CN106602242A - 一种低剖面高增益双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面高增益双极化天线，其特征在于，包括从下往上依次累叠的馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层；还包括四根垂直穿过馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，并且，电连接辐射层和馈电网络层的金属探针；该辐射层包括圆形金属贴片和产生寄生谐振的四个“T”字型金属贴片；四根金属探针在辐射层形成的四个第一开孔以圆形金属贴片的圆心为中心，构成第一正方形的四个角。本发明采用“T”字型金属贴片，作为寄生谐振结构单元，使天线的带宽的得到了有效的拓宽，而且“T”字形结构和圆形贴片位于同一层，其加工简单，且利于大规模生产。

Description

一种低剖面高增益双极化天线

技术领域

本发明涉及双极化天线领域，具体地讲，是涉及一种低剖面高增益双极化天线。

背景技术

天线的极化是影响天线性能的主要参数之一，也是设计天线中需要考虑的重要参数。天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度的方向，根据极化方向的不同，天线可以分为单极化天线和双极化天线；通常，相互正交的双极化天线同时工作在收发双工模式下，其最突出的优点是节省了单个定向基站的天线数量。

2.4GHz频段是全世界范围内通用的公共基础频段，各种通信设备都工作在这个频段，包括我们常用的手机、电脑等，还有今后的物联网设备都将可能应用于这个频段，因此这个频段承载大量的数据业务。而事实上这个公共频段的实际带宽为2.4-2.485GHz这样很小的一个工作频带范围，这显然是无法满足我们对海量的数据业务的传输需求。为此，世界各国的通信专家想出很多富有成效的方法来提高频带的通信容量，其中就包括天线的极化分集技术。这种技术在保持增加原有的天线的体积的基础上，通过两个正交的极化工作模式，传输两路互不干扰的信号。这种方式有效的将通信系统的信道容量提高为原来的2倍。极大的提高了整个通信系统的业务承载量。因此设计出能够同时工作在两种极化且性能优良的天线非常重要。

传统的贴片天线包括单层双贴片、双层双贴片、无源元件加载等，其中：

(1)无源元件加载常常会破坏原有贴片天线的优良辐射特性，从而导致天线整体性能降低，比如辐射效率下降、方向图畸变、交叉极化恶化等；同时，传统无源元件加载技术中必然涉及到过孔、焊接、嵌入等额外加工工艺，从而使得其加工程序变得十分复杂，不利于大规模生产加工。

(2)单层双贴片和双层双贴片为了保证性能，往往会增加天线的横向或者剖面尺寸，使得天线的整体尺寸变大，以至于这种天线难以满足当今社会天线小型化的需求。

同时为了覆盖更宽通信的区域，需要天线系统具有较高的增益。常用于提升天线增益的方法包括采用寄生单元作为引向器、采用较大的金属背板等，这些方法都将极大的增加天线的体积和剖面高度，非常不利于天线的小型化、轻薄化的应用需求。

发明内容

为克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种设计巧妙、结构简单的低剖面高增益双极化天线。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低剖面高增益双极化天线，包括从下往上依次累叠的馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，以及四根垂直穿过馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，并且，电连接辐射层和馈电网络层的金属探针；

该辐射层包括圆形金属贴片和产生寄生谐振的四个“T”字型金属贴片；四根金属探针在辐射层形成的四个第一开孔以圆形金属贴片的圆心为中心，构成第一正方形的四个角；在圆形金属贴片的外沿与第一正方形的四个角对应的位置设置有四个矩形凹槽；每个“T”字型金属贴片的下沿突出部分插入一个矩形凹槽，并且与该矩形凹槽的靠近圆心的底边连接；每个“T”字型金属贴片的两臂呈弧形条状，该弧形条状的圆心和圆形金属贴片的圆心重合；两个相邻“T”字型金属贴片的臂与臂之间形成第一缝隙；每个“T”字型金属贴片的两臂与圆形金属贴片的外沿之间形成第二缝隙；每个“T”字型金属贴片的下沿突出部分与其插入的矩形凹槽的每个侧边形成第三缝隙。

具体地，第一介质基板层、金属地层和第二介质基板层均呈第二正方形，该第二正方形的边长长度大于四个“T”字型金属贴片形成的圆环的外沿的直径长度。

具体地，四根金属探针在馈电网络层形成的四个第二开孔为差分馈电接口。

作为优选，四根金属探针均呈圆柱形。

作为优选，第一介质基板层和第二介质基板层的相对介电常数均为3.55。

作为优选，所述双极化天线的工作频率为2.45GHz，其对应的自由空间波长为λ＝122.4mm。

作为优选，该正方形边长为L0，且λ/2.04≤L0≤λ/1.8；第一介质基板层厚度为H1，且H1＝λ/36.2，第二介质基板层厚度为H2，且H2＝λ/244.8；第一缝隙宽度为Gap1，且λ/60≤Gap1≤λ/70，第二缝隙宽度为Gap2，且λ/75≤Gap2≤λ/85，第三缝隙宽度为Gap3，且λ/160≤Gap3≤λ/175；“T”字型金属贴片的下沿突出部分宽度为D，且D＝λ/68；两个相间隔的开孔之间的距离为L1，且L1＝λ/20.96；圆形金属贴片的半径为R1，且λ/5.8≤R1≤λ/6.1；“T”字型金属贴片的两臂的外圆半径为R2，且λ/4.8≤R2≤λ/5.1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用“T”字型金属贴片，作为寄生谐振结构单元，使天线的带宽的得到了有效的拓宽，而且“T”字形结构和圆形贴片位于同一层，其加工简单，且利于大规模生产。

(2)本发明每个极化方向上采用差分馈电的形式，使其在工作带宽内获得了非常好的极化特性，同时该馈电方式也保证了良好的端口隔离度，相比于以往的双极化天线，本发明的天线具有显著的性能优势，天线的增益在整个工作频带2.4-2.5GHz内也大于6dBi。由于采用差分馈电，所以天线的辐射方向图具有极小的交叉极化，同时也保证了天线的方向图具有良好对称性。两个端口具有良好的端口匹配。同时两个端口的隔离度S12小于-30dB，具有良好的端口隔离度，能够很好的保证两个端口的信号不相互干扰而独立工作。

(3)本发明的天线具有剖面低、体积小、重量轻、成本轻、易于共形化设计以及易于与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图。

图2为本发明的局部结构示意图。

图3为本发明的剖面结构示意图。

图4为本发明的S参数图。

图5为本发明的频率响应图。

图6为本发明在2.4GHz时的方向图。

图7为本发明在2.5GHz时的方向图。

附图标记说明：1—圆形金属贴片，10—第二正方形，11—矩形凹槽，12—第一开孔，2—“T”字型金属贴片，21—“T”字型金属贴片的两臂，22—“T”字型金属贴片的下沿突出部分，3—金属地层，4—辐射层，5—第一介质基板层，6—第二介质基板层，7—金属探针，8—馈电网络层，9—第三开孔，A—局部结构示意图，R1—圆形金属贴片的半径，R2—“T”字型金属贴片的两臂的外圆半径，L0—第二正方形的边长，L1—两个相间隔的开孔之间的距离，Gap1—第一缝隙宽度，Gap2—第二缝隙宽度，Gap3—第三缝隙宽度，D—“T”字型金属贴片的下沿突出部分宽度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图3所示，一种低剖面高增益双极化天线，包括从下往上依次累叠的馈电网络层8、第二介质基板层6、金属地层3、第一介质基板层5和辐射层4，以及四根垂直穿过馈电网络层8、第二介质基板层6、金属地层3、第一介质基板层5和辐射层4，并且，电连接辐射层4和馈电网络层8的金属探针7；金属探针7穿过金属地层3时，形成四个不和金属探针7建立电连接的第三开孔9。

该辐射层4包括圆形金属贴片1和产生寄生谐振的四个“T”字型金属贴片2；四根金属探针7在辐射层4形成的四个第一开孔12以圆形金属贴片1的圆心为中心，构成第一正方形的四个角；在圆形金属贴片1的外沿与第一正方形的四个角对应的位置设置有四个矩形凹槽11；每个“T”字型金属贴片的下沿突出部分22插入一个矩形凹槽11，并且与该矩形凹槽11的靠近圆心的底边连接；每个“T”字型金属贴片的两臂21呈弧形条状，该弧形条状的圆心和圆形金属贴片1的圆心重合；两个相邻“T”字型金属贴片2的臂与臂之间形成第一缝隙；每个“T”字型金属贴片的两臂21与圆形金属贴片1的外沿之间形成第二缝隙；每个“T”字型金属贴片的下沿突出部分22与其插入的矩形凹槽11的每个侧边形成第三缝隙。

具体地，第一介质基板层5、金属地层3和第二介质基板层6均呈第二正方形10，该第二正方形10的边长长度大于四个“T”字型金属贴片形成的圆环的外沿的直径长度。

具体地，四根金属探针7在馈电网络层形成的四个第二开孔为差分馈电接口。

作为优选，四根金属探针7均呈圆柱形。

作为优选，第一介质基板层5和第二介质基板层6的相对介电常数均为3.55。

作为优选，所述双极化天线的工作频率为2.45GHz，其对应的自由空间波长为λ＝122.4mm。

作为优选，该第二正方形边长为L0，且λ/2.04≤L0≤λ/1.8；第一介质基板层5厚度为H1，且H1＝λ/36.2，第二介质基板层6厚度为H2，且H2＝λ/244.8；第一缝隙宽度为Gap1，且λ/60≤Gap1≤λ/70，第二缝隙宽度为Gap2，且λ/75≤Gap2≤λ/85，第三缝隙宽度为Gap3，且λ/160≤Gap3≤λ/175；“T”字型金属贴片的下沿突出部分宽度为D，且D＝λ/68；两个相间隔的第一开孔12之间的距离为L1，且L1＝λ/20.96；圆形金属贴片1的半径为R1，且λ/5.8≤R1≤λ/6.1；“T”字型金属贴片的两臂21的外圆半径为R2，且λ/4.8≤R2≤λ/5.1。

本发明采用“T”字型金属贴片，作为寄生谐振结构单元，使天线的带宽的得到了有效的拓宽，而且“T”字形结构和圆形贴片位于同一层，其加工简单，且利于大规模生产。

该天线在E面和H面的辐射方向图如图6和图7所示，图6为天线在2.4GHz工作时的方向图，图7为天线在2.5GHz工作时的方向图。从图中可以看出，由于采用差分馈电，天线的辐射方向图中E面交叉极化和H面交叉极化都极小，同时也保证了天线的方向图具有良好对称性。

本发明每个极化方向上采用差分馈电的形式，使其在工作带宽内获得了非常好的极化特性，同时该馈电方式也保证了良好的端口隔离度，相比于以往的双极化天线，本发明的天线具有显著的性能优势，天线的增益在整个工作频带2.4-2.5GHz内也大于6dBi。两个端口具有良好的端口匹配。同时两个端口的隔离度S12小于-30dB，具有良好的端口隔离度，能够很好的保证两个端口的信号不相互干扰而独立工作。本发明的天线具有剖面低、体积小、重量轻、成本轻、易于共形化设计以及易于与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点。该天线主要用于2.4GHz的无线局域网络传输系统。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低剖面高增益双极化天线，其特征在于，包括从下往上依次累叠的馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，以及四根垂直穿过馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，并且，电连接辐射层和馈电网络层的金属探针；

该辐射层包括圆形金属贴片和产生寄生谐振的四个“T”字型金属贴片；四根金属探针在辐射层形成的四个第一开孔以圆形金属贴片的圆心为中心，构成第一正方形的四个角；在圆形金属贴片的外沿与第一正方形的四个角对应的位置设置有四个矩形凹槽；每个“T”字型金属贴片的下沿突出部分插入一个矩形凹槽，并且与该矩形凹槽的靠近圆心的底边连接；每个“T”字型金属贴片的两臂呈弧形条状，该弧形条状的圆心和圆形金属贴片的圆心重合；两个相邻“T”字型金属贴片的臂与臂之间形成第一缝隙；每个“T”字型金属贴片的两臂与圆形金属贴片的外沿之间形成第二缝隙；每个“T”字型金属贴片的下沿突出部分与其插入的矩形凹槽的每个侧边形成第三缝隙；

四根金属探针在馈电网络层形成的四个第二开孔为差分馈电接口；

第一介质基板层、金属地层、第二介质基板层和馈电网络层均呈第二正方形，该第二正方形的边长长度大于四个“T”字型金属贴片形成的圆环的外沿的直径长度；所述双极化天线的工作频率为2.45GHz，其对应的自由空间波长为λ＝122.4mm；所述第二正方形边长为L0，且λ/2.04≤L0≤λ/1.8；第一介质基板层厚度为H1，且H1＝λ/36.2，第二介质基板层厚度为H2，且H2＝λ/244.8；第一缝隙宽度为Gap1，且λ/60≤Gap1≤λ/70，第二缝隙宽度为Gap2，且λ/75≤Gap2≤λ/85，第三缝隙宽度为Gap3，且λ/160≤Gap3≤λ/175；“T”字型金属贴片的下沿突出部分宽度为D，且D＝λ/68；两个相间隔的开孔之间的距离为L1，且L1＝λ/20.96；圆形金属贴片的半径为R1，且λ/5.8≤R1≤λ/6.1；“T”字型金属贴片的两臂的外圆半径为R2，且λ/4.8≤R2≤λ/5.1。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益双极化天线，其特征在于，四根金属探针均呈圆柱形。

3.根据权利要求2所述的一种低剖面高增益双极化天线，其特征在于，第一介质基板层和第二介质基板层的相对介电常数均为3.55。