CN108808232B - 一种双辐射方向的双频双极化贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种双辐射方向的双频双极化贴片天线，包括由探针由下至上依次穿过的接地板、圆形贴片、方形贴片；所述探针一端与方形贴片连接，另一端与馈电端口连接；所述探针对方形贴片直接馈电、对圆形贴片耦合馈电；所述方形贴片上设有U型槽，且其对角设有一对切角；所述圆形贴片和方形贴片之间设有一金属耦合盘；所述圆形贴片和接地板之间设有均匀分布的若干个金属柱，所述金属柱一端与圆形贴片连接，另一端与接地板连接；本发明采用两种不同馈电方式分别对两种形式的贴片进行馈电，以产生具有两种不同辐射方向的双频双极化辐射特性，具有低剖面、宽频带的优点，适用于卫星通讯、移动通信和车载通信等多种无线系统。

Description

一种双辐射方向的双频双极化贴片天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种双辐射方向的双频双极化贴片天线。
背景技术
近些年来，随着无线通信技术的快速发展，具有两个工作频段的通信设备越来越多，例如移动通信、卫星通信就和车载通信具有不同的工作频段，此时传统的单频天线已经不能满足当今通信系统的要求。采用两个单频天线一起工作的方法可以同时覆盖两个不同的频段，但是这种方法会造成材料和空间的浪费，导致成本和复杂度的增加。层叠贴片天线是一种可以工作在两个不同频段的天线形式，相比于传统的单频天线，层叠贴片天线具有小型化，低剖面的优点，非常适合用于卫星通讯、移动通信和车载通信等多系统要求。
近年来，已有多种双频天线出现，这些天线大概可以分为三类:
(1)在两个频段内极化方式和辐射方向相同；
(2)在两个频段内极化方式不同、辐射方向相同；
(3)在两个频段内极化方式相同、辐射方向不同；
在卫星通信中，具有圆极化方式定向辐射模式的天线一直被广泛应用；而在车载通信中，则要求线极化和全向辐射模式的天线。
因此，一款具有不同辐射方向的双频双极化天线是有着极大需求的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双辐射方向的双频双极化贴片天线。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种双辐射方向的双频双极化贴片天线，包括接地板、圆形贴片、方形贴片和探针；所述探针一端与方形贴片连接，所述探针另一端依次穿过圆形贴片和接地板与馈电端口连接；所述方形贴片、圆形贴片、接地板和探针同轴设置；所述探针对方形贴片进行直接馈电，所述探针对圆形贴片进行耦合馈电。
进一步的，所述方形贴片与圆形贴片之间形成第一空气层；所述圆形贴片与接地板之间形成第二空气层；所述第一空气层的厚度大于第二空气层的厚度。
进一步的，所述第一空气层之间设有金属耦合盘；所述金属耦合盘套设于探针上。
进一步的，所述金属耦合盘上表面与方形贴片下表面之间的距离大于金属耦合盘下表面与圆形贴片上表面之间的距离。
进一步的，所述金属耦合盘可以是圆形、方形、椭圆形、正多边形、不规则多边形中的一种。
进一步的，所述第二空气层之间设有若干个金属柱；所述金属柱环绕圆形贴片的中心均匀设置，且到圆形贴片中心的距离均相同；所述金属柱一端与圆形贴片连接，其另一端与接地板连接。
进一步的，所述方形贴片中部设有U型槽；所述U型槽关于方形贴片的中线对称。
进一步的，所述方形贴片相对于U型槽的左上角和右下角分别设有一切角。
进一步的，所述切角均为等腰直角三角形，且所述切角的对称轴与方形贴片的对角线重合。
本发明的有益效果：
1、本发明采用层叠贴片形式，可以产生双频特性，具有小型化，低剖面的优点；
2、本发明对工作于低频的方形贴片采用直接馈电和切角设置的方式，以实现圆极化的定向辐射特性，对工作于高频的圆形贴片采用中心耦合馈电的方式，实现线极化的全向辐射特性，同时满足卫星通讯和车载移动通信的要求；
3、本发明在方形贴片上设置U型槽，在圆形贴片和接地板之间设置金属柱，分别起到扩展两个工作频带的阻抗带宽的作用，实现天线的宽带特性。
附图说明
附图1是双辐射方向的双频双极化贴片天线的爆炸结构示意图；
附图2是方形贴片的结构示意图；
附图3是圆形贴片的结构示意图；
附图4是双辐射方向的双频双极化贴片天线的剖视示意图；
附图5是双辐射方向的双频双极化贴片天线的剖视示意图；
附图6是双辐射方向的双频双极化贴片天线俯视状态下的尺寸标注示意图；
附图7是附图5中A部分的局部放大结构尺寸标注示意图；
附图8是圆形贴片和连接柱的尺寸标注示意图；
附图9是实验中双辐射方向的双频双极化贴片天线的回波损耗和轴比曲线图；
附图10是实验中双辐射方向的双频双极化贴片天线的增益曲线图；
附图11是实验中双辐射方向的双频双极化贴片天线在2.5GHz时的E面辐射方向图；
附图12是实验中双辐射方向的双频双极化贴片天线在2.5GHz时的H面辐射方向图；
附图13是双辐射方向的双频双极化贴片天线在3.8GHz时的水平面辐射方向图；
附图14是双辐射方向的双频双极化贴片天线在3.8GHz时的垂直面辐射方向图。
图中标识：1-方形贴片、101-U型槽、102-第一切角、103-第二切角、2-金属耦合盘、201-第一通孔、3-圆形贴片、301-第二通孔、4-金属柱、5-接地板、501-第三通孔、6-探针、7-连接柱、8-馈电端口、9-第一空气层、10-第二空气层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考附图1、附图3和附图4所示，实施例中提供了一种具有双辐射方向的双频双极化贴片天线，包括接地板5、圆形贴片3和方形贴片1和探针6；所述接地板5为圆形金属接地板；所述接地板5、圆形贴片3和方形贴片1由下至上依次连接设置，且接地板5的中心、圆形贴片3的中心以及方形贴片1的中心同轴设置；所述圆形贴片3中心设有第二通孔301，所述接地板5中心设有第三通孔501；所述金属探针6一端与方形贴片1的下表面中心连接，另一端依次穿过圆形贴片3的第二通孔301和接地板5的第三通孔501与馈电端口8连接；所述探针6与接地板5、圆形贴片3和方形贴片1同轴设置。所述探针6与馈电端口8内部的导体连接柱7连接，所述馈电端口8的上表面与接地板5的下表面接触连接；使用时，由电源对馈电端口8进行馈电，由此实现对整个贴片天线的馈电。
参考附图1、4和5所示，实施例中，所述方形贴片1和圆形贴片3之间形成第一空气层9，所述圆形贴片3和接地板5之间形成第二空气层10，所述第一空气层9的厚度大于第二空气层10的厚度。所述第一空气层9之间设有金属耦合盘2，所述金属耦合盘2设有供探针6穿过的第一通孔201，即金属耦合盘2套设于探针6外侧，并位于方形贴片1和圆形贴片3之间；所述第一通孔201的直径与探针6的直径相同，由此探针6与金属耦合盘2固定连接；所述金属耦合盘2的中心位于探针6的中心轴上；所述金属耦合盘2上表面与方形贴片1下表面之间的距离大于金属耦合盘2下表面与圆形贴片3之间的距离。
实施例中，所述探针6直接与方形贴片1接触，进行直接馈电。所述探针6的直径小于第二通孔301的直径，即探针6与圆形贴片3不接触，而通过金属耦合盘2对圆形贴片3进行耦合馈电。所述方形贴片1工作于低频，通过直接馈电和切角设置产生圆极化的定性辐射特性；所述圆形贴片3工作于高频，通过耦合馈电产生垂直线极化的全向辐射特性。
参考附图2所示，所述方形贴片1工作于低频，位于所述方形贴片1的中部设有一U型槽101，所述U型槽101关于方形贴片1的中线对称；所述U型槽101为通槽，即贯穿方形贴片1的上表面和下表面；以U型槽101为参考，所述方形贴片1的左上角设有第一切角102，在方形贴片1的右下角设有第二切角103；所述第一切角102和第二切角103均为等腰直角三角形，且第一切角102和第二切角103尺寸相同；所述第一切角102的对称轴和第二切角103的对称轴均与方形贴片1的对角线重合。通过合理设置第一切角102和第二切角103的尺寸大小，能够激励起两个正交模式TM01和TM10，从而产生圆极化的定向辐射特性；此外，合理设置方形贴片1上的U型槽101的长度，能够增加方形贴片1上的电流路径，起到扩展频带的效果，使方形贴片1在低频工作频率内具有较宽的阻抗带宽。
参考附图3和4所示，实施例中，圆形贴片3工作于高频，金属耦合盘2与圆形贴片3同轴设置，探针6与金属耦合盘2相接触，通过金属耦合盘2对圆形贴片3进行耦合馈电，从而激励起TM02模式，产生具有垂直线极化的全向辐射特性的方向图。实施例中，所述圆形贴片3和接地板5之间还设有若干个金属柱4，所述金属柱4环绕探针6均匀分布，即所述金属柱4均位于一圆心位于探针6中心轴处的圆周上，所述金属柱4到圆形贴片3的中心距离均相同；所述金属柱4的一端与圆形贴片3的下表面连接，其另一端与接地板5的上表面连接，即通过金属柱4把圆形贴片3和接地板5连接起来，可以激励起TM01模式，通过调节金属柱4到圆形贴片3的中心的距离以及金属柱4的个数，可以产生与圆形贴片3的工作频率相接近的谐振频率，起到扩展频率的效果，使天线在高频范围内具有较宽的带宽。在本实施案例中，所述金属柱4的个数为12，在其他的案例中可以根据需要进行调整。
由上可知，本发明提出的双辐射方向的双频双极化贴片天线，通过对方形贴片1和圆形贴片3采用不同馈电方式，由此产生具有不同辐射方向的不同极化方式的辐射方向图。方形贴片1采用直接馈电，工作于低频，用于卫星通信；所述圆形贴片3采用耦合馈电，工作于高频，用于车载移动通信。所述方形贴片1上设有相应的切角，使其产生圆极化的定向辐射特性；所述圆形贴片3的耦合馈电点位于圆形贴片3的中心位置，使其产生线极化的全向辐射特性。同时方形贴片1设有用于扩展频带的U型槽101，以扩大低频工作频带的阻抗带宽；所述圆形贴片3和接地板5之间设有若干个金属柱4，以扩展高频工作频带的阻抗带宽。
以下结合实验对所述贴片天性特性做进一步说明：
参考附图6至8所示，实验中，以阻抗带宽为2.32～2.53GHz、3.47～4.09GHz的贴片天线为例，优化了最优尺寸如下：所述第一空气层9厚度为6mm，第二空气层10的厚度为2.4mm，第一空气层9和第二空气层10的介电常数为1；所述方形贴片1和圆形贴片3的厚度均为1mm，接地板5的厚度为2mm。其他尺寸标注如下：方形贴片1的长度和宽度L1＝L2＝45.8mm；U型槽101中M＝1.6mm、Tx＝17.6mm、Ty＝22.4mm，U型槽101距离方形贴片1底边的距离T＝15.7mm；切角尺寸D1＝D2＝10.5mm，圆形贴片3的半径R1＝46mm，第二通孔301的半径R5＝2mm；金属柱4的个数为12个，半径R3＝0.8mm；金属柱4中心到圆形贴片3中心的距离I＝32.5mm；所述接地板5的半径R2＝85mm；所述金属耦合盘2的半径R4＝5mm、厚度H3＝1mm，所述金属耦合盘2的上表面距离方形贴片1下表面的距离为H1＝3mm，所述金属耦合盘2下表面距离接地板5上表面的距离H2＝2mm。
参考附图9所示，是本发明双辐射方向的双频双极化贴片天线的回波损耗和轴比曲线图，从图中的结果可以看出，该天线具有8.7％(2.32～2.53GHz)和16.4％(3.47～4.09GHz)的阻抗带宽，具有2.4％(2.46～2.52GHz)的轴比带宽，可同时满足卫星通讯和车载移动通讯的系统要求。
参考附图10所示，是本发明双辐射方向的双频双极化贴片天线的增益曲线图。从图中的结果可以看出，该天线在2.46～2.52GHz的频段的增益为10.22±0.02dBi。
参考附图11和12所示，分别是本发明双辐射方向的双频双极化贴片天线在2.5GHz时的E面辐射方向图和H面辐射方向图，从图中的结果可以看出，该天线具有良好的左旋圆极化定向辐射特性，满足S频段(2-4GHz)的卫星通讯的系统要求。
参考附图13和14所示，分别是本发明双辐射方向的双频双极化贴片天线在3.8GHz时的水平面辐射方向图和垂直面辐射方向图，从图中的结果可以看出，该天线具有良好的垂直极化全向辐射特性，交叉极化低于-10dB，可用于车载移动通信。
由以上实验可知，本发明在使用过程中不同频率可以产生不同的极化方式和辐射方向，以满足卫星通讯和车载移动通讯的需求。
以上所述的实施例，只是本发明的较优选的具体方式之一，本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双辐射方向的双频双极化贴片天线，其特征在于：包括接地板(5)、圆形贴片(3)、方形贴片(1)和探针(6)；所述探针(6)一端与方形贴片(1)连接，所述探针(6)另一端依次穿过圆形贴片(3)和接地板(5)与馈电端口(8)连接；所述方形贴片(1)、圆形贴片(3)、接地板(5)和探针(6)同轴设置；所述探针(6)对方形贴片(1)进行直接馈电，所述探针(6)对圆形贴片(3)进行耦合馈电；所述方形贴片(1)与圆形贴片(3)之间形成第一空气层(9)；所述圆形贴片(3)与接地板(5)之间形成第二空气层(10)；所述第一空气层(9)的厚度大于第二空气层(10)的厚度；所述第一空气层(9)之间设有金属耦合盘(2)；所述金属耦合盘(2)套设于探针(6)上；所述金属耦合盘(2)上表面与方形贴片(1)下表面之间的距离大于金属耦合盘(2)下表面与圆形贴片(3)上表面之间的距离；所述方形贴片(1)中部设有U型槽(101)；所述U型槽(101)关于方形贴片(1)的中线对称；所述方形贴片(1)相对于U型槽(101)的左上角和右下角分别设有一切角。
2.根据权利要求1所述的双辐射方向的双频双极化贴片天线，其特征在于：所述金属耦合盘(2)可以是圆形、方形、椭圆形、正多边形、不规则多边形中的一种。
3.根据权利要求1所述的双辐射方向的双频双极化贴片天线，其特征在于：所述第二空气层(10)之间设有若干个金属柱(4)；所述金属柱(4)环绕圆形贴片(3)的中心均匀设置，且到圆形贴片(3)中心的距离均相同；所述金属柱(4)一端与圆形贴片(3)连接，其另一端与接地板(5)连接。
4.根据权利要求1所述的双辐射方向的双频双极化贴片天线，其特征在于：所述切角均为等腰直角三角形，且所述切角的对称轴与方形贴片(1)的对角线重合。
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