CN107093793B - 一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，该天线包括介质板和印刷在介质板上下两层的电路，上下两层的电路包括分布在矩形的介质板上的左右对称耦合的单极子天线，以及分别设置在对称耦合的单极子天线一侧的两个相同的、上下两层部分重叠的复合左右手的并联谐振单元；沿上下两层并联谐振单元的两侧分布有对称的左、右短路接地柱；在矩形结构的介质板的尾部设有下层地板，串联谐振耦合贴片位于下层地板上方，且其部分与下并联谐振单元相重叠，并与微带馈线相连接。此天线具有频带宽、尺寸小、结构紧凑、带外增益零点特性等优点，适合应用于基站通信、无线局域网等无线通信领域。

Description

一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，天线作为无线通信系统的前端器件发挥着越来越重要的作用。除了小型化、低剖面、宽频带、高增益、低副瓣等传统天线要求外，一些新的特性如滤波特性、宽频带宽角度扫描特性、多频带等等受到更多设计者的喜爱。近些年，复合左右手传输结构成为电磁领域的研究热点，利用其左右手传输特性，零阶谐振特性等一些新颖特殊的分布式电路等效结构，可以实现小型化、宽频带、多频带、滤波特性的天线设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是利用复合左右手传输线中的宽频带、多谐振特性，实现一种基于复合左右传输线的全向滤波单极子天线。此天线具有小型化、宽频带、滤波特性、通信带宽外各有两个增益零点等特点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，该天线包括一块介质板和印刷在介质板上下两层的电路，上下两层的电路包括分布在矩形的介质板上的左右对称耦合的单极子天线，以及分别设置在对称耦合的单极子天线一侧的两个相同的、上下两层部分重叠的复合左右手的并联谐振单元；沿上下两层并联谐振单元的两侧分布有对称的左、右短路接地柱；在矩形结构的介质板的尾部设有下层地板，串联谐振耦合贴片位于下层地板上方，且其部分与下并联谐振单元相重叠，并与微带馈线相连接。
作为优选方案，所述上下两层部分重叠的并联谐振单元通过两侧的短路线分别与短路接地柱相接；上下并联谐振单元分别与左、右短路接地柱之间的距离为2.2mm；串联谐振耦合贴片与尾部的50Ω的微带馈线相连接。
作为优选方案，所述左右对称耦合的单极子天线、上下两层部分重叠的上并联谐振单元、串联谐振耦合贴片和微带馈线位于顶层，而下层地板、下并联谐振单元位于底层、短路接地柱通过接地通孔上下层相互连接。
作为优选方案，所述左右对称耦合的单极子天线为连续弯折为矩形框的对称分布结构，左、右单极子天线首端不相接，尾端分别接在左、右短路接地柱上左、右单极子天线的弯折长度为8mm。
作为优选方案，所述上下两层部分重叠的并联谐振单元重叠部分宽度为1mm。
作为优选方案，所述串联谐振耦合贴片部分与下层地板重叠，部分与下并联谐振单元重叠，串联谐振耦合贴片与下并联谐振单元重叠宽度为2.8mm。
作为优选方案，下并联谐振单元与下层地板不重叠，其间距为0.2mm。
作为优选方案，所述串联谐振耦合贴片的长度为6.5mm，其宽度与上下两层并联谐振单元的宽度相同。
作为优选方案，介质基板的材质为FR4，介质板大小为14.4mm*36mm，厚度为0.5mm。
作为优选方案，所述全向滤波单极子天线的中心频率为2.5GHz，相对带宽为20％。所述全向滤波单极子天线的xoz面方向图呈8字形，yoz面方向图为全向方向图，交叉极化小于-40dB；其增益在频率带宽外分别存在两个增益零点，带外零点深度小于-20dB。
本发明的特点在于：
本发明基于复合左右手传输线理论，发明了一种新型的复合左右手传输线的全向滤波单极子天线。为了有效地对复合左右手传输单元有进行分布电容和电感等效，两个复合左右手传输单元分别设置在线路板的上下两层，以增加天线的设计自由度。同时，采用结构更加紧凑的弯折线单极子耦合对称放置，可以实现在频率带宽外具有两个传输零点的天线增益特性。通过谐振单元中的耦合长度和短路长度，以及辐射天线的长度等参数变量，可以快速方便灵活的调整此全向滤波天线的频率带宽。
与50Ω微带线相连的串联谐振耦合贴片又与另外一层下并联谐振单元的短路贴片一起，采用电容耦合的形式，以实现串联谐振的左手电容和右手电感。两个放置于两侧的接地短路臂的耦合单极子天线作为辐射结构对空间进行有效的辐射，以实现工作在特定频率带宽下的全向滤波单极子天线。
此天线具有频带宽、尺寸小、结构紧凑、带外增益零点特性等优点，适合应用于基站通信、无线局域网等无线通信领域。
附图说明
图1为本发明基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的立体结构视意图；
图2为本发明基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的平面结构视意图；
图3为本发明基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的S11曲线图；
图4为本发明基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的E面主极化与交叉极化方向图；
图5为本发明基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的H面主极化与交叉极化方向图；
图6为本发明基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的增益曲线图。
图中：1、介质板；2、左单极子天线；3、上并联谐振单元；4、左短路接地柱；5、串联谐振耦合贴片；6、微带馈线；7、下层地板；8、下并联谐振单元；9、右短路接地柱；10、右单极子天线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1、图2所示，为本发明的基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线的结构示意图。天线主要由介质板和印刷在介质板1上下两层的电路组成。而印刷在介质板上下两层的电路包括：分布在矩形的介质板1上的左右对称耦合的单极子天线(左、右单极子天线2、10)，以及分别设置在对称耦合的单极子天线一侧的两个相同的、上下两层分布的复合左右手的并联谐振单元(上、下并联谐振单元3、8)；沿上下两层并联谐振单元的两侧分布有对称的金属化过孔的短路接地柱(左、右短路接地柱4、9)；在矩形结构的介质板1的尾部设有下层地板7，串联谐振耦合贴片5位于下层地板7上方，且其部分与下并联谐振单元8相重叠，上下两层部分重叠的并联谐振单元分别设有短路线，串联谐振耦合贴片5的尾部设有50Ω的微带馈线6。上下两层部分重叠的并联谐振单元通过两侧的短路线分别与短路接地柱相接；串联谐振耦合贴片5与50Ω的微带馈线6相接。
其中，左单极子天线2、右单极子天线10、上并联谐振单元3、串联谐振耦合贴片5和微带馈线6位于顶层，而下层地板7、下并联谐振单元8位于底层，左短路接地柱4和右短路接地柱9通过接地通孔上下层相互连接。串联谐振耦合贴片5、下并联谐振单元8、上并联谐振单元3矩形贴片部分则分别设置在不同层，相互之间存在重合的耦合区域。
其中，左单极子天线2和右单极子天线10为连续弯折为矩形框的对称分布结构，左、右单极子天线首端不相接，尾端分别接在左短路接地柱4和右短路接地柱9上。弯折为矩形框边框长度L4为8.15mm，左单极子天线2和右单极子天线10的弯折长度为8mm。左单极子天线2和右单极子天线10宽度W3为0.5mm。
其中，上并联谐振单元3、下并联谐振单元8上分别设有与左短路接地柱4和右短路接地柱9相连的短路线，短路线的宽度W2为0.4mm；上并联谐振单元3、下并联谐振单元8分别与左短路接地柱4和右短路接地柱9之间的距离L2为2.2mm。上并联谐振单元3、下并联谐振单元8部分相互重叠，重叠部分宽度S1为1mm。上并联谐振单元3、下并联谐振单元8结构相同，其宽W1为8mm，长度L1为8mm。
其中，串联谐振耦合贴片5部分与下层地板7重叠，部分与下并联谐振单元8重叠，串联谐振耦合贴片5与下并联谐振单元8重叠宽度S2为2.8mm。下并联谐振单元8与下层地板7不重叠，其间距S3为0.2mm。串联谐振耦合贴片5的长度L3为6.5mm，其宽度与上并联谐振单元3、下并联谐振单元8的宽度W1相同，为8mm；微带馈线6的宽度W4为0.9mm。
该结构中，介质基板1的材质为FR4，介质板大小为14.4mm*36mm，即长度L0为36mm，宽度W0为14.4mm，厚度为0.5mm，其余天线结构参数变量如表1中所示。滤波单极子天线的中心频率为2.5GHz，相对带宽为20％。
本结构中，与50Ω微带线6相连的串联谐振耦合贴片5又与另外一层下并联谐振单元8的短路贴片上下重叠。两个相同尺寸，不同层的上并联谐振单元3和下并联谐振单元8的短路贴片实现并联谐振的右手电容和左手电感。而这两个并联谐振结构中间采用电容耦合的形式，以实现串联谐振的左手电容和右手电感。两个放置于两侧的接地短路臂(左短路接地柱4、右短路接地柱9)的耦合单极子天线(左单极子天线2与右单极子天线10)作为辐射结构对空间进行有效的辐射。以上这些结构的相互密切配合，并进行优化设计，以实现工作在特定频率带宽下的全向滤波单极子天线。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
结构 W0 W1 W2 W3 W4 S1 S2
尺寸(mm) 14.4 8 0.4 0.5 0.9 1 2.8
结构 L0 L1 L2 L3 L4 S3
尺寸(mm) 36 8 2.2 6.5 8.15 0.2
其中：W0为滤波单极子天线的介质板宽度；W1为上并联谐振单元3、上串联谐振耦合贴片5、下并联谐振单元8的宽度；W2为上并联谐振单元3、下并联谐振单元8的短路线宽度；W3为左单极子天线2、右单极子天线10的宽度；W4为50Ω微带馈线6的宽度。
S1为上并联谐振单元3、下并联谐振单元8相互重叠的宽度；S2为串联谐振耦合贴片5、下并联谐振单元8相互重叠的宽度；S3为下层地板7与下并联谐振单元8之间的距离。
L0为滤波单极子天线的介质板长度；L1为上并联谐振单元3、下并联谐振单元8的长度；L2为上并联谐振单元3、串联谐振耦合贴片5、下并联谐振单元8与左短路接地柱4和右短路接地柱9之间的间距；L3为串联谐振耦合贴片5的长度；L4为左单极子天线2、右单极子天线10的弯折长度。
本发明天线其等效的分布式复合左右手传输线天线原理为：左单极子天线2与右单极子天线10耦合对称设置在频率带宽外分别产生两个增益零点；上并联谐振单元3和下并联谐振单元8为相等的并联谐振单元，等效为复合左右手的并联谐振的左手电感和右手电容；上并联谐振单元3和下并联谐振单元8耦合重叠部分等效为复合左右手传输线的串联谐振的左手电容和右手电感；左短路接地柱4、下层地板7、右短路接地柱9为地；串联谐振耦合贴片5和下并联谐振单元8耦合重叠部分等效为复合左右手传输线的串联谐振的左手电容和右手电感，且串联谐振耦合贴片5与50Ω微带馈线6相连又作为阻抗匹配的关键部位。以上结构设置共同作用，形成一个良好的基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线。
本发明基于复合左右手传输线理论，设计的新型复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，通过上并联谐振单元3、串联谐振耦合贴片5、下并联谐振单元8中的耦合长度和短路长度，以及辐射天线的长度等参数变量，可以快速方便灵活的调整此全向滤波天线的频率带宽。
如图3所示，为本实施例的S11参数曲线图。作为优选方案，全向滤波单极子天线中心频率为2.5GHz，相对带宽为20％。
如图4所示，为本实施例的E面(xoz面)主极化和交叉极化方向图。E面(xoz面)方向图呈8字形，交叉极化小于-40dB。
如图5所示，为本实施例的H面(yoz面)主极化和交叉极化方向图。H面(yoz面)方向图为全向方向图，交叉极化小于-40dB。
如图6所示，为本实施例的增益曲线。其增益在频率带宽外分别存在两个增益零点，带外零点深度小于-20dB。
以上对本发明所提供的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于该天线包括一块介质板(1)和印刷在介质板(1)上下两层的电路，上下两层的电路包括分布在矩形的介质板(1)上的左右对称耦合的单极子天线，以及分别设置在对称耦合的单极子天线一侧的两个相同的、上下两层部分重叠的复合左右手的并联谐振单元；沿上下两层并联谐振单元的两侧分布有对称的左、右短路接地柱；在矩形结构的介质板(1)的尾部设有下层地板(7)，串联谐振耦合贴片(5)位于下层地板(7)上方，且其部分与下并联谐振单元(8)相重叠，并与微带馈线(6)相连接；
所述左右对称耦合的单极子天线为连续弯折为矩形框的对称分布结构，左、右单极子天线首端不相接，尾端分别接在左、右短路接地柱上；
所述左右对称耦合的单极子天线、上下两层部分重叠的上并联谐振单元、串联谐振耦合贴片(5)和微带馈线(6)位于顶层，而下层地板(7)、下并联谐振单元(8)位于底层，左、右短路接地柱通过接地通孔上下层相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于所述上下两层部分重叠的并联谐振单元通过两侧的短路线分别与短路接地柱相接；上下并联谐振单元分别与左、右短路接地柱之间的距离为2.2mm；串联谐振耦合贴片(5)与50Ω的微带馈线(6)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于所述左、右单极子天线的弯折长度为8mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于所述上下两层部分重叠的并联谐振单元重叠部分宽度为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于所述串联谐振耦合贴片(5)部分与下层地板(7)重叠，部分与下并联谐振单元(8)重叠，串联谐振耦合贴片(5)与下并联谐振单元(8)重叠宽度为2.8mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于下并联谐振单元(8)与下层地板(7)不重叠，其间距为0.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于所述串联谐振耦合贴片(5)的长度为6.5mm，其宽度与上下两层并联谐振单元的宽度相同。
8.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于介质基板(1)的材质为FR4，介质板大小为14.4mm*36mm，厚度为0.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手传输线的全向滤波单极子天线，其特征在于所述全向滤波单极子天线的中心频率为2.5GHz，相对带宽为20％；
所述全向滤波单极子天线的xoz面方向图呈8字形，yoz面方向图为全向方向图，交叉极化小于-40dB；其增益在频率带宽外分别存在两个增益零点，带外零点深度小于-20dB。
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