CN106299643A

CN106299643A - 一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线

Info

Publication number: CN106299643A
Application number: CN201610652712.0A
Authority: CN
Inventors: 陈曦; 杨龙; 雷娟; 陈瑾; 傅光
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，设置有辐射基板和差分电路基板；辐射基板采用四个分布式的微型辐射元；辐射基板对角线方向的一对微型辐射元构成一个线极化工作状态，另一对微型辐射元构成另一个正交的线极化工作状态；差分电路基板采用交叉形的差分电路，一对微型辐射元通过一根折线形的差分电路直接相连，在电路上合适位置馈电，另一对微型辐射元也通过相同形式的差分电路连接并馈电，两条差分电路交叉的部分采用桥路进行隔离。本发明的边长仅0.44λ，天线厚度小于0.07λ，天线阻抗带宽达到50％以上，端口隔离度大于‑30dB的带宽达到40％以上；差分电路结构简单，性能优越，提供良好馈电，实现了高隔离度特性。

Description

一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线。

背景技术

双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，因此在同一频带内，天线可以同时发射或接收两路信号。双极化天线可以实现两幅天线的作用，可缩减天线成本和安装空间；同时，收发天线采用正交极化可以减小收发天线间的互耦影响，改善通信质量；收发天线同时工作时还可以扩展通信链路，增加通信容量。目前，双极化天线被广泛的应用于无线通信以及雷达成像领域。常用的双极化天线形式有正交的半波振子天线和双极化微带天线。正交的半波振子采用两个半波振子天线正交放置，在中心处分别对两振子馈电，可获得双向辐射，增益较低，为得到单向辐射，需在天线一侧0.25λ～0.5λ的位置放置金属反射板，反射板边长大于0.5λ，因此单向辐射的正交半波振子天线尺寸通常大于0.5λ×0.5λ×0.25λ。在移动载体通信应用中，通常要求天线具有小尺寸，尤其需要天线具有低剖面特性，这在高速移动平台的应用中尤其明显。双极化微带天线具有微带天线低剖面的特点，但微带天线横向尺寸大，需要采取小型化技术缩小天线的横向尺寸，常用方法包括曲流法和高介电常数介质法等，但同时会造成天线工作频带的明显恶化。

在移动通信中，天线的工作带宽是很重要的技术指标，为适应当前高速大容量通信的需求，天线具有宽频带是发展趋势。对于双极化天线，天线尺寸和带宽之间存在着矛盾，尤其在天线高度受到限制时，天线带宽很难增加。根据现有的双极化天线技术，当天线高度小于0.1λ时，天线带宽仅能达到20％左右。因此，在低剖面结构下，如何实现双极化定向天线的宽频带特性是无线通信领域急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，旨在解决移动通信中在天线高度受到限制时，天线带宽很难增加的问题。天线在小尺寸时，其输入阻抗表现为明显的谐振特性，电阻和电抗均变化剧烈，这使得天线与50欧姆标准馈线连接时表现为窄带特性。天线在低剖面情况下，输入电阻会明显减小，使得阻抗匹配变得更加困难。因此，对于双极化定向天线，在低剖面下获得宽频带特性一直都没有解决。

本发明是这样实现的，一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，所述用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线设置有辐射基板和差分电路基板；所述辐射基板位于小型低剖面宽带双极化定向天线的最上层；所述差分电路基板位于小型低剖面宽带双极化定向天线的最下层；

所述辐射基板采用四个分布式的微型辐射元组成；所述辐射基板对角线方向的一对微型辐射元构成一个线极化工作状态，另一对微型辐射元构成正交的线极化工作状态；

所述差分电路基板采用交叉形的差分电路，一对微型辐射元通过一根折线形的差分电路直接相连，在电路上合适位置进行馈电，另一对微型辐射元也通过相同形式的差分电路连接并馈电，两条差分电路交叉的部分采用桥路进行隔离。

进一步，所述微型辐射元是四个分布式的方形小辐射片，每个微型辐射元通过探针馈电并采用短路针接地；微型辐射元的边长为十分之一至五分之一工作波长。

进一步，所述差分电路采用了交叉的双馈电线结构，一根馈电线通过两支馈电针连接一对微型辐射元。

进一步包括：

馈电针，用于连接差分馈电线末端与微型辐射元；

短路针，用于连接金属底板与微型辐射元；

连接柱，用于连接和支撑辐射基板和差分电路基板；

射频接头，与差分电路上的馈电孔连接。

进一步，所述馈电针下端分别插入差分电路末端的孔中与差分电路焊接，所述馈电针的上端插入微型辐射元的角孔中并与之焊接。

进一步，所述短路针下端分别穿过差分电路基板与金属底板焊接，所述短路针的上端插入所述微型辐射元的中孔中并与之焊接。

进一步，所述四支连接柱为绝缘介质材质，分别位于小型低剖面宽带双极化定向天线四边的中央。

进一步，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的内芯穿过差分电路基板与差分电路连接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。

本发明提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，微带辐射片采用四个分布式的微型辐射元组成，采用差分电路进行分别馈电；辐射基板对角线方向的一对微型辐射元构成一个线极化工作状态，另一对微型辐射元构成正交的线极化工作状态；每一个小辐射片近似于全向辐射，当一对微型辐射元被等幅反相的电流激励时，在天线的正上方可以得到定向方向图；由于四个微型辐射元尺寸小、结构紧凑，包括金属底板，整个天线的边长仅0.44λ，天线厚度小于0.07λ，这一天线尺寸明显小于传统微带天线；同时，天线阻抗带宽达到50％以上，端口隔离度大于-30dB的带宽达到40％以上。

四个微型辐射元需要通过差分电路分别馈电，一对微型辐射元需要得到幅度相等相位相反的激励，传统馈电电路常采用T形结或功分器结构，但这些结构比较复杂，本发明提出了交叉形的差分电路，一对微型辐射元通过一根折线形的差分电路直接相连，在线上合适的位置进行馈电，另一对微型辐射元也通过相同形式的差分电路连接并馈电，两条差分电路交叉的部分采用桥路进行隔离；本发明设计的差分电路结构简单，性能优越，可为四个微型辐射元提供良好馈电，同时，天线的双极化状态也实现了高隔离度特性。

综上所述，由于采用了分布式微型辐射元和交叉形差分电路，因此本发明天线同时实现了定向天线的低剖面、宽频带、双极化和高隔离度特性，解决了传统双极化微带天线的技术难题。本发明天线可用于高速移动载体的高性能无线通信终端，包括车载、机载、船载无线通信，在保证天线高性能的同时，可最大程度减小天线对载体的外形和空气动力学指标的影响。此外，本发明天线技术也可用于星载和机载的合成孔径雷达阵列单元，有助于获得高性能的雷达阵列天线。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线结构示意图。

图2是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线侧视图。

图3是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线分层结构图。

图4是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线的差分电路基板俯视图。

图5是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线两端口的电压驻波比曲线图。

图6是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线的S₂₁曲线图。

图7是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线的增益曲线图。

图8是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线的辐射效率曲线图。

图9是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线在1.7GHz的E面方向图和H面方向图。

图10是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线在2GHz的E面方向图和H面方向图。

图11是本发明实施例提供的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线在2.3GHz的E面方向图和H面方向图。

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。

请参考图1～图4，本发明实施例的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线包括辐射基板1，辐射基板1位于天线的最上层，辐射基板1采用印刷电路工艺制造，在介质基板101上附有四个分布式的微型辐射元102，每个微型辐射元102上都留有角孔103和中孔104；差分电路基板2，差分电路基板2位于天线的最下层，差分电路基板2同样采用印刷电路工艺制造，在介质基板201上面附有两条交叉的差分电路202，交叉部位的桥路为203；差分电路202的末端留有连接孔204，差分电路202的中部附有馈电孔205；介质基板201底面附有金属底板206；四支馈电针3，馈电针3为铜棒，其下端插入所述连接孔204中与差分电路204焊接，馈电针3的上端插入所述角孔103中与微型辐射元102焊接；四支短路针4，短路针4为铜棒，其下端穿过介质基板201，与金属底板206焊接，短路针4的上端插入所述中孔104中与微型辐射元102焊接；四支连接柱5为绝缘介质柱，分别位于天线四边的中央，用于连接和支撑辐射基板1和差分电路基板2；两射频接头6，射频接头6置于金属底板206的下侧，射频接头6的内芯穿过介质基板201，在馈电孔205处与差分电路202焊接，射频接头6的外皮与金属底板206连接。

微型辐射元102是四个分布式的方形小辐射片，每个微型辐射元通过探针馈电并采用短路针接地，这样每个微型辐射元都可以得到类全向辐射的方向图。当处于对角线位置的一对微型辐射元采用等幅反相的电流进行激励时，就可以在天线的上半空间得到定向方向图。同时由于四个微型辐射元的尺寸都很小，并且结构紧凑，因此天线能够实现小型化的特性。

四个微型辐射元102之间的距离非常近，因此它们之间的耦合作用非常强烈，这一属性可以显著增加天线带宽。每一个微型辐射元都与其相邻的两个微型辐射元发生强烈的耦合作用，使得每一个微型辐射元的反射能量减小，从而阻抗带宽得到提升。同时，由于天线结构的对称性，传输到相邻微型辐射元的耦合场大小相等相位相反，从而可以抵消对角线上一对微型辐射元的耦合能量，使微型辐射元保持宽带特性。

短路针4用来解决微型辐射元102在宽频带内的阻抗匹配问题。由于天线的低剖面特性，微型辐射元距离金属底板很近，同时微型辐射元的尺寸远小于谐振尺寸，这使得微型辐射元的输入阻抗很小，难以与差分电路进行匹配。短路针可以改变微型辐射元上的电流分布，从而提高其输入电阻。调节短路针的短路位置和直径，可以进一步调节微型辐射元的输入阻抗，实现与差分电路的良好匹配。

差分电路202采用了交叉的双馈电线结构，电路结构简单。一根馈电线通过两支馈电针连接一对微型辐射元，并通过优化在馈电线上确定合适的馈电位置。当射频接头6送入高频电流时，在馈电线上两端可以得到等幅反相的电流，并通过馈电针送入微型辐射元。另一根馈电线也是相同的过程，在两根馈电线交叉的部分采用桥路隔离。通过该方法设计的差分电路可以使双极化天线在宽频带内获得高隔离度。

多项技术共同实施，使得本发明天线的厚度小于0.07λ，横向尺寸小于0.45λ，同时天线还具有宽频带、双极化和高隔离度的优点。

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

请参考图5至图11。利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、隔离度、增益及方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图5是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。实线和虚线分别代表两个端口(端口1、端口2)的电压驻波比。可以看到，两个端口都表现出良好的宽带特性，并且曲线的一致性非常高。从1.5GHz以上，电压驻波比都小于2，相对带宽大于50％。该结果表明本发明天线在低剖面和小尺寸下获得了显著的宽带特性，同时天线的两端口具有良好对称性，该频带可满足移动通信对带宽需求。

图6是对实施例天线仿真得到的S₂₁参数随工作频率变化的曲线，表明两端口的隔离特性。可以看出，本发明的天线获得了良好的宽带隔离度。其中，隔离度大于25dB的频带可覆盖1.53～2.456GHz，相对带宽达到46.3％，该隔离度指标可满足大部分移动通信需求。当要求隔离度大于30dB时，频带可以覆盖1.58～2.395GHz，相对带宽为41％。这样良好的宽带隔离度可以确保天线在宽频带内双极化工作的稳定性，最大程度的减小天线双极化状态的相互影响。

图7、图8是对实施例天线仿真得到的增益和辐射效率随工作频率变化的曲线。如图7所示，在工作频带内(1.58～2.395GHz)，天线增益从2.8dB逐渐增大到6dB，对于小尺寸天线，这样的增益是可观的。图8的辐射效率表明，在工作频带内辐射效率均大于96％，这样的高效率可确保天线最高效的发射和接收，在相同输入功率下可获得高的信号强度，满足通信行业节能减排和绿色低碳的发展需求。

图9～图11是对实施例天线仿真得到的宽频带内E面方向图和H面方向图，分别在1.7GHz、2GHz和2.3GHz获得。可以看到，天线在宽频带内满足定向辐射特性，并且获得低的交叉极化。1.7GHz时，方向图E面3dB波束宽度为106°，H面3dB波束宽度为159°，交叉极化电平小于-25.5dB。2GHz时，方向图E面3dB波束宽度为103.5°，H面3dB波束宽度为112°，交叉极化电平小于-28.5dB。2.3GHz时，方向图E面3dB波束宽度为89°，H面3dB波束宽度为95°，交叉极化电平小于-25.6dB。低交叉极化电平可确保天线的两极化状态相互影响最小。

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

1.一种用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线设置有辐射基板和差分电路基板；所述辐射基板位于小型低剖面宽带双极化定向天线的最上层；所述差分电路基板位于小型低剖面宽带双极化定向天线的最下层；

2.如权利要求1所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述微型辐射元是四个分布式的方形小辐射片，每个微型辐射元通过探针馈电并采用短路针接地；微型辐射元的边长为十分之一至五分之一工作波长。

3.如权利要求1所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述差分电路采用了交叉的双馈电线结构，一根馈电线通过两支馈电针连接一对微型辐射元。

4.如权利要求1所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，进一步包括：

馈电针，用于连接差分馈电线末端与微型辐射元；

短路针，用于连接金属底板与微型辐射元；

连接柱，用于连接和支撑辐射基板和差分电路基板；

射频接头，与差分电路上的馈电孔连接。

5.如权利要求4所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述馈电针下端分别插入差分电路末端的孔中与差分电路焊接，所述馈电针的上端插入微型辐射元的角孔中并与之焊接。

6.如权利要求4所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述短路针下端分别穿过差分电路基板与金属底板焊接，所述短路针的上端插入所述微型辐射元的中孔中并与之焊接。

7.如权利要求4所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述四支连接柱为绝缘介质材质，分别位于小型低剖面宽带双极化定向天线四边的中央。

8.如权利要求4所述的用于移动通信的小型低剖面宽带双极化定向天线，其特征在于，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的内芯穿过差分电路基板与差分电路连接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。