CN109786963B

CN109786963B - 一种低剖面的宽带方向图分集天线

Info

Publication number: CN109786963B
Application number: CN201811629911.5A
Authority: CN
Inventors: 闫森; 郑颜
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN109786963A

Abstract

本发明公开了一种低剖面的宽带方向图分集天线，包括三维单极子天线、矩形微带贴片天线及接地板；三维单极子天线设置在接地板上，三维单极子天线两个弯折六边形回路；矩形微带贴片天线水平设置在三维单极子天线上方，矩形微带贴片天线通过绝缘介质与接地板连接；三维单极子天线通过同轴馈电，矩形微带贴片天线通过差分馈电；通过采用三维单极子天线与矩形微带贴片天线，减小了方向图分集天线的高度和尺寸，使天线结构更加紧凑；三维单极子天线采用双弯折六边形回路结构，有效地拓展了水平全向辐射模式的工作带宽。

Description

一种低剖面的宽带方向图分集天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种低剖面的宽带方向图分集天线。

背景技术

分集技术能够有效地提高信道容量以及抵抗多径衰落，因而广泛的应用于MIMO系统当中。其中，天线的极化分集和方向图分集可以通过共置两个或多个辐射结构来减小天线系统的整体尺寸，因而常见于移动设备中。现有的方向图分集天线常通过激励不同的辐射结构来实现，这造成了整个系统结构的复杂，尺寸的增大，且天线的工作带宽较窄；如何在拓展天线带宽的前提下，提高辐射效率，增强端口隔离度，减小天线系统的整体尺寸成为当前研究的热点问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种低剖面的宽带方向图分集天线，以实现在拓展天线带宽的前提下，提高辐射效率，增强端口隔离度，减小天线系统的整体尺寸。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种低剖面的宽带方向图分集天线，包括三维单极子天线、矩形微带贴片天线及接地板；三维单极子天线设置在接地板上，三维单极子天线包括对称设置的第一弯折六边形回路、第二弯折六边形回路和金属片；第一弯折六边形回路的左端与接地板上表面连接，第一弯折六边形回路的右端通过金属片与第二弯折六边形回路的左端连接，第二弯折六边形回路的右端与接地板的上表面连接，金属片水平设置在接地板上方；矩形微带贴片天线水平设置在三维单极子天线上方，矩形微带贴片天线通过绝缘介质与接地板连接；三维单极子天线通过同轴馈电，矩形微带贴片天线通过差分馈电。

进一步的，还包括L型平板，L型平板用于为矩形微带贴片天线提供差分馈电；L型平板包括对称设置在三维单极子天线的前后两侧的第一L型平板和第二L型平板；L型平板的较短边水平设置底部且置于接地板的上方。

进一步的，接地板上设置有第一馈电端口、第二馈电端口及第三馈电端口，第一馈电端口、第二馈电端口及第三馈电端口内均设置同轴探针；第一馈电端口和第二馈电端口分别通过第一馈电端口内的同轴探针和第二馈电端口内的同轴探针与差分电路连接；第一L型平板连接在第一馈电端口上，第二L型平板连接在第二馈电端口上；金属片连接在第三馈电端口上，第三馈电端口采用同轴馈电方式。

进一步的，三维单极子天线的第一弯折六边形回路和第二弯折六边形回路均采用六边形回路沿对角线对折形成；六边形回路相邻各边依次记为L1边、L2边、L3边、L4边、L5边及L6边，沿L1边与L2边的交点及L5与L4的交点的对角线对折第一弯折六边形回路或第二弯折六边形回路，第一弯折六边形回路和第二弯折六边形回路各边的尺寸特征为：L1＝L5＝25-35mm，L2＝L4＝30-38mm，L3＝10-15mm，L6＝10-15mm；第一弯折六边形回路和第二弯折六边形回路的高度H1＝12-16mm。

进一步的，矩形微带贴片天线采用正方形金属片，正方形金属片的边长L8＝55-75mm。

进一步的，矩形微带贴片天线与接地板之间的距离H2＝18-25mm。

进一步的，L型平板的高度H3＝15-20mm，宽度为W1＝20-30mm；L型平板较短边的长度W2＝2-5mm；L型平板较短边与接地板之间的距离为H4＝1.5-3mm；第一L型平板和第二L型平板之间的距离S2＝60-70mm。

进一步的，第一弯折六边形回路的右端与第二弯折六边形回路的左端之间的距离S1＝6-9mm。

进一步的，同轴探针的内芯直径D2＝1.2mm。

进一步的，金属片与接地板之间的距离fg＝0.5-1.5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种低剖面的宽带方向图分集天线，通过采用三维单极子天线与矩形微带贴片天线，减小了方向图分集天线的高度和尺寸，使天线结构更加紧凑；三维单极子天线采用双弯折六边形回路结构，有效地拓展了水平全向辐射模式的工作带宽；当单个弯折六边形回路的长度接近于半波长时，该回路发生谐振；当两个弯折六边形回路同相馈电时，两者之间的耦合作用有效地扩展天线的工作带宽；

进一步的，矩形微带贴片天线采用差分馈电，矩形微带贴片天线可以直接与差分电路相匹配；差分电路因其低噪声、高线性度、大动态范围等优势广泛应用于微波电路设计中，采用差分馈电的天线，能够直接集成到差分电路系统当中，以降低系统的插入损耗以及复杂度。

进一步的，采用L型平板传输线代替同轴探针进行差分馈电，有效地增加天线侧向辐射模式的工作带宽；一般来说，增加矩形微带贴片天线的高度可以增加其工作带宽，但在增加天线高度的同时，激励探针的高度也会随之增加，这样会使探针结构引入的电感增大，从而限制天线的带宽；利用L型平板传输线代替同轴探针，减少了电感的引入，从而带宽不再受激励探针的限制。

附图说明

图1是本发明所述的方向图分集天线的整体结构示意图；

图2是本发明所述的方向图分集天线的正视示意图；

图3是本发明所述的方向图分集天线的俯视图；

图4为本发明所述的方向图分集天线中的三维单极子天线结构示意图；

图5是本发明所述的方向图分集天线中的三维单极子天线结构及接地板横向剖面图；

图6是实施例1中第一、二及第三馈电端口分别馈电时S参数仿真结果图；

图7是实施例1中第一、二及第三馈电端口分别馈电时远场实际增益仿真结果图；

图8是实施例1中第一、二馈电端口差分馈电时不同频率E面方向图；

图9是实施例1中第三馈电端口同轴馈电时不同频率E面方向图；

其中，1三维单极子天线，2矩形微带贴片天线，3接地板，4L型平板，5同轴探针；11第一弯折六边形回路，12第二弯折六边形回路，13金属片，31第一馈电端口，32第二馈电端口，33第三馈电端口，41第一L型平板，42第二L型平板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参考附图1-5所示，本发明一种低剖面的宽带方向图分集天线，包括三维单极子天线1、矩形微带贴片天线2、接地板3及L型平板4；

三维单极子天线1由双弯折六边形回路构成，三维单极子天线1包括第一弯折六边形回路11、第二弯折六边形回路12及金属片13；第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12对称设置在接地板3上；第一弯折六边形回路11的左端与接地板3连接，第一弯折六边形回路11的右端通过金属片13与第二弯折六边形回路12的左端连接，第二弯折六边形回路12的右端与接地板3连接；第一弯折六边形回路11通过金属片13与第二弯折六边形回路12形成双回路；矩形金属片13水平设置在接地板3的上方。

L型平板4包括第一L型平板41和第二L型平板42；第一L型平板41和第二L型平板42对称设置在三维单极子天线1的前后两侧；第一L型平板41的较短边水平设置在底部，且底部较短边通过同轴探针5的内芯设置在接地板3上；第二L型平板42的较短边水平设置在底部，且底部较短边通过同轴探针5的内芯设置在接地板3上。

接地板3采用矩形金属结构，接地板3上设置有第一馈电端口31、第二馈电端口32及第三馈电端口33，第一馈电端口31、第二馈电端口32及第三馈电端口33均设置有同轴探针5；第一馈电端口31和第二馈电端口32分别设置在三维单极子天线1的前后两侧；第一L型平板41连接在第一馈电端口31上，第二L型平板42连接在第二馈电端口32上；L型平板4由第一馈电端口31和第二馈电端口32馈电，第一馈电端口31和第二馈电端口32分别通过第一馈电端口31内的同轴探针5和第二馈电端口32内的同轴探针5与差分电路连接，馈电方式为差分馈电，有效地增加天线侧向辐射模式的工作带宽。三维单极子天线1通过金属片13连接在第三馈电端口33上，三维单极子天线1采用同轴馈电方式；金属片13采用矩形结构。

矩形微带贴片天线2水平设置在三维单极子天线1上部，矩形微带贴片天线2通过绝缘介质与接地板3连接，矩形微带贴片天线2采用正方形金属贴片。

第一弯折六边形回路11采用六边形回路沿对角线对折形成，六边形回路相邻各边依次记为L1边、L2边、L3边、L4边、L5边及L6边，沿L1边与L2边的交点及L5与L4的交点的对角线对折形成第一弯折六边形回路11；第二弯折六边形回路12的形状为采用六边形回路沿对角线对折形成；六边形回路相邻各边依次记为L1边、L2边、L3边、L4边、L5边及L6边；沿L1边与L2边的交点及L5与L4的交点的连线对折形成第二弯折六边形回路12。

实施例1

第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12的结构完全相同且对称设置各边长分别，第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12各边边长的尺寸特征分别为L1＝L5＝30.6mm，L2＝L4＝33mm，L3＝12.4mm，L6＝11.5mm；

第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12的高度H1＝14.8mm；第一弯折六边形回路11右端与第二弯折六边形回路12左端之间的距离S1＝8.2mm；

矩形微带贴片天线2的边长L8＝60.5mm，矩形微带贴片天线2距离接地板3的距离为H2＝20mm；金属片13与接地板3之间的距离fg＝1.2mm；接地板3采用矩形金属片，接地板3的边长为L7＝200mm。

L型平板4的高度H3＝18mm，宽度为W1＝25mm，L型平板4较短边的长度W2＝3.2mm；第一L型平板41和第二L型平板42之间的距离S2＝65mm；L型平板4较短边距离接地板3之间距离H4＝2.5mm；同轴探针5的内芯直径D2＝1.2mm。

本发明所述的天线的工作频率为1.7-2.7GHz，并在该频段内实现方向图分集，包括实现水平全向和侧向两种辐射模式。

参考附图6所示，给出了本发明实施例1所述的方向图分集天线的第一馈电端口和第二馈电端口差分端口与第三馈电端口同轴端口分别馈电时，S参数仿真结果；可以看出，差分端口馈电时，本发明实施例所述的方向图分集天线在1.6-2.7GHz的范围内，反射系数小于-10dB；3端口馈电时，本发明实施例所述的分集天线在1.7-2.9GHz的范围内，反射系数小于-3dB；结合差分端口的工作频率，本发明实施例所述的方向图分集天线可以工作在1.7-2.7GHz。

参考附图7所示，给出了本发明实施例1所述的方向图分集天线的第一馈电端口和第二馈电端口差分端口反相馈电与第三馈电端口同轴端口分别馈电时，远场实际增益的仿真结果；可以看出，差分端口反相馈电时，本发明实施例所述的方向图分集天线的最大增益大于6dB，在2GHz时可以达到10dB；第三馈电端口同轴激励时，本发明实施例所述的方向图分集天线的最大增益为1.7-4.9dB，在2.7GHz时可以达到4.9dB。

参考附图8所示，给出了在第一馈电端口和第二馈电端口差分端口激励下，本发明实施例1所述的方向图分集天线不同频率的E面方向图；可以看出，在差分端口激励方式下，本发明实施例所述的方向图分集天线辐射方式为侧向辐射，沿z轴正方向增益最大，并且具有较小的后瓣。

参考附图9所示，给出了在第三馈电端口同轴馈电激励下，本发明实施例1所述的方向图分集天线不同频率的E面方向图；可以看出，在第三馈电端口同轴馈电激励方式下，本发明实施例所述的方向图分集天线辐射方式为水平全向辐射，电场的极化方式为垂直极化，由于天线放置在有限大的金属地板上，天线的主射方向偏离水平面而上翘。

实施例2

第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12的结构完全相同且对称设置，第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12各边边长的尺寸特征分别为L1＝L5＝25mm，L2＝L4＝30mm，L3＝10mm，L6＝10mm；

第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12的高度H1＝12mm；第一弯折六边形回路11左端与第二弯折六边形回路12右端之间的距离S1＝6mm；

矩形微带贴片天线2的边长L8＝55mm，矩形微带贴片天线2距离接地板3的距离为H2＝18mm；金属片13与接地板3之间的距离fg＝0.5mm；接地板3采用矩形金属片，接地板3的边长为L7＝100mm。

L型平板4的高度H3＝15mm，宽度为W1＝20mm，L型平板4较短边的长度W2＝2mm；第一L型平板41和第二L型平板42之间的距离S2＝60mm；L型平板4较短边距离接地板3之间距离H4＝1.5mm；同轴探针5的内芯直径D2＝1.2mm。

实施例3

第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12的结构完全相同且对称设置，第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12各边边长的尺寸特征分别为L1＝L5＝35mm，L2＝L4＝38mm，L3＝15mm，L6＝15mm；

第一弯折六边形回路11和第二弯折六边形回路12的高度H1＝16mm；第一弯折六边形回路11左端与第二弯折六边形回路12右端之间的距离S1＝9mm；

矩形微带贴片天线2的边长L8＝75mm，矩形微带贴片天线2距离接地板3的距离为H2＝25mm；金属片13与接地板3之间的距离fg＝1.5mm；接地板3采用矩形金属片，接地板3的边长为L7＝200mm。

L型平板4的高度H3＝20mm，宽度为W1＝30mm，L型平板4较短边的长度W2＝5mm；第一L型平板41和第二L型平板42之间的距离S2＝70mm；L型平板4较短边距离接地板3之间距离H4＝3mm；同轴探针5的内芯直径D2＝1.2mm。

本发明通过将三维单极子天线与矩形微带贴片天线共置，减小了方向图分集天线的高度和尺寸，天线结构更加紧凑；三维单极子天线采用双弯折六边形回路结构，有效地拓展了水平全向辐射模式的工作带宽；当单个弯折六边形回路的长度接近于半波长时，该回路发生谐振；当两个弯折六边形回路同相馈电时，两者之间的耦合作用可以有效地扩展天线的工作带宽；

本发明矩形微带贴片天线采用差分馈电，矩形微带贴片天线可以直接与差分电路相匹配；差分电路具有低噪声、高线性度、大动态范围等优势；采用差分馈电的矩形微带贴片天线，能够直接集成到差分电路系统当中，以降低系统的插入损耗以及复杂度。

采用L型平板传输线代替同轴探针进行差分馈电，可以有效地增加天线侧向辐射模式的工作带宽；一般来说，增加矩形微带贴片天线的高度可以增加其工作带宽，但在增加天线高度的同时，激励探针的高度也会随之增加，这样会使探针结构引入的电感增大，从而限制天线的带宽；利用L型平板传输线代替同轴探针，可以减少电感的引入，从而带宽不再受激励探针的限制。

Claims

1.一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，包括三维单极子天线(1)、矩形微带贴片天线(2)及接地板(3)；三维单极子天线(1)设置在接地板(3)上，三维单极子天线(1)包括对称设置的第一弯折六边形回路(11)、第二弯折六边形回路(12)和金属片(13)；第一弯折六边形回路(11)的左端与接地板(3)上表面连接，第一弯折六边形回路(11)的右端通过金属片(13)与第二弯折六边形回路(12)的左端连接，第二弯折六边形回路(12)的右端与接地板(3)的上表面连接，金属片(13)水平设置在接地板(3)上方；矩形微带贴片天线(2)水平设置在三维单极子天线(1)上方，矩形微带贴片天线(2)通过绝缘介质与接地板(3)连接；三维单极子天线(1)通过同轴馈电，矩形微带贴片(2)天线通过差分馈电；

还包括L型平板(4)，L型平板(4)用于为矩形微带贴片天线(2)提供差分馈电；L型平板(4)包括对称设置在三维单极子天线(1)的前后两侧的第一L型平板(41)和第二L型平板(42)；L型平板(4)的较短边水平设置底部且置于接地板(3)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，接地板(3)上设置有第一馈电端口(31)、第二馈电端口(32)及第三馈电端口(33)，第一馈电端口(31)、第二馈电端口(32)及第三馈电端口(33)内均设置同轴探针(5)；第一馈电端口(31)和第二馈电端口(32)分别通过第一馈电端口(31)内的同轴探针(5)和第二馈电端口(32)内的同轴探针(5)与差分电路连接；第一L型平板(41)连接在第一馈电端口(31)上，第二L型平板(42)连接在第二馈电端口(32)上；金属片(13)连接在第三馈电端口(33)上，第三馈电端口(33)采用同轴馈电方式。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，三维单极子天线的第一弯折六边形回路(11)和第二弯折六边形回路(12)均采用六边形回路沿对角线对折形成；六边形回路相邻各边依次记为L1边、L2边、L3边、L4边、L5边及L6边，沿L1边与L2边的交点及L5与L4的交点的对角连线对折形成第一弯折六边形回路(11)或第二弯折六边形(12)；第一弯折六边形回路(11)和第二弯折六边形回路(12)各边的尺寸特征为：L1＝L5＝25-35mm，L2＝L4＝30-38mm，L3＝10-15mm，L6＝10-15mm；第一弯折六边形回路(11)和第二弯折六边形回路(12)的高度H1＝12-16mm。

4.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，矩形微带贴片天线(2)采用正方形金属片，正方形金属片的边长L8＝55-75mm。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，矩形微带贴片天线(2)与接地板(3)之间的距离H2＝18-25mm。

6.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，L型平板(4)的高度H3＝15-20mm，宽度为W1＝20-30mm；L型平板(4)较短边的长度W2＝2-5mm；L型平板(4)较短边与接地板(3)之间的距离为H4＝1.5-3mm；第一L型平板(41)和第二L型平板(42)之间的距离S2＝60-70mm。

7.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，第一弯折六边形回路(11)的右端与第二弯折六边形回路(12)的左端之间的距离S1＝6-9mm。

8.根据权利要求2所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，同轴探针(5)的内芯直径D2＝1.2mm。

9.根据权利要求1所述的一种低剖面的宽带方向图分集天线，其特征在于，金属片(13)与接地板(3)之间的距离fg＝0.5-1.5mm。