CN106785404B - 一种新型嵌入式宽带双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型嵌入式宽带双极化天线，包含两层介质基板、刻蚀于两层介质基板中间面的双“工”形缝隙辐射结构、两条终端用金属短路柱短路的微带线、两根馈电同轴线及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41％，两个端口的隔离度大于30dB，辐射方向图稳定，结构简单，容易加工，在无线通信领域以及嵌入式共形天线领域有很好的应用前景。

Description

一种新型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，特别涉及一种新型嵌入式宽带双极化天线。

背景技术

随着通信技术的发展，无线通信已经是生活中必不可少的一部分，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，从而可以提高无线通信系统的信息传递速率，同时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

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种新型嵌入式宽带双极化天线，可以实现高宽带、高隔离和稳定的辐射性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种新型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、刻蚀于两层介质基板中间的缝隙辐射结构、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、以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。其中所述的缝隙辐射结构由两个“工”字形缝隙交叉对称放置，以缝隙辐射结构的对称中心为原点，并在沿X轴和Y轴的中间缝隙上用金属进行覆盖，在中心点对覆盖金属在±45°方向进行切除，缝隙相交的四个顶角分别沿+45°方向或者-45°方向利用金属覆盖处理。

作为优选的技术方案，所述的缝隙辐射结构的缝隙尺寸参数s1范围为0.4λ₀-2λ₀，缝隙宽s2、s3范围为0.01λ₀-0.3λ₀，中间覆盖宽度s4范围为0.01λ₀-0.3λ₀，覆盖金属中心相距s5范围为0.01λ₀-0.1λ₀，中心切角宽度s6范围为0.001λ₀-0.05λ₀，相交的四个顶角覆盖宽s7范围为0.001λ₀-0.05λ₀；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，所述的两条微带线的终端采用金属短路柱短路，其中第一微带线位于X轴上，第二微带线位于Y轴上，两个微带线的尺寸一样，采用平面“凸”形的两节阻抗匹配转换线结构；微带线尺寸参数分别为：第一节微带线宽f1范围为0.02λ₀-0.2λ₀，第二节微带线宽f2范围为0.005λ₀-0.2λ₀，第一节微带线长f3范围为0.1λ₀-0.6λ₀，第二节微带线长f4范围为0.1λ₀-0.6λ₀。

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金属腔体下方的孔洞引出，连接至SMA头。

作为优选的技术方案，所述金属腔体结构为金属板制成，金属板的长度为c1，宽度为c1，高度为c2，其中c1的范围为0.5λ₀-2λ₀，高度c2范围为0.1λ₀-1λ₀，金属板的厚度Gc范围为0.1mm-10mm；其中金属腔体结构下表面在同轴线下方开第一开孔和第二开孔，以便引出同轴线，开孔直径大于所用50欧同轴线直径。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明的新型嵌入式宽带双极化天线的容易加工，结构简单，适用于无限大金属表面，天线阻抗相对带宽大于41％，两个端口隔离度高于30dB，辐射方向图保持稳定，在无线通信领域以及嵌入式共形天线领域有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线立体图；

图2是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线的俯视图；

图3是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线的侧视图；

图4是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线的第一、第二微带线的俯视图；

图5是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线的金属腔体结构的立体图；

图6是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线的阻抗和隔离度频率特性图；

图7是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线一端口在频率2.14GHz处的XOZ平面的辐射方向图；

图8是本发明的新型嵌入式宽带双极化天线一端口在频率2.14GHz处的YOZ平面的辐射方向图。

附图标号说明：1、第一介质基板；2、第二介质基板；3、缝隙辐射结构；4a、第一微带线；4b、第二微带线；5a、第一金属过孔；5b、第二金属过孔；6a、第一馈电同轴线；6b、第二馈电同轴线；7、金属腔体结构；7a、第一开孔；7b、第二开孔。

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

本发明的结构是通过采用双层介质板、两条微带馈线、双“工”字形缝隙结构以及腔体结构进行组合，提出一种工作频带宽、端口隔离度高、结构简单、便于制作实现的新型嵌入式宽带双极化天线。

如图1所示，本实施例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、刻蚀于两层介质基板中间的缝隙辐射结构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、以及第一介质基板1下方与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构7。

如图2中所示的为缝隙辐射结构3，由两个“工”字形缝隙交叉对称放置，以缝隙辐射结构3的对称中心为原点，并在沿X轴和Y轴的中间缝隙上用金属进行覆盖，在中心点对覆盖金属在±45°方向进行切除，缝隙相交的四个顶角分别沿+45°方向或者-45°方向利用金属覆盖处理。

如图二所示，缝隙结构3尺寸参数s1范围为0.4λ₀-2λ₀，缝隙宽s2、s3范围为0.01λ₀-0.3λ₀，中间覆盖宽度s4范围为0.01λ₀-0.3λ₀，覆盖金属中心相距s5范围为0.01λ₀-0.1λ₀，中心切角宽度s6范围为0.001λ₀-0.05λ₀，相交的四个顶角覆盖宽s7范围为0.001λ₀-0.05λ₀；其中λ₀为该天线中心谐振频率处所对应的自由空间波长。

如附图4所示，第一微带线4a位于X轴上，第二微带线4b位于Y轴上，通过两个微带线的终端短路对缝隙辐射结构3进行馈电，微带线尺寸参数f1范围为0.02λ₀-0.2λ₀，f2范围为0.005λ₀-0.2λ₀，f3范围为0.1λ₀-0.6λ₀，f4范围为0.1λ₀-0.6λ₀。

如附图3所示，介质基板1位于上方，尺寸大于金属腔体7，至无限大都不影响天线的电路参数；介质基板2位于介质基板1下方并紧挨介质基板1，大小与金属腔体7等同，介质基板1和介质基板2的相对介电常数范围为1-20，厚度Ht范围为0.003λ₀-0.05λ₀。

如附图5所示为金属腔体结构7的立体图，金属腔体结构为金属板制成，金属板的厚度Gc范围为0.1mm-10mm；所述金属腔体结构7位于介质基板1下方并与缝隙辐射结构相连，其长和宽为都为c1，c1的范围为0.5λ₀-2λ₀，高度c2范围为0.1λ₀-1λ₀；所述金属腔体结构7下表面在同轴线下方开第一开孔7a和第二开孔7b以便引出同轴线，开孔直径大于所用50欧同轴线直径。

对照附图6，附图6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1.52mm；缝隙辐射结构3尺寸s1为0.74λ₀、s2为0.05λ₀、s3为0.07λ₀、s4为0.033λ₀、s5为0.025λ₀、s6为0.0086λ₀、s7为0.0086λ₀。微带线尺寸f1为0.033λ₀、f2为0.007λ₀、f3为0.307λ₀、f4为0.243λ₀。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，新型嵌入式宽带双极化天线在工作频带为1.7GHz-2.6GHz时回波损耗达-15dB，相对工作频带宽度大于41％，隔离度超过30dB,具有宽带和高隔离度的工作特性。

对照附图7、8，附图7、8给出了当第一介质基板1面积为1.07λ₀×1.07λ₀、第二介质基板2的面积为0.94λ₀×0.94λ₀、金属腔体结构高度h3为0.24λ₀时，利用HFSS软件仿真计算得到的天线在工作频率为2.14GHz时，天线在XOZ及YOZ面增益方向图。从附图7、8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 (6)

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)、刻蚀于两层介质基板中间的缝隙辐射结构(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)、以及第一介质基板(1)下方与缝隙辐射结构相连的金属腔体结构(7)；其中，所述的缝隙辐射结构(3)由两个“工”字形缝隙交叉对称放置，以缝隙辐射结构(3)的对称中心为原点，其中一个“工”字形沿X轴放置，另一个沿Y轴放置，并在沿X轴和Y轴的中间缝隙上用金属进行覆盖，在中心点对覆盖金属在±45°方向进行切除，缝隙相交的四个顶角分别用金属在+45°方向或者-45°方向覆盖；

所述缝隙辐射结构(3)的缝隙尺寸参数s1范围为0.4λ₀-2λ₀，缝隙宽s2范围为0.01λ₀-0.3λ₀，中间覆盖宽度s4范围为0.01λ₀-0.3λ₀，覆盖金属中心相距s5范围为0.01λ₀-0.1λ₀，中心切角宽度s6范围为0.001λ₀-0.05λ₀，相交的四个顶角覆盖宽s7范围为0.001λ₀-0.05λ₀；其中λ₀为该天线中心谐振频率处所对应的自由空间波长，S1为与“工”字形中间缝隙相垂直的缝隙的长度，S2为与“工”字形中间缝隙相垂直的缝隙的宽度；

嵌入式宽带双极化天线在工作频带为1.7GHz-2.6GHz时回波损耗达-15dB，相对工作频带宽度大于41％，隔离度超过30dB,具有宽带和高隔离度的工作特性。

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：所述的第一微带线(4a)、第二微带线(4b)的终端采用金属短路柱短路，其中第一微带线(4a)位于X轴上，第二微带线(4b)位于Y轴上，两条微带线的尺寸一样，采用的是平面“凸”形的两节阻抗匹配转换线结构；其中，微带线尺寸参数分别为：第一节微带线宽f1范围为0.02λ₀-0.2λ₀，第二节微带线宽f2范围为0.005λ₀-0.2λ₀，第一节微带线长f3范围为0.1λ₀-0.6λ₀，第二节微带线长f4范围为0.1λ₀-0.6λ₀。

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。

4.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)的内外导体分别接第二微带线(4b)和缝隙辐射结构(3)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)分别从金属腔体结构(7)下方的孔洞引出，连接至SMA头。

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：所述金属腔体结构(7)为金属板制成，金属板的长度为c1，宽度为c1，高度为c2，其中c1的范围为0.5λ₀-2λ₀，高度c2范围为0.1λ₀-1λ₀，金属板的厚度Gc范围为0.1mm-10mm。

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：所述金属腔体结构(7)下表面在同轴线下方开第一开孔(7a)和第二开孔(7b)，以便引出同轴线，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。