CN105846075A - 小型化宽带平面双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型化宽带平面双极化天线,从上至下依次包括正方形上层介质板、空气层、正方形下层介质板、金属地板,上层介质板上表面设有两个上层正方形金属贴片及一个正方形金属环,上层介质板下表面设有两个下层正方形金属贴片,上下表面的四个正方形金属贴片按正方形排列,正方形金属环将四个正方形金属贴片包围于内部中心,正方形金属环和四个正方形金属贴片之间设有间隙,本发明提出了一种印刷形式的偶极子双极化天线;经过HFSS仿真测试发现所设计的双极化天线能够覆盖2GHz‑3.1GHz,相对带宽大于40%,隔离度在带宽内大于30dB,交叉极化小于‑28dB,而天线辐射体包含介质板尺寸仅为0.345λ0,这是目前公开发表论文和发明中尺寸最小的。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,具体来说是一种基于印刷偶极子形式的小型化宽带平面双极化天线,适用于工作在无线通信系统,尤其适用于工作在MIMO系统。
背景技术
当前的通信领域对天线技术发展提出了诸多要求,基站天线一般采用双极化天线形式。大规模MIMO系统,采用极化与空间两个维度分集,简而言之是由双极化天线以一定的排布方式组成MIMO系统的一端,以达到高的分集增益。本发明正是基于上述需求,设计了用于基站通信的宽带平面双极化天线,具体来说是基于印刷偶极子形式的宽带平面双极化天线。
双极化天线技术已经相对成熟。其实现方式主要包括微带贴片天线和正交偶极子天线两种。而微带贴片形式的双极化天线设计基本上集中于馈电的设计。2012年Changliang Deng等设计了一个高隔离的全向辐射双极化天线,其采用修正电容耦合结构进行馈电。2013年,Xi-Wang Dai等设计了一个高隔离的全向辐射双极化天线,馈电采用的是六位功分器。2015年,Lan Cui等设计了一个辐射方向图为圆锥形的宽带圆形贴片天线,采用环形馈电技术。2016年,He Huang等设计了一个宽带双极化全向天线,馈电采用四位功分器。这些天线性能虽然良好,但是馈电结构都较为复杂,对加工条件要求很高,导致加工成本不可控制、批量生产困难。
当前关于印刷偶极子形式的双极化天线设计集中在平面化,小型化,宽带等。关注小型化与宽带,现有的设计中仅对辐射体,即金属部分尺寸进行统计,目前公开发表的论文或发明金属部分尺寸保持在0.36λ0以上,而通常情况下,负载金属的介质板大于该尺寸。大的辐射体就迫使天线地板尺寸加大以保证天线的方向性。这就导致了印刷偶极子的双极化天线难以在保证带宽的同时做到平面化和小型化。
2013年,X.L.Jiang等人在“A low-cost dual-polarized array antenna etched on a singlesubstrate”中提出了一种四叶草缝隙天线,相对带宽为23.5%(SWR<2),天线尺寸为100*100mm2(0.75λ0*0.75λ0),地板尺寸为300*300mm2。2014年Y.H.Cui等人在“A BroadbandDual-Polarized Planar Antenna for 2G/3G/LTE Base Stations”提出了一种由两对领结单元组成的双极化天线,相对带宽为56%(SWR<1.5),天线尺寸为56*56mm2(0.42λ0*0.42λ0),地板尺寸为134*134mm2。2014年,Z.D.Bao等人在“A Novel Broadband Dual-PolarizationAntennaUtilizing Strong Mutual Coupling”提出了一种具有金属地板的双极化天线,相对带宽为57.5%(SWR<1.5),天线尺寸为49.7*49.7mm2(0.386λ0*0.386λ0),地板尺寸为300*145mm2。2015年,Y.Liu等人在“Wideband Dual-polarized Planar Antenna for Base Stations”提出了一种双臂圆形开槽双极化天线,。相对带宽为48.2%(SWR<1.4),天线尺寸为50*50mm2(0.36λ0*0.36λ0),地板尺寸为130*130mm2。2015年,M.J.Li等人在“Wideband MagnetoelectricDipole Antennas With Dual Polarization and Circular Polarization”提出了一种磁偶极子双极化天线,相对带宽为48%(SWR<1.5),天线尺寸为60.5*60.5mm2(0.45λ0*0.45λ0),地板尺寸为300*145mm2。
发明内容
本发明的发明目的是:鉴于上述技术背景及要求,提出了基于印刷偶极子形式的小型化宽带平面双极化天线。具体来说,采用两组印刷偶极子来组成宽带平面双极化天线,为了完成小型化,引入了环形寄生结构。天线本身结构简单,可以做到充分的小型化。
对偶极子的阻抗匹配,有两种思路,一个是在馈电部分引入一定的结构,相当于引入激励的复杂度,来实现一定的阻抗匹配。第二种思路为在天线辐射部分引入一定的结构,使得阻抗匹配得以实现。实际上是在结构或者馈电中加入复杂性或者自由度,完成小型化,平面化的设计。两种方法各有特点。本发明采用在辐射结构外围加入环的方法,引入第二个谐振点,实现阻抗匹配。但是这种天线形式由于结构紧凑,模式之间相互影响,带宽均有降低。为了解决此问题,引入空气层。
对于隔离的问题,原则上如果两个相互正交的模式被准确的激励起来,其源分布,辐射场分布都相互正交。隔离度将达到相当高的水平。但是在实现过程中,由于馈电结构的引入,造成模式纯度有限,破坏了模式的纯度,正交性也因此被破坏。表现出的就是端口隔离降低。与此同时,在偶极子形式的双极化天线的激励中,馈电的安排极大的影响了结构的平面化。这个问题的解决方法为:将两个偶极子的一个臂印刷在贴片一面,另外一个臂印刷于贴片另外一面(偶极子的一个臂即一个正方形贴片)。而通过介质板上的通孔,采用微带形式的馈电,避免类似跳线的结构,使得天线形式完全平面化,而对辐射特性基本上不影响。馈电方式采用双端口同轴探针馈电,与常见的平行贴片的馈电方式相同,在上层贴片与地板上加激励。根据电流分布安排馈电,保证简并的模式被独立的激励。
正交偶极子形式的双极化天线正是将这种天线结构两种极化正交的模式分别激励起来,实现的双极化辐射特性。
本发明技术方案如下:
一种小型化宽带平面双极化天线,从上至下依次包括正方形上层介质板、空气层、正方形下层介质板、金属地板,所述上层介质板上表面设有两个上层正方形金属贴片及一个正方形金属环,上层介质板下表面设有两个下层正方形金属贴片,所述上下表面的四个正方形金属贴片按正方形排列,所述正方形金属环将所述四个正方形金属贴片包围于内部中心,且正方形金属环和四个正方形金属贴片之间设有间隙,处于对角线上的两个正方形贴片之间用馈电贴片连接,馈电贴片和同轴馈电线连接,馈电贴片上设有馈电端口。
作为优选方式,上层介质板介电常数为4.4,上层介质板边长L1=41.4mm、厚度t1=0.8mm。
作为优选方式,金属环的外边沿与上层介质板外边沿重合,金属环每条边的宽度W3=1.2mm。
作为优选方式,正方形贴片边长L2=17.5mm,相邻贴片之间的距离W1=1mm,贴片外边沿与金属环内边沿的距离W2=1.5mm。
作为优选方式,馈电贴片的长L4=2.914mm、宽W4=1mm,馈电端口距离馈电贴片边沿fr=0.69mm。
作为优选方式,下层介质板与上层介质板材料相同,下层介质板介电常数为4.4,下层介质板边长L3=100mm、厚度t2=1mm。
作为优选方式,金属地板为正方形,金属地板边长L3=100mm。
作为优选方式,空气层厚度h=30mm。
作为优选方式,正方形上层介质板、空气层、正方形下层介质板、金属地板通过四个尼龙螺钉连接成一体。
作为优选方式,上层介质板上方的四个角设有四个与尼龙螺钉配合的通孔,通孔半径为r=1mm,介质板同一边上相邻两个通孔之间的距离L5=36.7mm。
本天线的上述设计尺寸是通过分析电流加上HFSS仿真之后的优选尺寸。
本文设计首次提出加入寄生环完成平面偶极子形式双极化天线的小型化设计,通过此结构的加入,偶极子天线的尺寸缩减到0.34λ0。同时该设计可以引入类似结构中完成双极化天线小型化设计。
与以前公开的发明专利和论文相比,本发明的小型化宽带双极化天线主要针对馈电复杂和天线尺寸过大的问题。在馈电方面采用印刷偶极子的天线形式,通过介质板的通孔,避免跳线来使天线形式完全平面化;在尺寸方面,通过寄生结构的引入,本发明的宽带平面双极化天线是目前公开论文或发明中尺寸最小的,相对带宽为55.8%(SWR<2),天线尺寸为41.4*41.4mm2(0.345λ0*0.345λ0),地板尺寸为100*100mm2。本发明结构简单,加工工艺成熟、稳定,适用于工作无线通信系统,尤其适用于工作在MIMO系统。
本发明的有益效果是:提出了一种印刷形式的偶极子双极化天线。经过HFSS仿真测试发现所设计的双极化天线能够覆盖2GHz-3.1GHz,相对带宽大于40%,隔离度在带宽内大于30dB,交叉极化小于-28dB,而天线辐射体包含介质板尺寸仅为0.345λ0,这是目前公开发表论文和发明中尺寸最小的。
附图说明
图1为本发明的俯视图;
图2为本发明馈电部分的局部放大图;
图3为本发明的侧视图;
图4为本发明的主辐射结构没有加金属环的特征值分布图;
图5为本发明主辐射结构加上金属环的特征值分布图;
图6为本发明的S参数分布图;
图7为本发明两个端口的辐射方向图;
图8为本发明两个端口的辐射效率。
图9为本发明两个端口的增益图;
1为上层正方形金属贴片,2为金属环,3为馈电贴片,4为馈电端口,5为下层正方形金属贴片,6为上层介质板,7为同轴馈电线,8为尼龙螺钉,9为下层介质板,10为金属地板,11为空气层,12为通孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种小型化宽带平面双极化天线,从上至下依次包括正方形上层介质板6、空气层11、正方形下层介质板9、金属地板10,所述上层介质板上表面设有两个上层正方形金属贴片1及一个正方形金属环2,上层介质板下表面设有两个下层正方形金属贴片5,所述上下表面的四个正方形金属贴片按正方形排列,所述正方形金属环2将所述四个正方形金属贴片包围于内部中心,且正方形金属环2和四个正方形金属贴片之间设有间隙,处于对角线上的两个正方形贴片之间用馈电贴片3连接,馈电贴片3和同轴馈电线7连接,馈电贴片上设有馈电端口4。
上层介质板介电常数为4.4,上层介质板边长L1=41.4mm、厚度t1=0.8mm。
金属环2的外边沿与上层介质板外边沿重合,金属环每条边的宽度W3=1.2mm。
正方形贴片边长L2=17.5mm,相邻贴片之间的距离W1=1mm,贴片外边沿与金属环内边沿的距离W2=1.5mm。
馈电贴片的长L4=2.914mm、宽W4=1mm,馈电端口4距离馈电贴片边沿fr=0.69mm。
下层介质板与上层介质板材料相同,下层介质板介电常数为4.4,下层介质板边长L3=100mm、厚度t2=1mm。
金属地板10为正方形,金属地板边长L3=100mm。
空气层11厚度h=30mm。
正方形上层介质板、空气层、正方形下层介质板、金属地板通过四个尼龙螺钉8连接成一体。
上层介质板上方的四个角设有四个与尼龙螺钉配合的通孔12,通孔半径为r=1mm,介质板同一边上相邻两个通孔之间的距离L5=36.7mm。
本天线的上述设计尺寸是通过分析电流加上HFSS仿真之后的优选尺寸。
本发明的工作原理是这样的:天线结构主辐射结构由四个正方形贴片组成,而为了阻抗匹配引入了金属环。天线本身结构简单,可以做到充分的小型化。将两个偶极子的一个臂印刷在贴片一面,另外一个臂印刷于贴片另外一面(偶极子的一个臂即一个正方形贴片),而通过介质板上的通孔,采用微带形式的馈电,避免类似跳线的结构,使得天线形式完全平面化,而对辐射特性基本上不影响。采用金属环来实现阻抗匹配,既不增加馈电的复杂性又成功加大了带宽。
图1、2和3示例性地描述了小型化宽带平面双极化天线设计结构。
图4、5分别为本发明小型化宽带平面双极化天线的主辐射结构没有加和加了金属环的特征值分布图。在图4中,偶极子对应的特征值集中在特征值为-0.5附近的曲线,只是模式序号变化了。模式1在2.8GHz附近迅速衰减畸变,而模式4由几乎在同一个频点迅速由原来的电流分布畸变为偶极子模式。而在图5中,特征值也集中在-0.5附近,不同的是在单纯的双极化天线中,模式并没有谐振。而在在加入金属环之后,模式谐振在2.75GHz附近。这就造成了两种结构不同的阻抗特性。
图6为本发明小型化宽带平面双极化天线的S参数分布图。可以看出,天线阻抗带宽可以达到40%以上(2-3.1GHz)。
图7为本发明小型化宽带平面双极化天线两个端口的辐射方向图。从图中发现,端口隔离大于30dB。同时交叉极化水平可以保持在-28dB以下。方向图在整个带宽内保持稳定。
图8为本发明小型化宽带平面双极化天线两个端口辐射效率图,两个端口在工作频带内辐射效率均大于0.97。
图9为本发明小型化宽带平面双极化天线两个端口的峰值增益图。天线两个端口在测试面内的峰值增益为8.1dBi。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:从上至下依次包括正方形上层介质板(6)、空气层(11)、正方形下层介质板(9)、金属地板(10),所述上层介质板上表面设有两个上层正方形金属贴片(1)及一个正方形金属环(2),上层介质板下表面设有两个下层正方形金属贴片(5),所述上下表面的四个正方形金属贴片按正方形排列,所述正方形金属环(2)将所述四个正方形金属贴片包围于内部中心,且正方形金属环(2)和四个正方形金属贴片之间设有间隙,处于对角线上的两个正方形贴片之间用馈电贴片(3)连接,馈电贴片(3)和同轴馈电线(7)连接,馈电贴片上设有馈电端口(4)。
2.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:上层介质板介电常数为4.4,上层介质板边长L1=41.4mm、厚度t1=0.8mm。
3.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:金属环(2)的外边沿与上层介质板外边沿重合,金属环每条边的宽度W3=1.2mm。
4.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:正方形贴片边长L2=17.5mm,相邻贴片之间的距离W1=1mm,贴片外边沿与金属环内边沿的距离W2=1.5mm。
5.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:馈电贴片的长L4=2.914mm、宽W4=1mm,馈电端口(4)距离馈电贴片边沿fr=0.69mm。
6.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:下层介质板与上层介质板材料相同,下层介质板介电常数为4.4,下层介质板边长L3=100mm、厚度t2=1mm。
7.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:金属地板(10)为正方形,金属地板边长L3=100mm。
8.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:空气层(11)厚度h=30mm。
9.根据权利要求1所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:正方形上层介质板、空气层、正方形下层介质板、金属地板通过四个尼龙螺钉(8)连接成一体。
10.根据权利要求9所述的小型化宽带平面双极化天线,其特征在于:上层介质板上方的四个角设有四个与尼龙螺钉配合的通孔(12),通孔半径为r=1mm,介质板同一边上相邻两个通孔之间的距离L5=36.7mm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160810 |