CN113594715A - 双频双向圆极化偶极子阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频双向圆极化偶极子阵列天线，涉及天线技术领域。所述阵列天线包括介质基板，所述介质基板的正面形成有正面天线阵列，所述介质基板的背面形成有背面天线阵列，所述正面天线阵列以及背面天线阵列包括若干个相互连接的双馈圆极化贴片单元，正面天线阵列中的双馈圆极化贴片单元与背面天线阵列中的双馈圆极化贴片单元在前后投影方向上无重叠，通过所述正面天线阵列以及背面天线阵列中的双馈圆极化贴片单元进行相互作用使得所述阵列天线具有双频工作、双向辐射圆极化波的能力。所述阵列天线具有结构简单、容易加工、辐射效率高以及剖面低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种双频双向圆极化偶极子阵列天线。
背景技术
近年来移动通信系统发展迅速，城市里移动用户数目飞速增加，高层建筑也越来越多，相应的对话务密度和通信质量的要求也不断上升。随着用户数目急剧的扩张，需要运营商提供更好的室内通信业务。移动通信中的室内分布覆盖是针对在室内使用手机的用户而提出来的，用以保证移动用户的信号覆盖、通信容量和通信质量，是用于增强建筑物内移动信号的一种可行方案，具体的实现方法是利用室内天线分布系统，把信源的信号均匀分布在室内各个角落，来保证建筑物内的区域拥有良好的信号覆盖。对于常见的室内场景而言，多频双向辐射天线是一个较好的选择，可以显著提高室内环境中的信号质量。此外，移动通信中通常使用线极化天线，这在某些特殊情况下可能出现由于极化失配导致的通信中断。而采用圆极化天线就可以有效地避免这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、容易加工、辐射效率高、剖面低的双频双向圆极化偶极子阵列天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板的正面形成有正面天线阵列，所述介质基板的背面形成有背面天线阵列，所述正面天线阵列以及背面天线阵列包括若干个相互连接的双馈圆极化贴片单元，正面天线阵列中的双馈圆极化贴片单元与背面天线阵列中的双馈圆极化贴片单元在前后投影方向上无重叠，通过所述正面天线阵列以及背面天线阵列中的双馈圆极化贴片单元进行相互作用使得所述阵列天线具有双频工作、双向辐射圆极化波的能力。
进一步的技术方案在于：所述双馈圆极化贴片单元包括90°移相馈电结构和矩形贴片，所述90°移相馈电结构通过第一馈电点和第二馈电点对矩形贴片产生一对正交、等幅、相位差为90°的激励，从而辐射圆极化波。
进一步的技术方案在于：所述矩形贴片呈45°倾斜设置，所述90°移相馈电结构的长度为所述介质波长的四分之一，从而在第一馈电点和第二馈电点之间产生90°相位差。
进一步的技术方案在于：所述所述90°移相馈电结构包括第一馈电点、第二馈电点、位于第一馈电点与第二馈电点之间的弯曲馈电线以及第一连接馈电线，所述第一馈电点位于矩形贴片的一条边上，所述第二馈电点位于矩形贴片的另一条边上，第一馈电点经第一竖直馈电线分别与弯曲馈电线以及第一连接馈电线的一端连接，所述弯曲馈电线的另一端经第二竖直馈电线与所述第二馈电点连接。
进一步的技术方案在于：所述弯曲馈电线包括第一水平馈电线，所述第一水平馈电线的一端与第一竖直馈电线的一端连接，所述第一水平馈电线的另一端与第三竖直馈电线的一端连接，所述第三竖直馈电线的另一端与第二水平馈电线的一端连接，所述第二水平馈电线的另一端与第四竖直馈电线的一端连接，所述第四竖直馈电线的另一端与第三水平馈电线的一端连接，所述第三水平馈电线的另一端经第二竖直馈电线与第二馈电点连接。
进一步的技术方案在于：所述正面天线阵列包括两个正面天线阵列单元，两个所述正面天线阵列单元通过正面连接带状线连接到一起。
进一步的技术方案在于：每个所述正面天线阵列单元包括四个双馈圆极化贴片单元，第一竖直连接带状线的左右两侧分别设置有两个双馈圆极化贴片单元，上侧的两个双馈圆极化贴片单元的第一连接馈电线分别通过一个第一水平连接带状线与第一竖直连接带状线的上端连接，中部的两个双馈圆极化贴片单元的第一连接馈电线分别通过一个第二水平连接带状线与第一竖直连接带状线的中部连接，左右两侧的第一竖直连接带状线的下端通过第三水平连接微带线连接到一起，输入微带线的一端为信号输入端，输入微带线的另一端与第三水平连接微带线连接。
进一步的技术方案在于：所述背面天线阵列包括两个背面天线阵列单元，两个所述背面天线阵列单元通过背面连接带状线连接到一起。
进一步的技术方案在于：每个所述被面天线阵列单元包括四个双馈圆极化贴片单元，第二竖直连接带状线的左右两侧分别设置有两个双馈圆极化贴片单元，上侧的两个双馈圆极化贴片单元的第一连接馈电线分别通过一个第一水平连接带状线与第二竖直连接带状线的上端连接，中部的两个双馈圆极化贴片单元的第一连接馈电线分别通过一个第二水平连接带状线与第二竖直连接带状线的中部连接，左右两侧的第二竖直连接带状线的下端通过接地条连接到一起。
进一步的技术方案在于：所述正面天线阵列中的一个双馈圆极化贴片单元与背面天线阵列中与其相邻的一个双馈圆极化贴片单元形成一个偶极子；正面天线阵列中左右相邻的两个双馈圆极化贴片单元形成一个偶极子。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述阵列天线仅由介质基板和两侧的金属结构构成，结构简单、易加工、成本低；可以进行双频、双向辐射圆极化波，信号覆盖范围大且不存在由于极化失配导致的信号中断问题，能够确保稳定的通信能力；重量轻、剖面低、易共形，便于安装使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1a为本发明实施例中所述阵列天线的透视结构示意图；
图1b为本发明实施例中双馈圆极化贴片单元的结构示意图；
图2a为本发明实施例中所述阵列天线中正面天线阵列的平面结构示意图；
图2b为本发明实施例中所述阵列天线中背面天线阵列的平面结构示意图；
图3为本发明实施例中所述阵列天线的透视结构示意图；
图4为本发明实施例中所述阵列天线的S11频率响应曲线；
图5为本发明实施例中所述阵列天线在3.65GHz的辐射方向图；
图6为本发明实施例中所述阵列天线在5GHz的辐射方向图；
图7为本发明实施例中所述阵列天线在3.65GHz的YOZ面内的轴比曲线；
图8为本发明实施例中所述偶极子阵列天线在5GHz的YOZ面内的轴比曲线；
其中：1、介质基板；2、正面天线阵列；3、背面天线阵列；4、双馈圆极化贴片单元；5、90°移相馈电结构；6、矩形贴片；7、第一馈电点；8、第二馈电点；9、第一连接馈电线；10、第一竖直馈电线；11、第二竖直馈电线；12、第一水平馈电线；13、第三竖直馈电线；14、第二水平馈电线；15、第四竖直馈电线；16、第三水平馈电线；17、第二偶极子；18、第一竖直连接带状线；19、第一水平连接带状线；20、第一偶极子；21、第二水平连接带状线；22、第三水平连接微带线；23、输入微带线；24、第二竖直连接带状线；25、接地条。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅仅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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a所示，本发明实施例公开了一种双频双向圆极化偶极子阵列天线，包括介质基板1，所述介质基板1可以使用现有技术中的介质基板1，所述介质基板1的正面形成有正面天线阵列2，所述介质基板1的背面形成有背面天线阵列3；所述正面天线阵列2以及背面天线阵列3包括若干个相互连接的双馈圆极化贴片单元4，正面天线阵列2中的双馈圆极化贴片单元4与背面天线阵列3中的双馈圆极化贴片单元5在前后投影方向上无重叠；通过所述正面天线阵列2以及背面天线阵列3中的双馈圆极化贴片单元4进行相互作用使得所述阵列天线具有双频工作、双向辐射圆极化波的能力。
进一步的，如图1b所示，所述双馈圆极化贴片单元4包括90°移相馈电结构5和矩形贴片6，90°移相馈电结构5和矩形贴片6都使用金属材料进行制备；所述90°移相馈电结构5通过第一馈电点7和第二馈电点8对矩形贴片（6）产生一对正交、等幅、相位差为90°的激励，从而辐射圆极化波。所述矩形贴片6呈45°倾斜设置，所述90°移相馈电结构的长度为所述介质波长的四分之一，从而在第一馈电点7和第二馈电点（8）之间产生90°相位差。
更进一步的，如图1b所示，所述所述90°移相馈电结构5包括第一馈电点7、第二馈电点8、位于第一馈电点7与第二馈电点8之间的弯曲馈电线以及第一连接馈电线9。所述第一馈电点7位于矩形贴片6的一条边上，所述第二馈电点8位于矩形贴片6的另一条边上，第一馈电点7经第一竖直馈电线10分别与弯曲馈电线以及第一连接馈电线9的一端连接，所述弯曲馈电线的另一端经第二竖直馈电线11与所述第二馈电点8连接。
更进一步的，如图1b所示，所述弯曲馈电线包括第一水平馈电线12，所述第一水平馈电线12的一端与第一竖直馈电线10的一端连接，所述第一水平馈电线12的另一端与第三竖直馈电线13的一端连接；所述第三竖直馈电线13的另一端与第二水平馈电线14的一端连接，所述第二水平馈电线14的另一端与第四竖直馈电线15的一端连接，所述第四竖直馈电线15的另一端与第三水平馈电线16的一端连接，所述第三水平馈电线16的另一端经第二竖直馈电线11与第二馈电点8连接。
如图2a所示，所述正面天线阵列2包括两个正面天线阵列单元，两个所述正面天线阵列单元通过正面连接带状线连接到一起。每个所述正面天线阵列单元包括四个双馈圆极化贴片单元4，第一竖直连接带状线18的左右两侧分别设置有两个双馈圆极化贴片单元4，上侧的两个双馈圆极化贴片单元4的第一连接馈电线9分别通过一个第一水平连接带状线19与第一竖直连接带状线20的上端连接，中部的两个双馈圆极化贴片单元4的第一连接馈电线9分别通过一个第二水平连接带状线21与第一竖直连接带状线18的中部连接，左右两侧的第一竖直连接带状线18的下端通过第三水平连接微带线22连接到一起，输入微带线23的一端为信号输入端，输入微带线23的另一端与第三水平连接微带线22连接。
如图2b所示，所述背面天线阵列3包括两个背面天线阵列单元，两个所述背面天线阵列单元通过背面连接带状线连接到一起。每个所述被面天线阵列单元包括四个双馈圆极化贴片单元4，第二竖直连接带状线24的左右两侧分别设置有两个双馈圆极化贴片单元4，上侧的两个双馈圆极化贴片单元4的第一连接馈电线9分别通过一个第一水平连接带状线19与第二竖直连接带状线24的上端连接，中部的两个双馈圆极化贴片单元4的第一连接馈电线9分别通过一个第二水平连接带状线21与第二竖直连接带状线24的中部连接，左右两侧的第二竖直连接带状线24的下端通过接地条25连接到一起。
如图3所示，所述正面天线阵列2中的一个双馈圆极化贴片单元4与背面天线阵列3中与其相邻的一个双馈圆极化贴片单元4形成一个偶极子；正面天线阵列2中左右相邻的两个双馈圆极化贴片单元4形成一个偶极子。所述阵列天线既可以看作由分布在介质基板1两侧的多个双馈圆极化贴片单元4构成，也可以看作由第一偶极子20和第二偶极子17这两种不同电长度的偶极子天线构成，因此该阵列天线具备双谐振的能力。
上述实施例所述阵列天线的具体设计为：中心频率为3.65GHz和5GHz，利用全波电磁仿真软件HFSS进行优化。经过优化设计，所述其具体的尺寸如下：a=150mm，b=130mm，c=1.7mm，d=11.4mm，e=8.8mm，f=1.2mm，g=12.5mm，h=10mm，i=73.8mm，j=37.6mm，k=47.5mm，m=38mm，t=0.8mm，w1=1mm，w2=1.4mm。当然，这只是本发明所提供的一种特定实施例所对应的尺寸方案，通过其他优化方式亦可得到不同的尺寸方案。
图4给出了经优化设计后所述阵列天线的S11频率响应曲线，可以发现该天线工作在3.65GHz和5GHz两个频段，这两个频段均属于Sub-6GHz范畴，在5G通信中极具应用前景。
图5和图6分别是本发明实施例中所述阵列天线在3.65GHz和5GHz的辐射方向图，可以看出该天线具备很明显的双向辐射特性。
图7和图8分别是本发明实施例中所述阵列天线在3.65GHz和5GHz的YOZ面内的轴比曲线。可以看出该天线在两个辐射方向上，均呈现出圆极化特性，具备辐射圆极化波的能力。
综上，所述阵列天线仅由介质基板和两侧的金属结构构成，结构简单、易加工、成本低；可以进行双频、双向辐射圆极化波，信号覆盖范围大且不存在由于极化失配导致的信号中断问题，能够确保稳定的通信能力；重量轻、剖面低、易共形，便于安装使用。
Claims (10)
1.一种双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：包括介质基板（1），所述介质基板（1）的正面形成有正面天线阵列（2），所述介质基板（1）的背面形成有背面天线阵列（3），所述正面天线阵列（2）以及背面天线阵列（3）包括若干个相互连接的双馈圆极化贴片单元（4），正面天线阵列（2）中的双馈圆极化贴片单元（4）与背面天线阵列（3）中的双馈圆极化贴片单元（5）在前后投影方向上无重叠，通过所述正面天线阵列（2）以及背面天线阵列（3）中的双馈圆极化贴片单元（4）进行相互作用使得所述阵列天线具有双频工作、双向辐射圆极化波的能力。
2.如权利要求1所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述双馈圆极化贴片单元（4）包括90°移相馈电结构（5）和矩形贴片（6），所述90°移相馈电结构（5）通过第一馈电点（7）和第二馈电点（8）对矩形贴片（6）产生一对正交、等幅、相位差为90°的激励，从而辐射圆极化波。
3.如权利要求2所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述矩形贴片（6）呈45°倾斜设置，所述90°移相馈电结构的长度为所述介质波长的四分之一，从而在第一馈电点（7）和第二馈电点（8）之间产生90°相位差。
4.如权利要求2所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述所述90°移相馈电结构（5）包括第一馈电点（7）、第二馈电点（8）、位于第一馈电点（7）与第二馈电点（8）之间的弯曲馈电线以及第一连接馈电线（9），所述第一馈电点（7）位于矩形贴片（6）的一条边上，所述第二馈电点（8）位于矩形贴片（6）的另一条边上，第一馈电点（7）经第一竖直馈电线（10）分别与弯曲馈电线以及第一连接馈电线（9）的一端连接，所述弯曲馈电线的另一端经第二竖直馈电线（11）与所述第二馈电点（8）连接。
5.如权利要求4所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述弯曲馈电线包括第一水平馈电线（12），所述第一水平馈电线（12）的一端与第一竖直馈电线（10）的一端连接，所述第一水平馈电线（12）的另一端与第三竖直馈电线（13）的一端连接，所述第三竖直馈电线（13）的另一端与第二水平馈电线（14）的一端连接，所述第二水平馈电线（14）的另一端与第四竖直馈电线（15）的一端连接，所述第四竖直馈电线（15）的另一端与第三水平馈电线（16）的一端连接，所述第三水平馈电线（16）的另一端经第二竖直馈电线（11）与第二馈电点（8）连接。
6.如权利要求2所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述正面天线阵列（2）包括两个正面天线阵列单元，两个所述正面天线阵列单元通过正面连接带状线连接到一起。
7.如权利要求6所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：每个所述正面天线阵列单元包括四个双馈圆极化贴片单元（4），第一竖直连接带状线（18）的左右两侧分别设置有两个双馈圆极化贴片单元（4），上侧的两个双馈圆极化贴片单元（4）的第一连接馈电线（9）分别通过一个第一水平连接带状线（19）与第一竖直连接带状线（18）的上端连接，中部的两个双馈圆极化贴片单元（4）的第一连接馈电线（9）分别通过一个第二水平连接带状线（21）与第一竖直连接带状线（18）的中部连接，左右两侧的第一竖直连接带状线（18）的下端通过第三水平连接微带线（22）连接到一起，输入微带线（23）的一端为信号输入端，输入微带线（23）的另一端与第三水平连接微带线（22）连接。
8.如权利要求2所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述背面天线阵列（3）包括两个背面天线阵列单元，两个所述背面天线阵列单元通过背面连接带状线连接到一起。
9.如权利要求8所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：每个所述被面天线阵列单元包括四个双馈圆极化贴片单元（4），第二竖直连接带状线（24）的左右两侧分别设置有两个双馈圆极化贴片单元（4），上侧的两个双馈圆极化贴片单元（4）的第一连接馈电线（9）分别通过一个第一水平连接带状线（19）与第二竖直连接带状线（24）的上端连接，中部的两个双馈圆极化贴片单元（4）的第一连接馈电线（9）分别通过一个第二水平连接带状线（21）与第二竖直连接带状线（24）的中部连接，左右两侧的第二竖直连接带状线（24）的下端通过接地条（25）连接到一起。
10.如权利要求2所述的双频双向圆极化偶极子阵列天线，其特征在于：所述正面天线阵列（2）中的一个双馈圆极化贴片单元（4）与背面天线阵列（3）中与其相邻的一个双馈圆极化贴片单元（4）形成一个偶极子；正面天线阵列（2）中左右相邻的两个双馈圆极化贴片单元（4）形成一个偶极子。
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