CN106898871A - 具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，包括辐射层、孔径耦合层及馈电层，辐射层拟合在孔径耦合层的上方，馈电层拟合在孔径耦合层的下方。辐射层的上表面设置用于展宽天线带宽的圆形辐射贴片，孔径耦合层的上表面设置有环形耦合贴片。馈电层的上表面敷设有敷铜金属面，该敷铜金属面刻蚀有第一馈电缝隙、第二馈电缝隙及隔离缝隙；馈电层的下表面设置相互垂直的第一馈线及第二馈线，第一馈线与馈电层的长边之间连接处设置有第一端口，第二馈线与馈电层的宽边之间连接处设置有第二端口，实现天线的双极化性能；本发明所述天线还通过在馈电层的敷铜金属面上开设一条倾角为45°的隔离缝隙，提高了天线的隔离度。

Description

具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线
技术领域
本发明涉及射频微波通信技术领域，尤其涉及一种具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线。
背景技术
近几年，随着频谱资源的紧缺和通信容量要求的不断增加，使得双极化、高宽带天线成为研究的热点，改善天线隔离度已成为诸多无线电系统天线中经常遇到的问题。对于现有的多层馈电贴片天线，虽然采用两个正交放置的馈电结构也可以实现双极化性能，且隔离度较高，但是天线本身尺寸较大，不利于射频前端的集成。
发明内容
本发明的主要目的提供一种具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，旨在解决现有多层馈电贴片天线尺寸较大而不利于射频前端的集成的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，包括辐射层、孔径耦合层以及馈电层，所述辐射层拟合在所述孔径耦合层的上方，所述馈电层拟合在所述孔径耦合层的下方，其中：
所述辐射层的上表面设置有圆形辐射贴片，所述孔径耦合层的上表面设置有环形耦合贴片；
所述馈电层的上表面敷设有敷铜金属面，该敷铜金属面刻蚀有第一馈电缝隙、第二馈电缝隙以及隔离缝隙；
所述馈电层的下表面设置第一馈线以及第二馈线，第一馈线与第二馈线垂直设置在馈电层的下表面，第一馈线与馈电层的长边之间连接处设置有第一端口，第二馈线与馈电层的宽边之间连接处设置有第二端口；
所述第一端口和第二端口用于将外部信号源产生的信号分别馈电给第一馈线和第二馈线，所述馈电层用于将信号转换为电磁波并通过第一馈电缝隙和第二馈电缝隙将电磁波传递至孔径耦合层上表面的环形耦合贴片；
所述环形耦合贴片用于将电磁波耦合至所述辐射层上表面的圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片将用于电磁波发射至外界环境中。
优选的，所述圆形辐射贴片还用于从外界环境中接收电磁波，并将电磁波传递至所述孔径耦合层上表面的环形耦合贴片；所述环形耦合贴片还用于通过第一馈电缝隙和第二馈电缝隙将电磁波传递至所述馈电层；所述馈电层还用于将电磁波转化成两路正交信号，第一馈线和第二馈线将两路正交信号通过第一端口和第二端口输出。
优选的，所述辐射层与孔径耦合层之间采用塑胶螺丝或尼龙柱拟合，所述馈电层与孔径耦合层之间采用塑胶螺丝或尼龙柱拟合。
优选的，所述辐射层、孔径耦合层和馈电层均采用介电常数为4.4的FR4材料制成的矩形介质板，其中，所述辐射层、孔径耦合层以及馈电层的长度和宽度均为l5.5mm，所述辐射层和孔径耦合层的厚度均为1.6mm，所述馈电层的厚度为0.8mm。
优选的，所述圆形辐射贴片采用圆形金属铜片制成，该圆形辐射贴片的半径为5.1mm。
优选的，所述环形耦合贴片采用环形金属铜片制成，该环形耦合贴片的外圆半径为7.5mm，内圆半径为4.5mm。
优选的，所述第一馈电缝隙和第二馈电缝隙均为镂空矩形缝隙，所述镂空矩形缝隙的长度为5.8mm、宽度为2.8mm。
优选的，所述第一馈电缝隙距离馈电层的长边、宽边的距离均为1.35mm，所述第二馈电缝隙距离馈电层的长边、宽边的距离均为1.35mm。
优选的，所述第一馈线的一端设置在馈电层的长边中轴线的距离1.5mm处，所述第二馈线的一端设置在馈电层的宽边中轴线的距离1.5mm处。
优选的，所述隔离缝隙为镂空长条缝隙，该镂空长条缝隙的长度为19.8mm、宽度为0.4mm。
优选的，所述隔离缝隙以倾角为45°的排列方向刻蚀在所述馈电层上表面的对角线上。
相较于现有技术，本发明所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线采用上述技术方案，达到了如下技术效果：本发明所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，该天线的结构简单紧凑，通过在辐射层上表面设置一个圆形辐射贴片，展宽了天线的带宽；采用在馈电层的上表面刻蚀一个倾角为45°的隔离缝隙，提高了天线两端口的隔离度。通过仿真结果证明，本发明所述天线可以在一个较宽的工作频段(9.6GHz-22.4GHz)内实现双极化，并且在整个工作频段内的天线隔离度均优于15dB。
附图说明
图1是本发明具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线优选实施例的结构示意图；
图2是本发明所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线中的馈电层下表面的两根馈线分布示意图；
图3为本发明具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线的反射系数的仿真结果示意图；
图4为本发明具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线的两个端口之间的隔离度的仿真结果示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。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。
参照图1所示，图1是本发明具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线优选实施例的结构示意图。在本实施例中，所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线包括辐射层1、孔径耦合层2以及馈电层3。所述辐射层1拟合在孔径耦合层2的上方，所述馈电层3拟合在孔径耦合层2的下方。所述辐射层1与孔径耦合层之间采用塑胶螺丝或尼龙柱拟合，所述馈电层3与孔径耦合层2之间采用塑胶螺丝或尼龙柱拟合。所述辐射层1、孔径耦合层2以及馈电层3均采用介电常数为4.4的FR4材料制成的矩形介质板。其中，所述辐射层1、孔径耦合层2以及馈电层3的长度l和宽度w均优选为l5.5mm，辐射层1的厚度h1和孔径耦合层2的厚度h2均为1.6mm，馈电层3的厚度h3优选为0.8mm。
所述辐射层1的上表面设置有圆形辐射贴片10，所述圆形辐射贴片10采用金属铜片制成的圆形贴片，其半径r3优选为5.1mm。本发明采用辐射层1上表面设置的圆形辐射贴片10，能够展宽天线的带宽。
所述孔径耦合层2的上表面设置有环形耦合贴片20，所述环形耦合贴片20采用金属铜片制成的环形贴片，其外圆的半径r1优选为7.5mm，内圆的半径r2优选为4.5mm。本发明采用孔径耦合层2上表面设置的环形耦合贴片20，实现电磁波的孔径耦合并能够进一步展宽天线的带宽。
所述馈电层3的上表面设置有一个作为接地平面的敷铜金属面30，该敷铜金属面30刻蚀有第一馈电缝隙31、第二馈电缝隙32以及隔离缝隙33。第一馈电缝隙31和第二馈电缝隙32均为镂空矩形缝隙，其长度l1为5.8mm、宽度w1为2.8mm，两个镂空矩形内没有涂覆金属铜。第一馈电缝隙31距离馈电层3的长边、宽边的距离Sh均为1.35mm，第二馈电缝隙32距离馈电层3的长边、宽边的距离Sh均为1.35mm。所述第一馈电缝隙31和第二馈电缝隙32以垂直排列方向刻蚀在所述馈电层3的上表面。所述隔离缝隙33为没有涂覆金属铜的镂空长条缝隙，该镂空长条缝隙的长度l3为19.8mm、宽度w3为0.4mm。所述隔离缝隙33刻蚀在馈电层3上表面的对角线上，在本实施例中，所述隔离缝隙33以倾角为45°的设置方向且长度约为λg(λg为9GHz的有效波长)刻蚀在馈电层3上表面的对角线上。由于所述馈电层3的上表面设置了隔离缝隙33，能够减小天线两端口P1、P2之间的电磁波相互干扰，从而提高天线隔离度。
如图2所示，图2是本发明所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线中的馈电层下表面的两根馈线分布示意图。在本实施例中，所述馈电层3的下表面设置有两根馈线，包括第一馈线34以及第二馈线35，第一馈线34的一端设置在馈电层3的长边中轴线的距离1.5mm处(S＝1.5mm)；第二馈线35的一端设置在馈电层3的宽边中轴线的距离1.5mm处。第一馈线34与馈电层3的长边之间连接处设置有第一端口P1，第二馈线35与馈电层3的宽边之间连接处设置有第二端口P2。第一馈线34与第二馈线35的长度lf均为4.15mm，宽度wf均为1.06mm。第一馈线34与第二馈线35垂直设置在馈电层3的下表面，从而使得第一端口P1和第二端口P2的极化方式相互垂直，因此本发明所述天线具有双极化特性。
一并参考图1和图2所示，本实施例所述的天线可以通过圆形辐射贴片10将外部信号源产生的信号通过电磁波的形式发射至外界环境(例如外界大气)中，也可以通过圆形辐射贴片10接收外界环境中的电磁波，以实现天线的双极化特性。具体地，在所述天线发送电磁波时，通过外部信号源产生信号对第一端口P1和第二端口P2进行激励。第一端口P1和第二端口P2将信号分别馈电给第一馈线34和第二馈线35，所述馈电层3将信号转换为电磁波并通过第一馈电缝隙31和第二馈电缝隙32将电磁波传递至孔径耦合层2上表面的环形耦合贴片20。所述环形耦合贴片20将电磁波耦合至所述辐射层1上表面的圆形辐射贴片10，所述圆形辐射贴片10将电磁波发射至外界环境中。在所述天线接收电磁波时，所述圆形辐射贴片10可以从外界环境中接收电磁波，并将电磁波传递至孔径耦合层2上表面的环形耦合贴片20；所述环形耦合贴片20通过第一馈电缝隙31和第二馈电缝隙32将电磁波传递至馈电层3，所述馈电层3将电磁波转化成两路正交信号，第一馈线34和第二馈线35将两路正交信号通过第一端口P1和第二端口P2输出。
如图3所示，图3为本发明具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线的两个端口的反射系数的仿真结果示意图。在本实施例中，反射系数S11表示信号从第一端口P1输入并从第一端口P1反射出来的仿真结果；反射系数S22表示信号从第二端口P2输入并从第二端口P2反射出来的仿真结果。从图3中可以看出，天线的工作频带为9.6GHz-22.4GHz，天线的相对带宽为80％。
如图4所示，图4为本发明具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线的两个端口之间的隔离度的仿真结果示意图。在本实施例中，S21表示第二端口P2与第一端口P1之间的隔离度，从图4可以看出，S21的仿真结果表示天线在整个工作频带(9.6GHz-22.4GHz)内天线的隔离度低于-15dB。
本发明所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线采用的布局设计，利用HFSS电磁仿真软件可以得到天线在频率13GHz处的3D辐射方向图，第二端口P2与第一端口P1的辐射最大值分别在X轴和Y轴上，即两个端口的极化方式是垂直的，因此本发明所述天线具有双极化特性。此外，本发明所述具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，该天线的结构简单紧凑，通过在辐射层1上表面设置一个圆形辐射贴片，展宽了天线的带宽；采用在馈电层3的上表面刻蚀一个倾角为45°的隔离缝隙，提高了天线两端口的隔离度。通过仿真结果证明，本发明所述天线可以在一个较宽的工作频段(9.6GHz-22.4GHz)内实现双极化，并且在整个工作频段内的天线隔离度均优于15dB。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，包括辐射层、孔径耦合层以及馈电层，所述辐射层拟合在所述孔径耦合层的上方，所述馈电层拟合在所述孔径耦合层的下方，其特征在于：
所述辐射层的上表面设置有圆形辐射贴片，所述孔径耦合层的上表面设置有环形耦合贴片；
所述馈电层的上表面敷设有敷铜金属面，该敷铜金属面刻蚀有第一馈电缝隙、第二馈电缝隙以及隔离缝隙；
所述馈电层的下表面设置第一馈线以及第二馈线，第一馈线与第二馈线垂直设置在馈电层的下表面，第一馈线与馈电层的长边之间连接处设置有第一端口，第二馈线与馈电层的宽边之间连接处设置有第二端口；
所述第一端口和第二端口用于将外部信号源产生的信号分别馈电给第一馈线和第二馈线，所述馈电层用于将信号转换为电磁波并通过第一馈电缝隙和第二馈电缝隙将电磁波传递至孔径耦合层上表面的环形耦合贴片；
所述环形耦合贴片用于将电磁波耦合至所述辐射层上表面的圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片将用于电磁波发射至外界环境中。
2.如权利要求1所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于：
所述圆形辐射贴片还用于从外界环境中接收电磁波，并将电磁波传递至所述孔径耦合层上表面的环形耦合贴片；
所述环形耦合贴片还用于通过第一馈电缝隙和第二馈电缝隙将电磁波传递至所述馈电层；
所述馈电层还用于将电磁波转化成两路正交信号，第一馈线和第二馈线将两路正交信号通过第一端口和第二端口输出。
3.如权利要求1所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述辐射层与孔径耦合层之间采用塑胶螺丝或尼龙柱拟合，所述馈电层与孔径耦合层之间采用塑胶螺丝或尼龙柱拟合。
4.如权利要求1所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述辐射层、孔径耦合层和馈电层均采用介电常数为4.4的FR4材料制成的矩形介质板，其中，所述辐射层、孔径耦合层以及馈电层的长度和宽度均为l5.5mm，所述辐射层和孔径耦合层的厚度均为1.6mm，所述馈电层的厚度为0.8mm。
5.如权利要求1所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于：
所述圆形辐射贴片采用金属铜片制成的圆形贴片，该圆形辐射贴片的半径为5.1mm；
所述环形耦合贴片采用金属铜片制成的环形贴片，该环形耦合贴片的外圆半径为7.5mm，内圆半径为4.5mm。
6.如权利要求1所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述第一馈电缝隙和第二馈电缝隙均为镂空矩形缝隙，所述镂空矩形缝隙的长度为5.8mm、宽度为2.8mm。
7.如权利要求6所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述第一馈电缝隙距离所述馈电层的长边、宽边的距离均为1.35mm，所述第二馈电缝隙距离所述馈电层的长边、宽边的距离均为1.35mm。
8.如权利要求6所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述第一馈线的一端设置在馈电层的长边中轴线的距离1.5mm处，所述第二馈线的一端设置在馈电层的宽边中轴线的距离1.5mm处。
9.如权利要求1所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述隔离缝隙为镂空长条缝隙，该镂空长条缝隙的长度为19.8mm、宽度为0.4mm。
10.如权利要求9所述的具有双极化性能的孔径耦合馈电的宽带贴片天线，其特征在于，所述隔离缝隙以倾角为45°的排列方向刻蚀在所述馈电层上表面的对角线上。
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