CN111600120A - 一种紧凑的低交叉极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种紧凑的低交叉极化微带天线，包括介质板、辐射片、金属地、金属化孔和馈电接口，金属地设置在介质板的下表面，辐射片设置在介质板的上表面，金属化孔设置在辐射片上，并与金属地连接；馈电接口的外导体与金属地连接，馈电接口的内导体穿过介质板连接到辐射片上；辐射片上设有两条间隙，两条间隙将辐射片分割成三部分：第一辐射片、第二辐射片和第三辐射片；第一辐射片和第三辐射片关于第二辐射片的对称轴呈镜像对称。本发明保留了结构简单、紧凑的优点，还可以大大改善传统短路微带天线的交叉极化，同时相较于传统短路微带天线具有更小的尺寸，适用于无线通信系统中需要低交叉极化特性的射频前端天线。

Description

一种紧凑的低交叉极化微带天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种紧凑的低交叉极化微带天线，可用于无线通信系统射频前端。
背景技术
微带天线具有剖面低、重量轻、体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优点而得到广泛的研究和应用。微带贴片通过垂直于表面电流的两个宽边辐射，将天线沿平行与宽边的中心线短路并截一半就获得了短路微带天线。短路微带天线由于其简易便于加工的结构和约1/4波长的紧凑外形，在便携设备天线和小型化天线设计中得到了广泛的应用。与半波长微带天线类似，短路微带天线主要通过与短路边相对的宽边辐射，侧边辐射则在H面形成较大的交叉极化，对于此类天线如何降低交叉极化是一个较大难点。
较大的交叉极化一方面会降低天线主极化的辐射效率，另一方面也会导致天线接收额外的噪声信号，影响系统噪声系数。此外在相控阵应用中，交叉极化也是限制波束扫描角度的主要因素。
经过对现有技术的检索，授权公告号CN 207818893 U实用新型公开了一种微带天线。该微带天线包括辐射片和介质基板，所述辐射片位于介质基板的正面，所述辐射片上设有第一槽体和第二槽体，所述第一槽体设于所述辐射片的中部，所述第二槽体与所述辐射片的边连接；所述辐射片为矩形；所述第一槽体为矩形且具有开口。但是无法有效改善传统短路微带天线的交叉极化问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种紧凑的低交叉极化微带天线。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
本发明提供一种紧凑的低交叉极化微带天线，包括介质板、辐射片、金属地、金属化孔和馈电接口；所述介质板的形状可依据具体应用及外壳设计，辐射片可为长方型、梯形或是其他轴对称形状；
所述金属地设置在所述介质板的下表面，用于承载天线主体并提供接地信号；所述辐射片设置在所述介质板的上表面，用于发射电磁波能量；所述金属化孔设置在所述辐射片上，并与所述金属地连接；所述馈电接口的外导体与所述金属地连接，所述馈电接口的内导体穿过所述介质板连接到所述辐射片上以输入射频信号能量；通过调整馈电点到金属化孔的距离可以调节天线的输入阻抗实现阻抗匹配；
所述辐射片上设有两条间隙，两条所述间隙将所述辐射片分割成三部分：第一辐射片、第二辐射片和第三辐射片；所述第一辐射片和所述第三辐射片关于所述第二辐射片的对称轴呈镜像对称。可以通过调节第二辐射片与辐射片总宽度的比例来调节天线交叉极化水平。
进一步地，两条所述间隙为直线型或折线型，且与所述第二辐射片的对称轴呈镜像对称，所述间隙的宽度远小于所述天线宽度。可通过改变间隙的宽度可以在不改变辐射片尺寸的情况下实现天线谐振频率调节，增加设计的灵活度，当间隙的宽度增加时，天线工作频率上升。
进一步地，两条所述间隙与所述第二辐射片的对称轴平行或具有夹角。
进一步地，所述第一辐射片上沿短边方向设有一排第一组金属化孔，所述第二辐射片上沿短边方向设有一排第二组金属化孔，所述第三辐射片上沿短边方向设有第三组金属化孔，所述第一组金属化孔和所述第三组金属化孔关于所述第二辐射片的对称轴呈镜像对称，所述第二组金属化孔与所述第一组金属化孔相对设置。
进一步地，所述第一组金属化孔、所述第二组金属化孔和所述第三组金属化孔均沿相应辐射片的短边等间距设置且均关于辐射片中心线呈轴对称。
进一步地，所述馈电接口为单端口馈电，位于所述第一辐射片、所述第二辐射片或所述第三辐射片上。通过调节馈电接口到相应短路边距离来调节天线阻抗匹配。
进一步地，所述辐射片为矩形、平行四边形或其他轴对称图形。
进一步地，所述第一辐射片、所述第二辐射片和所述第三辐射片均为矩形。
进一步地，所述第一辐射片和所述第三辐射片均为梯形，所述第二辐射片为倒等腰梯形。
进一步地，所述金属地为一块完整的金属。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的低交叉极化微带天线，采取同轴馈电方式，天线接口内导体与一侧的辐射片相连，外导体与地相连，通过调整馈电点到金属化孔的距离可以调节天线的输入阻抗实现阻抗匹配。
2、本发明的低交叉极化微带天线，通过改变间隙的宽度可以在不改变辐射片尺寸的情况下实现天线谐振频率调节，增加设计的灵活度，当间隙的宽度增加时，天线工作频率上升。
3、本发明的低交叉极化微带天线，在辐射片上开设一对间隙将辐射片分割成沿垂直于短路边轴对称的三部分并将第一辐射片和第三辐射片的短路边移动至对边，从而在不影响主极化辐射的情况下抑制了侧边的交叉极化辐射。
4、本发明的低交叉极化微带天线，相较于传统设计，本发明通过间隙耦合进一步降低了天线低频段的工作频率并实现低交叉极化特性方向图，相较于同尺寸的传统短路微带天线，本发明保留了结构简单、紧凑的优点，适用于无线通信系统中需要低交叉极化特性的射频前端天线。
5、本发明的低交叉极化微带天线，可以大大改善传统短路微带天线的交叉极化，同时相较于传统短路微带天线具有更小的尺寸。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1中低交叉极化微带天线的结构示意图；
图2为传统短路微带天线的结构示意图(相同物理尺寸下)；
图3为实施例1中低交叉极化微带天线的反射系数图；
图4为传统短路微带天线的反射系数图(相同物理尺寸下)；
图5为实施例1中低交叉极化微带天线的反射系数随间隙宽度的变化曲线图；
图6为实施例1中低交叉极化微带天线的主极化与交叉极化方向图；
图7为传统短路微带天线的主极化与交叉极化方向图(相同物理尺寸下)；
图8为实施例2中低交叉极化微带天线的结构示意图；
图9为实施例3中低交叉极化微带天线的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的低交叉极化的紧凑微带天线，可以大大改善传统短路微带天线的交叉极化，同时相较于传统短路微带天线具有更小的电尺寸。基于传统的短路微带天线，在辐射片上开设一对间隙将辐射片分割成沿垂直于短路边轴对称的三部分，并将第一辐射片和第三辐射片的短路边移动至对边，从而在不影响主极化辐射的情况下抑制了侧边的交叉极化辐射；相较于传统设计，本发明通过间隙耦合进一步降低了天线低频段的工作频率并实现低交叉极化特性方向图；相较于同尺寸的传统短路微带天线，本发明保留了结构简单、紧凑的优点，适用于无线通信系统中需要低交叉极化特性的射频前端天线。
如图1至图9所示，接下来结合具体实施例，对本发明做进一步详细的描述。
以下实施例1和2中，介质板1为F4B材质(介电常数为2.2，损耗角为0.001)的正方型基板，介质板大小为150mm*150mm*3mm。低交叉极化短路微带天线中辐射片大小为26mm*40mm，如果工作频率改变的话，辐射片大小尺寸或介质板也应做出相应的改变。
实施例1
如图2所示，传统微带天线包括介质板1’、辐射片2’、金属地4’、馈电接口5’、金属化孔6’，在介质板1’上表面设置辐射片2’，在介质板1’下表面设置金属地4’，馈电接口5’的外导体与接地板相连，内导体与一侧的辐射片2’相连，在沿辐射片2’的短边设置一排金属化孔6’。
本实施例的微带天线结构如下：
如图1所示，一种紧凑的低交叉极化微带天线，包括介质板1、辐射片2(辐射片2为轴对称图形)、金属地4、金属化孔6和馈电接口5；
辐射片2和金属地4分别位于介质板1的上下两侧，金属化孔6设置在辐射片2上，并与金属地4连接；辐射片2上设有两条宽度为1mm的直线型间隙3，两条间隙3关于第二辐射片22的对称轴呈镜像对称，且均与第二辐射片22的对称轴平行，两条间隙3将辐射片2分割成均为矩形的第一辐射片21、第二辐射片22和第三辐射片23；第一辐射片21和第三辐射片23关于第二辐射片22的对称轴呈镜像对称。天线的工作频率主要由辐射片2沿间隙方向的长度和介质板1参数决定。
第一辐射片21上沿短边方向设有一排第一组金属化孔61，第二辐射片22上沿短边方向设有一排第二组金属化孔62，第三辐射片23上沿短边方向设有第三组金属化孔63，第一组金属化孔61和第三组金属化孔63关于第二辐射片22的对称轴呈镜像对称，第二组金属化孔62与第一组金属化孔61和第三组金属化孔63对边设置。第一组金属化孔61、第二组金属化孔62和第三组金属化孔63均沿相应辐射片的短边等间距设置且均关于辐射片中心线呈轴对称。调节金属化短路边的长度可以调节天线的带宽和频率。
金属地4为一块完整的金属，其上开孔以供馈电接口5馈电。馈电接口5的外导体与金属地4连接，馈电接口5的内导体穿过介质板1连接到辐射片2上以输入射频信号能量；调节馈电接口5的馈电位置到临近短路边的距离可以改变天线的输入阻抗以实现阻抗匹配。本实施例中，馈电接口5设置在第二辐射片22上，馈电位置靠近(距离是4.5mm)第二辐射片22短路边的第二组金属化孔62。
如图3和图4所示，本实施例中天线的工作频率相对于相同尺寸传统设计从1.87GHz下降至1.65GHz，相当于天线电尺寸减小了8.5％。通过减小间隙宽度，可以进一步实现天线小型化。
如图5所示，本发明低交叉极化微带天线，天线的工作频率随间隙宽度的增大而增大，且在间隙越小时变化越敏感。因此，可通过改变间隙3的宽度可以在不改变辐射片2尺寸的情况下实现天线谐振频率调节，增加设计的灵活度，当间隙3的宽度增加时，天线工作频率上升。
如图6和图7所示，本发明低交叉极化微带天线，在不影响主极化方向图的条件下，大大改善了天线的交叉极化。
相较于传统设计，本发明保留了结构简单、紧凑的优点，实现了稳定对称的方向图，并极大改善了天线的交叉极化抑制度，适用于无线通信系统中紧凑型的射频前端。此外本发明相较于传统短路微带天线具有更低的交叉极化和更高的增益，天线的辐射特性相较于传统设计有很大提高。天线的交叉极化水平从约-4dB降低至约-40dB，天线增益从5dBi提高至6.3dBi。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例。
如图8所示，在实施例2中，馈电接口5设置在第一辐射片21上，馈电位置靠近第一辐射片21短路边的第一组金属化孔61，其余结构与实施例1相同。馈电距离对天线辐射特性没有影响，只会改变输入电阻，调节馈电距离可以于不同阻抗的信号源匹配，通常设计为50欧姆。
实施例3
实施例3是实施例1的变化例。
如图9所示，在实施例3中，辐射片2上设有两条宽度为1mm的直线型间隙3，两条间隙3关于第二辐射片22的对称轴呈镜像对称，且均与第二辐射片22的对称轴具有夹角，两条间隙3将辐射片2分割成第一辐射片21、第二辐射片22和第三辐射片23；第一辐射片21和第三辐射片23均为梯形，第二辐射片22为倒等腰梯形；第一辐射片21和第三辐射片23关于第二辐射片22的对称轴呈镜像对称。馈电接口5设置在倒等腰梯形的第二辐射片22上，馈电位置靠近第一辐射片22短路边的第二组金属化孔62，其余结构与实施例1相同。馈电距离对天线辐射特性没有影响，只会改变输入电阻，调节馈电距离可以于不同阻抗的信号源匹配，通常设计为50欧姆。
本发明通过引入间隙和轴对称结构在基本不改变天线主极化辐射方向图的情况下大大降低了传统1/4波长短路微带天线的交叉极化；由于引入耦合电容，天线谐振频率降低进一步减小了天线的尺寸，实现了天线小型化，降低了系统体积；此外，本发明中交错式辐射结构相较于传统四分之一短路微带天线进一步提高了天线增益。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，包括介质板(1)、辐射片(2)、金属地(4)、金属化孔(6)和馈电接口(5)；
所述金属地(4)设置在所述介质板(1)的下表面，用于承载天线主体并提供接地信号；所述辐射片(2)设置在所述介质板(1)的上表面，用于发射电磁波能量；所述金属化孔(6)设置在所述辐射片(2)上，并与所述金属地(4)连接；所述馈电接口(5)的外导体与所述金属地(4)连接，所述馈电接口(5)的内导体穿过所述介质板(1)连接到所述辐射片(2)上以输入射频信号能量；
所述辐射片(2)上设有两条间隙(3)，两条所述间隙(3)将所述辐射片(2)分割成三部分：第一辐射片(21)、第二辐射片(22)和第三辐射片(23)；所述第一辐射片(21)和所述第三辐射片(23)关于所述第二辐射片(22)的对称轴呈镜像对称。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，两条所述间隙(3)为直线型或折线型，且与所述第二辐射片(22)的对称轴呈镜像对称，所述间隙(3)的宽度远小于所述微带天线的宽度。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，两条所述间隙(3)与所述第二辐射片(22)的对称轴平行或具有夹角。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述第一辐射片(21)上沿短边方向设有一排第一组金属化孔(61)，所述第二辐射片(22)上沿短边方向设有一排第二组金属化孔(62)，所述第三辐射片(23)上沿短边方向设有第三组金属化孔(63)，所述第一组金属化孔(61)和所述第三组金属化孔(63)关于所述第二辐射片(22)的对称轴呈镜像对称，所述第二组金属化孔(62)与所述第一组金属化孔(61)相对设置。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述第一组金属化孔(61)、所述第二组金属化孔(62)和所述第三组金属化孔(63)均沿相应辐射片的短边等间距设置。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述馈电接口(5)位于所述第一辐射片(21)、所述第二辐射片(22)或所述第三辐射片(23)上。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述辐射片(2)为轴对称图形。
8.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述第一辐射片(21)、所述第二辐射片(22)和所述第三辐射片(23)均为矩形。
9.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述第一辐射片(21)和所述第三辐射片(23)均为梯形，所述第二辐射片(22)为倒等腰梯形。
10.根据权利要求1所述的一种紧凑的低交叉极化微带天线，其特征在于，所述金属地(4)为一块完整的金属。
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