CN108258433A - 一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，属于天线技术领域。由矩形介质基板和在其上表面涂覆的金属良导体层构成，在金属良导体层的上表面刻蚀有一条水平矩形缝隙臂、第一垂直矩形缝隙臂、第二垂直矩形缝隙臂、第一长条形缝隙和第二长条形缝隙，刻蚀深度等于金属良导体层的厚度；水平矩形缝隙臂窄边的中线与矩形介质基板长边的中线重合，且水平矩形缝隙臂的一个窄边与矩形介质基板的一个长边相重合；天线的两端口具有高隔离特性，工作频带内，端口隔离度可大于27dB；两端口天线的辐射场也具有很高的极化纯度，可达到34dB。该天线适用于狭窄街区或隧道等小型基站MIMO系统。

Description

一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种MIMO系统中使用的双极化缝隙天线，特别是涉及一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线。
背景技术
平面结构双极化天线以其低剖面特点在极化分集以及多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系统中有广泛应用，它要求两端口天线具有较高的极化纯度和端口隔离度[Svantesson T,Jensen M A,Wallace J W.Analysis ofelectromagnetic field polarizations in multiantenna systems[J].IEEETransactions on Wireless Communications,2004,3(2):641-646.]。常用的双极化平面结构天线有微带贴片天线和微带缝隙天线，其中微带贴片天线具有单向辐射特性，而微带缝隙天线则具有双向辐射特性。
微带缝隙天线多是由微波电路板加工而成，也叫印制缝隙天线。其中窄缝隙天线的带宽相对于宽缝隙有较大的减少，但它的辐射场极化纯度高于宽缝隙天线[Nakano H,Yamauchi J.Printed slot and wire antennas:Areview[J].Proceedings of the IEEE,2012,100(7):2158-2168.]。因此利用窄缝隙构建极化正交的双端口或多端口天线，有利于实现较高的端口间隔离度[Padhi S K,Karmakar N C,Law C L,et al.Adual polarizedaperture coupled circular patch antenna using a C-shaped coupling slot[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2003,51(12):3295-3298.]。不过目前极化正交的窄缝隙多是作为微带贴片天线的耦合缝隙，以实现具有方向性的双极化贴片天线。即使是利用窄缝隙直接构建的多端口或多极化天线，多是采用各缝隙元完全分离的结构，即是基于缝隙元间的空间分离实现端口间的良好隔离[Chiu C Y,Yan J B,Murch RD,et al.Design and implementation of a compact 6-port antenna[J].IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,2009,8:767-770.]，而采用共置或相互内嵌的结构相对较少。[Chiu C Y,Yan J B,Murch R D.24-port and 36-port antennacubes suitable for MIMO wirelesscommunications[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2008,56(4):1170-1176.]。
上述相关的双极化天线大多采用窄缝隙完全分离来实现端口良好隔离，天线尺寸较大，结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、在工作频带内端口间的隔离度大于27dB、辐射场的交叉极化电平比主极化小34dB、可应用于狭窄街区或隧道等小型基站MIMO系统的双极化印制缝隙天线。
本发明由矩形介质基板和在矩形介质基板上表面涂覆(如表面涂覆金属层的电路板)的金属良导体层构成，在金属良导体层的上表面刻蚀(如常规的化学腐蚀)有一条水平矩形缝隙臂、第一垂直矩形缝隙臂、第二垂直矩形缝隙臂、第一长条形缝隙和第二长条形缝隙；刻蚀深度等于金属良导体层的厚度；
水平矩形缝隙臂窄边的中线与矩形介质基板长边的中线重合，且水平矩形缝隙臂的一个窄边与矩形介质基板的一个长边相重合；
第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂分别位于水平矩形缝隙臂的两侧且关于水平矩形缝隙臂对称，第一垂直矩形缝隙臂、第二垂直矩形缝隙臂和水平矩形缝隙臂间彼此分立，垂直矩形缝隙臂长边的延长线和水平矩形缝隙臂的长边相垂直，且垂直矩形缝隙臂的任一长边和矩形介质基板的任一长边不重合，垂直矩形缝隙臂的任一短边和矩形介质基板的任一短边不重合；
第一长条形缝隙位于第一垂直矩形缝隙臂和水平矩形缝隙臂之间，第二长条形缝隙位于第二垂直矩形缝隙臂和水平矩形缝隙臂之间，且第一长条形缝隙和第二长条形缝隙关于水平矩形缝隙臂对称，第一长条形缝隙和第二长条形缝隙的一个窄边分别与第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂的一个长边相连构成一体结构，其另一窄边与矩形介质基板的另一个长边相重合；第一长条形缝隙、第二长条形缝隙和水平矩形缝隙臂间彼此分立，且长条形缝隙的长边和水平矩形缝隙臂的长边相平行。
进一步，本发明所述的矩形介质基板为单面覆铜的聚四氟乙烯基微波介质基板(购买得到)，长度为57～63mm，宽度为28～32mm，厚度为1.6～2.0mm，覆铜厚度为0.01～0.03mm，相对介电常数为2.0～2.4，损耗角正切值不大于0.005。
所述水平矩形缝隙臂的长度为18～22mm，宽度为2.8～3.2mm，厚度等于介质基板的覆铜厚度；所述第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂尺寸相同，长度为17～21mm，宽度为2.8～3.2mm，厚度等于介质基板的覆铜厚度；所述第一长条形缝隙和第二长条形缝隙尺寸相同，长度为17～21mm，宽度为0.9～1.1mm，厚度等于介质基板的覆铜厚度。
与现有技术相比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
天线的两端口具有高隔离特性，工作频带内，端口隔离度可大于27dB；两端口天线的辐射场也具有很高的极化纯度，可达到34dB。该天线适用于狭窄街区或隧道等小型基站MIMO系统。
附图说明
图1为本发明实施例的介质基板上表面俯视结构示意图。
图2为本发明实施例的天线两个端口回波损耗的仿真曲线图。图2中，曲线a1是天线第一端口回波损耗S11曲线；曲线b1是天线第二端口回波损耗S22曲线。
图3为本发明实施例的天线端口间隔离度的仿真曲线图。图3中，曲线a2是天线端口间隔离度S12曲线；曲线b2是天线端口间隔离度S21曲线。
图4为本发明实施例的第一端口激励时天线E面方向图。图4中，曲线a3是激励时E面主极化方向图；曲线b3是激励时E面交叉极化方向图。
图5为本发明实施例的第一端口激励时天线H面方向图。图5中，曲线a4是激励时H面主极化方向图；曲线b4是激励时H面交叉极化方向图。
图6为本发明实施例的第二端口激励时天线E面方向图。图6中，曲线a5是激励时E面主极化方向图；曲线b5是激励时E面交叉极化方向图。
图7为本发明实施例的第二端口激励时天线H面方向图。图7中，曲线a6是激励时H面主极化方向图；曲线b6是激励时H面交叉极化方向图。
具体实施方式
实施例1
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例包括介质基板1，介质基板1上表面涂覆有金属良导体层；在金属层上表面，介质基板1长边的一侧设有水平矩形缝隙臂2、第一垂直矩形缝隙臂3和第二垂直矩形缝隙臂4，在介质基板1长边的另一侧设有第一长条形缝隙5和第二长条形缝隙6；所述水平矩形缝隙臂2的窄边中线与介质基板1长边的中线重合；所述第一垂直矩形缝隙臂3与第一长条形缝隙5相连，第二垂直矩形缝隙臂4与第二长条形缝隙6相连；所述长条形缝隙5和6关于介质基板长边的中线对称。
端口7作为离散端口，端口8作为共面波导端口。
所述介质基板1为长方体单面覆铜聚四氟乙烯基微波介质基板，长度L为60mm，宽度W为30mm，厚度为1.8mm，覆铜厚度为0.035mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.005。
所述水平矩形缝隙臂的长度L1为20mm，宽度S1为3.0mm，厚度为0.035mm；所述第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂尺寸相同，长度L2为19mm，宽度S2为3.0mm，厚度为0.035mm；所述第一长条形缝隙和第二长条形缝隙尺寸相同，长度L3为19mm，宽度S3为1.0mm，厚度为0.035mm，两个长条形缝隙间隔的距离d为4mm。
参见图2，为天线两个端口回波损耗仿真曲线图，图中曲线a1是离散端口7的回波损耗曲线，曲线b1是共面波导端口8的回波损耗曲线。由曲线可见，端口7的-10dB回波损耗带宽范围为4.80～5.50GHz，端口8的-10dB回波损耗带宽范围为4.65～5.33GHz。
参见图3，为天线两个端口间隔离度的仿真曲线图。在工作频带内，端口7和8之间的隔离度大于27dB。
参见图4～图7，为天线两端口分别激励(另一端口接匹配负载)时的方向图。图4为端口7激励时的天线E面方向图，图5为端口7激励时的天线H面方向图，图6为端口8激励时的天线E面方向图，图7为端口8激励时的天线H面方向图。端口7激励时，其E面和H面方向图具有良好的对称性和较低的交叉极化电平。在主辐射方向，主极化电平要比交叉极化电平大于34dB。端口8激励时，其E面和H面方向图具有较好对称性。在主辐射方向，天线交叉极化电平要比主极化低45dB左右。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，其特征在于：由矩形介质基板和在矩形介质基板上表面涂覆的金属良导体层构成，在金属良导体层的上表面刻蚀有一条水平矩形缝隙臂、第一垂直矩形缝隙臂、第二垂直矩形缝隙臂、第一长条形缝隙和第二长条形缝隙；刻蚀深度等于金属良导体层的厚度；
水平矩形缝隙臂窄边的中线与矩形介质基板长边的中线重合，且水平矩形缝隙臂的一个窄边与矩形介质基板的一个长边相重合；
第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂分别位于水平矩形缝隙臂的两侧且关于水平矩形缝隙臂对称，第一垂直矩形缝隙臂、第二垂直矩形缝隙臂和水平矩形缝隙臂间彼此分立，垂直矩形缝隙臂长边的延长线和水平矩形缝隙臂的长边相垂直，且垂直矩形缝隙臂的任一长边和矩形介质基板的任一长边不重合，垂直矩形缝隙臂的任一短边和矩形介质基板的任一短边不重合；
第一长条形缝隙位于第一垂直矩形缝隙臂和水平矩形缝隙臂之间，第二长条形缝隙位于第二垂直矩形缝隙臂和水平矩形缝隙臂之间，且第一长条形缝隙和第二长条形缝隙关于水平矩形缝隙臂对称，第一长条形缝隙和第二长条形缝隙的一个窄边分别与第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂的一个长边相连构成一体结构，其另一窄边与矩形介质基板的另一个长边相重合；第一长条形缝隙、第二长条形缝隙和水平矩形缝隙臂间彼此分立，且长条形缝隙的长边和水平矩形缝隙臂的长边相平行。
2.如权利要求1所述的一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，其特征在于：矩形介质基板为单面覆铜的聚四氟乙烯基微波介质基板。
3.如权利要求1所述的一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，其特征在于：矩形介质基板的长度为57～63mm，宽度为28～32mm，厚度为1.6～2.0mm，覆铜厚度为0.01～0.03mm，相对介电常数为2.0～2.4，损耗角正切值不大于0.005。
4.如权利要求1所述的一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，其特征在于：水平矩形缝隙臂的长度为18～22mm，宽度为2.8～3.2mm，厚度等于介质基板金属良导体层的厚度。
5.如权利要求1所述的一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，其特征在于：第一垂直矩形缝隙臂和第二垂直矩形缝隙臂尺寸相同，长度为17～21mm，宽度为2.8～3.2mm，厚度等于介质基板金属良导体层的厚度。
6.如权利要求1所述的一种结构紧凑的双极化印制缝隙天线，其特征在于：第一长条形缝隙和第二长条形缝隙尺寸相同，长度为17～21mm，宽度为0.9～1.1mm，，厚度等于介质基板金属良导体层的厚度。
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