CN107394378A - 采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线 - Google Patents

采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，包括：两层上下放置的基板；放置在上层基板正面的4×4网格状辐射贴片，网格大小相同，周期性排列；刻在下层基板正面的金属地板上的交叉耦合槽，分别关于x轴和y轴对称，用于在辐射贴片激励起两个相互正交的极化；放置在下层基板反面的两条相互垂直的Y型微带馈线，用于激励上方的交叉耦合槽，为了避免两条微带线相交，引入了四个对称的crossover结构。本发明中微带天线使用的4×4网格状辐射贴片可以激励起TM10模式和反相TM20模式，通过调节贴片单元的尺寸，可以将两种模式耦合在一起，提升工作带宽；此外，调节Y型微带馈线和交叉耦合槽的尺寸，可以改善天线的阻抗匹配性能，进一步提升带宽。

Description

采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及双极化微带天线，特别涉及一种采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线。
背景技术
在现代无线通信系统中，双极化天线由于具有计划分集特性，可以有效的扩展信道容量，缓解多径衰减的问题，被广泛应用于无线通信基站系统中。与此同时，由于微带天线具有剖面低、重量轻、成本低以及易于与有源器件及电路即集成等优点，使得双极化微带天线的研究与设计得到了广泛的关注。但是传统微带天线由于其高Q值的谐振特性，相对带宽都比较窄(5％左右)，在实际应用中受到了很大的限制。因此如何展宽微带天线的阻抗带宽具有十分重要的实际意义。
为了提升微带天线的带宽，研究者们提出了很多创新性的方法。首先，由于微带天线带宽窄的主要原因是Q值较高，那么可以通过增大介质板厚度，降低介质板介电常数的方法来降低微带天线的Q值，进而拓展带宽。此外也有研究者通过采用特殊形状的微带贴片，比如说E型贴片、U型贴片、蝴蝶型贴片等，可以将微带天线的相对带宽扩展至20％。另外通过附加的阻抗匹配网络，例如双枝节匹配技术，也可以使微带天线工作在比较宽的频带上。通过孔径耦合和堆叠结构的设计的天线同样可以将微带天线的工作带宽提高到20％以上，但是付出的代价是天线厚度的增加。近年来，左右手复合传输线理论的可以在不显著改变微带天线的尺寸的前提下提升其带宽，已经逐渐开始引起研究者的关注。
因此如何在保持低剖面特性的同时，提升双极化微带天线的工作带宽，依然是一个值得研究的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，以在保持低剖面特性的同时提高微带天线的工作带宽，同时实现双极化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，包括：
上层基板1，其正面刻有网格状辐射贴片3，网格状辐射贴片3是由16个相同大小的正方形贴片单元4分别沿x方向和y方向呈周期性排列形成的4×4形式的贴片结构；
下层基板2，其反面放置沿x方向的Y型微带馈线一10和沿y方向的Y型微带馈线二11，两条微带馈线的尺寸相同并且相互垂直，分别由馈电端口9和馈电端口8进行激励；
金属地板6，设置在上层基板1和下层基板2之间，其上刻有两个分别沿x方向和y方向的金属耦合槽，两个金属耦合槽互相垂直，形成交叉耦合槽结构5。
沿x方向和y方向，相邻的正方形贴片单元4间有固定的间距，在正方形贴片单元4之间形成沿x方向和y方向的槽13。
所述Y型微带馈线一10与Y型微带馈线二11的结构相同，均由x向微带一14、y向微带16、x向微带二15和x向微带三17组成，x向微带一14的一端连接在y向微带16的中间，y向微带16的两端分别连接x向微带二15和x向微带三17的一端，形成Y型结构。
所述Y型微带馈线一10与Y型微带馈线二11具有四个交叉点，在每个四个交叉点位置设置一个crossover结构12，以防止两条微带馈线相交。在所述交叉点位置，所述Y型微带馈线二11的一部分，即微带20在交叉位置被放置在地板6上，并通过缝隙7与地板6上的金属隔开；通过金属过孔1819将微带20同Y型微带馈线二11连接起来，组成crossover结构12。
所述Y型微带馈线一10通过交叉耦合槽5中沿y方向的槽激励辐射贴片3产生x方向极化，Y型微带馈线二11通过交叉耦合槽5中沿x方向的槽激励辐射贴片3产生y方向极化，进而形成双极化特性。
所述网格状辐射贴片3激励起并耦合TM10模式和反相TM20模式，并通过Y型微带馈线一10与Y型微带馈线二11改善阻天线的阻抗匹配，以使天线在保持低剖面同时拥有好的宽带特性。
与现有技术相比，本发明天线结构采用了4×4网格状辐射贴片结构，使用Y型微带馈线，通过交叉耦合槽激励起两种正交的极化模式，实现宽带低剖面双极化特性。4×4网格状辐射贴片可以激励起TM10模式和反相TM20模式，通过调节贴片单元的尺寸，可以将两种模式耦合在一起，提升工作带宽；此外，调节Y型微带馈线和交叉耦合槽的尺寸，可以改善天线的阻抗匹配性能，进一步提升带宽。本发明双极化天线结构可以在剖面只有0.06λ0的情况下，在两种极化上均实现了良好的宽带特性，非常适用于现在的宽带基站通信系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明Y型微带馈线结构示意图。
图3为本发明crossover结构示意图。
图4为本发明的一个实施例的具体尺寸，其中包括(a)顶视图，(b)地板层，(c)底视图，(d)侧视图和(e)crossover结构。
图5为本发明具体实施例下该天线设计电磁仿真反射系数曲线图。
图6为本发明具体实施例下该天线设计电磁仿真传输系数曲线图。
图7为本发明具体实施例下该天线设计4.5GHz、5.5GHz和6GHz时两个极化在两个主平面内的辐射方向图，(a)沿x方向极化的辐射方向图和(b)沿y方向极化的辐射方向图。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线。它具有双极化，低剖面和宽带的特点。根据设计示意，给出具体实施例，下面结合附图予以说明：
参阅图1，该发明天线包括基于印刷电路板工艺的上层基板1和下层基板2，上层基板1正面刻有4×4的网格状辐射贴片3，包含16个周期性排列、尺寸相同的正方形贴片单元4，贴片单元之间留有相同的间距，在x方向和y方向分别形成3个槽13。上层基板2正面的金属地板6上刻有两个互相垂直的交叉耦合槽5，上层基板2的反面放置了沿x方向的Y型微带馈线一10和沿y方向的Y型微带馈线二11，两条微带馈线10、11尺寸相同并且相互垂直，分别由馈电端口9和馈电端口8进行激励。为了避免微带馈线10、11相交，在交叉位置引入crossover结构12。
参阅图2，给出了所述Y型微带馈线一10的结构图，由顺次的x向微带一14、y向微带16、x向微带三15和x向微带四17组成，四段微带14、15、16、17组成Y型微带馈线一10，同理可得到Y型微带馈线二11。
参阅图3，给出了Y型微带馈线一10与Y型微带馈线二11叉位置采用crossover结构12的结构图，Y型微带馈线二11的一部分，即微带20在交叉位置被放置在了地板6上，并通过缝隙7与地板6上的金属隔开；通过金属过孔18、19将微带20同Y型微带馈线二11连接起来，组成crossover结构12。
参阅图4，给出了该发明天线的具体实施例。其中图4(a)给出了上层基板1正面4×4网格状辐射贴片的详细尺寸。其中网格状辐射贴片3的整体尺寸为39毫米×39毫米，每个正方形贴片单元4的尺寸为9毫米×9毫米，沿x方向相邻贴片单元之间槽13的宽度为1毫米，沿y方向相邻贴片单元之间槽13的宽度为1毫米。
图4b给出了下层基板2、金属地板6和交叉耦合槽5的详细尺寸。下层基板2和金属地板6的尺寸均为60毫米×60毫米，交叉耦合槽5中每个槽的尺寸均为30毫米×3.8毫米。
图4(c)给出了下层基板2反面Y型微带馈线的详细尺寸。以Y型微带馈线一10为例，x向微带一14的尺寸为15.5毫米×1.85毫米、y向微带16、x向微带三15和x向微带四17的宽度均为1.75毫米，其中x向微带三15和x向微带四17的间距为8毫米，其末端到y轴的垂直距离为10毫米。Y型微带馈线一10与Y型微带馈线二11尺寸相同，互相垂直。
图4(d)给出了该发明天线具体实施例的侧视图的详细尺寸。上层基板1和下层基板2采用板材的介电常数均为3.38，损耗角正切为0.0027，上层基板1的厚度为3.25毫米，下层基板2的厚度为0.813毫米。
图4(e)给出了crossover结构12的示意图。其中金属过孔18、19的直径为0.34毫米。
下表将图2中标注的各尺寸参数的具体数值进行了整理，参数数值的单位均为mm。
px py gx gy Wp Lp GL GW Ws Ls
10 10 1 1 39 39 60 60 3.8 30
W s Wms Wms2 Lwave h h0 εr Rvia
8 10 1.85 1.75 15.5 3.25 0.813 3.38 0.34
采用该参数设计的实施例的两个馈电端口9、8的反射系数由图5给出，可以看到，对于馈电端口9，其-10dB阻抗带宽为39％(4.29-6.40GHz)，对于馈电端口8，其-10dB阻抗带宽为39％(4.28-6.37GHz)，相比于现有的双极化微带天线，带宽有显著提升。
图6给出了本发明具体实施例下两个馈电端口9、8之间的传输系数曲线图，可以看到在工作带宽内，传输系数小于-15dB，说明两个端口及两种极化方式之间的隔离度较好。
图7给出了本发明具体实施例下4.5GHz、5.5GHz和6GHz时两个极化在两个主平面内的辐射方向图，图7(a)为沿x方向极化的辐射方向图，图7(b)为沿y方向极化的辐射方向图。可见该实施例天线具有良好的单向辐射特性，在整个工作频带内方向图比较稳定，交叉极化也非常低，具有很好的辐射特性。
综上所述，本发明提供了一种采用4×4网格状辐射贴片和Y型微带馈线的宽带低剖面双极化微带天线。该天线由两层上下放置的基板、4×4网格状辐射贴片、交叉耦合槽、Y型微带馈线组成。两条互相垂直的Y型微带馈线通过金属地板上的交叉耦合槽可以在4×4网格状辐射贴片上激励起正交的极化，形成双极化特性。此外4×4网格状贴片的引入，可以激励起TM10模式和反相TM20模式(antiphase TM20mode)，通过调节贴片单元的尺寸，可以将两种模式耦合在一起，提升工作带宽；此外，调节Y型微带馈线和交叉耦合槽的尺寸，可以改善天线的阻抗匹配性能，进一步提升带宽。本发明天线结构在保持低剖面(0.06λ0，λ0是在自由空间内中心频率对应的波长)的情况下，在两种极化上均实现了良好的宽带特性，对于沿x方向的极化，带宽为39％(4.29-6.40GHz)，对于沿y方向的极化，带宽为39％(4.28-6.37GHz)，相比于现有的双极化微带天线，带宽有显著提升。

Claims (7)

1.一种采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，包括：
上层基板(1)，其正面刻有网格状辐射贴片(3)，网格状辐射贴片(3)是由16个相同大小的正方形贴片单元(4)分别沿x方向和y方向呈周期性排列形成的4×4形式的贴片结构；
下层基板(2)，其反面放置沿x方向的Y型微带馈线一(10)和沿y方向的Y型微带馈线二(11)，两条微带馈线的尺寸相同并且相互垂直，分别由馈电端口(9)和馈电端口(8)进行激励；
金属地板(6)，设置在上层基板(1)和下层基板(2)之间，其上刻有两个分别沿x方向和y方向的金属耦合槽，两个金属耦合槽互相垂直，形成交叉耦合槽结构(5)。
2.根据权利要求1所述采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，沿x方向和y方向，相邻的正方形贴片单元(4)间有固定的间距，在正方形贴片单元(4)之间形成沿x方向和y方向的槽(13)。
3.根据权利要求1所述采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，所述Y型微带馈线一(10)与Y型微带馈线二(11)的结构相同，均由x向微带一(14)、y向微带(16)、x向微带二(15)和x向微带三(17)组成，x向微带一(14)的一端连接在y向微带(16)的中间，y向微带(16)的两端分别连接x向微带二(15)和x向微带三(17)的一端，形成Y型结构。
4.根据权利要求1所述采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，所述Y型微带馈线一(10)与Y型微带馈线二(11)具有四个交叉点，在每个四个交叉点位置设置一个crossover结构(12)，以防止两条微带馈线相交。
5.根据权利要求4所述采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，在所述交叉点位置，所述Y型微带馈线二(11)的一部分，即微带(20)在交叉位置被放置在地板(6)上，并通过缝隙(7)与地板(6)上的金属隔开；通过金属过孔(18)(19)将微带(20)同Y型微带馈线二(11)连接起来，组成crossover结构(12)。
6.根据权利要求1所述采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，所述Y型微带馈线一(10)通过交叉耦合槽(5)中沿y方向的槽激励辐射贴片(3)产生x方向极化，Y型微带馈线二(11)通过交叉耦合槽(5)中沿x方向的槽激励辐射贴片(3)产生y方向极化，进而形成双极化特性。
7.根据权利要求1或6所述采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线，其特征在于，所述网格状辐射贴片(3)激励起并耦合TM10模式和反相TM20模式，并通过Y型微带馈线一(10)与Y型微带馈线二(11)改善阻天线的阻抗匹配，以使天线在保持低剖面同时拥有好的宽带特性。
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