CN110011043A - 四频双极化天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四频双极化天线及无线通信设备，该天线包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基片集成波导、第二金属层、第二基片集成波导以及金属地板，所述第一金属层上设有矩形环辐射缝隙，所述第二金属层的中间设有十字形耦合缝隙，且在十字形耦合缝隙的四侧分别设有矩形耦合缝隙，所述第二基片集成波导的中间设有馈电通孔，所述金属地板在馈电通孔的对应位置上设有圆形缝隙；所述无线通信设备包括上述的天线。本发明天线采用同轴馈电的激励方式，使能量通过不同的耦合缝隙从不同的路径耦合到上方，经由矩形环辐射缝隙辐射，且天线结构紧凑，剖面较低，辐射方向图稳定，能实现简单可调的四频双极化性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其是一种四频双极化天线及无线通信设备，属于无线通信天线技术领域。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，简称SIW)作为现代无线通信技术的一个重要组成部分，具有低剖面、低损耗的优良特性，且易于与平面器件集成，加工简单廉价，可大规模生产。基于基片集成波导的天线因其功率容量高，往往增益也较高，尤其是到了高频段的时候，SIW低电磁泄漏的特性使其相比传统微带电路拥有更好的优势。
现代无线通信系统随着技术的发展被广泛应用到生活中的各个领域，而实际应用中经常需要多个频段同时工作。如果采用多个天线组合工作产生多频效果，则会增加加工成本与空间损耗，对于通信系统的推广与小型化不利。在这种需求下，能有效解决这一问题的多频天线技术受到更多关注。
Guan Dong Fang等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATIONIEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，VOL.63，NO.12，DECEMBER 2015发表的《Compact SIW Annular Ring Slot Antenna With Multiband MultimodeCharacteristics》中公开了一种基于SIW的三频天线，该天线使用基模及高次模等三个模式实现了三频段可调的效果，但不足之处是使用的模式辐射方向图不一致，且增益不均匀，相差较大。
Mao Chun Xu等人在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS，VOL.16，2017发表的《A Novel Multiband Directional Antenna for WirelessCommunications》中公开了一种四频天线，通过多个谐振枝节的级联达到产生四个频点的效果，频点可调，方向图稳定，不过其总体尺寸相比基于SIW的天线要大，不利于天线的小型化。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种四频双极化天线，该天线采用同轴馈电的激励方式，使能量通过不同的耦合缝隙从不同的路径耦合到上方，经由矩形环辐射缝隙辐射，且天线结构紧凑，剖面较低，辐射方向图稳定，能实现简单可调的四频双极化性能。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种四频双极化天线，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基片集成波导、第二金属层、第二基片集成波导以及金属地板，所述第一金属层上设有矩形环辐射缝隙，所述第二金属层的中间设有十字形耦合缝隙，且在十字形耦合缝隙的四侧分别设有矩形耦合缝隙，所述第二基片集成波导的中间设有馈电通孔，所述金属地板在馈电通孔的对应位置上设有圆形缝隙。
进一步的，所述第一基片集成波导包括第一介质基片，所述第二基片集成波导包括第二介质基片，所述第一介质基片和第二介质基片的四周均设有四排金属化通孔；
所述第一金属层、第二金属层和金属地板的四周均设有与第一介质基片、第二介质基片上的四排金属化通孔对应的四排通孔。
进一步的，每排金属化通孔中，相邻两个金属化通孔之间的间距相同。
进一步的，每排金属化通孔中，每个金属化通孔的直径为2mm，相邻两个金属化通孔之间的间距均为3.8mm。
进一步的，所述第一介质基片和第二介质基片材质相同，厚度均为1mm，介电常数均为2.2，介质损耗角均为0.0009。
进一步的，所述矩形环辐射缝隙中，四条辐射缝隙的宽度相同，任意两条相对的辐射缝隙长度相同，任意两条相邻的辐射缝隙长度不同。
进一步的，所述十字形耦合缝隙中的两条矩形缝隙长度相同，宽度不同。
进一步的，所述矩形耦合缝隙的宽度相同，任意两条相对的矩形耦合缝隙长度相同，任意两条相邻的矩形耦合缝隙长度不同。
进一步的，所述馈电通孔位于第二基片集成波导的一条对角线上，且偏离第二基片集成波导的中心位置一定距离。
进一步的，所述馈电通孔的直径为1.2mm。
进一步的，所述圆形缝隙和馈电通孔的圆心是同一点，且圆形缝隙的直径大于馈电通孔的直径。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种无线通信设备，包括上述的四频双极化天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明天线采用双层基片集成波导叠加，将馈电探针插入与其直径相同的馈电通孔，即可通过馈电探针馈电，无需焊接，能量经由中间金属层不同的耦合缝隙耦合到上方金属层，经由矩形环辐射缝隙辐射，可形成四个独立可控的频点，方向图均为朝上辐射，辐射方向图一致且稳定，矩形环辐射缝隙具有两对辐射缝隙，每两个频点共用一对辐射缝隙，使结构更加紧凑小巧，且简单可调，能很好地应用到多频无线通信中。
2、本发明天线将双层基片集成波导上加载介质基片四周的金属化通孔直径设为2mm，相邻两个金属化通孔之间的间距设为3.8mm，可以防止基片集成波导的电磁泄漏。
3、本发明天线的金属地板在馈电通孔的对应位置上设有圆形缝隙，圆形缝隙和馈电通孔的圆心是同一点，且圆形缝隙的直径大于馈电通孔的直径，可以避免馈电探针与金属地板相连造成短路。
附图说明
图1为本发明实施例的四频双极化天线整体示意图。
图2为本发明实施例的四频双极化天线的第一金属层示意图。
图3为本发明实施例的四频双极化天线的第二金属层示意图。
图4为本发明实施例的四频双极化天线的金属地板示意图。
图5为本发明实施例的四频双极化天线回波损耗的仿真曲线图。
图6为本发明实施例的四频双极化天线在3.4GHz的方向图仿真曲线图。
图7为本发明实施例的四频双极化天线在3.94GHz的方向图仿真曲线图
图8为本发明实施例的四频双极化天线在4.52GHz的方向图仿真曲线图。
图9为本发明实施例的四频双极化天线在5.04GHz的方向图仿真曲线图。
其中，1-第一金属层，101-第一通孔，102-矩形环辐射缝隙，2-第一基片集成波导，201-第一介质基片，202-第一金属化通孔，3-第二金属层，301-第二通孔，302-十字形耦合缝隙，303-矩形耦合缝隙，4-第二基片集成波导，401-第二介质基片，402-第二金属化通孔，403-馈电通孔，5-金属地板，501-第三通孔，502-圆形缝隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种四频双极化天线，该天线基于基片集成波导的四频双极化天线，能够应用于无线通信设备中，其包括从上到下依次设置的第一金属层1、第一基片集成波导2、第二金属层3、第二基片集成波导4以及金属地板5，即第一金属层1位于第一基片集成波导2上方的上方，第二金属层3位于第一基片集成波导2与第二基片集成波导4之间，金属地板5位于第二基片集成波导4的下方，第一金属层1、第一基片集成波导2、第二金属层3、第二基片集成波导4和金属地板5的形状均为矩形。
所述第一基片集成波导2包括第一介质基片201，第一介质基片201的四周加载有四排第一金属化通孔202；所述第二基片集成波导4包括第二介质基片401，第二介质基片401的四周加载有四排第二金属化通孔402，第一金属化通孔202和第二金属化通孔402用于模拟腔体结构，且第一金属化通孔202和第二金属化通孔402一一对应。
进一步地，所述第一介质基片201和第二介质基片301材质相同，厚度均为1mm，介电常数均为2.2，介质损耗角均为0.0009。
进一步地，为了防止基片集成波导的电磁泄漏，每个第一金属化通孔202和第二金属化通孔402的直径均为2mm，相邻两个第一金属化通孔202以及相邻两个第二金属化通孔402之间的间距相同，且均为3.8mm。
第一金属层1通过第一金属化通孔202与第二金属层3相连，第二金属层3通过第二金属化通孔402与金属地板5相连，因此第一金属层1的的四周开有四排第一通孔101，第二金属层3的四周开有四排第二通孔301，金属地板5的四周开有四排第三通孔501，第一通孔101、第二通孔301和第三通孔501与第一金属化通孔202、第二金属化通孔402一一对应，每排第一通孔101、第二通孔301、第三通孔501、第一金属化通孔202以及第二金属化通孔402均有九个；具体地，上、下两排通孔圆心连线的长度为a，左、右两排通孔圆心连线的长度为b，a＝b＝38.4mm。
如图1和图2所示，所述第一金属层1上蚀刻有矩形环辐射缝隙102，矩形环辐射缝隙102具有四条辐射缝隙(上、下两条辐射缝隙构成一对辐射缝隙，左、右两条辐射缝隙构成另一对辐射缝隙)，四条辐射缝隙的宽度相同，任意两条相对的辐射缝隙长度相同，任意两条相邻的辐射缝隙长度不同；具体地，上、下两条辐射缝隙的外边长度均为a1＝13.5mm，内边长度均为a2＝10.3mm，左、右两条辐射缝隙的外边长度均为b1＝15.9mm，内边长度均为b2＝12.4mm。
如图1和图3所示，所述第二金属层3的中间蚀刻有十字形耦合缝隙302，十字形耦合缝隙302由两条矩形缝隙垂直排布形成，两条矩形缝隙长度相同，宽度不同；具体地，其中一条矩形缝隙的长度为L1，宽度为W1，另一条矩形缝隙的长度为L2，宽度为W2，L1＝L2＝13.1mm，W1＝2.3mm，W2＝2mm。
进一步地，所述第二金属层3在十字形耦合缝隙302的四侧分别蚀刻有矩形耦合缝隙303，即矩形耦合缝隙303共有四条，四条矩形耦合缝隙303的宽度相同，任意两条相对的矩形耦合缝隙303长度相同，任意两条相邻的矩形耦合缝隙303长度不同；具体地，上、下两条矩形耦合缝隙的长度为L3，宽度为W3，左、右两条矩形耦合缝隙的长度为L4，宽度为W4，L3＝22mm，L4＝14.5mm，W3＝W4＝2mm，
为了实现馈电，所述第二基片集成波导4上的第二介质基片401中间加载有馈电通孔403，该馈电通孔403也是金属化通孔，馈电通孔403位于第二介质基片401的一条对角线上，且偏离第二介质基片401的中心位置一定距离，以此激发所需的模式，主要用于馈电激励第二介质基片301中的两个正交的TE210模与TE120模，馈电通孔403的直径为1.2mm。
如图1～图3所示，第二金属层3的上、下两条矩形耦合缝隙303用于耦合TE120模的能量到第一金属层1中矩形环辐射缝隙102对应方向的两条辐射缝隙，并使其辐射出去；同样地，第二金属层3的左、右两条矩形耦合缝隙303可以将TE210模的能量耦合到上方并辐射，形成两个独立可控且极化正交的辐射频点，而位于第二金属层3的十字形耦合缝隙302可以激励第一介质基片201中的TE100模与TE010模，且频点可以分别由a2和b2的长度控制，同时不影响TE120模与TE210模的控制，这两个模式可以分别由不同耦合路径的长度或不同耦合缝隙的长度控制。
如图1和图4所示，所述金属地板5在馈电通孔403的对应位置上设有圆形缝隙502，为了避免馈电探针与金属地板5相连造成短路，圆形缝隙502和馈电通孔403的圆心是同一点，且圆形缝隙502的直径大于馈电通孔403的直径，本实施例的馈电探针采用SMA接头，馈电时直接将底部的SMA接头内芯插入与其直径相同的馈电通孔403即可；具体地，圆形缝隙502的直径R＝3.2mm，圆形缝隙502的圆心到右排第三通孔501的距离为fy，圆形缝隙502的圆心到下排第三通孔的距离为fx，fx＝fy＝16.2mm。
上述实施例中，所述第一金属层1、第二金属层3、金属地板5、第一金属化通孔202的孔壁、第二金属化通孔402的孔壁、馈电通孔403的孔壁均采用金属材料制成，优选采用铜材料；所述无线通信设备可以为手机、平板电脑等电子设备。
由图5中的|S11|仿真曲线可以看出该四模天线的四个模式被完全激励了，四个频点中心频率分别为3.4GHz、3.94GHz、4.52GHz、5.04GHz，可以看到匹配情况良好；图6至图9则为四个模式在中心频点的方向图，包含主极化、交叉极化、E面和H面，主极化增益分别为5.7dBi，6.4dBi，7.3dBi，7.8dBi，交叉极化比均在15dB以上。
综上所述，本发明天线采用双层基片集成波导叠加，将馈电探针插入与其直径相同的馈电通孔，即可通过馈电探针馈电，无需焊接，能量经由中间金属层不同的耦合缝隙耦合到上方金属层，经由矩形环辐射缝隙辐射，可形成四个独立可控的频点，方向图均为朝上辐射，辐射方向图一致且稳定，矩形环辐射缝隙具有两对辐射缝隙，每两个频点共用一对辐射缝隙，使结构更加紧凑小巧，且简单可调，能很好地应用到多频无线通信中。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种四频双极化天线，其特征在于：包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基片集成波导、第二金属层、第二基片集成波导以及金属地板，所述第一金属层上设有矩形环辐射缝隙，所述第二金属层的中间设有十字形耦合缝隙，且在十字形耦合缝隙的四侧分别设有矩形耦合缝隙，所述第二基片集成波导的中间设有馈电通孔，所述金属地板在馈电通孔的对应位置上设有圆形缝隙。
2.根据权利要求1所述的四频双极化天线，其特征在于：所述第一基片集成波导包括第一介质基片，所述第二基片集成波导包括第二介质基片，所述第一介质基片和第二介质基片的四周均设有四排金属化通孔；
所述第一金属层、第二金属层和金属地板的四周均设有与第一介质基片、第二介质基片上的四排金属化通孔对应的四排通孔。
3.根据权利要求2所述的四频双极化天线，其特征在于：每排金属化通孔中，相邻两个金属化通孔之间的间距相同。
4.根据权利要求3所述的四频双极化天线，其特征在于：每排金属化通孔中，每个金属化通孔的直径为2mm，相邻两个金属化通孔之间的间距均为3.8mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的四频双极化天线，其特征在于：所述矩形环辐射缝隙中，四条辐射缝隙的宽度相同，任意两条相对的辐射缝隙长度相同，任意两条相邻的辐射缝隙长度不同。
6.根据权利要求1-4任一项所述的四频双极化天线，其特征在于：所述十字形耦合缝隙中的两条矩形缝隙长度相同，宽度不同。
7.根据权利要求1-4任一项所述的四频双极化天线，其特征在于：所述矩形耦合缝隙的宽度相同，任意两条相对的矩形耦合缝隙长度相同，任意两条相邻的矩形耦合缝隙长度不同。
8.根据权利要求1-4任一项所述的四频双极化天线，其特征在于：所述馈电通孔位于第二基片集成波导的一条对角线上，且偏离第二基片集成波导的中心位置一定距离。
9.根据权利要求1-4任一项所述的四频双极化天线，其特征在于：所述圆形缝隙和馈电通孔的圆心是同一点，且圆形缝隙的直径大于馈电通孔的直径。
10.一种无线通信设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的四频双极化天线。
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