CN113506976B - 高增益圆极化天线及无线通信设备 - Google Patents

高增益圆极化天线及无线通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高增益圆极化天线及无线通信设备，所述天线包括辐射体、介质基片和金属地板，所述辐射体设置在介质基片的上表面，辐射体包括长方形金属辐射贴片和四个正方形金属辐射贴片，所述长方形金属辐射贴片位于介质基片上表面的中心，四个正方形金属辐射贴片分别加载在长方形金属辐射贴片的四个顶角处，且每个正方形金属辐射贴片边缘设置有金属通孔阵列，所述金属地板设置在介质基片的下表面。本发明采用基片集成波导的小型化结构进一步缩小了天线的尺寸，并且采用的是容易与平面结构集成的单层介质基片，拥有高增益圆极化特性，在减小通信信号之间极化失配影响的同时还可以为远距离传输的无线通信设备的信号传输提供更多选择。

Description

高增益圆极化天线及无线通信设备
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种高增益圆极化天线及无线通信设备。
背景技术
随着通信技术的发展，各种通讯设备之间的信息交互逐渐复杂，在一些场景下线极化的天线之间容易形成极化失配，圆极化天线在减小极化失配影响和多径效应方面具有较大优势，因此设计具有圆极化特性的天线在这个复杂的通信环境中具有重要的研究意义，目前圆极化特性的天线已被广泛应用于工业和医疗等多个行业。高增益的天线在远距离传输时可以在特定方向上保证信号的传输质量，结合SIW(Substrate IntegratedWaveguide，基片集成波导)具有低成本、质量轻、易于与平面系统集成等特点，并且SIW的小型化结构更能进一步减小天线的尺寸，因此基于SIW小型化结构所设计的高增益圆极化天线对于通信系统的小型化和性能提升具有重要的研究意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高增益圆极化天线及无线通信设备，该天线通过在中心贴片周围加载四个相同的四分之一模基片集成波导(Quarter Mode SubstrateIntegrated Waveguide，简称QMSIW)腔体不仅修正了中心贴片的高次模的方向图还提高了天线的增益。
本发明的目的在于提供一种高增益圆极化天线。
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：
一种高增益圆极化天线，包括辐射体、介质基片和金属地板，所述辐射体设置在介质基片的上表面，辐射体包括长方形金属辐射贴片和四个正方形金属辐射贴片，所述长方形金属辐射贴片位于介质基片上表面的中心，四个正方形金属辐射贴片分别加载在长方形金属辐射贴片的四个顶角处，且每个正方形金属辐射贴片边缘设置有金属通孔阵列，所述金属地板设置在介质基片的下表面。
进一步的，所述金属地板上设置有可使馈电探针穿过的圆形孔，所述馈电探针的馈电点位于长方形金属辐射贴片处。
进一步的，所述圆形孔与馈电探针的半径比值范围为2～3，馈电探针的直径取值范围为1mm～1.4mm。
进一步的，所述馈电探针的馈电点中心与长方形贴片的长边边缘之间的距离在9mm～10mm之间，馈电探针的馈电点中心与长方形贴片的短边边缘之间的距离在10mm～11mm之间。
进一步的，所述长方形金属辐射贴片的四个顶角分别被平行切割。
进一步的，所述长方形金属辐射贴片与四个正方形金属辐射贴片之间通过微带线相连。
进一步的，相邻两个正方形金属辐射贴片的中心与长方形金属辐射贴片的中心连线的角度为90度。
进一步的，每个正方形辐射贴片外侧边缘与离该正方形辐射贴片最近的介质基片边缘的距离为5mm～6mm。
进一步的，所述辐射体的长和宽均在44mm～46mm之间，所述长方形金属辐射贴片的长为28mm～29mm，宽为27mm～28mm，每个正方形金属辐射贴片的长宽均在9mm～10mm之间。
进一步的，所述金属通孔阵列的金属化通孔数量在11～15个之间。
进一步的，所述金属通孔阵列中，每个金属化通孔的直径为0.9mm～1.1mm，相邻两个金属化过孔的圆心之间的间距为1.4mm～1.6mm。
进一步的，所述介质基片的厚度为1.4mm～1.6mm。
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，包括上述的高增益圆极化天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明天线的辐射体包括长方形金属辐射贴片和四个正方形金属辐射贴片，长方形金属辐射贴片位于介质基片的中心作为中心贴片，四个正方形金属辐射贴片加载在中心贴片周围，每个正方形金属辐射贴片边缘设置有金属通孔阵列，构成四分之一模基片集成波导腔体，不仅修正了中心贴片的高次模的方向图还提高了天线的增益，由于部分辐射体采用了SIW背腔式结构，剖面高度仅为中心频率处0.039个自由空间波长。
2、本发明天线的长方形金属辐射贴片的四个顶角分别被平行切割，可以获得更好的性能；长方形金属辐射贴片与四个正方形金属辐射贴片之间通过微带线相连，通过微带贴片为四个正方形金属辐射贴片构成的基片集成波导腔体阵列馈电简化了阵列天线的馈电网络，降低了天线实现的复杂度。
3、本发明天线仿真的-10dB阻抗带宽为7.73GHz～7.83GHz，在这阻抗带宽内，天线的增益始终大于11dBi，天线的3dB轴比带宽为7.78GHz～7.8GHz。
4、本发明天线在中心频率7.79GHz处，天线的峰值增益可以达到13.1dBi，同时在天线的主瓣范围内交叉极化低于-20dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的高增益圆极化天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的高增益圆极化天线标出各个正方形金属辐射贴片的示意图。
图3为本发明实施例的高增益圆极化天线的俯视及侧视示意图。
图4为本发明实施例的高增益圆极化天线在7.79GHz的E面辐射场方向图。
图5为本发明实施例的高增益圆极化天线在7.79GHz的H面辐射场方向图。
图6为本发明实施例的高增益圆极化天线的S参数图。
图7为本发明实施例的高增益圆极化天线的轴比曲线图。
图8为本发明实施例的高增益圆极化天线的增益曲线图。
其中，1-长方形金属辐射贴片，2-正方形金属辐射贴片，21-第一正方形金属辐射贴片，22-第二正方形金属辐射贴片，23-第三正方形金属辐射贴片，24-第四正方形金属辐射贴片，3-馈电探针，4-圆形孔，5-金属化通孔阵列，6-介质基片，7-金属地板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种高增益圆极化天线，能够应用于无线通信设备中，该天线包括辐射体、介质基片6和金属地板7，辐射体设置在介质基片6的上表面，作为上金属层，辐射体包括长方形金属辐射贴片1和四个正方形金属辐射贴片2，四个正方形金属辐射贴片2分别为第一正方形金属辐射贴片21、第二正方形金属辐射贴片22、第三正方形金属辐射贴片23和第四正方形金属辐射贴片24，第一正方形金属辐射贴片21、第二正方形金属辐射贴片22、第三正方形金属辐射贴片23和第四正方形金属辐射贴片24分别加载在长方形金属辐射贴片1的四个顶角处，每个正方形金属辐射贴片2边缘设置有金属通孔阵列5，构成四分之一模基片集成波导腔体，即共有四个四分之一模基片集成波导腔体，四个四分之一模基片集成波导腔体的加载修正了长方形金属辐射贴片1谐振模式的辐射特性，使天线获得了较高的增益，金属地板7设置在介质基片的下表面，作为下金属层，每个正方形金属辐射贴片2通过金属通孔阵列5与金属地板7相连，即金属通孔阵列5连通着上金属层和下金属层。
本实施例采用基片集成波导的小型化结构进一步缩小了天线的尺寸，并且本实施例采用的是容易与平面结构集成的单层介质基片，本实施例拥有高增益圆极化特性，在减小通信信号之间极化失配影响的同时还可以为远距离传输的无线通信设备的信号传输提供更多选择。
进一步地，长方形金属辐射贴片1的四个顶角分别被平行切割，可以获得更好的性能；长方形金属辐射贴片1与四个正方形金属辐射贴片2(即第一正方形金属辐射贴片21、第二正方形金属辐射贴片22、第三正方形金属辐射贴片23和第四正方形金属辐射贴片24)之间通过微带线相连，通过微带贴片为四个正方形金属辐射贴片2构成的基片集成波导腔体阵列馈电简化了阵列天线的馈电网络，降低了天线实现的复杂度；相邻两个正方形金属辐射贴片的中心与长方形金属辐射贴片的中心连线的角度为90度。
为了使金属地板7与馈电探针3不接触，本实施例的金属地板7上设置有圆形孔4，圆形孔4能够使馈电探针3穿过，以隔离馈电探针3，馈电探针3的馈电点位于长方形金属辐射贴片1处。
本实施例中，介质基片6均采用Rogers RT 5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，介质基片6的厚度为1.4mm～1.6mm。
图3为本实施例的高增益圆极化天线的俯视及侧视图，长方形金属辐射贴片1的长Lp为28.7mm，宽Wp为27.3mm；每个正方形金属辐射贴片2的长Lq和宽Wq相等，均为9.8mm；每个正方形金属辐射贴片2边缘设置的金属化通孔阵列5的个数为13，金属化通孔的直径为1mm，相邻两个金属化通孔圆心之间的间距为1.5mm；四个四分之一模基片集成波导腔体与长方形金属辐射贴片1所组成的等效腔体，即辐射体，等效腔体长度Lc和等效腔体宽度Wc均为45mm，且等效腔体与介质基片边缘的间距为5.3mm；其中馈电探针3为同轴馈电探针，馈电点中心与长方形金属辐射贴片1长边边缘的最小平行间距为9.45mm，馈电点中心与长方形金属辐射贴片1短边边缘的最小垂直间距为10.55mm。
图4和图5为本发明实施例的高增益圆极化天线在7.79GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，可以看到在该频点在主瓣范围内天线的交叉极化水平均小于-20dB，天线的旁瓣较小，能量主要集中在主瓣上。
图6为本实施例的高增益圆极化天线的S参数仿真曲线图，可以看到其中心频率为7.79GHz且具有良好的阻抗匹配，天线的|S11|<-10dB带宽约为7.73GHz～7.83GHz。
图7为本实施例的高增益圆极化天线的轴比仿真曲线图，可以看到该天线在中心频点处的轴比较小，3dB轴比带宽约为7.78GHz-7.8GHz。
图8为本实施例的高增益圆极化天线的增益仿真曲线图，可以看到该天线在阻抗带宽范围内增益均大于11dBi，特别的在中心频点处，天线的增益达到最大值，约为13.1dBi。
综上所述，本发明天线通过在长方形金属辐射贴片的四个顶角加载四个相同的四分之一模基片集成波导腔体，不仅改善了原本贴片天线的辐射方向图，同时还进一步提高了天线的增益，在中心频点处，该圆极化天线的增益达到最大值为13.1dBi，此外，该天线设计在单层介质基片上，剖面高度低、结构简单、加工难度低并且易于与平面电路集成。
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 (7)

1.一种高增益圆极化天线，其特征在于，包括辐射体、介质基片和金属地板，所述辐射体设置在介质基片的上表面，辐射体包括长方形金属辐射贴片和四个正方形金属辐射贴片，所述长方形金属辐射贴片位于介质基片上表面的中心，四个正方形金属辐射贴片分别加载在长方形金属辐射贴片的四个顶角处，且每个正方形金属辐射贴片边缘设置有金属通孔阵列，所述金属地板设置在介质基片的下表面；
所述长方形金属辐射贴片的四个顶角分别被平行切割，且长方形金属辐射贴片与四个正方形金属辐射贴片之间通过微带线相连，通过微带贴片为四个正方形金属辐射贴片构成的基片集成波导腔体阵列馈电；
所述金属地板上设置有可使馈电探针穿过的圆形孔，所述馈电探针的馈电点位于长方形金属辐射贴片处。
2.根据权利要求1所述的高增益圆极化天线，其特征在于，所述圆形孔与馈电探针的半径比值范围为2～3，馈电探针的直径取值范围为1mm～1.4mm。
3.根据权利要求1所述的高增益圆极化天线，其特征在于，所述馈电探针的馈电点中心与长方形贴片的长边边缘之间的距离在9mm～10mm之间，馈电探针的馈电点中心与长方形贴片的短边边缘之间的距离在10mm～11mm之间。
4.根据权利要求1所述的高增益圆极化天线，其特征在于，相邻两个正方形金属辐射贴片的中心与长方形金属辐射贴片的中心连线的角度为90度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高增益圆极化天线，其特征在于，所述辐射体的长和宽均在44mm～46mm之间，所述长方形金属辐射贴片的长为28mm～29mm，宽为27mm～28mm，每个正方形金属辐射贴片的长宽均在9mm～10mm之间。
6.根据权利要求1-4任一项所述的高增益圆极化天线，其特征在于，所述金属通孔阵列中，每个金属化通孔的直径为0.9mm～1.1mm，相邻两个金属化过孔的圆心之间的间距为1.4mm～1.6mm。
7.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的高增益圆极化天线。
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