CN109742540A - 一种小型化高隔离度多源多波束天线 - Google Patents

Abstract

一种小型化高隔离度多源多波束天线，适用于无线通信，它包括方形馈电贴片、介质基板、方形寄生贴片、方形接地板；其中，方形馈电贴片、方形寄生贴片和方形接地板分别贴装于介质基板的上表面和下表面；方形馈电贴片的轴线、介质基板的轴线、方形接地板的轴线相重合；方形馈电贴片上设置有一个非对称型隔离缝隙、四个开口圆环缝隙和M个短路过孔；方形寄生贴片的数目为四个，设置有一个短路过孔。本发明解决了现有多源多波束天线馈源间隔离度差的问题。

Description

一种小型化高隔离度多源多波束天线

技术领域

本发明涉及多波束天线，具体是一种小型化、低剖面、高隔离度多源多波束天线。

背景技术

无线通信用户的高速增长意味着必须寻找到提高网络容量的新办法，无线通信系统的容量受到干涉的限制。为了提高频谱资源的利用率，增大信道容量，多波束天线越来越受到人们的重视。由于多波束天线可通过空间分集的方法选出有用或者需要的射频信号，从而改善信杂干比，同时由于多波束天线具有一定的波束增益，使得接收机的灵敏度得到一定程度的提升。因此，多波束天线在未来的无限通信领域里将会扮演重要角色。

目前，多波束天线大多采用反射面型和移相网络两种形式实现。反射面型多波束天线要求多个馈源和反射面保持一定的距离，这不仅给架设带来了麻烦，而且成本高、剖面大。而用移相网络实现波束可控需要波束成形网络，导致其体积较大，馈源之间的隔离度通常较低。如A Pal, A Mehta, D Mirshekar-Syahkal, H Nakano, A Twelve-BeamSteering Low Profile Patch Antenna with Shorting Vias for VehicularApplications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65, 3905 -3912.等。

鉴于此，有必要提出一种不需要波束成形网络，且各馈源之间隔离度较高的小型化、低剖面多波束天线，以满足无线通信的发展需求。

发明内容

本发明为解决目前多源多波束天线体积大，剖面高，馈源间隔离度差的问题，提供了一种无波束成形网络的小型化、低剖面、高隔离度多源多波束天线。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种小型化高隔离度多源多波束天线，包括方形馈电贴片、长方形寄生贴片、介质基板、方形接地板；

其中，方形馈电贴片、长方形寄生贴片贴装于介质基板的上表面，介质基板的下表面贴装有方形接地板；方形馈电贴片的轴线、介质基板的轴线、方形接地板的轴线相重合；

方形馈电贴片的四周放置有四个长方形寄生贴片，二者边缘的距离为S ₁；

方形馈电贴片的中间设置有一个非对称隔离缝隙；非对称隔离缝隙由四条沿方形馈电贴片对称轴方向的条状微缝隙、四条沿方形馈电贴片另一对称轴方向的条状缝隙和五条沿方形馈电贴片对角线方向额条状缝隙组成；各个缝隙均位于方形馈电贴片内，且五条沿方形馈电贴片对角线方向分布的条状缝隙等距排列；

方形馈电贴片的边缘设置有四个开口圆环缝隙；每个开口圆环缝隙的中央和方形接地板之间贯通设置有同轴馈电点；开口方向朝向方形馈电贴片中心；

方形馈电贴片四角与方形接地板之间贯通开设有M个短路过孔，且每个短路过孔周向等距排列；

长方形寄生贴片沿长边对称轴方向贯通设有一个短路过孔；

M为正整数。

工作时，由某一馈源馈入的信号在方形馈电贴片上产生对称分布的电流，由M个短路过孔产生的低电位有助于改善方形馈电贴片上表面电流的分布；同时，非对称隔离缝隙的存在将电流束缚在馈源周围，此时仅在靠近馈源的寄生贴片上产生感应电流，从而实现高隔离度的线极化单波束。多个馈源分别馈电时，可以在不同的方位上形成多个波束，实现了定向波束辐射。与现有多源多波束天线相比，本发明所述的一种高隔离度多源多波束天线不需要波束成形网络，大大减小了天线的面积，而且辐射贴片和接地板贴装于介质的两面，不需要另外的空气层，实现了低剖面；通过在方形馈电贴片上引入短路过孔，调节了天线的谐振频率，并在馈源附近引入开口圆环缝隙，改善了端口的阻抗匹配，利用在方形馈电贴片刻蚀缝隙隔离结构实现天线端口的高隔离度满足了无线通信的需求。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有多源多波束天线体积大、剖面高，端口之间隔离度较差等问题，适用于无线通信。

附图说明

图1为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3位图1的侧视图。

图4为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线端口1或端口2馈电时的S参数曲线。

图5为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线端口3或端口4馈电时的S参数曲线。

图6为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线端口1或端口2馈电时E面的辐射方向图。

图7为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线端口1或端口2馈电时H面的辐射方向图。

图8为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线端口3或端口4馈电时E面的辐射方向图。

图9为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线端口3或端口4馈电时H面的辐射方向图。

图10为本发明所述的紧凑型波束可控微带天线的增益曲线。

图中，1-方形馈电贴片，2-长方形寄生贴片，3-介质基板，4-方形接地板，5-非对称隔离缝隙，6-开口圆环缝隙，7-馈电孔，8-短路过孔,9-短路过孔。

具体实施方式

一种高隔离度多源多波束天线，包括方形馈电贴片1、长方形寄生贴片2、介质基板3、方形接地板4；

其中，方形馈电贴片1、长方形寄生贴片2贴装于介质基板3的上表面，介质基板3的下表面贴装有方形接地板4；方形馈电贴片1的轴线、介质基板3的轴线、方形接地板4的轴线相重合；

方形馈电贴片1的四周放置有四个长方形寄生贴片2，二者边缘的距离为S ₁；

方形馈电贴片1的中间设置有一个非对称隔离缝隙5；非对称隔离缝隙5由四条沿方形馈电贴片对称轴方向的条状微缝隙、四条沿方形馈电贴片另一对称轴方向的条状缝隙和五条沿方形馈电贴片对角线方向额条状缝隙组成；各个缝隙均位于方形馈电贴片内，且五条沿方形馈电贴片对角线方向分布的条状缝隙等距排列；

方形馈电贴片1的边缘设置有四个开口圆环缝隙6；每个开口圆环缝隙6的中央和方形接地板4之间贯通设置有同轴馈电点7；开口方向朝向方形馈电贴片中心；

方形馈电贴片1四角与方形接地板4之间贯通开设有M个短路过孔8，且每个短路过孔周向等距排列；

长方形寄生贴片2沿长边对称轴方向贯通设有一个短路过孔9；

M为正整数。

具体实施时，方形馈电贴片1的长×宽为42.5mm×42.5mm；方形馈电贴片1和长方形寄生贴片2边缘之间的距离为1mm；长方形寄生贴片2的长×宽为27.5 mm×16.8 mm；介质基板3的长×宽×高为150mm×150mm×1.6mm；方形接地板4的长×宽×高为150mm×150mm×0.1mm；非对称隔离缝隙5长矩形缝隙的长×宽为21 mm×1.2 mm，短矩形缝隙的长×宽为7 mm×1.2 mm，五个平行矩形缝隙的长×宽为11.5 mm×1.2 mm，间距为1.8 mm；开口圆环缝隙6的内半径为2 mm，外半径为3.2 mm，开口宽度为2 mm；短路过孔8的半径为0.5 mm，距离方形馈电贴片1边缘为1.8 mm，相互之间的距离为1.8 mm；短路过孔9半径为0.5 mm，距离长方形寄生贴片2边缘为10 mm。

附图4示出了工作频率为5.3GHz的紧凑型波束可调微带天线端口1或端口2馈电时的S参数的响应特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。曲线1-4分别为S₁₁(S₂₂)、S₁₂(S₂₁)、S₃₁(S₄₂)、S₄₁(S₃₂)，在S ₁₁(S₂₂)<-10dB的阻抗带宽为5.05~ 5.49GHz，各端口之间的相互隔离度小于-15dB。

附图5示出了工作频率为5.3GHz的紧凑型波束可调微带天线端口3或端口4馈电时的S参数的响应特性，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。曲线1-4分别为S₃₃(S₄₄)、S₁₃(S₂₄)、S₂₃(S₁₄)、S₃₄(S₃₄)，在S ₃₃(S₄₄)<-10dB的阻抗带宽为5.25~ 5.48GHz，各端口之间的相互隔离度小于-10dB。

附图6和附图7分别示出了工作频率为5.3GHz的小型化多波束天线端口1馈电时的E面和H面辐射方向图(或端口2馈电时的H面和E面辐射方向图)。其中横坐标代表角度变量，单位为°，纵坐标代表幅度变量，单位为dBi。可以看出，在端口1或2馈电时，在(Φ, θ) =(0°, 35°)或(90°, 35°)的方向形成了明显的辐射波束。Φ为天线辐射波的方位角，θ为天线辐射波的俯仰角。

附图8和附图9分别示出了小型化多波束天线在工作频率为5.3GHz时，端口3馈电时E面和H面辐射方向图(或端口4馈电时的H面和E面辐射方向图)。其中横坐标代表角度变量，单位为°，纵坐标代表幅度变量，单位为dBi。在端口1或2馈电时，在(Φ, θ) = (180°,36°)或(270°, 36°)的方向形成了明显的辐射波束。

附图10示出了小型化多波束天线在的增益曲线。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dBi，天线的增益范围是8.26dBi-8.39dBi，最大增益达到了8.39dBi。

以上所述仅为本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应该构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基板思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种小型化高隔离度多源多波束天线，包括方形馈电贴片（1）、长方形寄生贴片（2）、介质基板（3）、方形接地板（4）；方形馈电贴片（1）、长方形寄生贴片（2）贴装于介质基板（3）的上表面，介质基板（3）的下表面贴装有方形接地板（4）；方形馈电贴片（1）的轴线、介质基板（3）的轴线、方形接地板（4）的轴线相重合；方形馈电贴片（1）的四周放置有四个长方形寄生贴片（2），二者边缘的距离为S ₁ (的范围为0.5-1.5mm, 最优值为1mm)；方形馈电贴片（1）的中间设置有一个非对称隔离缝隙（5）；非对称隔离缝隙（5）由四条沿方形馈电贴片对称轴方向的条状微缝隙、四条沿方形馈电贴片另一对称轴方向的条状缝隙和五条沿方形馈电贴片对角线方向额条状缝隙组成；各个缝隙均位于方形馈电贴片内，且五条沿方形馈电贴片对角线方向分布的条状缝隙等距排列；方形馈电贴片（1）的边缘设置由四个开口圆环缝隙（6）；每个开口圆环缝隙（6）的中央和方形接地板（4）之间贯通设置有同轴馈电点（7）；开口方向朝向方形馈电贴片中心；方形馈电贴片（1）四角与方形接地板（4）之间贯通开设有M个短路过孔（8），且每个短路过孔周向等距排列；长方形寄生贴片2沿长边对称轴方向贯通设有一个短路过孔（9）；M为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种小型化高隔离度多源多波束天线，其特征在于：方形馈电贴片（1）上短路过孔（8）的数目为三十六个。

3.根据权利要求1所述的一种小型化高隔离度多源多波束天线，其特征在于：长方形寄生贴片（2）的数目为四个。

4.根据权利要求1所述的一种小型化高隔离度多源多波束天线，其特征在于：长方形寄生贴片（2）上短路过孔（9）的数目为一个。