CN105789875A

CN105789875A - 一种低剖面宽带双极化天线

Info

Publication number: CN105789875A
Application number: CN201610228147.5A
Authority: CN
Inventors: 连瑞娜; 尹应增; 杨赵; 唐朝阳; 张慈磊
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2036-04-13
Also published as: CN105789875B

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带双极化天线，所述低剖面宽带双极化天线包括：方形天线、泡沫、人工磁导体；所述方形天线放置在泡沫上方，所述泡沫填充在方形天线和人工磁导体中间，所述人工磁导体紧贴泡沫下表面放置。本发明采用平面的馈电结构，结构简单，容易加工和制作；在贴片天线上刻蚀了阶梯状缝隙和三角形缝隙，并采用阶梯状的微带线对天线进行馈电，从而改善了天线的阻抗匹配带宽；采用人工磁导体取代了金属地板，使天线的剖面高度由原来的0.25λ降低到0.1λ，同时抑制了双极化缝隙天线的后向辐射，提高了天线的前后比。而天线的工作带宽、交叉极化和隔离度并未因为天线剖面的降低而受到明显的影响。

Description

一种低剖面宽带双极化天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种低剖面宽带双极化天线。

背景技术

随着无线终端设备的快速发展和广泛应用，人们对无线通信的需求已不仅局限于简单的语音通讯，对流媒体数据信号的需求也变得越来越迫切，并对信号传输的速度和质量提出了更高要求。这就需要对天线不断优化升级，从而可以从整机层面有效地改善通信系统的容量和质量。由于许多无线通信设备工作的电磁环境较为复杂，极易受多径衰落效应的影响。而双极化天线采用极化分集可以明显地减弱多径衰落的影响，并且一副天线可以实现两副天线的功能，大大减少了所需天线的数量，有效降低了成本。因此，双极化天线近年来在工程和学术领域都受到了广泛的关注。为了服务多个无线通信系统，所设计的天线应该具有较宽的工作频带。同时，随着无线通信设备的小型化，为用于收发电磁波的天线所留的空间越来越小。因此，对于低剖面宽带双极化天线的需求越来越多。微带天线有着许多优点，比如重量轻、价格低、易共形、剖面低，成为一个实现双极化天线不错的选择。然而，微带天线的工作带宽窄以及端口隔离差限制了其应用。

近年来，天线设计人员提出了一系列的改善微带天线工作频带和端口隔离的馈电方法。提出了曲折型的馈电探针、T型馈电探针、L型探针和缝隙耦合的混合型馈电、差分馈电等。虽然这些馈电方式改善了双极化天线的工作带宽和端口隔离，但是却导致了天线较高的剖面，并且这些三维的馈电结构给加工以及安装造成了一定的困难。

相反地，缝隙天线具有平面馈电结构但具有较大的后向辐射。为了获得定向的辐射和较高的增益，一般将一块金属反射板放在缝隙天线的下方。然而，当缝隙天线离反射板太近时，由于镜像电流的出现会导致天线效率的降低，阻抗匹配带宽变窄等。为了解决这个问题，反射地板往往放置在距离天线四分之一波长处。这样，虽然可以使天线获得较高的增益，但同时将导致天线较高的剖面高度，无法满足现代天线小型化的需求。

近年来，人工磁导体由于具有同相反射和抑制表面波的特点而深受关注。人工磁导体在其反射相位为-90°～90°时可以代替金属地板成为天线的反射板，从而抑制后向辐射，提高天线的增益。此外，当天线离人工磁导体表面很近时，天线依然可以保持较好的工作特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低剖面宽带双极化天线，旨在解决现有的天线剖面过高的问题，天线剖面过高不仅造成视觉污染，同时也无法满足无线通信设备小型化发展的需求。

本发明是这样实现的，一种低剖面宽带双极化天线，所述低剖面宽带双极化天线包括：方形天线、泡沫、人工磁导体；

所述方形天线放置在泡沫上方，所述泡沫填充在方形天线和人工磁导体中间，所述人工磁导体紧贴泡沫下表面放置。

进一步，所述方形天线包括：辐射贴片、方形介质板、第一馈电微带线、第二馈电微带线、用于连接馈电微带线和辐射贴片的第一金属柱和用于连接馈电微带线和辐射贴片的第二金属柱组成；

所述方形介质板的上表面印制有金属辐射贴片，金属辐射贴片上蚀刻有4个相同的缝隙，在方形介质板的下表面印制有相互垂直的阶梯状的第一馈电微带线、第二馈电微带线；泡沫和方形介质板中间用粘合剂粘合。

进一步，所述缝隙由比较窄的长方形缝隙、三角形缝隙、较宽的长方形缝隙和位于较宽的长方形缝隙末端的第一圆形缝隙、第二圆形缝隙组成；

所述第一馈电微带线由长方形的第一微带线和第二微带线组成；

所述第二馈电微带线由长方形的第三微带线和第四微带线组成；

所述第一金属柱是用来连接第二微带线和第一金属条带，所述第二金属柱是用来连接第四微带线和第二金属条带。

进一步，所述第三微带线的线宽与第一微带线的线宽相等，第四微带线的线宽与第二微带线的线宽相等。

进一步，所述第一金属柱和第二金属柱的位置设置有金属化过孔。

进一步，所述缝隙的长度是天线的工作波长的一半。

进一步，所述人工磁导体是由7×7的金属贴片、介质基板和金属地板组成；

所述介质基板的上表面印制了7×7带有切角的金属贴片，介质基板的下表面印制有与介质基板面积等大的金属地板；在介质基板的上面是泡沫，泡沫的下表面与介质基板的上表面通过粘合剂粘合；通过第一金属柱和第二金属柱分别将第一金属条带与第二微带线、第二金属条带与第四微带线相连接；在第一微带线和第三微带线与介质板平齐的一端焊接两个50欧姆的第一SMA接头和第二SMA接头；

进一步，所述介质基板采用的是厚度为3mm，介电常数为4.5的FR4板材，金属贴片的边长Lp＝15.5mm，金属贴片之间的缝隙g＝1mm。

本发明提供的低剖面宽带双极化天线，通过使用设计的宽带人工磁导体作为缝隙天线的反射板，将其剖面高度从0.25λ降低至0.1λ(λ是低频的工作波长)；通过调整缝隙的宽度和长度，以及阶梯状馈电微带线的宽度，使得天线获得了38.9％的工作带宽，具体的工作频带为1.97～2.92GHz，在整个工作频带内端口与端口之间的隔离度大于30dB、交叉极化比主极化小33dB并且增益在8dBi以上。可以应用于WLAN/WIMAX以及LTE的无线通信系统中。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明由于馈电结构直接印制在介质板的背面，是简单的阶梯状的微带线结构，相对于三维的馈电结构来说，更加容易加工和焊接。

2、本发明在天线的辐射贴片上沿着对角线方向刻蚀了四条相同的箭头型的缝隙，并采用了垂直放置的阶梯状的微带线对天线进行馈电，改善了天线的阻抗匹配，从而获得了较宽的工作频带，可以满足不同的通信系统的需求。

3、本发明设计了具有宽带特性的人工磁导体材料，利用人工磁导体同相反射的特性，将天线的剖面高度从0.25λ降低到0.1λ(其中λ是指低频的工作波长)。与公开发表的同类型的天线相比，本发明所设计的天线剖面更低(发表的天线剖面高度一般为0.125λ)，实现的工作频带(38.9％)较宽(所发表的同类型的天线工作频带较宽的为26.6％)，端口之间的隔离度在整个工作频带内都大于30dB，交叉极化都比主极化小33dB。本发明所公布的天线在剖面高度和工作频带方面具有明显的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双极化缝隙天线的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的人工磁导体(AMC)的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的低剖面宽带双极化天线结构侧视图。

图4是本发明实施例提供的垂直入射到AMC表面的平面波反射相位。

图5是本发明实施例提供的实施例1的S_parameter-频率仿真结果图。

图6是本发明实施例提供的实施例1的S21-频率仿真结果图。

图7是本发明实施例提供的实施例1端口1在2.4GHz频点处E面的远场辐射方向图。

图8是本发明实施例提供的实施例1端口1在2.4GHz频点处H面的远场辐射方向图。

图9是本发明实施例提供的实施例1端口2在2.4GHz频点处E面的远场辐射方向图。

图10是本发明实施例提供的实施例1端口2在2.4GHz频点处H面的远场辐射方向图。

图中：1、方形天线；2、泡沫；3、人工磁导体；4、方形辐射贴片；41、缝隙；42、方形缝隙；43、较窄的长方形缝隙；44、三角形缝隙；45、较宽的长方形缝隙；46、第一圆形缝隙；47、第二圆形缝隙；5、方形介质板；6、第一馈电微带线；61、第一微带线；62、第二微带线；7、第二馈电微带线；71、第三微带线；72、第四微带线；8、第一SMA接头；9、第二SMA接头；10、第一金属柱；11、第二金属柱；12、第一金属条带；13、第二金属条带；14、金属贴片；15、方形介质基板；16、方形金属地板；

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。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1-图3所示，本发明实施例的低剖面宽带双极化天线主要包括：方形天线1、泡沫2、人工磁导体3。

所述双极化缝隙天线是放置在泡沫上方的方形天线1，所述的泡沫2是填充在双极化缝隙天线和人工磁导体中间的泡沫2，所述的人工磁导体3是紧贴泡沫2下表面放置的人工磁导体3；方形天线1是由方形辐射贴片4、方形介质板5、阶梯状的第一馈电微带线6、阶梯状的第二馈电微带线7、用于连接馈电微带线和辐射贴片的第一金属柱10和用于连接馈电微带线和辐射贴片的第二金属柱11组成，所述的人工磁导体3是由7×7的金属贴片14、介质基板15和方形金属地板16组成；在方形介质板5上表面印制有金属辐射贴片4，该方形金属辐射贴片4上蚀刻有4个相同的缝隙41，在方形介质板5的下表面印制有相互垂直的阶梯状的第一馈电微带线6、第二馈电微带线7；所述的缝隙41是由比较窄的长方形缝隙43、三角形缝隙44、较宽的长方形缝隙45和位于长方形缝隙末端的第一圆形缝隙46、第二圆形缝隙47组成，所述第一馈电微带线6是由长方形的第一微带线61和第二微带线62组成，所述的第二馈电微带线7是由长方形的第三微带线71和第四微带线72组成；所述的第一金属柱10是用来连接第二微带线62和第一金属条带12，所述的第二金属柱11是用来连接第四微带线72和第二金属条带13的。

上述低剖面宽带双极化天线，中间用于填充和固定的泡沫2的厚度为H。

上述低剖面宽带双极化天线，在第一金属柱10和第二金属柱11的位置设置有金属化过孔。

上述低剖面宽带双极化天线，缝隙41的长度大约是天线的工作波长的一半。

上述低剖面宽带双极化天线，用于馈电的第一馈电微带线6、第二馈电微带线7以相互垂直的方式印制在介质板5的下表面，用于激励缝隙天线实现双极化的特性，第三微带线71的线宽与第一微带线61的线宽相等，第四微带线72的线宽与第二微带线62的线宽相等。

上述低剖面宽带双极化天线，长方形缝隙43的宽度W_s1、三角形缝隙44的宽度W_s2、长方形缝隙45的宽度W_s3和第四微带线72和第二微带线62的宽度W_f1可以调节，使缝隙的阻抗和微带线的阻抗相匹配，从而实现天线较宽的工作频带。

上述低剖面宽带双极化天线，介质基板15的上表面印制的方形贴片14和贴片与贴片之间的缝隙g可以调节，从而保证人工磁导体的工作频带与双极化缝隙天线的工作频带相一致。

参照图3，方形介质基板15的上表面印制了7×7带有切角的金属贴片14，相邻贴片之间的间距为g，介质基板的下表面印制有与介质基板面积等大的金属地板16；在介质基板15的上面是厚度为H＝12mm的泡沫2，泡沫2的下表面与介质基板15的上表面通过粘合剂粘合；泡沫2的上面放置的是厚度为1mm的FR4方形介质板5，方形介质板5的上表面印制着金属贴片4，方形介质板5的下表面印制的是阶梯状的馈电微带线6和7；金属贴片4上蚀刻了四个相同的缝隙41，在金属贴片正中间蚀刻了一个方形缝隙42；第一馈电微带线6和第二馈电微带线7垂直放置，形成双极化天线；通过第一金属柱10和第二金属柱11分别将第一金属条带12与第二微带线62、第二金属条带13与第四微带线72相连接。在第一微带线61和第三微带线71的末端焊接两个50欧姆的第一SMA接头8和第二SMA接头9；泡沫2和方形介质板5中间用粘合剂粘合。

参照图3，介质基板15采用的是厚度为3mm，介电常数为4.5的FR4板材，金属贴片14的边长Lp＝15.5mm，金属贴片与贴片之间的缝隙g＝1mm；

参照图2，缝隙43的宽度W_s1＝0.5mm，缝隙44的宽边宽度W_s2＝5mm，缝隙45的宽度W_s3＝1mm，缝隙43、44和45的长度之和大约为天线工作波长的一半。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件ANSYSHFSS_15.0对上述实例的人工磁导体(AMC)的反射相位进行仿真计算，结果如图4所示。

1.2利用商业仿真软件ANSYSHFSS_15.0对上述实例的S₁₁与S₂₂参数(即端口1和2的自反射系数)进行仿真计算，结果如图5所示。

1.3利用商业仿真软件ANSYSHFSS_15.0对上述实例的S₂₁进行仿真计算，结果如图6所示。

1.4利用商业仿真软件ANSYSHFSS_15.0分别对上述实例端口1和端口2的不同主平面的远场辐射方向图进行了仿真计算，结果如图7～10所示，其中图7为实施例端口1馈电端口2处于匹配状态下的E面辐射方向图，图8为实施例端口1馈电端口2处于匹配状态下的H面辐射方向图，图9为实施例端口2馈电端口1处于匹配状态下的E面辐射方向图，图10为实施例端口2馈电端口1处于匹配状态下的E面辐射方向图。

2、仿真结果

参照图4，实施例中人工磁导体的同相反射区(以-90°～90°为标准)所覆盖的频率范围为1.85GHz～3.16GHz。

参照图5，以回波损耗大于10dB为标准，实施例端口1和端口2的公共阻抗带宽为1.97～2.92GHz，相对带宽为38.9％。

参照图6，实施例端口1和端口2之间的隔离度在整个工作频带(1.97GHz～2.92GHz)内大于30dB。

参照图7～图10，图7和图8分别为实施例端口1馈电，端口2接匹配负载的情况下，E面和H面的远场辐射方向图，图9和图10分别为实施例端口2馈电，端口1接匹配负载情况下，E面和H面的远场辐射方向图，实施例中的最大辐射方向始终沿着+Z轴，最大增益为8.2dBi，交叉极化低于主极化约33dB。

以上仿真结果说明，本发明天线具有较宽的工作带宽、较高的端口隔离度、较低的交叉极化、较高的增益以及较低的剖面高度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述低剖面宽带双极化天线包括：方形天线、泡沫、人工磁导体；

2.如权利要求1所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述方形天线包括：辐射贴片、方形介质板、第一馈电微带线、第二馈电微带线、用于连接馈电微带线和辐射贴片的第一金属柱和用于连接馈电微带线和辐射贴片的第二金属柱组成；

所述方形介质板上表面印制有金属辐射贴片，金属辐射贴片上蚀刻有4个相同的缝隙，在方形介质板的下表面印制有相互垂直的阶梯状的第一馈电微带线、第二馈电微带线；泡沫和方形介质板中间用粘合剂粘合。

3.如权利要求2所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述缝隙由比较窄的长方形缝隙、三角形缝隙、较宽的长方形缝隙和位于较宽的长方形缝隙末端的第一圆形缝隙、第二圆形缝隙组成；

4.如权利要求3所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述第三微带线的线宽与第一微带线的线宽相等，第四微带线的线宽与第二微带线的线宽相等。

5.如权利要求2所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述第一金属柱和第二金属柱的位置设置有金属化过孔。

6.如权利要求2所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述缝隙的长度是天线的工作波长的一半。

7.如权利要求1或2所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述人工磁导体是由7×7的金属贴片、介质基板和金属地板组成；

所述介质基板的上表面印制了7×7带有切角的金属贴片，介质基板的下表面印制有与介质基板面积等大的金属地板；在介质基板的上面是泡沫，泡沫的下表面与介质基板的上表面通过粘合剂粘合；通过第一金属柱和第二金属柱分别将第一金属条带与第二微带线、第二金属条带与第四微带线相连接；在第一微带线和第三微带线的与介质板平齐的一端焊接两个50欧姆的第一SMA接头和第二SMA接头。

8.如权利要求7所述的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述介质基板采用的是厚度为3mm，介电常数为4.5的FR4板材，金属贴片的边长Lp＝15.5mm，金属贴片之间的缝隙g＝1mm。