CN105720361B - 一种基于人工磁导体结构的宽带低剖面双极化全向天线 - Google Patents

一种基于人工磁导体结构的宽带低剖面双极化全向天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于人工磁导体结构的宽带低剖面双极化全向天线，它结构包括水平极化环天线、人工磁导体反射板结构、垂直极化天线，水平极化环天线与垂直极化天线垂直放置，其中环天线由印刷于第一介质(1)板两侧的四对旋转对称的印刷偶极子组成；人工磁导体结构由印刷于第一介质板(1)上表面的周期性贴片单元(22)，第二介质板(2)与金属地板(3)上表面间空气层，金属地板(3)构成；垂直极化天线由金属圆锥体(8)、印刷第三介质板(11)上表面的贴片(25)，以及短路柱(6)构成。本发明用于微型移动通信系统室内通信，在保证天线带宽、不圆度的前提下，有效的降低双极化全向天线的剖面高度。

Description

一种基于人工磁导体结构的宽带低剖面双极化全向天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体涉及一种可用于微型移动通信系统室内通信覆盖的宽带低剖面双极化全向天线。
背景技术
随着新一代移动通信的发展，微基站由于具有一体化、小型化、低成本、安装维护方便等优点而备受关注。设计微基站天线的难点之一在于在满足天线性能同时要求尽可能的降低天线的剖面高度、尺寸和成本。在城市以及室内通信中，通常除了要求微基站天线具有双极化、宽频带、低剖面等特点外，为了实现360度均匀全覆盖，安装在室内屋顶的微基站天线，还要求具有水平全向方向图的特性，以实现室内信号覆盖。随着4G通信的发展，天线带宽需要覆盖LTE的1710-2690MHZ频带，天线相对带宽达到45％。为了实现极化分集，要求天线能同时实现垂直极化和水平极化。
通常垂直极化全向天线都比较容易实现，比如单锥子、双锥天线等。J.-F.Zürcher等人在IEEE Trans.Antennas Propag(vol.62,no.4,pp.1888–1894,April.2014)上发表的题为“A Novel,Low-Profile,Vertically-Polarized UWB Antenna for WBAN”中介绍了一种低剖面超宽带单极子天线结构，该天线通过单锥子上面放置一个十字形的贴片加载，十字形贴片通过四根短路探针接地，从而有效的降低天线剖面高度，该天线在3.06-12GHz频段内实现S11<-10dB。相比垂直极化全向天线，水平极化天线的实现，相对而言比较困难，基本都要通过组阵的形式形成电流环来实现，这种天线带宽一般很窄，不超过10％。K.Wei等人在IEEE Antennas Wireless Propag(vol.11,pp.49–52,2012.)发表的“Design of awideband horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna”文章中，通过周期性的电容加载，实现了31％的带宽。
将单极子天线和环天线结合在一起可以实现双极化全向天线，考虑到在实际移动通信应用中，微基站室内天线为吸顶式安装，且一般需要与馈电/控制电路集成，因此在天线工作环境中应该考虑到金属大地板的影响。在全向双极化设计中，一方面，考虑到大地板的影响，水平极化天线与地板距离约为低频波长的四分之一；另一方面，垂直天线与水平天线间的耦合，这两者均导致天线剖面高度难以降低。例如李荣林发表在IEEETrans.Antennas Propag.(vol.61,pp.943–947,Feb.2013.)上的“A broadband dual-polarized omnidirectional antenna for base stations”中，将一个单极子天线和一个环天线纵向叠加于地板两侧形成一个双极化天线，并进行组阵。这种叠层方式明显增加了天线的高度。陈志彰发表在Wireless Symposium(pp.1–4,2014.)上的“A Novel BroadbandOmnidirectional Dual Polarized MIMO Antenna for 4G LTE Applications”文章中，将单极子天线与水平极化天线纵向叠加于地板同一侧，剖面高度约为107mm，显然难以满足新一代微基站天线低剖面要求。申请号为201010504764.6的专利申请所公开的技术方案中，基于小反射板的工作环境，将垂直极化天线与水平极化天线单元垂直叠层摆放于一侧来实现全向双极化天线。在申请号为201410027371.9的专利申请中，同样通过将垂直极化天线与水平极化天线简单的垂直叠层摆放实现双极化。以上公开的天线技术与成果均以牺牲天线的剖面高度为代价来保证天线性能，通过增大水平天线与反射板间距以及水平天线与垂直天线单元间的间隔来减小反射板对水平天线的影响以及两副天线间的耦合，并通过两副天线的简单叠加实现双极化。而微基站天线的实际工程应用，要求所设计的全向双极化天线在保证天线工作性能(带宽、不圆度、效率等)的前提下，实现较低的剖面高度。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有技术中考虑到大金属地板的影响后，双极化全向天线剖面高、带宽不足的问题，进而提出了一种基于人工磁导体结构(AMC)的宽带低剖面双极化全向天线。
本发明的一种基于人工磁导体结构的宽带低剖面双极化全向天线，包括水平极化环天线、人工磁导体反射板结构(AMC)、垂直极化单极子天线；
其中，水平极化环天线包括第一介质板，设置于第一介质板1上下表面的多个旋转对称的偶极子及偶极子馈电结构，即将每个偶极子的两个偶极子臂分别印刷在第一介质板的上下表面，设置于第一介质板下表面的第一偶极子臂、上表面的第二偶极子臂，一个偶极子的两个偶极子臂关于第一介质板旋转对称，且同一表面的偶极子臂位于同一圆周上，上下表面的偶极子馈电结构关于第一介质板对称设置；
位于第一介质板下表面的人工磁导体结构包括上表面设置有周期性贴片单元的第二介质板、金属地板，以及第二介质板的下表面与金属地板的上表面间的空气层；
位于第二介质板与金属地板之间的垂直极化天线包括第三介质板、设置于第三介质板上表面的贴片，该贴片通过短路柱与金属地板连接，与贴片连接的馈电探针，包裹馈电探针的金属圆锥体紧贴第三介质板的下表面且与金属地板的上表面存在间隙，与金属地板连接的馈电同轴外导体；
水平极化环天线与垂直极化天线垂直放置，且水平极化环天线的馈电同轴线通过位于第二介质板的通孔、垂直极化天线的通孔和金属地板的通孔在金属地板的下表面进行馈电，其中垂直极化天线的通孔贯穿第三介质板上表面的贴片、第三介质板、金属圆锥体。
本发明通过引入人工磁导体(AMC)反射板结构，合理利用人工磁导体(AMC)结构的相位反射特性以及全反射特性，有效的降低了天线的剖面高度同时减小两副天线间的互耦。通过将水平极化环天线与垂直极化天线垂直放置，保证了垂直与水平两种极化天线方向图的不圆度。通过垂直极化天线(单极化天线)的通孔，可以实现从金属地板下表面引线对环天线馈电。
进一步的，为了拓展水平极化天线的阻抗带宽、同时提高方向的交叉极化比，引入锥形馈电巴伦作为第一介质板的各偶极子的馈电结构。即各偶极子由锥形馈电巴伦通过阻抗渐变微带线进行馈电。
为了拓展天线的带宽，可在第一介质板的上表面设置多个位于同一圆周上的弧形寄生单元，第一介质板上表面的每个偶极子分别对应一对弧形寄生单元，且弧形寄生单元所在的圆周半径大于第二偶极子臂所在的圆周半径。另外，为了改善环天线在方位面的增益不圆度，可在第一介质板的上表面设置多个位于同一圆周上的弧形引向器，弧形引向器的个数与弧形引向器的个数相同，且弧形引向器所在的圆周半径大于弧形寄生单元所在的圆周半径。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：在保证全向双极化宽带化、高不圆度工作的同时，有效降低了全向双极化天线的剖面高度，更符合实际室内通信环境中的工程应用。
附图说明
图1是实施例1中所涉及的一种基于人工磁导体(AMC)反射板结构的宽带低剖面双极化全向天线三维结构正视图；
图2是印刷在图1所示的第一介质板上的水平极化天线俯视结构图；
图3是印刷在图1所示的第二介质板上的周期贴片结构图；
图4是实施例1的垂直极化天线与金属地板的结构图；
图5是实施例1中，人工磁导体(AMC)反射板结构与独立的金属地板的反射相位特性对比示意图；
图6是实施例1中，人工磁导体(AMC)反射板结构的回波损耗示意图；
图7是图1所示的双极化全向天线两个端口回波损耗以及端口间隔离度仿真结果示意图；
图8是图1所示的双极化全向天线的垂直极化天线(下层单极子天线)在俯仰面以及方位面的主极化和交叉极化仿真结果示意图；
图9是图1所示的双极化全向天线的水平极化天线(环天线)在俯仰面以及方位面的主极化和交叉极化仿真结果示意图；
图10是图1所示的双极化全向天线垂直极化天线与水平极化天线的天线辐射效率仿真结果对比示意图；
其中，1——第一介质板，2——第二介质板、3——金属地板、4——第一支撑件、5——第二支撑件、6——短路柱、7——馈电探针、8——金属圆锥体、9——垂直极化天线的馈电同轴外导体、10——水平极化天线的馈电同轴外导体、11——第三介质板、12——垂直极化天线的通孔、13——寄生单元、14——第一偶极子臂、15——第二偶极子臂、16——引向器、17——第一介质板上表面的锥形馈电巴伦、18——阻抗渐变微带线、19——第一介质板的通孔、20——第一介质板下表面的锥形馈电巴伦、21——第二介质板的第一通孔、22——第二介质板上表面的贴片、23——第二介质板中心的通孔、24——第二介质板的第二通孔、25——第三介质板上表面的贴片、26——金属地板的通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
参见图1～图4，本发明的宽带低剖面双极化全向天线包括：第一介质板1和第二介质板2以及金属地板3，为了使其固定，便于使用，采用第一支撑件4、第二支撑件5对其进行支撑。本实施例中第一支撑件4、第二支撑件5均采用塑料螺钉，其中第一支撑件4通过通孔19、通孔24后与金属地板3连接，第二支撑件5通过通孔21与金属地板3连接。第一介质板1采用圆形的FR4介质板，其厚度设置为1.6mm，第二介质板2的尺寸设置为185mm×185mm×2mm，金属地板3尺寸为200mm×200mm×2mm，双极化全向天线的整体尺寸设置为200mm×200mm×30.6mm。
构成垂直极化天线(单极子天线)的第三介质板采用厚度为1.0mm的FR4介质板。单极子天线的中心位置的加载贴片25采用圆形，且印制在第三介质板11的上表面，单极子天线的馈电同轴外导体9和金属地板3相连接，内导体——馈电探针7直接和单极子天线中心位置加载的贴片25连接，在馈电探针7的外面包裹着一个实心的金属圆锥体8，金属圆锥体8紧挨着第三介质板11的下表面，本实施例中，金属圆锥体8与第三介质板11采用集成圆锥体的介质板的结构实现。馈电探针7的外壁设置外螺纹，金属圆椎体8中心设置一个小孔，小孔内壁设置内螺纹，从而使得馈电探针7和金属圆椎体8通过类似于螺丝与螺帽的形式连接在一起，金属圆椎体8的高度设置为11.1mm，紧贴着第三介质板11的下表面，和金属地板3的上表面距离0.3mm。贴片25通过四根金属短路柱6连接到金属地板3上。
在单极子天线的上面是第二介质板2，第二介质板2的上表面周期的印刷着10×10个方形贴片22，第二介质板2下表面距离金属地板3上表面距离为20mm，第二介质板2、周期性方形贴片22、金属地板3以及第二介质板2下表面距离金属地板3上表面之间的20mm厚的空气层共同构成了本发明的人工磁导体结构(AMC)。
水平极化环天线(简称环天线)由分别印刷于第一介质板1上下表面的四个旋转对称的偶极子及偶极子馈电结构构成，即将每个偶极子的两个偶极子臂分别印刷在第一介质板的上下表面，且一个偶极子的两个偶极子臂关于第一介质板旋转对称：上表面的第二偶极子臂15及偶极子馈电结构(17、18)、下表面的第一偶极子臂14及偶极子馈电结构(20、18)，且同一表面的偶极子臂位于同一圆周上，上下表面的偶极子馈电结构关于第一介质板对称设置，上表面的偶极子臂15由锥形馈电巴伦17通过阻抗渐变微带线18进行馈电，下表面的偶极子臂14由锥形馈电巴伦20通过阻抗渐变微带线18进行馈电，其中阻抗渐变微带线18对称的印刷在第一介质板1的两侧(上下表面)。本实施例中，在第一介质板1的上表面将锥形馈电巴伦17连接50欧姆同轴线的内导体，通过阻抗渐变微带线18对偶极子臂15进行馈电；在第一介质板1的下表面将锥形馈电巴伦20连接50欧姆馈电同轴外导体10，通过阻抗渐变微带线18对偶极子臂14进行馈电，从而形成均匀的环电流分布。并且，在上表面的偶极子臂15外3.4mm处各设置有一对弧形的寄生单元13，在距第一介质板1的边缘1mm处设置4对弧形引向器16。即锥形馈电巴伦17、偶极子臂14印制在第一介质板1的下表面；偶极子臂15、四对寄生单元13、四对引向器16印制在第一介质板1的上表面。并且，水平极化环天线的馈电同轴外导体10通过第二介质板中心的通孔23以及贯穿贴片25、第三介质板11、金属圆椎体8的通孔12以及金属地板3的通孔26从地板下表面进行馈电。
上述宽带低剖面双极化全向天线的下层单极子天线工作于垂直极化状态，最上层的水平极化环天线工作于水平极化状态。对于工作于垂直极化的左侧(相对于图1中的馈电同轴外导体)单极子天线而言，金属圆锥体8通过圆形贴片25加载，可以有效的降低单极子天线的剖面高度，而加载圆形贴片25通过四根短路柱接地，从而有效的实现输入阻抗的匹配，使得天线的带宽拓宽。对于工作于水平极化的右侧(相对于图1中的馈电同轴外导体)环天线来说，它是由印刷于第一介质板1上下表面的四个旋转对称的弧形偶极子构成，每个偶极子的结构相同，在每个偶极子臂外3.4mm处紧贴着一对寄生单元13，用于拓展天线的带宽。偶极子分别由同轴内外导体进行馈电，由于馈电幅度相同，结构旋转对称，偶极子臂上的表面电流沿着一个方向(顺时针或者逆时针)均匀流动，和传统的环天线上表面电流分布类似，从而形成近似的环天线。在环天线四周各有一对弧形引向器16，用于改善环天线在水平面的方向图不圆度。
对于人工磁导体结构(AMC)，它是由第二介质板2、周期性方形贴片22、金属地板3以及第二介质板2下表面距离金属地板3上表面之间的20mm厚的空气层共同构成。图5是AMC结构与单独的金属地板分别对应的反射相位特性示意图，由图5所示，单独的金属大地板的反射相位为180°，因此为了保证水平极化环天线的正常工作，环天线与金属地板距离应约为低频(1.7GHz)的四分之一个波长(45mm)，与之相比，AMC结构在1.71GHz-2.69GHz频段内的反射相位为47°～-58°，从而在不影响环天线工作的前提下，环天线与AMC结构可以靠的很近，而另一方面，单极子天线与环天线分别垂直的放置于第二介质板2两侧(第二介质板2的上下表面)，图6为AMC结构的回波损耗，当环天线辐射到第二介质板2上表面时基本全反射，从而降低了环天线与单极子天线间的互耦。与之前已公开的天线技术相比，本发明利用人工磁导体结构(AMC)的全反射特性以及相位反射特性，将其应用到双极化全向天线中去，在确保全向双极化天线两个极化天线正常工作性能的前提下，有效的降低了天线的剖面高度。
图7是图1所示的双极化天线两个端口(水平极化端口为1，垂直极化端口为2)的回波损耗和隔离度仿真结果示意图，在1.7GHz至2.7GHz频段内，两个端口的回波损耗都大于12dB(对应电压驻波比小于1.7)，隔离度大于18dB。由于金属地板3的存在，天线方向图波束上翘，波束最大指向不再沿地板切向方向，而是与金属地板3切向方向存在一定的夹角，但在金属地板3法向方向增益始终很小，保证空心波束的方向图。图8是图1所示的水平极化天线单元馈电时，在1.7GHz，2.2GHz，2.7GHz三个频点仿真得到的俯仰面以及方位面方向图，其中方位面方向图为波束指向与金属地板3间夹角对应最大增益时所在方位面的方向图，主极化方向图对应的增益不圆度为1dB，最小辐射方向增益为2dBi。图9是图1所示的垂直极化天线馈电时，在1.7GHz，2.2GHz，2.7GHz三个频点仿真得到的方位面方向图，其中方位面方向图为波束指向与金属地板3夹角对应最大增益时所在方位面的方向图，主极化方向图对应的增益不圆度为3dB，最小辐射方向增益为0dBi。图10是图1所示的双极化全向天线垂直极化单元与水平极化单元的天线辐射效率仿真结果对比示意图，在1.7-2.7GHz频段内，水平极化天线辐射效率都在80％以上，垂直极化天线辐射效率在70％以上。
与已经公开的天线技术效果作对比，本发明在保证全向双极化宽带化、高不圆度工作的同时，通过引入人工磁导体(AMC)反射板结构，合理利用人工磁导体(AMC)结构的相位反射特性以及全反射特性，有效的降低了天线的剖面高度。本发明在保证天线带宽(1.7-2.7GHz)以及全向双极化天线正常工作性能(不圆度、效率等)的前提下，将天线剖面高度降至30.6mm，更符合实际室内通信环境中的工程应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种基于人工磁导体结构的宽带低剖面双极化全向天线，其特征在于，包括水平极化环天线、人工磁导体反射板结构、垂直极化单极子天线；
水平极化环天线包括第一介质板(1)，设置于第一介质板(1)上下表面的多个旋转对称的偶极子及偶极子馈电结构，将每个偶极子的两个偶极子臂(14、15)分别印刷在第一介质板的上下表面：设置于第一介质板(1)下表面的第一偶极子臂(14)、上表面的第二偶极子臂(15)，一个偶极子的两个偶极子臂关于第一介质板旋转对称，同一表面的偶极子臂位于同一圆周上，且上下表面的偶极子馈电结构关于第一介质板(1)对称设置；
位于第一介质板(1)下表面的人工磁导体结构包括上表面设置有周期性贴片单元(22)的第二介质板(2)、金属地板(3)，以及第二介质板(2)的下表面与金属地板(3)的上表面间的空气层；
位于第二介质板(2)与金属地板(3)之间的垂直极化天线包括第三介质板(11)、设置于第三介质板(11)上表面的贴片(25)、贴片(25)通过短路柱与金属地板(3)连接，与贴片(25)连接的馈电探针(7)，包裹馈电探针(7)的金属圆锥体(8)紧贴第三介质板(11)的下表面且与金属地板(3)的上表面存在间隙，与金属地板(3)连接的馈电同轴外导体(9)；
水平极化环天线与垂直极化天线垂直放置，水平极化环天线的馈电同轴线(10)通过位于第二介质板(2)的通孔(23)、垂直极化天线的通孔(12)和金属地板(3)的通孔(26)在金属地板(3)的下表面进行馈电，其中垂直极化天线的通孔(12)贯穿第三介质板(11)上表面的贴片(25)、第三介质板(11)和金属圆锥体(8)。
2.如权利要求1所述的双极化全向天线，其特征在于，各偶极子由锥形馈电巴伦通过阻抗渐变微带线进行馈电。
3.如权利要求1或2所述的双极化全向天线，其特征在于，第一介质板(1)上表面设置有多个位于同一圆周上的弧形寄生单元(13)，每个第二偶极子臂(15)分别对应一对弧形寄生单元(13)，且弧形寄生单元(13)所在的圆周半径大于第二偶极子臂(15)所在的圆周半径。
4.如权利要求3所述的双极化全向天线，其特征在于，弧形寄生单元与第二偶极子臂(15)的间距为3.4mm。
5.如权利要求3所述的双极化全向天线，其特征在于，第一介质板(1)上表面设置有多个位于同一圆周上的弧形引向器(16)，弧形引向器(16)的个数与弧形寄生单元(13)的个数相同，且弧形引向器(16)所在的圆周半径大于弧形寄生单元(13)所在的圆周半径。
6.如权利要求4所述的双极化全向天线，其特征在于，第一介质板(1)上表面设置有多个位于同一圆周上的弧形引向器(16)，弧形引向器(16)的个数与弧形寄生单元(13)的个数相同，且弧形引向器(16)所在的圆周半径大于弧形寄生单元(13)所在的圆周半径。
7.如权利要求1所述的双极化全向天线，其特征在于，第一介质板(1)为圆形。
8.如权利要求5所述的双极化全向天线，其特征在于，第一介质板(1)为圆形，弧形引向器(16)距离第一介质板(1)的边缘的距离为1mm。
9.如权利要求1所述的双极化全向天线，其特征在于，第三介质板(11)上表面的贴片(25)为圆形。
10.如权利要求1所述的双极化全向天线，其特征在于，水平极化环天线的馈电同轴线(10)通过的位于第二介质板(2)的通孔(23)所在位置为：第二介质板(2)的中心。
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