CN106229667B - 一种嵌入式宽带双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式宽带双极化天线，包含位于上层的第一介质基板、位于下层的第二介质基板、刻蚀于第一介质基板下方的“十”字交叉型缝隙辐射结构、位于第一介质基板上方的第一微带线、位于第二介质基板下方的第二微带线、位于第一微带线末端与缝隙辐射结构短接的第一金属过孔、位于第二微带线末端与缝隙辐射结构短接的第二金属过孔、第一馈电同轴线、第二馈电同轴线、及第一介质基板下方与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构。本发明天线的阻抗相对带宽大于32％，两个端口的隔离度大于46dB，辐射方向图稳定，结构简单，容易加工，在无线通信领域以及共形天线领域有很好的应用前景。

Description

一种嵌入式宽带双极化天线
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术，特别涉及一种嵌入式宽带双极化天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信已经成为日常生活中不可缺少的一部分，不同的无线通信系统工作频段也不尽相同，宽带天线可以工作在多个频段，满足人们对于高速通信的需要。
双极化天线可以同时接收或者发射两个极化相互正交的电磁波，从而可以极大的提高无线通信系统的信息传递速率，同时可以有效的抑制由于多径传播效应引起的信号快速衰弱，提高通信质量。
缝隙天线是在金属表面开槽形成的一种天线，背腔式缝隙天线是在缝隙下方放置一个金属腔体，以实现对背腔方向电磁波辐射的抑制，达到定向辐射的功能。背腔式缝隙天线广泛应用于飞行器表面、金属物体表面等，易于制作成嵌入式天线，与飞行器表面、金属表面实现共形。但在现有的技术背景下，背腔式双极化缝隙天线很难同时兼具宽带、高隔离和稳定的辐射性能，故而成为了背腔式缝隙天线的瓶颈，阻碍了背腔式缝隙天线的实用化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌入式宽带双极化天线设计思路与方案，通过采用双层介质板、两条微带馈线、十字交叉型缝隙结构以及腔体结构进行组合，提出一种结构简单、工作频带宽、端口隔离度高、便于制作实现的嵌入式宽带双极化天线。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种嵌入式宽带双极化天线，包含位于上层的第一介质基板、位于下层的第二介质基板、刻蚀于第一介质基板下方的缝隙辐射结构、位于第一介质基板上方的第一微带线、位于第二介质基板下方的第二微带线、位于第一微带线末端与缝隙辐射结构短接的第一金属过孔、位于第二微带线末端与缝隙辐射结构短接的第二金属过孔、第一馈电同轴线、第二馈电同轴线、及第一介质基板下方与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构。
作为优选的技术方案，所述缝隙辐射结构为“十”字交叉型缝隙；所述缝隙由两条宽为w1、长为w2的缝隙在+45°和-45°方向正交放置，构成“十”字交叉型缝隙结构，相交缝隙的四个末端在+45°和-45°方向顶出角度为w7。
作为优选的技术方案，所述缝隙辐射结构的缝隙宽w1范围为0.01λ0-0.3λ0，缝隙长w2范围为0.5λ0-2λ0，缝隙的四个顶角w7角度范围为80°至180°；其中λ0为该天线中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
作为优选的技术方案，所述缝隙辐射结构关于中心点、X轴和Y轴对称；所述缝隙辐射结构中心交叉位置用四个长方形金属结构进行部分覆盖，长方形金属结构宽为w3、长为w4，对交叉部分在+45°和-45°方向进行宽为w5的切角；其中，宽w3范围为0.02λ0-0.2λ0、长w4范围为0.02λ0-0.2λ0、切角宽w5范围为0.001λ0-0.2λ0。
作为优选的技术方案，所述第一介质基板位于上方，大小为d1*d1*h1，所述第二介质基板位于第一介质基板下方并紧挨第一介质基板，大小为d2*d2*h2；所述第一介质基板和第二介质基板的相对介电常数范围为1-20，第一、第二介质基板的厚度h1、h2范围为0.003λ0-0.05λ0。
作为优选的技术方案，所述第一微带线4a和第二微带线4b由长宽分别为s1、g1和s2、g2的微带线组成；所述第一微带线位于X轴上，所述第二微带线位于Y轴上，第一、第二微带线的起点位置距离腔体边缘距离为s3；所述第一微带线及第二微带线的各参数范围为：s1范围为0.1λ0-0.5λ0，s2范围为0.1λ0-0.5λ0，s3范围为0.001λ0-0.2λ0，g1范围为0.02λ0-0.2λ0，g2范围为0.005λ0-0.2λ0。
作为优选的技术方案，所述第一微带线和第一金属过孔共同组成第一同轴馈线与天线之间的阻抗匹配电路，所述第二微带线和第二金属过孔共同组成第二同轴馈线与天线之间的阻抗匹配电路。
作为优选的技术方案，所述第一金属过孔位于第一微带线末端并与缝隙辐射结构短接；所述第二金属过孔位于第二微带线末端且与缝隙辐射结构短接，金属过孔高度为所在介质板高度，第一、第二金属过孔的直径范围为0.2mm-4mm。
作为优选的技术方案，所述第一馈电同轴线的内外导体分别接第一微带线和缝隙辐射结构来对缝隙进行馈电，形成垂直极化电磁波；第二馈电同轴线的内外导体分别接缝隙辐射结构和第二微带线来对缝隙进行馈电，形成水平极化电磁波，第一馈电同轴线和第二馈电同轴线分别从地板下方的孔洞引出，连接至SMA头。
作为优选的技术方案，所述金属腔体结构为位于第一介质基板下方并与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构，其大小为d2*d2*h3，d2的范围为0.5λ0-2λ0，金属腔体结构高度h3范围为0.1λ0-1λ0；金属腔体结构下表面在同轴线下方开两个圆孔以便引出同轴线；所述金属腔体结构下表面设有第一开孔和第二开孔，所述第一开孔和第二开孔的直径大于所用50欧同轴线直径；所述金属腔体结构为金属板制成，金属板的厚度范围为0.1mm-5mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明的嵌入式宽带双极化天线的阻抗相对带宽大于32％，两个端口具有高于46dB的隔离度，辐射方向图保持稳定，结构简单，容易加工，在无线通信领域以及共形天线领域有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明嵌入式宽带双极化天线立体图。
图2是本发明嵌入式宽带双极化天线的俯视图。
图3是本发明嵌入式宽带双极化天线的侧视图。
图4是本发明嵌入式宽带双极化天线的缝隙辐射结构俯视图。
图5是本发明嵌入式宽带双极化天线的第一、第二微带线的俯视图。
图6是本发明嵌入式宽带双极化天线的金属腔体结构的立体图。
图7是本发明嵌入式宽带双极化天线的阻抗和隔离度频率特性图。
图8是本发明嵌入式宽带双极化天线在频率2.25GHz处的XOZ平面的辐射方向图。
图9是本发明嵌入式宽带双极化天线在频率2.25GHz处的YOZ平面的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
结合图1、2、3、4、5、6所示，本发明的结构是：包含位于上层的第一介质基板1、位于下层的第二介质基板2、刻蚀于第一介质基板1下方用于完成天线信号的发射或者接收的“十”字交叉型缝隙辐射结构3、位于第一介质基板1上方的第一微带线4a、位于第二介质基板2下方的第二微带线4b、位于第一微带线4a末端与缝隙辐射结构3短接的第一金属过孔5a、位于第二微带线4b末端与缝隙辐射结构3短接的第二金属过孔5b、第一馈电同轴线6a、第二馈电同轴线6b、及第一介质基板1下方与缝隙辐射结构3相连的金属腔体结构7。
所述缝隙辐射结构3为“十”字交叉型缝隙；所述缝隙由两条宽为w1、长为w2的缝隙在+45°和-45°方向正交放置，构成“十”字交叉形缝隙结构，相交缝隙的四个末端在+45°和-45°方向顶出角度为w7。
所述缝隙辐射结构3的缝隙宽w1范围为0.01λ0-0.3λ0，缝隙长w2范围为0.5λ0-2λ0，缝隙的四个顶角w7角度范围为80°至180°；其中λ0为该天线中心谐振频率处所对应的自由空间波长。
所述缝隙辐射结构3关于中心点、X轴和Y轴对称；所述缝隙辐射结构3中心交叉位置用四个长方形金属结构进行部分覆盖，长方形金属结构的宽为w3、长为w4，对交叉部分在+45°和-45°方向进行宽为w5的切角。
所述第一介质基板1位于上方，大小为d1*d1*h1，所述第二介质基板2位于第一介质基板1下方并紧挨第一介质基板1，大小为d2*d2*h2；所述第一介质基板1和第二介质基板2的相对介电常数范围为1-20，第一、第二介质基板的厚度h1、h2范围为0.003λ0-0.05λ0。
所述第一微带线4a和第二微带线4b由长宽分别为s1、g1和s2、g2的微带线组成；所述第一微带线4a位于X轴上，所述第二微带线4b位于Y轴上，第一、第二微带线的起点位置距离腔体边缘距离为s3；所述第一微带线4a及第二微带线4b的各参数范围为：s1范围为0.1λ0-0.5λ0，s2范围为0.1λ0-0.5λ0，s3范围为0.001λ0-0.2λ0，g1范围为0.02λ0-0.2λ0，g2范围为0.005λ0-0.2λ0。
所述第一微带线4a和第一金属过孔5a共同组成第一同轴馈线6a与天线之间的阻抗匹配电路，所述第二微带线4b和第二金属过孔5b共同组成第二同轴馈线6b与天线之间的阻抗匹配电路。
所述第一金属过孔5a位于第一微带线4a末端并与缝隙辐射结构短接；所述第二金属过孔5b位于第二微带线4b末端并与隙辐射结构短接，金属过孔高度为所在介质板高度，第一、第二金属过孔的直径范围为0.2mm-4mm。
所述第一馈电同轴线6a的内外导体分别接第一微带线4a和缝隙辐射结构3来对缝隙进行馈电，形成垂直极化电磁波；第二馈电同轴线6b的内外导体分别接缝隙辐射结构3和第二微带线4b来对缝隙进行馈电，形成水平极化电磁波，第一馈电同轴线6a和第二馈电同轴线6b分别从地板下方的孔洞引出，连接至SMA头。
所述金属腔体结构7为位于第一介质基板1下方并与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构，其大小为d2*d2*h3，d2的范围为0.5λ0-2λ0，金属腔体结构7高度h3范围为0.1λ0-1λ0；金属腔体结构7下表面在同轴线下方开两个圆孔以便引出同轴线；所述金属腔体结构7下表面设有第一开孔7a和第二开孔7b，所述第一开孔7a和第二开孔7b的直径大于所用50欧同轴线直径；所述金属腔体结构7为金属板制成，金属板的厚度范围为0.1mm-10mm。
对照附图7，附图7给出了当第一介质基板1、第二介质基板2按照相对介电常数为2.2、厚度为1.51mm；缝隙辐射结构3中w1为0.117λ0、w2为0.84λ0、w3为0.038λ0、w4为0.085λ0、w5为0.0015λ0、w6为0.038λ0、w7为90°、s1为0.188λ0、s2为0.165λ0、s3为0.293λ0、g1为0.0346λ0、g2为0.012λ0时，通过HFSS仿真软件计算的所述天线的反射系数和隔离度频率特性。根据图7的结果可见，嵌入式宽带双极化天线在工作频带为1.88GHz-2.6GHz时回波损耗达-10dB，相对工作频带宽度大于32％，隔离度超过46dB,具有宽带和高隔离度的工作特性。
对照附图8、9，附图8、9给出了当第一介质基板1面积为1.88λ0*1.88λ0、第二介质基板2的面积为0.75λ0*0.75λ0、金属腔体高度h3为0.293λ0时，利用HFSS软件仿真计算得到的天线在工作频率为2.25GHz时，天线在XOZ及YOZ面增益方向图。从附图8、9可见，天线具有良好的辐射特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：包含位于上层的第一介质基板(1)、位于下层的第二介质基板(2)、刻蚀于第一介质基板(1)下方的“十”字交叉型缝隙辐射结构(3)、位于第一介质基板(1)上方的第一微带线(4a)、位于第二介质基板(2)下方的第二微带线(4b)、位于第一微带线(4a)末端与缝隙辐射结构(3)短接的第一金属过孔(5a)、位于第二微带线(4b)末端与缝隙辐射结构(3)短接的第二金属过孔(5b)、第一馈电同轴线(6a)、第二馈电同轴线(6b)、及第一介质基板(1)下方与缝隙辐射结构(3)相连的金属腔体结构(7)；
所述缝隙辐射结构(3)为“十”字交叉型缝隙；所述缝隙由两条宽为w1、长为w2的缝隙在+45°和-45°方向正交放置，构成“十”字交叉形缝隙结构，相交缝隙的四个末端在+45°和-45°方向顶出角度为w7；
所述缝隙辐射结构(3)的缝隙宽w1范围为0.01λ0-0.3λ0，缝隙长w2范围为0.5λ0-2λ0，缝隙的四个顶角w7角度范围为80°至180°；其中λ0为该天线中心谐振频率处所对应的自由空间波长；
所述缝隙辐射结构(3)关于中心点、X轴和Y轴对称；所述缝隙辐射结构(3)中心交叉位置用四个长方形金属结构进行部分覆盖，长方形金属结构的宽为w3、长为w4，对交叉部分在+45°和-45°方向进行宽为w5的切角；其中，长方形金属结构的宽w3范围为0.02λ0-0.2λ0、长w4范围为0.02λ0-0.2λ0、切角宽w5范围为0.001λ0-0.2λ0。
2.根据权利要求1所述的嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：所述第一介质基板(1)位于上方，大小为d1*d1*h1，所述第二介质基板(2)位于第一介质基板(1)下方并紧挨第一介质基板(1)，大小为d2*d2*h2；所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)的相对介电常数范围为1-20，第一、第二介质基板的厚度h1、h2范围为0.003λ0-0.05λ0。
3.根据权利要求1所述的嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：所述第一微带线(4a)和第二微带线(4b)由长宽分别为s1、g1和s2、g2的微带线组成；所述第一微带线(4a)位于X轴上，所述第二微带线(4b)位于Y轴上，第一、第二微带线的起点位置距离腔体边缘距离为s3；所述第一微带线(4a)及第二微带线(4b)的各参数范围为：s1的范围为0.1λ0-0.5λ0，s2范围为0.1λ0-0.5λ0，s3范围为0.001λ0-0.2λ0，g1范围为0.02λ0-0.2λ0，g2范围为0.005λ0-0.2λ0。
4.根据权利要求3所述的嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：所述第一微带线(4a)和第一金属过孔(5a)共同组成第一馈电同轴线(6a)与天线之间的阻抗匹配电路，所述第二微带线(4b)和第二金属过孔(5b)共同组成第二馈电同轴线(6b)与天线之间的阻抗匹配电路。
5.根据权利要求1所述的嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：所述第一金属过孔(5a)位于第一微带线(4a)末端并与缝隙辐射结构短接；所述第二金属过孔(5b)位于第二微带线(4b)末端且与缝隙辐射结构短接，金属过孔高度为所在介质板高度，第一、第二金属过孔的直径范围为0.2mm-4mm。
6.根据权利要求1所述的嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：所述第一馈电同轴线(6a)的内外导体分别接第一微带线(4a)和缝隙辐射结构(3)来对缝隙进行馈电，形成垂直极化电磁波；第二馈电同轴线(6b)的内外导体分别接缝隙辐射结构(3)和第二微带线(4b)来对缝隙进行馈电，形成水平极化电磁波；第一馈电同轴线(6a)和第二馈电同轴线(6b)分别从地板下方的孔洞引出，连接至SMA头。
7.根据权利要求1所述的嵌入式宽带双极化天线，其特征在于：所述金属腔体结构(7)为位于第一介质基板(1)下方并与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构，其大小为d2*d2*h3，d2的范围为0.5λ0-2λ0，金属腔体结构(7)高度h3范围为0.1λ0-1λ0；金属腔体结构(7)下表面在同轴线下方开两个圆孔以便引出同轴线；所述金属腔体结构(7)下表面设有第一开孔(7a)和第二开孔(7b)，所述第一开孔(7a)和第二开孔(7b)的直径大于所用50欧同轴线直径；所述金属腔体结构(7)为金属板制成，金属板的厚度范围为0.1mm-5mm。
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