CN110429384A - 一种极化分集介质谐振天线 - Google Patents

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戴志梁
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Abstract

本发明提出了一种极化分集介质谐振天线，属于无线电通信领域，特别是涉及一种极化分集介质谐振天线。解决了现有MIMO介质谐振天线带宽窄、极化性能单一、各端口间隔离性能差的问题，简化天线结构，提升天线性能。它包括介质基板和四个单元天线，所述四个单元天线均布置在介质基板上，四个单元天线具有相互共用的重叠区域，每个单元天线均包括介质谐振器、激励缝隙、微带馈线和端口，所述微带馈线布置在介质基板的侧面，相邻微带馈线互相垂直呈中心旋转对称布置，所述端口与微带馈线相连，所述激励缝隙开设在介质基板上，位置与微带馈线对应且垂直相交，所述介质谐振器与激励缝隙相连。它主要用于提高无线通信系统性能。

Description

一种极化分集介质谐振天线
技术领域
本发明属于无线电通信领域，特别是涉及一种极化分集介质谐振天线。
背景技术
MIMO天线已经成为无线通信系统提高系统性能的一项关键技术，在不需要额外功率需求的背景下通过多个单元实现分集性能并消除多径效应的不良影响。目前，已有采用不同形式的天线实现不同分集性能的MIMO天线成果发表，最常见的是采用贴片天线实现频率分集。近年来，介质谐振天线因其具有小尺寸、低损耗、轻重量和容易激励的优势已经被作为实现MIMO天线的候选单元展开研究。以有公开发表的文献提出一种通过双探针激励的堆叠介质谐振器实现用于两个应用场景的双频MIMO介质谐振天线。尽管采用了缺陷地结构来降低单元间互耦，两通带内的隔离度仍小于20dB。更多结构简洁、性能优异的MIMO介质谐振天线有待提出。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种极化分集介质谐振天线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种极化分集介质谐振天线，它包括介质基板和四个单元天线，所述介质基板为矩形，所述四个单元天线均布置在介质基板上，四个单元天线具有相互共用的重叠区域，所述四个单元天线分别为第一单元天线、第二单元天线、第三单元天线和第四单元天线，每个单元天线均包括介质谐振器、激励缝隙、微带馈线和端口，所述微带馈线布置在介质基板的侧面，相邻微带馈线互相垂直呈中心旋转对称布置，所述端口与微带馈线相连，所述激励缝隙开设在介质基板上，位置与微带馈线对应且垂直相交，所述介质谐振器与激励缝隙相连，所述第一单元天线中介质谐振器与激励缝隙夹角为45°，端口为第一端口，所述第二单元天线中介质谐振器与激励缝隙夹角为135°，端口为第二端口，所述第一单元天线和第二单元天线的极化状态为左旋圆极化和右旋圆极化，所述第三单元天线和第四单元天线中介质谐振器与激励缝隙平行设置，端口分别为第三端口和第四端口，所述第三单元天线和第四单元天线的极化状态为两个相互垂直的线极化。
更进一步的，所述重叠区域的宽度jd为0mm-7.5mm。
更进一步的，所述介质基板厚度g为0.4mm-4mm。
更进一步的，所述激励缝隙为矩形结构。
更进一步的，所述每个单元天线的边长为10mm-60mm。
更进一步的，所述介质谐振器为方锥形、非等长十字形、径向上凹陷的圆柱形或矩形结构，方锥形介质谐振器小端与激励缝隙相连，所述介质谐振器的介电常数范围为6-30。
更进一步的，所述方锥形介质谐振器大端长边b为19.2mm，大端短边a为9.6mm，小端长边b1为8.4mm，短边a1为4.2mm，高度h为5mm。
更进一步的，所述激励缝隙的长度W2为8mm，宽度L2为1.5mm。
更进一步的，所述微带馈线的宽度W1为2.8mm，所述微带馈线长度方向顶端到激励缝隙中心的距离L1为4mm。
更进一步的，所述重叠区域的宽度jd为5mm，所述介质基板厚度g为1.5mm，所述每个单元天线的边长为30mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有MIMO介质谐振天线带宽窄、极化性能单一、各端口间隔离性能差的问题，简化天线结构，提升天线性能。本发明具有左旋圆极化、右旋圆极化和相互垂直的两线极化四种极化状态，实现极化特性的全可重构。微带馈线互相垂直的结构有利于减小有限空间内馈线之间的耦合以保证天线各个端口的隔离度。为了减小天线的整体尺寸，四个单元天线具有相互共用的重叠区域，在不影响介质谐振器排布避免各端口性能干扰的情况下，可使天线整体结构紧缩，第一单元天线3和第二单元天线4实现不同旋向的圆极化，介质谐振器底面能够完全覆盖激励缝隙的线极化模式，第三单元天线和第四单元天线的微带馈线方向垂直，分别用来激励相应的激励缝隙，进而激励介质谐振器形成沿y轴方向和沿x轴方向的两垂直的线极化状态。
附图说明
图1为本发明所述的一种极化分集介质谐振天线透视结构示意图；
图2为本发明所述的一种极化分集介质谐振天线前视结构示意图；
图3为本发明所述的一种极化分集介质谐振天线后视结构示意图；
图4为本发明所述的单元天线前视结构示意图；
图5为本发明所述的单元天线透视结构示意图；
图6为本发明所述的单元天线后视结构示意图；
图7为本发明所述的各端口反射系数图；
图8为本发明所述的第一端口和第二端口轴比图；
图9为本发明所述的各端口传输系数图；
图10为本发明所述的各端口在9.8GHz的辐射方向图；
图11为本发明所述的各端口增益图。
1-介质基板，2-重叠区域，3-第一单元天线，4-第二单元天线，5-第三单元天线，6-第四单元天线，7-介质谐振器，8-激励缝隙，9-微带馈线，10-第一端口，11-第二端口，12-第三端口，13-第四端口。
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、完整地阐述。
参见图1-11说明本实施方式，一种极化分集介质谐振天线，它包括介质基板1和四个单元天线，所述介质基板1为矩形，所述四个单元天线均布置在介质基板1上，四个单元天线具有相互共用的重叠区域2，所述四个单元天线分别为第一单元天线3、第二单元天线4、第三单元天线5和第四单元天线6，每个单元天线均包括介质谐振器7、激励缝隙8、微带馈线9和端口，所述微带馈线9布置在介质基板1的侧面，相邻微带馈线9互相垂直呈中心旋转对称布置，所述端口与微带馈线9相连，所述激励缝隙8开设在介质基板1上，位置与微带馈线9对应且垂直相交，所述介质谐振器7与激励缝隙8相连，所述第一单元天线3中介质谐振器7与激励缝隙8夹角为45°，端口为第一端口10，所述第二单元天线4中介质谐振器7与激励缝隙8夹角为135°，端口为第二端口11，所述第一单元天线3和第二单元天线4的极化状态为左旋圆极化和右旋圆极化，所述第三单元天线5和第四单元天线6中介质谐振器7与激励缝隙8平行设置，端口分别为第三端口12和第四端口13，所述第三单元天线5和第四单元天线6的极化状态为两个相互垂直的线极化。
本实施例是基于MIMO天线的四单元极化分集介质谐振天线结构，该结构是在单个缝隙激励的介质谐振天线的基础上经平移、旋转而得的排列方式，四条微带馈线9分布在矩形介质基板1的四个侧面且呈中心旋转对称的布局，这样相邻微带馈线9互相垂直的结构有利于减小有限空间内馈线之间的耦合以保证天线各个端口的隔离度。了减小天线的整体尺寸，四个单元天线具有相互共用的重叠区域，在不影响介质谐振器7排布避免各端口性能干扰的情况下，可使天线整体结构紧缩，第一端口10和第二端口11用于激励介质谐振器7的激励缝隙8，激励缝隙8分别与介质谐振器7成45°和135°，用来实现不同旋向的圆极化，选择介质谐振器7底面能够完全覆盖激励缝隙8的线极化模式，且第三端口12和第四端口13的微带馈线9方向垂直，分别用来激励相应的激励缝隙8进而激励介质谐振器7形成沿y轴方向和沿x轴方向的两垂直的线极化状态。
本实施例所述重叠区域2的宽度jd为0mm-7.5mm，所述介质基板1厚度g为0.4mm-4mm，所述激励缝隙8为矩形结构，所述每个单元天线的边长为10mm-60mm，所述介质谐振器7为方锥形、非等长十字形、径向上凹陷的圆柱形或矩形结构，方锥形介质谐振器7小端与激励缝隙8相连，所述介质谐振器7的介电常数范围为6-30，以此实现极化分集的介质谐振天线。图7和图8所示为各端口的反射系数性能和圆极化状态的轴比性能随频率变化的曲线，从图7可以看出，由于非对称天线结构的影响，左右旋圆极化阻抗特性曲线不再在完全一致，从图8可以看出，尽管第一端口10和第二端口11的介质谐振器7和馈电结构完全相同，但非对称的整个天线结构对两种圆极化状态的轴比影响较大。不同端口之间的传输系数如图9所示，从图中可以看出，不同端口之间的隔离度均在25dB以上，且最高可达60dB，验证说明了所提出的极化分集介质谐振天线只是通过合理布置单元天线且没有采用额外的如中和线、寄生单元、超材料去耦网络、缺陷地板等技术手段的情况下，各端口之间已具有良好的隔离性能。各端口在共有工作频带内9.8GHz频点的归一化辐射方向图如图10所示，可以看出，四个端口对应的左旋圆极化、右旋圆极化、沿y轴方向线极化、沿x轴方向线极化在同一工作频率具有相似的定向辐射方向图，且最大辐射方向均沿着+z方向，即方锥形介质谐振器7的开口朝向，由于第一端口10和第二端口11激励在整个天线结构上并非完全对称，因此，辐射方向图不再完全一致。综上说明了，本实施例通过不同馈电端口改变了激励缝隙8相对介质谐振器7的位置的方法实现极化特性的全可重构。图11为各端口的增益随频率变化的曲线，从图中可以看出，圆极化状态对应的两个端口峰值增益超过了8dBiC；线极化状态对应的两个端口峰值增益均在7.5dB左右，且在阻抗带宽范围内较稳定。
本实施例对极化分集介质谐振天线的尺寸进行了优化，所述方锥形介质谐振器7大端长边b为19.2mm，大端短边a为9.6mm，小端长边b1为8.4mm，短边a1为4.2mm，高度h为5mm。所述激励缝隙8的长度W2为8mm，宽度L2为1.5mm。所述微带馈线9的宽度W1为2.8mm，所述微带馈线9长度方向顶端到激励缝隙8中心的距离L1为4mm。所述重叠区域2的宽度jd为5mm，所述介质基板1厚度g为1.5mm，所述每个单元天线的边长为30mm。
以上对本发明所提供的一种极化分集介质谐振天线，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：它包括介质基板(1)和四个单元天线，所述介质基板(1)为矩形，所述四个单元天线均布置在介质基板(1)上，四个单元天线具有相互共用的重叠区域(2)，所述四个单元天线分别为第一单元天线(3)、第二单元天线(4)、第三单元天线(5)和第四单元天线(6)，每个单元天线均包括介质谐振器(7)、激励缝隙(8)、微带馈线(9)和端口，所述微带馈线(9)布置在介质基板(1)的侧面，相邻微带馈线(9)互相垂直呈中心旋转对称布置，所述端口与微带馈线(9)相连，所述激励缝隙(8)开设在介质基板(1)上，位置与微带馈线(9)对应且垂直相交，所述介质谐振器(7)与激励缝隙(8)相连，所述第一单元天线(3)中介质谐振器(7)与激励缝隙(8)夹角为45°，端口为第一端口(10)，所述第二单元天线(4)中介质谐振器(7)与激励缝隙(8)夹角为135°，端口为第二端口(11)，所述第一单元天线(3)和第二单元天线(4)的极化状态为左旋圆极化和右旋圆极化，所述第三单元天线(5)和第四单元天线(6)中介质谐振器(7)与激励缝隙(8)平行设置，端口分别为第三端口(12)和第四端口(13)，所述第三单元天线(5)和第四单元天线(6)的极化状态为两个相互垂直的线极化。
2.根据权利要求1所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述重叠区域(2)的宽度jd为0mm-7.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述介质基板(1)厚度g为0.4mm-4mm。
4.根据权利要求1所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述激励缝隙(8)为矩形结构。
5.根据权利要求1所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述每个单元天线的边长为10mm-60mm。
6.根据权利要求1所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振器(7)为方锥形、非等长十字形、径向上凹陷的圆柱形或矩形结构，方锥形介质谐振器(7)小端与激励缝隙(8)相连，所述介质谐振器(7)的介电常数范围为6-30。
7.根据权利要求6所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述方锥形介质谐振器(7)大端长边b为19.2mm，大端短边a为9.6mm，小端长边b1为8.4mm，短边a1为4.2mm，高度h为5mm。
8.根据权利要求7所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述激励缝隙(8)的长度W2为8mm，宽度L2为1.5mm。
9.根据权利要求8所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述微带馈线(9)的宽度W1为2.8mm，所述微带馈线(9)长度方向顶端到激励缝隙(8)中心的距离L1为4mm。
10.根据权利要求9所述的一种极化分集介质谐振天线，其特征在于：所述重叠区域(2)的宽度jd为5mm，所述介质基板(1)厚度g为1.5mm，所述每个单元天线的边长为30mm。
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