CN106374211A

CN106374211A - 一种全平面双极化天线

Info

Publication number: CN106374211A
Application number: CN201610968400.0A
Authority: CN
Inventors: 李融林; 潘沿; 崔悦慧
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2017-02-01

Abstract

本发明公开了一种全平面双极化天线，包括一组或四组三频偶极子天线，每组三频偶极子天线由两个分别印刷在介质基板上、下表面，且相互正交的偶极子天线单元构成，两个偶极子天线单元的结构相同，所述偶极子天线单元由一对弧形枝节、一对T形枝节、一对等腰梯形金属贴片及馈电微带线构成，印刷在介质基板上表面的偶极子天线单元的馈电微带线位于介质基板的下表面，印刷在介质基板下表面的偶极子天线单元的馈电微带线位于介质基板的上表面。本发明在简单的结构上实现了高性能，适用于多种无线通信应用。

Description

一种全平面双极化天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种全平面双极化天线。

背景技术

近年来无线宽带网络应用的高带宽需求对无线局域网协议所支持的容量提出了较高的要求，并促成了其快速代际演进。近年来主流的无线局域网标准是802.11n，现有的便携式电脑、智能手机、平板以及无线接入点基本都支持这一标准，移动电话运营商们为了缓解蜂窝数据网络的压力，物业和公共管理运营公司为了提供更好的服务，都开始越来越多的在人流密集的公共场所部署无线局域网接入点。然而，用户对移动互联网的使用习惯一直在快速发展，除了使用时长和频率显著增加外，无线终端的应用内容也在发生深刻的变化，最显著的一点就是对高清图片和流媒体视频成为主要需求，在线视频、直播网站的兴起使现有无线网络服务的带宽压力骤然上升。此外，无线局域网标准并不存在介质访问控制(Medium Access Control，MAC)层的多路复用机制，即与同一个无线接入点相连接的所有无线终端都必须共享整个信道宽度，并使用载波侦听多路访问/碰撞避免(CarrierSense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制来争用信道使用权，导致多用户时的总带宽明显随着用户数增加而减小，同时服务的稳定性也大打折扣，毕竟802.11协议族的发起人在设计之初也没有考虑到如今它会取得如此辉煌的流行度。同时，多个相邻无线接入点的部署也很容易导致同频干扰，加剧网络拥堵。提高通信信道容量可以由增加频带宽度或提升频谱利用率达成，最新的无线局域网协议802.11ac在这两方面都作了改进：最大频谱宽度提高到160Hz，支持更高的256QAM调制方式和支持多达8x8多输入多输出(Multiple-Input Mutiple-Output，缩写MIMO)的多天线系统。其中第一项是治标不治本，会加剧频谱资源日益稀缺的事实，同时更易产生干扰，使多接入点部署变得困难，第二项要求更高的信噪比，但对一定通信环境而言信噪比基本固定，难以改进，所以只有第三项，即在通信多天线系统中引入更多的天线单元，是最现实有效的手段。

MIMO技术通过在通信链路发射端和接收端集成利用多个天线来提高系统容量和其他网络性能指标。协议标准的制定者倾向于支持越来越多的天线个数，从传统802.11a/b/g的一副到802.11n的四副增长到802.11ac的八副，但这一趋势让设计具体移动终端和无线接入点的硬件工程师都很头疼，因为更多的天线个数意味着更大的空间占用，因为多条天线单元如果相隔过近会造成比较强的互耦效应，使不同天线端口之间的相关性过高，这与无线通信设备的小型化趋势相互矛盾。另一方面，天线阵列在蜂窝数据网络的基站天线中早已被广泛使用，相似的是基站天线同样要求天线端口之间的高隔离度以保证系统性能。±45°和0°/90°两种交叉线极化天线已被广泛研究和应用于基站天线中，双极化天线具有在有限的空间中集成双倍的天线单元的优势，同时利用互相正交电磁波的非相干性原理，得以保持单元端口之间的高隔离度。这种结构的缺点是馈电结构往往较为复杂，依赖于多层介质板或金属，且多工作在单一频段。

因此，结构简单的双极化天线对高性能低成本的多频无线接入点和移动基站天线阵列都具有很高的使用价值。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种全平面双极化天线。本发明采用如下技术方案：

一种全平面双极化天线，包括一组或四组三频偶极子天线，每组三频偶极子天线由两个分别印刷在介质基板上、下表面，且相互正交的偶极子天线单元构成，两个偶极子天线单元的结构相同，所述偶极子天线单元由一对工作在低频段的弧形枝节、一对工作在中频段的T形枝节、一对工作在高频段的等腰梯形金属贴片及馈电微带线构成，印刷在介质基板上表面的偶极子天线单元的馈电微带线位于介质基板的下表面，印刷在介质基板下表面的偶极子天线单元的馈电微带线位于介质基板的上表面。

所述三频偶极子天线是轴对称结构，所述三频偶极子天线的对称轴沿±45°方向排布，形成±45°双极化。

所述一对等腰梯形金属贴片关于偶极子天线单元的对称轴对称，一对等腰梯形金属贴片的上底边相对，每个等腰梯形金属贴片的下底边延伸一个T形枝节及一个弧形枝节。

所述馈电微带线具体为T形微带线，印刷在介质基板上表面的偶极子天线单元的T形微带线位于介质基板下表面，且位于一对等腰梯形金属贴片之间的中间位置，印刷在介质基板下表面的偶极子天线单元的T形微带线位于介质基板上表面，且位于一对等腰梯形金属贴片之间的中间位置。

所述介质基板为正方形，一组三频偶极子天线印刷在介质基板的中心位置，四组三频偶极子天线分别位于介质基板的四个角。

还包括同轴线，同轴线通过T形微带线馈电。

两个T形微带线相互正交。

还包括金属反射板，所述介质基板安装在金属反射板上。

所述低频段为2.45-GHz频段，中频段为3.5-GHz，高频段为5-GHz。

本发明的有益效果：本发明提出了一种新的三频全平面双极化天线接入点天线，在覆盖无线局域网2.4-GHz、WiMAX 3.5-GHz和无线局域网5-GHz三个频段的同时，减小天线尺寸，简化结构，提供稳定的辐射方向图和增益性能。

附图说明

图1(a)及图1(b)是本发明实施例1一种全平面双极化天线主视及俯视结构示意图；

图1(c)是图1(a)中的标号10a部分的放大标注图；

图1(d)是图1(a)中的标号10b部分的放大标注图；

图2是本发明实施例1的散射参数测试图；

图3(a)及图3(b)是本发明实施例2的主视及俯视结构示意图；

图4是本发明实施例2的散射参测试图；

图5(a)是一种双极化三频八端口MIMO天线在2.45GHz的+45°极化辐射方向图；

图5(b)是一种双极化三频八端口MIMO天线在2.45GHz的-45°极化辐射方向图；

图6(a)是一种双极化三频八端口MIMO天线在3.5GHz的+45°极化辐射方向图；

图6(b)是一种双极化三频八端口MIMO天线在3.5GHz的-45°极化辐射方向图；

图7(a)是一种双极化三频八端口MIMO天线在5.5GHz的+45°极化辐射方向图；

图7(b)是一种双极化三频八端口MIMO天线在5.5GHz的+45°辐射方向图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1(a)-图1(d)所示，一种全平面双极化天线，包括一组三频偶极子天线，所述三频偶极子天线是轴对称结构，所述三频偶极子天线的对称轴沿±45°方向排布，形成±45°双极化。

每组三频偶极子天线由两个完全相同的偶极子天线单元10a,10b构成，分别印刷在介质基板12的上、下表面，且相互交叉，每个偶极子天线单元由一对工作在2.4-GHz频段的弧形枝节、一对工作在3.5-GHz频段的T形枝节、一对工作在5-GHz的等腰梯形金属贴片及馈电微带线构成，其中枝节都是等腰梯形金属贴片延伸出来，两个等腰梯形金属贴片的上底边相对，每个等腰梯形金属贴片的下底边延伸一个T形枝节及一个弧形枝节，所述T形枝节位于弧形枝节内，所述T形枝节由等腰梯形金属贴片的下底边中点处延伸。

本实施例中，等腰梯形金属贴片的短边为上底边，长边为下底边，等腰梯形金属贴片关于偶极子天线单元的对称轴对称。

如图1(a)-图1(d)所示，介质基板为正方形，两个偶极子天线单元印刷在上、下表面，并互相垂直，于中点相交。介质板使用罗杰斯的RO4350B，相对介电常数为3.48，介质损耗角为0.0027，厚度为0.762毫米，表面铜箔厚度为1盎司(35微米)。每个偶极子天线单元的中间缝隙印刷有一个T形微带线，其竖线方向与偶极子方向相互垂直，用以对介质基板另一面的偶极子天线单元实现耦合馈电。T形微带线与偶极子天线单元本身没有连接，为了使描述更准确，假设介质基板为半透明，所以如图1(a)-图1(d)中用实线代表介质基板的上表面金属贴片部分，用虚线代表介质基板下表面金属贴片部分。

本实施例中，实现-45°极化的偶极子天线单元被印刷在介质基板上表面，其中间的缝隙印刷有一个T形微带线，同样在介质基板的上表面，但这个T形微带线实际属于下表面的实现+45°极化的偶极子天线单元的一部分，用来对其进行耦合馈电，下表面的情况与之垂直对称。除了用来馈电的垂直相交的微带线外，两副偶极子天线单元上下表面并无重叠部分。通过这种巧妙利用偶极子天线单元中间缝隙印刷另一个单元馈线的方式，整个双极化天线的两个天线单元包括馈电微带线都在同一块介质基板的上下表面得以实现。两个偶极子天线单元由两根同轴线14分别馈电，其中第一根的外导体与图中偶极子天线单元10a的T形微带线底端连接，内芯通过非金属化过孔穿过介质板，与等腰梯形金属贴片相连接，即图中所示第一馈点11a。第二根的外导体与偶极子天线单元10b的等腰梯形金属贴片相连，内芯穿过通过非金属化过孔穿过介质板，与第二馈点11b所对应的T形微带线底端相连。双极化天线的介质基板被安装在一块半径R为40毫米的圆形金属反射板13上，以获得较高的增益和稳定的方向图。

本实施例中的尺寸如下表1所示，单位毫米

参数名称	值	参数名称	值
				W1	11.4	W2	16.2
Wf	4.6	Wc	2.8
				Wb1	2.2	Wb2	2.0
Wb3	2.6	Ws	1.0
				Wg	6.6	L1	6.1
Lf	6.7	H	15.0

图2展示了三品双极化天线的散射参数测试结果。结果显示天线的10-dB回波损耗覆盖了2.4–2.49GHz、3.4–3.7GHz和5–5.9GHz三个频段，而且在所有的频段隔离度都大于20dB。

实施例2

如图3(a)及图3(b)所示，一种全平面双极化天线，包括四组三频偶极子天线，分别印刷在一个方形介质基板的四个角上，两相邻双极化天线之间的距离Wu为63.6毫米以得到足够高的端口间隔离度。考虑到在同一块介质基板上集成了八个端口，天线的整体尺寸依然非常紧凑。由于对称性，只标注了其中六个天线单元，以方便描述测试结果。

其他与实施例1相同。

图4显示了八端口三频MIMO天线的散射参数测试结果。可以看到无线局域网的2.4-GHz频段、WiMAX的3.5-GHz频段和无线局域网的5-GHz频段都得到了回波损耗大于10dB和隔离度大于15dB的结果。

图5(a)、图5(b)图6(a)、图6(b)和图7(a)、图7(b)分别展示了八端口三频MIMO天线在三个工作频段中心频点的增益方向图，可以看到在三个频率天线都获得了稳定的定向方向图。

本发明天线工作在无线局域网2.4-GHz、WiMAX 3.5-GHz和无线局域网5-GHz三个频段。

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所述实施例的限制，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

1.一种全平面双极化天线，其特征在于，包括一组或四组三频偶极子天线，每组三频偶极子天线由两个分别印刷在介质基板上、下表面，且相互正交的偶极子天线单元构成，两个偶极子天线单元的结构相同，所述偶极子天线单元由一对工作在低频段的弧形枝节、一对工作在中频段的T形枝节、一对工作在高频段的等腰梯形金属贴片及馈电微带线构成，印刷在介质基板上表面的偶极子天线单元的馈电微带线位于介质基板的下表面，印刷在介质基板下表面的偶极子天线单元的馈电微带线位于介质基板的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，所述三频偶极子天线是轴对称结构，所述三频偶极子天线的对称轴沿±45°方向排布，形成±45°双极化。

3.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，所述一对等腰梯形金属贴片关于偶极子天线单元的对称轴对称，一对等腰梯形金属贴片的上底边相对，每个等腰梯形金属贴片的下底边延伸一个T形枝节及一个弧形枝节。

4.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，所述馈电微带线具体为T形微带线，印刷在介质基板上表面的偶极子天线单元的T形微带线位于介质基板下表面，且位于一对等腰梯形金属贴片之间的中间位置，印刷在介质基板下表面的偶极子天线单元的T形微带线位于介质基板上表面，且位于一对等腰梯形金属贴片之间的中间位置。

5.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，所述介质基板为正方形，一组三频偶极子天线印刷在介质基板的中心位置，四组三频偶极子天线分别位于介质基板的四个角。

6.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，还包括同轴线，同轴线通过T形微带线馈电。

7.根据权利要求4所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，两个T形微带线相互正交。

8.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，还包括金属反射板，所述介质基板安装在金属反射板上。

9.根据权利要求1所述的一种全平面双极化天线，其特征在于，所述低频段为2.45-GHz频段，中频段为3.5-GHz，高频段为5-GHz。