CN106329079A - 一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线 - Google Patents

一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，属于无线通信终端的天线技术领域；具体包含介质谐振天线和介质基板；介质谐振天线固定在介质基板上；介质基板的上表面设有金属地板；下表面腐蚀成馈电电路；介质基板的左右两边各有一个SMA同轴端口；介质基板的上表面和内部传射四个孔并安装铜针，通过铜针将介质谐振天线与馈电电路相连。馈电电路包括将介质基板下表面的馈电同轴线，两个同轴端口和四个馈电口；还包括：双端口的等比功分器和一个可调移相器。本发明应用于无线局域网IEEE802.11ac协议定义的多用户多入多出技术，即可由单个天线同时实现宽带、双极化和方位图可重构的功能。

Description

一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线
技术领域
本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线。
背景技术
目前，随着无线通信技术的发展以及各种通信标准的日益兴起，无线通信产品的功能越来越复杂和多样化，不仅仅满足于：实现宽带和双极化，以支持多个频段的不同通信标准，还要满足制作简单，成本低等特点。近期起草的5G标准中，提出了多用户多入多出技术(MU_MIMO)，更进一步要求天线同时实现波束赋形和多入多出(MIMO)的功能，以满足同时服务于多个用户的需求。
但是传统的相控天线阵难以同时实现波束赋形和MIMO功能，因为波束赋形要求天线单元之间的距离在1个波长以下，才能达到理想的赋形效果，而MIMO技术要求天线单元之间的距离在1个波长以上，才能以保证单元之间的隔离度。
为了低成本的实现波束赋形功能，方位图可重构天线的研究引起了学者的注意，近期已设计出了多种方位图可重构的高性能基站天线。
目前，为了同时实现波束赋形技术和MIMO技术的结合，现有的解决方案采用多个单元的方位图可重构天线，或采用双极化的相控天线阵来实现；但是这两种解决方案都需要采用天线阵，导致天线的体积较大；所以用单个天线同时实现宽带、双极化、方位图可重构功能的技术迫在眉睫。
发明内容
本发明为了解决用单个天线同时实现宽带、双极化和方位图可重构功能的问题，利用可调移相器来激发单个介质谐振天线的三种不同的宽带谐振模式，具体是一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线；具体包含介质谐振天线和介质基板；
介质谐振天线固定在介质基板上；介质基板的左右两边中心各有一个SMA同轴端口，分别为第一端口和第二端口，用于连接馈电同轴线。
介质谐振天线包括一块介质谐振块和四块介质谐振馈板；四块介质谐振馈板上端分别固定于介质谐振块的四个外侧边缘，下端固定于介质基板上；通过四块介质谐振馈板将介质谐振块支撑起来，从而在介质谐振块与介质基板之间形成了空洞结构，进一步实现宽带的天线特性。
在每块介质谐振馈板的外表面镶有倒梯形的辐射单元；在每个辐射单元底部外表面各固定安装一个接触点；四个接触点分别对应介质基本上的四个孔中心。
介质基板的上表面设有金属地板；下表面腐蚀成馈电电路；
将介质基板内部和上表面穿射四个半径为2mm的孔，底部不穿透，形成四个馈电口，用于安放铜针，铜针上端固定连接接触点；每个孔的中心分别对应重叠每个铜针的中心；同时，四个孔将金属地板和铜针隔离；铜针通过接触点将辐射单元与介质基板下表面的馈电电路相连。
馈电电路是指，通过将介质基板下表面进行腐蚀，形成馈电同轴线，同时连接第一端口，第二端口和四个馈电口；还包括：双端口的等比功分器和一个可调移相器。
具体连接为：第二端口连接一个双端口的等比功分器，同时该等比功分器连接与第二端口同一水平线的两个对称馈电口，且等比功分器的两个输出端口输出180度的相位差，用于激发介质谐振天线的宽带谐振模式，对应着水平极化的定向辐射方位图；
第一端口也连接一个双端口的等比功分器，同时该等比功分器连接另外两个对称馈电口，且等比功分器的两个输出端口集成可调移相器，输出0°、45°、90°、135°或180°度可调相位差，即可形成5种不同的辐射方位图；当输出0°相位差，激发介质谐振天线的TM111宽带谐振模式，对应着垂直极化的心形辐射方位图；当输出180°相位差，激发介质谐振天线的宽带谐振模式，对应着垂直极化的定向辐射方位图；
可调移相器与端口等比功分器的两个输出端口相集成实现0°或180°的相位差，从而实现方位图可重构的天线特性。
本发明的优点在于：
1)、一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，可以应用于无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)IEEE802.11ac协议定义的多用户多入多出技术(MU-MIMO)，即可由单个天线同时实现宽带、双极化和方位图可重构的功能。
2)、一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，与可调移相器集成，从而实现可调的天线辐射覆盖区域，同时保证天线的良好工作状态，即天线的S参数在工作的范围内。
3)、一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，若将介质谐振材料替换成透明度的玻璃材料，可将太阳能电池板集成在介质谐振块下方的空洞结构中，从而实现可以自行发电的天线。
附图说明
图1为本发明紧凑型宽带双极化方位图可重构的介质谐振天线三维结构图；
图2为本发明紧凑型宽带双极化方位图可重构的介质谐振天线的俯视图；
图3为本发明紧凑型宽带双极化方位图可重构的介质谐振天线的剖视图；
图4为本发明介质基板底部的馈电电路示意图；
图5为本发明展示了0°和180°相位差时的介质谐振天线的回波损耗仿真和测量图；
图6为本发明介质谐振天线在0°和180°两种激发状态下第一端口的辐射方位图；
图7为本发明介质谐振天线在0°和180°两种激发状态下第二端口的辐射方位图。
1-介质谐振块；2-介质基板；3-介质谐振馈板；4-第一端口；5-第二端口；6-孔；7-辐射单元；8-接触点。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，如图1所示，包含介质谐振天线，介质基板2，第一端口4和第二端口5；
介质谐振天线固定在介质基板2上；介质基板2的左右两边分别各连接一个50欧姆的SMA同轴端口：包括第一端口4和第二端口5，用于连接馈电同轴线。
介质谐振天线包括一块介质谐振块1和四块介质谐振馈板3；四块介质谐振馈板3上端分别用不导电的硅胶粘住，固定于介质谐振块1的四个外侧边缘，将介质谐振块1支撑起来，下端固定于介质基板2上；由于四块介质谐振馈板3的支撑作用，介质谐振块1与介质基板2之间形成了空洞结构，中间隔有空气层，从而实现了宽带的天线特性。
实施例的具体尺寸如表1所示：
表1
参数 Lsub1 Lsub2 a b c d1
数值(mm) 42 40 17 8 2 3
参数 d2 h1 h2 h3 W1 W2
数值(mm) 1 6.35 5.5 0.8 1.1 1.2
如图2和图3所示，介质谐振块1为正方形陶瓷Rogers TMM10i材料制作而成，长和宽为a＝17mm，厚度均匀h1＝6.35mm，材料为相对介电常数为9.8。
介质谐振馈板3由陶瓷Rogers TMM10i材料制作而成；每块高h2＝5.5mm，宽度b＝8mm，厚度均匀d2＝1mm，材料的相对介电常数为9.8；
若将介质谐振材料替换成透明度的玻璃材料，可将太阳能电池板集成在介质谐振块1下方的空洞结构中，从而实现可以自行发电的天线。
在每块介质谐振馈板3的外表面镶有倒梯形的辐射单元7；在每个辐射单元7底部外表面各固定安装一个接触点8；四个接触点8分别对应介质基本上的四个孔6的中心位置。
介质基板2长Lsub1＝42mm，宽Lsub2＝40mm，厚度均匀h3＝0.8mm，介电常数为3；上表面设有金属地板，下表面腐蚀成馈电电路；
将介质基板2内部和上表面穿射四个半径c＝2mm的孔6，底部不穿透，形成四个馈电口，四个馈电口分别为馈电口1a，馈电口1b，馈电口2a和馈电口2b；用于安放半径为0.5mm的铜针，铜针上端焊有接触点8；每个孔6的中心分别对应重叠每个铜针的中心；同时，四个孔6将金属地板和铜针隔离；铜针通过接触点8连接辐射单元7，同时穿过介质基板2与馈电电路相连。
如图4所示，馈电电路是指，通过将介质基板2下表面进行腐蚀，形成馈电同轴线，连接两个SMA同轴端口和四个馈电口形成；还包括：双端口的等比功分器和一个可调移相器。
等比功分器有两个，分别连接在SMA同轴第一端口和SMA同轴第二端口上；
具体连接为：第二端口连接一个双端口的等比功分器，同时等比功分器连接与第二端口同一水平线的两个对称馈电口，馈电口2a和馈电口2b；且等比功分器的两个输出端口输出180度的相位差，用于激发介质谐振天线的宽带谐振模式，对应着水平极化的定向辐射方位图；
第一端口也连接一个双端口的等比功分器，同时等比功分器连接另外两个对称馈电口，馈电口1a和馈电口1b；且等比功分器的两个输出端口通过集成可调移相器，输出0°、45°、90°、135°或180°度可调相位差，即可形成5种不同的辐射方位图；可调移相器可用电调选路开关或电调移相器替代；
当输出0°相位差，激发介质谐振天线的TM111宽带谐振模式，对应着垂直极化的心形辐射方位图；当输出180°相位差，激发介质谐振天线的宽带谐振模式，对应着垂直极化的定向辐射方位图；可调移相器与端口2的等比功分器的两个输出端口相集成实现0°或180°的可选择相位差，从而实现方位图可重构的天线特性。
而45°、90°、135°这三种相位差可激发介于TM111宽带谐振模式和宽带谐振模式之间的其它三种宽带谐振模式。本发明虽然只展示了激发TM111、和三种宽带谐振模式的介质谐振天线结果图，但与宽带可调移相器集成激发多种谐振模式，可用于实现紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线。
通过对介质谐振天线的回波损耗进行仿真和测量，可观察到天线的宽带、双极化和方位图可重构特性。
如图5所示，左边两幅图中，天线在和两种激发状态下的S11和S22(第一端口4和第二端口5的回波损耗)的仿真和测量参数在5-6GHz的频段上都保持在-10dB以下，证明了本发明所提出的紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线在两个极化和辐射两种可重构方位图的状态下都能保持良好的工作性能。
如图5所示，右边两幅图中，天线在和两种激发状态下的S12参数(第一端口4和第二端口5的隔离度)的仿真和测量参数在5-6GHz的频段上都保持在-20dB以下，证明了本发明所提出的紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线的两个极化之间具有良好的隔离度。
介质谐振天线的在和两种激发状态下，第一端口的E平面和H平面的归一化辐射方位图，如图6所示，第一端口为垂直极化，在的状态下激发模式，对应定向辐射方位图，在的状态下激发TM111模式，对应定向心形方位图。从这四幅图的仿真和测试曲线可见：在的状态下，同极化方位图为定向方位图，交叉极化方位图比同极化方位图小20dB左右，证明了双极化天线良好的隔离度；在的状态下，同极化方位图为心形方位图，即在E平面的0°方向上有个凹陷点，E平面方位图则趋向于全向方向图，交叉极化方位图比同极化方位图在0°方向上小5dB左右。
介质谐振天线在和两种激发状态下，第二端口的E平面和H平面的归一化辐射方位图，如图7所示，第二端口为水平极化，在两种激发状态下都保持模式，即定向辐射方位图；从图中的仿真和测试曲线可见：同极化方位图在两种激发状态下都保持为定向方位图，交叉极化方位图比同极化方位图小20dB左右，证明了双极化天线良好的隔离度。
本发明通过加入紧凑型的电调选路开关，介质谐振天线实现了宽带、双极化、方位图可重构的特点。

Claims (5)

1.一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，其特征在于，包含介质谐振天线和介质基板；介质谐振天线固定在介质基板上；介质基板的左右两边中心各有一个SMA同轴端口，分别为第一端口和第二端口；
介质谐振天线包括一块介质谐振块和四块介质谐振馈板；通过四块介质谐振馈板将介质谐振块支撑起来，从而在介质谐振块与介质基板之间形成了空洞结构；在每块介质谐振馈板的外表面镶有辐射单元；在每个辐射单元底部外表面各固定安装一个接触点；
介质基板的上表面设有金属地板；下表面腐蚀成馈电电路；
将介质基板内部和上表面穿射四个孔，底部不穿透，形成四个馈电口，用于安放铜针，铜针上端固定连接接触点；四个孔将金属地板和铜针隔离，同时，铜针通过接触点将辐射单元与介质基板下表面的馈电电路相连；
馈电电路是指，通过将介质基板下表面进行腐蚀，形成馈电同轴线，同时连接两个端口和四个馈电口；还包括：双端口的等比功分器和一个可调移相器；
具体连接为：第二端口连接一个双端口的等比功分器，同时该等比功分器连接与第二端口同一水平线的两个对称馈电口，且等比功分器的两个输出端口输出180度的相位差，用于激发介质谐振天线的宽带谐振模式，对应着水平极化的定向辐射方位图；
第一端口也连接一个双端口的等比功分器，同时该等比功分器连接另外两个对称馈电口，且等比功分器的两个输出端口集成可调移相器，输出0°、45°、90°、135°或180°度可调相位差，即可形成5种不同的辐射方位图；当输出0°相位差，激发介质谐振天线的TM111宽带谐振模式，对应着垂直极化的心形辐射方位图；当输出180°相位差，激发介质谐振天线的宽带谐振模式，对应着垂直极化的定向辐射方位图；可调移相器与端口等比功分器的两个输出端口相集成实现0°或180°的相位差，从而实现方位图可重构的天线特性。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述的介质谐振馈板选用陶瓷Rogers TMM10i材料制作而成，材料的相对介电常数为9.8，或者选用透明度的玻璃材料；四块介质谐振馈板上端分别固定于介质谐振块的四个外侧边缘，下端固定于介质基板上。
3.如权利要求1所述的一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述的介质谐振块为正方形陶瓷Rogers TMM10i材料制作而成，材料为相对介电常数为9.8；或者选用透明度的玻璃材料。
4.如权利要求1所述的一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述的四个接触点分别对应介质基本上的四个孔中心；每个孔的中心分别对应重叠每个铜针的中心。
5.如权利要求1所述的一种紧凑型宽带双极化方位图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述的可调移相器选用电调选路开关或电调移相器替代。
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