CN110444866A - 一种基于peg和八木天线结构的三元微带偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，通过在二元偶极子阵列天线中添加平面准八木天线作为第三个辐射源，并进一步将辐射激励偶极子的两端向上弯曲以减小横向尺寸，构成本发明的三元微带偶极子天线，在天线设计过程中，通过HFSS仿真，以实现宽匹配和宽解耦带宽为目的，不断调整天线尺寸。本发明在没有增加额外匹配电路的情况下，实现了三个端口的耦合抑制匹配的目标，可对多天线阵列解耦网络的电路设计提供理论指导。

Description

一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线

技术领域

本发明涉及无线通信多天线传输技术领域，具体地说，涉及一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线。

背景技术

MIMO多天线传输技术是实现有限频带内数据高速传输的重要手段之一。现代5G等新一代移动通信系统，不论是对于基站侧还是移动终端等小型设备而言，皆需要在有限的装配面上配置数量众多的收发天线。不过，由于狭小的装配空间极大地限制了天线阵元之间的间距，故而在天线阵元之间将无可避免地引发强烈的电磁耦合效应，这将在天线阻抗匹配、辐射效率和天线分集等方面极大地降低系统原有设计性能，因此有必要研究简单而有效的多天线系统耦合抑制及匹配网络技术。

随着无线通信系统的日益小型化设计需求和天线技术自身的不断发展，越来越多的MIMO多天线传输系统采用小尺寸的微带天线来作为基站或移动终端的收发天线，图1以二元单极子天线为例，给出了带有局部扩展接地平面(Partially Extended Ground，PEG)结构的紧凑型二元微带单极子耦合抑制阵列天线结构图，其中PEG结构是从接地平面的中间部位向上扩展出来一部分而实现的，天线结构图包括背面接地平面上的PEG结构、介质板上正面的微带电路和两根单极子天线。合理设计介质板背面的PEG结构，就能获得较好的阵元耦合及网络匹配抑制效果；与传统电路层级的耦合抑制网络相比，PEG耦合抑制结构不论是结构尺寸还是微带电路制作上，都有无可比拟的优势。

发明内容

本发明基于PEG结构和八木天线结构进行三元微带偶极子天线设计，在不增加额外匹配电路的情况下，实现了三个端口的耦合抑制匹配。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，所述三元微带偶极子天线为在二元偶极子阵列天线中添加平面准八木天线作为第三个辐射源；

所述三元微带偶极子天线包括两根偶极子天线，天线背面的两根PEG结构和平面准八木天线结构；

所述平面准八木天线结构位于两根偶极子天线中间，所述平面准八木天线结构包含辐射激励偶极子与平面引向器；所述辐射激励偶极子由天线正面的带状微带线和背面从接地平面延伸的带状微带线组成；所述平面引向器位于辐射激励偶极子的上方；

所述辐射激励偶极子的端部向上弯曲。

进一步的，所述三元微带偶极子天线采用金属铜Rogers 430作为介质基板，介质基板厚度为0.762mm。

进一步的，所述三元微带偶极子天线介质基板的长和宽均小于二分之一的工作波长。

进一步的，所述三元微带偶极子天线背面采用短接地平面作为反射阵子；所述短接地平面的尺寸根据耦合抑制效果通过HFSS仿真调整确定。

进一步的，所述平面引向器采用带状微带线形式印制在介质基板的正面和背面。

进一步的，所述辐射激励偶极子的端部向上弯曲的长度在HFSS仿真过程中根据耦合抑制效果调整确定。

进一步的，HFSS仿真过程中，根据耦合抑制效果减小PEG结构与偶极子天线之间的间距。

进一步的，HFSS仿真过程中，根据耦合抑制效果增加所述三元微带偶极子天线正面单极子天线的宽度并减小其长度。

进一步的，所述三元微带偶极子天线的结构参数如下：

参数	数值/mm	参数	数值/mm	参数	数值/mm
						L1	30	L2	15	L3	14.5
L4	6.5	L5	6	L6	5
						L7	1.5	L8	1.5	L9	12.5
W1	40	W2	3.25	W3	14
						W4	7.875	W5	3.3	W6	1.6
W7	1.25	W8	1	W9	10
						W10	2	W11	11.5

其中，L1为三元微带偶极子天线介质基板长度，L2为短接地平面以上的长度，L3为三元微带偶极子天线背面单极子天线的长度，L4为辐射激励偶极子纵向部分的长度，L1-L2+L5为三元微带偶极子天线正面单极子天线的长度，L6为三元微带偶极子天线正面单极子天线宽度增加部分的长度，L7为辐射激励偶极子横向部分的宽度，L8为平面引向器的长度，L9为三元微带偶极子天线背面PEG结构的长度；

W1为三元微带偶极子天线介质基板宽度，W2为平面引向器的宽度，W3为三元微带偶极子天线正面两个端口之间的距离，W4为辐射激励偶极子横向部分的长度，W5为三元微带偶极子天线正面单极子天线的宽度，W6为三元微带偶极子天线正面端口的宽度，W7为辐射激励偶极子正面纵向部分的宽度，W8为三元微带偶极子天线背面单极子天线的宽度，W9为三元微带偶极子天线背面PEG结构与辐射激励偶极子之间的距离，W10为辐射激励偶极子背面纵向部分的宽度，W11为三元微带偶极子天线背面辐射激励偶极子与单极子天线之间的距离。

本发明所达到的有益效果为：

本发明的三元偶极子阵列微带天线采用平面准八木天线作为第三个辐射源，通过将平面准八木天线的有源阵子向上弯曲一部分，能够修正谐振频率的偏移；同时起到了抑制耦合的作用。本发明在没有增加额外匹配电路的情况下，实现了三个端口的耦合抑制匹配的目标，可对多天线阵列解耦网络的电路设计提供理论指导。

附图说明

图1是带有PEG结构的紧凑型二元微带单极子阵列耦合抑制天线结构图；

图2是平面准八木天线微带PCB结构图；

图3是带耦合抑制及匹配网络的三元偶极子阵列微带天线结构图；图3(a)为天线正面图；图3(b)为天线背面图；

图4是带平面准八木天线结构的原始三元偶极子阵列天线HFSS仿真图；

图5是带平面准八木天线结构的原始三元偶极子阵列天线S参数曲线图；

图6是带平面准八木天线结构的优化三元偶极子阵列天线HFSS仿真图；

图7是带平面准八木天线结构的优化三元偶极子阵列天线S参数曲线图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明通过添加平面准八木天线结构对三元偶极子紧耦合阵列天线进行解耦及匹配网络设计。根据传统八木天线设计一种适用于PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)结构的八木天线，也叫作平面准八木天线，其与传统八木天线的区别之处是，该天线将所有结构集成于介电常数较高的介质基板上，例如，本发明中介质基板材质设为Rogers430，该材质介电常数为3.66，介电损耗正切为tanδ＝0.004，介质基板厚度为0.762mm。这样，不仅能获得紧凑结构的平面阵列天线，还能得到较宽的带宽特性。如图2所示为平面准八木天线的PCB结构实现图，该天线采用短接地平面作为反射阵子以等效替换传统八木天线的反射器，并将引向器和有源阵子采用带状微带线形式印制在介质基板上。天线的长和宽小于λ/2，可以构建成一个紧凑的结构，并将其集成于各种微带电路中。

本发明以中心工作频率6GHz为实施例，设计了带解耦及匹配网络的三元偶极子阵列微带天线实例，天线PCB结构如图3所示。通过在二元偶极子阵列天线中添加图2形式的平面准八木天线以作为第三个辐射源。为仿真方便，首先设计一款原始三元偶极子阵列天线，其HFSS仿真PCB天线如图4所示，而HFSS仿真S参数结果如图5所示，结果显示：在中心频率6GHz时，S₁₁数值为-8.17dB，明显不符合S₁₁＜-10dB的要求，而且谐振频率偏移到6.5GHz；S₂₁数值为-19.3dB，S₃₁数值为-19.93dB，基本实现了阵元间的解耦作用。

采用本发明的技术方案，将平面准八木天线的有源阵子向上弯曲一部分，用于修正谐振频率的偏移，得到图3中天线结构，参见图3(a)和(b)，包括a2与a7、a3与a8组成的两根偶极子天线、a1与a4组成的平面准八木天线结构、和a5与a6组成的两根PEG结构。通过对图2中平面准八木天线结构进行优化，与阵元八木天线相比，图3所示的平面准八木天线a1和a4包含辐射激励偶极子(即有源阵子)与平面引向器。在图3中，辐射激励偶极子由天线正面和背面上的两条带状线组成，他们分别由天线正面的馈送带状线(a1)和天线背面从地平面延伸的带状线馈电(a4)，这样，可以避免使用庞大的微带传输线平衡器。将辐射激励偶极子的两端向上弯曲，以进一步减小横向尺寸。向上弯曲的长度在设计时参考仿真结果调整，本发明实施例中长1.5mm，宽1.25mm。在偶极子上方，两个条带引向器分别在介质基板的顶层和底层上实现，以集中电磁能量使其向一个方向辐射。然而，利用这种配置的缺点是所获得的匹配带宽可能变小。由于平面准八木天线在横向上占据很大的空间，所以单极元件的整体尺寸也应该减小。为了实现此设计，将背面单极子a7与a8位置分别放的更靠近PEG结构a5与a6。由于单极子和PEG相互作用可等效产生一个长度超过有效波长四分之一的引导结构，它将开路电路转换为等效电感，并与天线输入端等效产生的输入导纳并联。根据微波电磁理论分析，传输线的特征阻抗Z₀为：

式中，R、L、G、C分别表示串联电阻、串联电感、并联电导以及并联电容，ω为载波频率。通常，传输线的损耗非常低，因此特征阻抗可以近似为L和C取决于被引导结构的尺寸，例如，如果导体之间的距离变短，则C增加，并且特征阻抗更小。根据阻抗变换技术，开路转换的等效电感也减小。在阵列的两侧使用了改进的单极子，将其长度减小而宽度增加，即增加单极子天线a2与a3的宽度以扩大馈电周围的寄生电容，还可以补偿等效电感并改善匹配情况。本发明中，单极子天线a2与a3的宽度增加1.7mm。另外，较短的单极子天线长度有利于减少辐射元件之间的相互耦合。

通过HFSS对该三元紧凑型微带偶极子天线建模，其具体微带线各参数设计如表1所示：

表1三元紧凑型微带偶极子天线微带线参数

参数	数值/mm	参数	数值/mm	参数	数值/mm
						L1	30	L2	15	L3	14.5
L4	6.5	L5	6	L6	5
						L7	1.5	L8	1.5	L9	12.5
W1	40	W2	3.25	W3	14
						W4	7.875	W5	3.3	W6	1.6
W7	1.25	W8	1	W9	10
						W10	2	W11	11.5

HFSS仿真阵列PCB结构如图6所示，S参数仿真如图7所示。从仿真结果可以看到，优化后的平面准八木天线结构起到了抑制耦合的作用，在中心频率6GHz时，S₂₁为-18.4dB，S₃₁为-19.5dB，整个频率范围S₂₁与S₃₁数值均小于-15dB，说明解耦带宽很宽，天线获得了很好的耦合抑制；S₁₁为-18.28dB，对于工程上S₁₁小于-10dB的要求，获得的工作带宽约为400MHz(从5.9GHz到6.3GHz)，获得了较好的匹配。并且，该三元天线阵列的介质板实际占用面积仅为40mm×15mm。本发明在没有增加额外匹配电路的情况下，实现了三个端口的耦合抑制匹配的目标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述三元微带偶极子天线为在二元偶极子阵列天线中添加平面准八木天线作为第三个辐射源；

所述三元微带偶极子天线包括两根偶极子天线，天线背面的两根PEG结构和平面准八木天线结构；

所述平面准八木天线结构位于两根偶极子天线中间，所述平面准八木天线结构包含辐射激励偶极子与平面引向器；所述辐射激励偶极子由天线正面的带状微带线和背面从接地平面延伸的带状微带线组成；所述平面引向器位于辐射激励偶极子的上方；

所述辐射激励偶极子的端部向上弯曲。

2.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述三元微带偶极子天线采用金属铜Rogers 430作为介质基板，介质基板厚度为0.762mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述三元微带偶极子天线介质基板的长和宽均小于二分之一的工作波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述三元微带偶极子天线背面采用短接地平面作为反射阵子；所述短接地平面的尺寸根据耦合抑制效果通过HFSS仿真调整确定。

5.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述平面引向器采用带状微带线形式印制在介质基板的正面和背面。

6.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述辐射激励偶极子的端部向上弯曲的长度在HFSS仿真过程中根据耦合抑制效果调整确定。

7.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，HFSS仿真过程中，根据耦合抑制效果减小PEG结构与偶极子天线之间的间距。

8.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，HFSS仿真过程中，根据耦合抑制效果增加所述三元微带偶极子天线正面单极子天线的宽度并减小其长度。

9.根据权利要求1所述的一种基于PEG和八木天线结构的三元微带偶极子天线，其特征在于，所述三元微带偶极子天线的结构参数如下：

参数 数值/mm 参数 数值/mm 参数 数值/mm L1 30 L2 15 L3 14.5 L4 6.5 L5 6 L6 5 L7 1.5 L8 1.5 L9 12.5 W1 40 W2 3.25 W3 14 W4 7.875 W5 3.3 W6 1.6 W7 1.25 W8 1 W9 10 W10 2 W11 11.5

其中，L1为三元微带偶极子天线介质基板长度，L2为短接地平面以上的长度，L3为三元微带偶极子天线背面单极子天线的长度，L4为辐射激励偶极子纵向部分的长度，L1-L2+L5为三元微带偶极子天线正面单极子天线的长度，L6为三元微带偶极子天线正面单极子天线宽度增加部分的长度，L7为辐射激励偶极子横向部分的宽度，L8为平面引向器的长度，L9为三元微带偶极子天线背面PEG结构的长度；

W1为三元微带偶极子天线介质基板宽度，W2为平面引向器的宽度，W3为三元微带偶极子天线正面两个端口之间的距离，W4为辐射激励偶极子横向部分的长度，W5为三元微带偶极子天线正面单极子天线的宽度，W6为三元微带偶极子天线正面端口的宽度，W7为辐射激励偶极子正面纵向部分的宽度，W8为三元微带偶极子天线背面单极子天线的宽度，W9为三元微带偶极子天线背面PEG结构与辐射激励偶极子之间的距离，W10为辐射激励偶极子背面纵向部分的宽度，W11为三元微带偶极子天线背面辐射激励偶极子与单极子天线之间的距离。