的方向图，phi＝90度对应的辐射方向图代表了俯仰角度为90度的方向图，从图9可以看出该二元天线阵列可实现6dBi以上的增益(Gain)。

如图10所示，为利用本发明实施例提供的二元阵列天线在高频段中心频点2.2GHz的辐射方向图，图10中的phi＝0度对应的辐射方向图代表了俯仰角度为0度的方向图，phi＝90度对应的辐射方向图代表了俯仰角度为90度的方向图，从图10可以看出该二元天线阵列可实现6dBi以上的增益。

本发明实施例还提供一种二阶多输入多输出MIMO天线，如图11所示，包括两个上述各实施例提供的二元阵列天线，两个二元阵列天线所属的水平面平行，且两个二元阵列天线的中轴的投影呈90度夹角。

具体的，两个二元阵列天线彼此呈45度角分布，从而实现两个二元阵列天线的中轴的投影之间的夹角为90度，进而实现极化分集，并能保证较好的端口隔离度。两个二元阵列天线所属的水平面平行，且这两个平行的水平面之间有一定间隔。

利用本发明实施例提供的单极天线以及多输入多输出天线，具有以下有益效果：可以抑制特定频段，并且可拓宽低频部分的带宽，并且天线的方向图更加稳定，全向性更好、天线增益也有所提高。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种单极天线，包括贴置在介质基板同一侧的辐射金属贴片、导带以及梯形地板，所述梯形地板对称贴置于所述导带的两侧，形成共面波导，其特征在于，

所述辐射金属贴片上设有缺口和U形槽，所述U形槽的开口朝向所述导带，所述缺口开设在所述U形槽的开口朝向的区域之外。

2.如权利要求1所述的单极天线，其特征在于，所述缺口开设在所述单极天线的馈电耦合区域之外。

3.如权利要求1所述的单极天线，其特征在于，所述辐射金属贴片为矩形金属贴片，所述缺口开设在所述矩形金属贴片的长边上，且该长边与所述导带连接；所述梯形地板为直角梯形金属贴片。

4.如权利要求3所述的单极天线，其特征在于，所述U形槽的总长度为预设阻带的中心频点工作波长的0.25倍。

5.如权利要求3或4所述的单极天线，其特征在于，所述矩形金属贴片的长边的长度为70mm，短边的长度为30mm；或，所述直角梯形金属贴片的上底宽度为20mm；或，所述矩形金属贴片与所述共面波导形成的间隙宽度为2.3mm。

6.一种二元阵列天线，其特征在于，包括两个如权利要求1-5任一所述的单极天线，其中，两个单极天线所属的水平面平行且两个单极天线朝向同一方向。

7.如权利要求6所述的二元阵列天线，其特征在于，其中一个单极天线沿所述方向与另一单极天线错开设定距离，并且两个单极天线竖直方向形成第三间隙。

8.如权利要求7所述的二元阵列天线，其特征在于，其中一个单极天线的投影与另一个单极天线的投影部分重合。

9.如权利要求7或8所述的二元阵列天线，其特征在于，所述第三间隙宽度为10mm，所述设定距离为105mm。

10.一种二阶多输入多输出MIMO天线，其特征在于，包括两个如权利要求6-9任一所述的二元阵列天线，所述两个二元阵列天线所属的水平面平行，且两个二元阵列天线的中轴的投影呈90度夹角。