CN112688089A - 一种新型多模宽频带方向图分集微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型多模宽频带方向图分集微带天线。所述天线包括第一介质基板、第二介质基板、带有两条缝隙的金属地板、带有两个输入端口和的馈电网络和六块矩形辐射贴片；第一介质基板和第二介质基板从下至上依次堆叠，金属地板位于第一介质基板的上表面，馈电网络位于第一介质基板的下表面；六块矩形辐射贴片位于第二介质基板的上表面，分别根据两条缝隙耦合馈电。本发明具有宽阻抗带宽、宽辐射带宽、结构简单、低成本以及方向图等优势。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种新型多模宽频带方向图分集微带天线。
背景技术
在天线的研究设计中，提高天线的收发质量和增强频谱使用效率已成为重要研究方向。分集技术可以提高信道可靠性的同时减小多径衰落的影响，而不需要提高信号的发送功率，在通信系统中得到广泛应用。分集天线，由于它同时具有两个或多个天线性能，可以同时用于无线信道的传输和接收，从而用来缓解衰落效应，提高信道容量和频谱效率，以满足不同业务对高数据速率的需求。基本的分集天线有三种，即空间分集、极化分集和方向图分集天线。空间分集天线的设计是这三种天线中最简单的，因为它只需要在天线元件之间设置一个合适的距离，天线的性能的提升常以增加天线尺寸为代价。相比之下，极化分集天线的设计相对困难，但由于它通常只需要一个天线，所以体积相对更小，极化分集通常利用几个正交的模式。通常，这两种分集技术只具有一种辐射方向图。与这两种分集技术相比，方向图分集技术的难度较大。这是因为不同的工作模式需要不同的辐射方向图，但不同的模式通常有不同的工作频率。而利用多个天线组合的形式势必造成整体结构的复杂和尺寸的增大。方向图分集天线可利用方向图多样性实现不相关信道，很好的解决分集系统中辐射单元间的耦合会严重增加信号的相关性，降低辐射效率的问题。这也为分集系统的分集增益增加了额外的自由度。此外方向图分集天线可以收发来自不同方向的信号，实现空间内较广的信号覆盖，不需要使用另外的频谱资源，极大的提升通信质量。具有方向图分集的天线在无线通信中可提高信号的传输质量，进一步克服地理、环境带来的干扰，实现控制信息中心与通讯子系统间的信息交互的高效率。此外，为满足更多用户的需求，使更多的用户被覆盖、更大量的信息被有效传递，通信整体的容量需要升级，方向图分集天线的宽带化、小型化设计成为解决资源和空间紧张的问题两个重要方面。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2014年，L.Sun,W.Huang,B.Sun,Q.Sun and J.Fa在“IEEE Antennas andWireless Propagation Letters”发表题为“Two-Port Pattern Diversity Antenna for3G and 4G MIMO Indoor Applications”的文章中，通过组合单极锥天线和宽带微带天线的方式，实现了宽频带和方向图分集的特性。然而，这种方法会造成整个天线具有较大的空间结构，大大限制了它的使用场景。
2016年，L.Sun,G.Zhang,B.Sun,W.Tang and J.Yuan在“IEEE Antennas andWireless Propagation Letters”发表题为“A Single Patch Antenna With Broadsideand Conical Radiation Patterns for 3G/4G Pattern Diversity”的文章中，提出一种通过两个馈电端口分别激发TM10模和容性加载单极子辐射模式来实现宽带方向图分集，同时也兼具了低剖面的特性，但在其重合带宽内容性加载单极子辐射模下的增益较低。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，在本发明中提出了一种新型多模宽频带方向图分集微带天线的设计。该天线阵列具有宽带、低剖面、结构简单、成本低、方向图分集等特性。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，包括第一介质基板、第二介质基板、带有两条缝隙的金属地板、带有两个输入端口和的馈电网络和六块矩形辐射贴片；
第一介质基板和第二介质基板从下至上依次堆叠，金属地板位于第一介质基板的上表面，馈电网络位于第一介质基板的下表面；六块矩形辐射贴片位于第二介质基板的上表面，分别根据两条缝隙耦合馈电。
进一步地，第一介质基板的厚度由馈电网络的输入阻抗决定，第二介质基板的厚度由缝隙与矩形辐射贴片之间的阻抗转换比决定，调节第一介质基板和第二介质基板的厚度以改善特性阻抗为50欧姆的同轴电缆(50欧姆同轴电缆不属于天线结构)和馈电网络，馈电网络与矩形辐射贴片之间的阻抗匹配。
进一步地，六块矩形辐射贴片两两关于x轴对称分布，坐标系原点位于第一介质基板的下表面的中心处，x轴平行于矩形辐射贴片长边指向左下方，y轴平行于矩形辐射贴片短边指向右下方，z轴垂直于金属地板向上，同侧的三条矩形辐射贴片从x轴沿y轴依次向外排列，关于x轴对称的两块矩形辐射贴片尺寸则完全相同。
进一步地，调节六块矩形辐射贴片的长度和宽度的目的是使矩形辐射贴片的长度和宽度满足在工作频段内达到TM10模和TM20模的谐振长度，仅激发出TM10模和TM20模。
进一步地，六块矩形辐射贴片中，中间的四块矩形辐射贴片上蚀刻有四条槽隙，每条槽隙均跨越同侧的两块矩形辐射贴片，且该槽隙在两块矩形辐射贴片上的长度相同，四条槽隙关于x轴两两对称，同侧的两条关于y轴两两对称；
四条槽隙开在了矩形辐射贴片上TM12模式电流最大处，用于切割不需要的TM12模式的电流，有效地抑制TM12模，稳定辐射方向图。
进一步地，金属地板上刻蚀的两条缝隙关于x轴对称分布且与x轴平行，并且两条缝隙分别位于矩形辐射贴片中两侧的槽隙的正下方，且每条缝隙均垂直平分同侧的两条槽隙。
进一步地，馈电网络的末端为圆形结构，用于调节微带天线的阻抗匹配。
进一步地，馈电网络设置有第一馈电端口和第二馈电端口两个输入端口，通过分别对第一馈电端口和第二馈电端口馈电实现方向图分集特性。
进一步地，馈电网络采用了Wilkison功分器的形式，第一馈电端口输入时两输出臂长度相同，而第二馈电端口馈电时，两输出臂长度相差0.5λ以形成180°移相，同时第一馈电端口和第二馈电端口有较高的隔离度，在带宽内两端口间的传输系数在-40dB以下。
进一步地，第一馈电端口馈电时在两条缝隙同时激励起同相模，此时矩形辐射贴片能够辐射出双波束；第二馈电端口馈电时则激励起反相模，此时矩形辐射贴片则辐射出定向波束。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、通过激发TM10和TM20模两种模式来实现宽带特性，经全波仿真验证，其阻抗带宽可以达到23％。
2、通过对两端口之间微带线隔离网络的设计，实现了两个端口之间较高的隔离度，经过全波仿真验证，两端口之间的传输系数在带宽内可以达到-40dB以下。
3、通过两个馈电端口分别在贴片两侧激发同相和反相模式，来实现定向宽波束和双波束两种辐射模式。
4、本发明提供的天线，具有宽阻抗带宽、宽辐射带宽、结构简单、低成本以及方向图等优势。
附图说明
图1为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线立体图。
图2为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线俯视图。
图3为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线正视图。
图4为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线的反射系数随频率变化的仿真曲线。
图5为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线的增益(Gain)随频率变化的仿真曲线。
图6为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线的S12随频率变化的仿真曲线，该曲线反映了两端口的隔离度。
图7为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线在端口8馈电时在3.6GHz时E面主极化与交叉极化的增益曲线。
图8为本发明实施例的新型双模宽带方向图分集微带天线在端口9馈电时在3.6GHz时E面主极化与交叉极化的增益曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，如图1、图2、图3所示，包括第一介质基板1、第二介质基板2、带有两条缝隙4的金属地板3、带有两个输入端口8和9的馈电网络7和六块矩形辐射贴片5；
第一介质基板1和第二介质基板2从下至上依次堆叠，金属地板3位于第一介质基板1的上表面，馈电网络7位于第一介质基板1的下表面；六块矩形辐射贴片5位于第二介质基板2的上表面，分别根据两条缝隙4耦合馈电。
第一介质基板1的厚度由馈电网络7的输入阻抗决定，第二介质基板2的厚度由缝隙4与矩形辐射贴片5之间的阻抗转换比决定，调节第一介质基板1和第二介质基板2的厚度以改善特性阻抗为50欧姆的同轴电缆(50欧姆同轴电缆不属于天线结构)和馈电网络7，馈电网络7与矩形辐射贴片5之间的阻抗匹配。
六块矩形辐射贴片5两两关于x轴对称分布，坐标系原点位于第一介质基板1的下表面的中心处，x轴平行于矩形辐射贴片5长边指向左下方，y轴平行于矩形辐射贴片5短边指向右下方，z轴垂直于金属地板向上，同侧的三条矩形辐射贴片5从x轴沿y轴依次向外排列，关于x轴对称的两块矩形辐射贴片5尺寸则完全相同。
本实施例中，六条矩形辐射贴片5的长度和宽度不同。在其他实施例中，六条矩形辐射贴片5也可根据实际需要设置成相同的长度和高度或其它的长度宽度组合以调节阻抗匹配，得到合适的阻抗带宽。
调节六块矩形辐射贴片5的长度和宽度的目的是使矩形辐射贴片的长度和宽度满足在工作频段内达到TM10模和TM20模的谐振长度，仅激发出TM10模和TM20模。
六块矩形辐射贴片5中，中间的四块矩形辐射贴片5上蚀刻有四条槽隙6，每条槽隙6均跨越同侧的两块矩形辐射贴片5，且该槽隙6在两块矩形辐射贴片5上的长度相同，四条槽隙6关于x轴两两对称，同侧的两条关于y轴两两对称；
四条槽隙6开在了矩形辐射贴片5上TM12模式电流最大处，用于切割不需要的TM12模式的电流，有效地抑制TM12模，稳定辐射方向图。
金属地板3上刻蚀的两条缝隙4关于x轴对称分布且与x轴平行，并且两条缝隙4分别位于矩形辐射贴片5中两侧的槽隙6的正下方，且每条缝隙4均垂直平分同侧的两条槽隙6。
馈电网络7的末端为圆形结构，用于调节微带天线的阻抗匹配。
馈电网络7设置有第一馈电端口8和第二馈电端口9两个输入端口，通过分别对第一馈电端口8和第二馈电端口9馈电实现方向图分集特性。
馈电网络7采用了Wilkison功分器的形式，第一馈电端口8输入时两输出臂长度相同，而第二馈电端口9馈电时，两输出臂长度相差0.5λ以形成180°移相，同时第一馈电端口8和第二馈电端口9有较高的隔离度，在带宽内两端口间的传输系数在-40dB以下。
第一馈电端口8馈电时在两条缝隙4同时激励起同相模，此时矩形辐射贴片5能够辐射出双波束；第二馈电端口9馈电时则激励起反相模，此时矩形辐射贴片5则辐射出定向波束。
本实施例中，第一介质基板1和第二介质基板2采用FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布和共烧陶瓷中任意一种材料构成；金属地板3、馈电网络7和矩形辐射贴片5，采用的金属为铝、铁、锡、铜、银、金和铂中的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂中任意一种的合金。
通过计算和电磁场全波仿真，对本实施例的多模宽频带方向图分集微带天线进行了验证仿真，如图4所示，给出了该天线在2.5GHz～4.5GHz频率范围内的反射系数仿真参数；可以看到，在3.17GHz～3.99GHz频段范围内，反射系数S11和S22均小于-10dB，且如图6所示，在该频段范围内，两端口的传输系数小于-40dB，说明在该频段内在两个端口均有90％的输入功率不会被反射同时两端口间具有非常好的隔离度，因此该天线具有23％的重合带宽。如图5所示，给出了多模宽频带方向图分集微带天线在2.5GHz～4.5GHz频率范围内的增益仿真参数；可以看到，在3.17GHz～3.99GHz频段范围内，辐射双波束时增益值在5.5～6.9dBi之间，辐射定向波束时的增益值在3.9～8.7dBi之间，说明该频段内90％的输入功率不会被反射且与各向同性天线相比辐射双波束模式下增益提高了5.5～6.9dBi，辐射定向波束模式下增益提高了3.9～8.7dBi，因此该天线阵列具有较宽的带宽和较高的增益，性能良好。
本实施例的多模宽频带方向图分集微带天线在3.6GHz时双波束辐射时的xoz面增益图如图7所示，定向波束辐射时的xoz面增益图如图8所示。从图中可以看出，两种模式下均实现了低于-20dBi的交叉极化。
以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明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所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、带有两条缝隙(4)的金属地板(3)、带有两个输入端口(8)和(9)的馈电网络(7)和六块矩形辐射贴片(5)；
第一介质基板(1)和第二介质基板(2)从下至上依次堆叠，金属地板(3)位于第一介质基板(1)的上表面，馈电网络(7)位于第一介质基板(1)的下表面；六块矩形辐射贴片(5)位于第二介质基板(2)的上表面，分别根据两条缝隙(4)耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：第一介质基板(1)的厚度由馈电网络(7)的输入阻抗决定，第二介质基板(2)的厚度由缝隙(4)与矩形辐射贴片(5)之间的阻抗转换比决定，调节第一介质基板(1)和第二介质基板(2)的厚度以改善特性阻抗为50欧姆的同轴电缆和馈电网络(7)，馈电网络(7)与矩形辐射贴片(5)之间的阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：六块矩形辐射贴片(5)两两关于x轴对称分布，坐标系原点位于第一介质基板(1)的下表面的中心处，x轴平行于矩形辐射贴片(5)长边指向左下方，y轴平行于矩形辐射贴片(5)短边指向右下方，z轴垂直于金属地板向上，同侧的三条矩形辐射贴片(5)从x轴沿y轴依次向外排列，关于x轴对称的两块矩形辐射贴片(5)尺寸则完全相同。
4.根据权利要求3所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：调节六块矩形辐射贴片(5)的长度和宽度的目的是使矩形辐射贴片的长度和宽度满足在工作频段内达到TM10模和TM20模的谐振长度，仅激发出TM10模和TM20模。
5.根据权利要求4所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：六块矩形辐射贴片(5)中，中间的四块矩形辐射贴片(5)上蚀刻有四条槽隙(6)，每条槽隙(6)均跨越同侧的两块矩形辐射贴片(5)，且该槽隙(6)在两块矩形辐射贴片(5)上的长度相同，四条槽隙(6)关于x轴两两对称，同侧的两条关于y轴两两对称；
四条槽隙(6)开在了矩形辐射贴片(5)上TM12模式电流最大处，用于切割不需要的TM12模式的电流，有效地抑制TM12模，稳定辐射方向图。
6.根据权利要求5所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：金属地板(3)上刻蚀的两条缝隙(4)关于x轴对称分布且与x轴平行，并且两条缝隙(4)分别位于矩形辐射贴片(5)中两侧的槽隙(6)的正下方，且每条缝隙(4)均垂直平分同侧的两条槽隙(6)。
7.根据权利要求1所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：馈电网络(7)的末端为圆形结构，用于调节微带天线的阻抗匹配。
8.根据权利要求1所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：馈电网络(7)设置有第一馈电端口(8)和第二馈电端口(9)两个输入端口，通过分别对第一馈电端口(8)和第二馈电端口(9)馈电实现方向图分集特性。
9.根据权利要求1所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：馈电网络(7)采用了Wilkison功分器的形式，第一馈电端口(8)输入时两输出臂长度相同，而第二馈电端口(9)馈电时，两输出臂长度相差0.5λ以形成180°移相，同时第一馈电端口(8)和第二馈电端口(9)在带宽内两端口间的传输系数在-40dB以下。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种新型多模宽频带方向图分集微带天线，其特征在于：第一馈电端口(8)馈电时在两条缝隙(4)同时激励起同相模，此时矩形辐射贴片(5)能够辐射出双波束；第二馈电端口(9)馈电时则激励起反相模，此时矩形辐射贴片(5)则辐射出定向波束。
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