CN109103595A - 双向双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向双极化天线，包括：介质基板，介质基板具有相对且平行的第一表面和第二表面；第一天线单元，第一天线单元设置在介质基板的第一表面上且包括：第一接地导体、第一辐射导体和第一馈电匹配电路，第一接地导体与第一辐射导体间隔开，第一辐射导体和第一馈电匹配电路电连接；第二天线单元，第二天线单元设置在介质基板的第二表面上且与第一天线单元垂直，第二天线单元包括：第二接地导体、第二辐射导体和第二馈电匹配电路，第二接地导体与第二辐射导体间隔开，第二辐射导体与第二馈电匹配电路电连接。该天线为平面结构，不仅能够实现双向辐射和双极化功能，而且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点。

Description

双向双极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种双向双极化天线。

背景技术

天线作为一种变换器，将传输线上传播的导行波变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换，在无线电通信、广播、雷达、导航、遥感等工程系统中用来发射或接收电磁波，以进行信息传递。

通常天线包括全向天线和定向天线，全向天线包括单极化天线，定向天线包括单极化天线和双极化天线，其中，单极化天线按照极化方向又分为水平极化和垂直极化，双极化天线按照极化方向又分为垂直/水平极化和+/-45°正交极化。目前，最常用的天线是将两个单向双极化天线对向放置，并通过功分器相连，以实现双向通信。但是，采用该方式实现双向双极化时，需要两套天线，体积大、成本高。

另外，相关技术中提出了一种双向单极化天线的设计方案，通过在基板上设置两个相互对称的天线单元，并且两个天线单元的馈电部均收容于接地单元上开设的凹槽，且辐射部相对接地单元向外延伸呈T字形结构，以提高天线的辐射效率、稳定性和抗干扰能力。但是该方案同样在实现双向双极化时，需要两套天线，体积大、成本高。

此外，相关技术中还提出了一种双向双极化天线的设计方案，该方案虽然能够实现双向辐射和双极化功能，但是需要在用于实现天线的双极化辐射特性的正交偶极子两侧增设对称的金属引向器阵列，以提高增益，实现天线的双向辐射特性，不仅体积大、设计复杂，而且不容易组成平面阵列。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种双向双极化天线，该天线为平面结构，不仅能够实现双向辐射和双极化功能，而且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点。

为实现上述目的，本发明的实施例提出的一种双向双极化天线，包括：介质基板，所述介质基板具有相对且平行的第一表面和第二表面；第一天线单元，所述第一天线单元设置在所述介质基板的第一表面上且包括：第一接地导体、第一辐射导体和第一馈电匹配电路，所述第一接地导体与所述第一辐射导体间隔开，所述第一辐射导体和所述第一馈电匹配电路电连接；第二天线单元，所述第二天线单元设置在所述介质基板的第二表面上且与所述第一天线单元垂直，所述第二天线单元包括：第二接地导体、第二辐射导体和第二馈电匹配电路，所述第二接地导体与所述第二辐射导体间隔开，所述第二辐射导体与所述第二馈电匹配电路电连接。

根据本发明实施例的双向双极化天线，在介质基板的第一表面上设置第一天线单元，并在与介质基板的第一表面相对且平行的第二表面上设置与第一天线单元垂直的第二天线单元，其中，第一天线单元包括第一接地导体、第一辐射导体和第一馈电匹配电路，第一接地导体与第一辐射导体间隔开，第一辐射导体和第一馈电匹配电路电连接；第二天线单元包括第二接地导体、第二辐射导体和第二馈电匹配电路，第二接地导体与第二辐射导体间隔开，第二辐射导体与第二馈电匹配电路电连接。由此，该天线不仅能够实现双向辐射和双极化功能，而且为平面结构，且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点。

根据本发明的一个实施例，所述第一接地导体围绕在所述第一辐射导体的外侧且具有供所述第一馈电匹配电路通过的第一缺口；所述第二接地导体围绕在所述第二辐射导体的外侧且具有供所述第二馈电匹配电路通过的第二缺口。

根据本发明的一个实施例，所述第一馈电匹配电路包括：第一馈电导体和第一匹配电路，所述第一馈电导体连接在所述第一辐射导体和所述第一匹配电路之间，所述第一匹配电路伸入所述第一缺口处；所述第二馈电匹配电路包括：第二馈电导体和第二匹配电路，所述第二馈电导体连接在所述第二辐射导体和所述第二匹配电路之间，所述第二匹配电路伸入所述第二缺口处。

根据本发明的一个实施例，所述第一匹配电路的长度和所述第二匹配电路的长度均为四分之一波长。

根据本发明的一个实施例，所述第一天线单元为多个且共用一个所述第一接地导体，多个所述第一馈电匹配电路均与第一馈电网络连接；所述第二天线单元为多个且共用一个所述第二接地导体，多个所述第二馈电匹配电路均与第二馈电网络连接。

根据本发明的一个实施例，所述第一接地导体与所述第一辐射导体之间的间隙d1满足关系式：d1≤0.25λmm，其中，λ为波长。

根据本发明的一个实施例，所述第一接地导体和所述第二接地导体通过多个金属孔相连。

根据本发明的一个实施例，所述第一接地导体与所述第二接地导体间的厚度不超过0.05λmm，其中，λ为波长。

根据本发明的一个实施例，所述介质基板的厚度d2满足关系式：d2≤0.05λmm，其中，λ为波长。

根据本发明的一个实施例，所述第一辐射导体和所述第二辐射导体形状相同且为多边形、圆形或环形。

附图说明

图1a是根据本发明一个实施例的双向双极化天线的第一表面上第一天线单元的结构示意图；

图1b是根据本发明一个实施例的双向双极化天线的第二表面上第二天线单元的结构示意图；

图2是根据本发明一个具体示例的双向双极化天线中第一天线单元的尺寸图；

图3是根据本发明一个实施例的双向双极化天线的反射系数和互耦的曲线图；

图4是根据本发明一个实施例的两天线单元在yoz平面上的phi和theta的方向图；

图5a是根据一个实施例的双向双极化天线阵列在第一表面的结构示意图；以及

图5b是根据本发明一个实施例的双向双极化天线在第二表面的结构示意图。

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。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。

下面结合附图来描述根据本发明实施例提出的双向双极化天线。

图1a是根据本发明一个实施例的双向双极化天线的第一表面上第一天线单元的结构示意图，图1b是根据本发明一个实施例的双向双极化天线的第二表面上第二天线单元的结构示意图。如图1a和图1b所示，本发明实施例的双向双极化天线包括：介质基板10、第一天线单元20和第二天线单元30。

其中，介质基板10具有相对且平行的第一表面和第二表面。第一天线单元20设置在介质基板10的第一表面上且包括：第一接地导体21、第一辐射导体22和第一馈电匹配电路23，第一接地导体21与第一辐射导体22间隔开，第一辐射导体22和第一馈电匹配电路23电连接。第二天线单元30设置在介质基板10的第二表面上且与第一天线单元20垂直，第二天线单元30包括：第二接地导体31、第二辐射导体32和第二馈电匹配电路33，第二接地导体31与第二辐射导体32间隔开，第二辐射导体32与第二馈电匹配电路33电连接。

根据本发明的一个实施例，第一接地导体21围绕在第一辐射导体22的外侧且具有供第一馈电匹配电路23通过的第一缺口24；第二接地导体31围绕在第二辐射导体32的外侧且具有供第二馈电匹配电路33通过的第二缺口34。

具体而言，介质基板10可以为PCB板，或者其它形式的基板，该介质基板10比较薄，其厚度可以小于等于1.5mm，在本发明的一个实施例中，介质基板10的厚度d2满足关系式：d2≤0.05λmm，其中，λ为波长。另外，可以理解的是，介质基板10的厚度也不能太薄，例如可以大于0.5mm。

该介质基板10具有两个相对的且平行的第一表面和第二表面，第一辐射导体22和第二辐射导体32分别设置在第一表面和第二表面上，并且第一辐射导体22和第二辐射导体32相互垂直。在本发明的实施例中，第一辐射导体22和第二辐射导体32的形状相同且可以为多边形(如正方形、长方形、梯形、三角形)、圆形和环形等，其周长的电长度约为一个波长(对于环形是指的外圆周长)。

第一馈电匹配电路23和第二馈电匹配电路33分别设置在介质基板10的第一表面和第二表面，并且第一馈电匹配电路23与第一辐射导体22电连接，且处于同一平面，第二馈电匹配电路33与第二辐射导体32电连接，且处于同一平面，并且第一馈电匹配电路23和第二馈电匹配电路33相互垂直，以便分别为第一辐射导体22和第二辐射导体32馈电，使得两个垂直的辐射导体发出相互垂直的电磁场，以形成两个极化方向的辐射，即实现天线的双极化功能。

其中，需要说明的是，当第一辐射导体22和第二辐射导体32为梯形或三角形等形状时，第一馈电匹配电路23和第二馈电匹配电路33的设置位置相对应，如均设置在辐射导体的上底边或下底边(梯形形状)。

同时，第一馈电匹配电路23和第二馈电匹配电路33还用于天线的阻抗匹配，阻抗匹配是一种工作状态，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系，当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。其中，第一馈电匹配电路23和第二馈电匹配电路33的匹配阻抗可以为50Ω。

第一接地导体21和第二接地导体31分别设置在介质基板10的第一表面和第二表面，并且第一接地导体21环绕第一辐射导体22设置，且同处于一个平面，也就是说，第一接地导体21、第一辐射导体22和第一馈电匹配电路23同处于介质基板10的第一表面上，以形成平面结构。其中，第一接地导体21的内侧与第一辐射导体22的外侧形状相同，且间隔有一定的距离。例如，当第一辐射导体22为梯形时，第一接地导体21的内侧也为梯形；当第一辐射导体22位圆形时，第一接地导体21的内侧也为圆形，只是第一接地导体21为非闭合形状，例如，第一接地导体21上设置有第一缺口24，以使第一馈电匹配电路23能够通过，以将第一辐射导体22的讯号激发出去。

另外，需要注意的是，第一接地导体21与第一辐射导体22之间的间隙将影响天线的带宽及隔离度，所以在进行间隙设置时，需要满足带宽要求和隔离度要求，一般间隙越大，带宽越宽。在本发明的一些实施例中，第一接地导体21与第一辐射导体22之间的间隙d1满足关系式：d1≤0.25λmm，其中，λ为波长。

同样的，第二接地导体31的设置方式与第一接地导体21的设置方式相同，这里不再详述。也就是说，第一天线单元20和第二天线单元30的结构完全相同，只是第一天线单元20和第二天线单元30中的一个设置在介质基板10的第一表面，一个设置在介质基板10的第二表面，且两者相互垂直，以实现天线的双极化功能。

另外，在本发明的实施例中，第一接地导体21与第二接地导体31间的厚度要求比较小，这样当能量由馈电匹配电路经过辐射导体传递到接地导体时，由于接地导体间的厚度比较小，且结构近似对称，可形成双向辐射。在本发明的实施例中，第一接地导体21与第二接地导体31间的厚度不超过0.05λmm，其中，λ为波长。并且，第一接地导体21和第二接地导体31通过多个金属孔相连，例如，两接地导体间用密集的金属孔相连。

进一步地，根据本发明的一个实施例，如图1a和图1b所示，第一馈电匹配电路23包括：第一馈电导体231和第一匹配电路232，第一馈电导体231连接在第一辐射导体22和第一匹配电路232之间，第一匹配电路232伸入第一缺口24处；第二馈电匹配电路33包括：第二馈电导体331和第二匹配电路332，第二馈电导体331连接在第二辐射导体32和第二匹配电路332之间，第二匹配电路332伸入第二缺口34处。

也就是说，第一馈电匹配电路23和第二馈电匹配电路33均由馈电导体和匹配电路电连接构成，其中，第一馈电导体231与第二馈电导体331相互垂直，以分别为第一辐射导体22和第二辐射导体32馈电，使得两个垂直的辐射导体发出相互垂直的电磁场，形成两个极化方向的辐射。而第一匹配电路232和第二匹配电路332用于天线的阻抗匹配，当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。其中，匹配电路与接地导体之间的间隙对匹配电路的匹配阻抗具有一定的影响。

在本发明的一个实施例中，第一匹配电路232的长度和第二匹配电路332的长度均为四分之一波长，第一匹配电路232和第二匹配电路332的匹配阻抗接近50Ω。

因此，根据本发明实施例的双向双极化天线，由于两接地导体间厚度小、结构近似对称，接地导体在辐射体周围，因而可形成双向辐射。同时两辐射导体及馈电匹配电路垂直放置，形成两个极化方向的辐射，从而实现了天线的双向辐射和双极化功能。接地导体在辐射体间周围，且净空较大，使得天线在较小的厚度、实现单向微带天线无法比拟的带宽。而且，垂直极化的第一天线单元和第二天线单元空间复用，且辐射导体周围是接地导体，单元间影响小，使其容易组成结构紧凑的平面微带双极化天线阵列。

即言，本发明实施例的双向双极化天线，不仅能够实现双向辐射和双极化功能，而且为平面结构，且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点。

为使本领域人员更清楚的了解本发明，下面结合本发明的一个具体示例来做进一步说明。

图2是根据本发明一个具体示例的双向双极化天线中第一天线单元的尺寸图。在图2中，介质基板10的长宽相等，均为35mm，厚度为1mm(图中未示出)。第一辐射导体22为正方形，且边长为8.6mm，第一辐射导体22的周长的电长度约为一个波长。第一接地导体21与第一辐射导体22的间隙为5mm，该间隙影响天线的带宽，间隙越大，带宽越宽。第一馈电导体231的长为4mm，宽为0.5mm(图中未示出)，一端连接有第一辐射导体22，另一端连接有第一匹配电路232。第一匹配电路232的长为9.2mm，宽为0.1mm(图中未示出)，一端连接有第一馈电导体231，另一端连接有馈点，第一匹配电路232的长度约为四分之一个波长，其用于为匹配天线输入阻抗接近50Ω，第一匹配电路232与第一接地导体21之前的间隙为1.1mm，该间隙影响第一匹配电路232的阻抗。另外，第二天线单元30与第一天线单元20的形状相同，且尺寸也相同，所以这里就不再对第二天线单元30的尺寸进行详细说明。

如图3所示，当通过上述的双向双极化天线传输5815-5850MHz频段的讯号时，第一天线单元20和第二天线单元30的反射系数均小于-10dB，第一天线单元20与第二天线30之间的互耦小于-16dB。其中，反射系数为反射波与入射波的比值，反射波越小，天线辐射的能量就越多；互耦是天线之间的互相耦合程度，互耦越小，信号稳定性越高。

以5.5GHZ天线方向图为例进行说明。由于天线结构对称，所以此处只给出yoz平面方向图。。如图4所示，第一天线单元20主要激发出phi方向的电磁场，向正反两个方向传播，其中，正向最高增益与反向最高增益的差别在0.2dB内，同时第二天线单元30激发出theta方向的电磁场，向正反两个方向传播，这样两个天线单元在yoz平面形成双向辐射且垂直极化，即实现双向辐射和双向极化的功能。

因此，根据本发明实施例的双向双极化天线，由于两接地导体间的厚度比较小，且结构近似对称，因而可形成双向辐射，同时两辐射导体及馈电匹配电路垂直放置，因而可形成两个极化方向的辐射，从而实现天线的双向辐射和双极化功能，而且该天线为平面结构，且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点。

图5a是根据一个实施例的双向双极化天线阵列在第一表面的结构示意图，图5b是根据本发明一个实施例的双向双极化天线在第二表面的结构示意图。如图5a和图5b所示，第一天线单元20为多个且共用一个第一接地导体21，多个第一馈电匹配电路23均与第一馈电网络40连接；第二天线单元30为多个且共用一个第二接地导体31，多个第二馈电匹配电路33均与第二馈电网络50连接。

具体而言，如图5a和图5b所示，当天线阵列为1行2列时，该天线阵列可由上述的两个第一天线单元20、两个第二天线单元30和两个馈电网络(分别为第一馈电网络40和第二馈电网络50)构成。其中，两个第一天线单元20和第一馈电网络40设置在介质基板10的第一表面上，且处于同一平面，两个第二天线单元30和第二馈电网络50设置在介质基板20的第二表面上，且同处于同一平面，并且保证两个第一天线单元20与两个第二天线单元3近似对称(大概在介质基板两面的同一位置处)且呈垂直(相对称的两个天线单元相互垂直)。

第一馈电网络40的其中两个端点分别与同一平面上的两个第一天线单元20的第一匹配电路231相连，第一馈电网络40的第三个端点与馈点相连，第一馈电网络40用于匹配及调节两天线单元水平极化方向的功率比和相位差。第二馈电网络50的其中两个端点分别与同一平面上的两个第二天线单元30的第二匹配电路331相连，第二馈电网络50的第三个端点与馈点相连，第二馈电网络50用于匹配及调节两天线单元垂直极化方向的功率比和相位差。由此组成平面阵列。

由于上述结构的双向双极化天线不仅能够实现双向辐射和双极化辐射，而且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点，因而可以使得其构成的天线阵列不仅能够实现双向辐射和双极化辐射，且能形成平面结构，达到缩小体积、提高频带的目的，而且结构也比较简单。

综上所述，根据本发明实施例的双向双极化天线，不仅能够实现双向辐射和双极化功能，而且为平面结构，且具有体积小、结构简单、频带宽、易组成平面阵列等的优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种双向双极化天线，其特征在于，包括：

介质基板，所述介质基板具有相对且平行的第一表面和第二表面；

第一天线单元，所述第一天线单元设置在所述介质基板的第一表面上且包括：第一接地导体、第一辐射导体和第一馈电匹配电路，所述第一接地导体与所述第一辐射导体间隔开，所述第一辐射导体和所述第一馈电匹配电路电连接；

第二天线单元，所述第二天线单元设置在所述介质基板的第二表面上且与所述第一天线单元垂直，所述第二天线单元包括：第二接地导体、第二辐射导体和第二馈电匹配电路，所述第二接地导体与所述第二辐射导体间隔开，所述第二辐射导体与所述第二馈电匹配电路电连接。

2.根据权利要求1所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一接地导体围绕在所述第一辐射导体的外侧且具有供所述第一馈电匹配电路通过的第一缺口；

所述第二接地导体围绕在所述第二辐射导体的外侧且具有供所述第二馈电匹配电路通过的第二缺口。

3.根据权利要求2所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一馈电匹配电路包括：第一馈电导体和第一匹配电路，所述第一馈电导体连接在所述第一辐射导体和所述第一匹配电路之间，所述第一匹配电路伸入所述第一缺口处；

所述第二馈电匹配电路包括：第二馈电导体和第二匹配电路，所述第二馈电导体连接在所述第二辐射导体和所述第二匹配电路之间，所述第二匹配电路伸入所述第二缺口处。

4.根据权利要求3所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一匹配电路的长度和所述第二匹配电路的长度均为四分之一波长。

5.根据权利要求2所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一天线单元为多个且共用一个所述第一接地导体，多个所述第一馈电匹配电路均与第一馈电网络连接；

所述第二天线单元为多个且共用一个所述第二接地导体，多个所述第二馈电匹配电路均与第二馈电网络连接。

6.根据权利要求2所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一接地导体与所述第一辐射导体之间的间隙d1满足关系式：d1≤0.25λmm，其中，λ为波长。

7.根据权利要求1所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一接地导体和所述第二接地导体通过多个金属孔相连。

8.根据权利要求1所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一接地导体与所述第二接地导体间的厚度不超过0.05λmm，其中，λ为波长。

9.根据权利要求1所述的双向双极化天线，其特征在于，所述介质基板的厚度d2满足关系式：d2≤0.05λmm，其中，λ为波长。

10.根据权利要求1所述的双向双极化天线，其特征在于，所述第一辐射导体和所述第二辐射导体形状相同且为多边形、圆形或环形。