CN113964522A - 一种小型化差分馈电的双极化c波段贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，包括金属反射地板，第一、二水平介质基板，第一、二、三、四金属柱，第一、二垂直介质基板；第一水平介质基板上设有两个馈电网络，馈电网络的两个输出端口相位相差180°且功率相等，实现差分馈电；第一垂直介质基板和第二垂直介质基板上表面分别设有一对L型探针；第二水平介质基板上设有作为主要辐射源的第一方形贴片；第一方形贴片上有四个三角形槽和两个垂直交叉的阶梯型贴片，通过四个三角形槽延长电流路径从而达到小型化的目的，两个垂直交叉的阶梯型贴片用于调阻抗匹配。本发明具备阻抗匹配特性，在保证增益和方向图稳定的同时使得整个天线的体积缩小42.8％。

Description

一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线。
背景技术
随着人们生活质量的提高，对移动通信系统的数据传输速度以及信道容量的要求越来越高。满足这一需求的解决方法之一是增加通信系统的信道，可以通过增加天线的数量来实现，但同时也会受到空间限制。因此，可以通过缩小基站天线的尺寸来提供更多的可用空间。对于小型化天线的设计，很多学者进行了大量的研究和探索，提出了很多的设计方法，大多是基于双极化的交叉偶极子天线，而对于C波段贴片天线的小型化少有研究。
对现有的小型化天线设计方法进行调查了解，具体如下：
褚庆昕教授与其研究生通过在双极化交叉偶极子天线的辐射体上，加载环型寄生单元，或是利用切角等方法，将低频谐振点往低频移动，实现双极化交叉偶极子天线的宽带小型化。
刘英教授与其研究生通过在交叉偶极臂的末端加载角状金属结构及在辐射体下方加载环形寄生结构，在垂直方向上延长电长度可以减小天线的辐射口径从而实现小型化，但加载环状寄生结构使得剖面高度被大大的提高，这是该方法的弊端。
总而言之，现有的小型化基站天线主要集中在高频段的双极化交叉偶极子天线，小型化的方法包括加载环形寄生单元，切角，以及偶极子臂末端枝节加载等。但在C波段贴片天线的小型化上，研究得尚少。因此，设计一款小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，具备阻抗匹配特性，在保证增益和方向图稳定的同时使得整个天线的体积缩小42.8％。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，包括金属反射地板、第一水平介质基板、第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱、第四金属柱、第一馈电网络、第二馈电网络、第一垂直介质基板、第二垂直介质基板和第二水平介质基板；所述金属反射板位于第一水平介质基板下表面，所述金属反射板上设有两个圆孔槽、四个矩形槽及四个矩形贴片，分别为第一圆孔槽和第二圆孔槽，第一矩型槽、第二矩型槽、第三矩型槽和第四矩型槽，第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片和第四矩形贴片；所述第一水平介质基板上设有两个输入通孔和四个矩形插槽，分别为第一通孔、第二通孔，第一矩形插槽、第二矩形插槽、第三矩形插槽和第四矩形插槽；所述第一馈电网络和第二馈电网络位于第一水平介质基板的上表面，馈电网络的两个输出端口相位相差180°且功率相等，实现差分馈电；所述第一垂直基板连接四个矩形支架，所述第二垂直基板连接四个矩形支架，共配置有八个矩形支架；所述第二水平介质基板上有四个矩形插槽，分别是第五矩形插槽、第六矩形插槽、第七矩形插槽和第八矩形插槽；所述第一圆孔槽和第二圆孔槽将同轴馈电内导体与金属反射地板分开防止短路，所述第一矩型槽、第二矩型槽、第三矩型槽和第四矩型槽将第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片和第四矩形贴片与金属反射地板分开，且一个矩型槽配对一个矩形贴片；所述第一通孔和第二通孔构成两个输入端口，为第一输入端口和第二输入端口；八个矩形支架分别插入第一矩形插槽、第二矩形插槽、第三矩形插槽、第四矩形插槽、第五矩形插槽、第六矩形插槽、第七矩形插槽和第八矩形插槽中，用于固定两个水平介质基板与两个垂直介质基板；向上穿过第二水平介质基板的四个矩形支架的部分覆有矩形铜用于进一步稳定介质基板，分别是第五矩形贴片、第六矩形贴片、第七矩形贴片和第八矩形贴片；所述第一垂直介质基板和第二垂直介质基板上分别有第九矩形插槽和第十矩形插槽，用于固定两个交叉的垂直介质基板；所述第一垂直介质基板上表面设有第一覆铜层；所述第二垂直介质基板上表面设有第二覆铜层；所述第一覆铜层设有第一L型探针和第二L型探针；所述第二覆铜层设有第三L型探针和第四L型探针；第一L型探针、第二L型探针、第三L型探针和第四L型探针分别与第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片和第四矩形贴片连接，即一个L型探针连接一个矩形贴片；第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱和第四金属柱分别连接第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片和第四矩形贴片与馈电网络的输出端口，实现馈电网络给L型探针馈电；所述第二水平介质基板上设有第五覆铜层；所述第五覆铜层设有作为主要辐射源的第一方形贴片；所述第一方形贴片上有四个三角形槽，分别是第一三角形槽、第二三角形槽、第三三角形槽和第四三角形槽；所述第一方形贴片上有两个垂直交叉的阶梯型贴片，分别是第一阶梯型贴片和第二阶梯型贴片，通过四个三角形槽延长电流路径从而达到小型化的目的，两个垂直交叉的阶梯型贴片用于调阻抗匹配。
进一步，所述第一输入端口和第二输入端口均为50欧姆的阻抗匹配端口。
进一步，所述第一水平介质基板和第二水平介质基板为方形介质基板。
进一步，所述第一垂直介质基板和第二垂直介质基板为矩形介质基板。
进一步，所述八个矩形支架是用来固定水平介质基板和垂直介质基板，其中为了防止第二水平介质基板脱落，在位于第二水平介质基板上方的四个矩形支架的部分上覆有矩形铜，在加工时用锡将矩形铜和第一方形贴片连接，从而使得天线更加稳固。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、在天线性能方面，本小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线在仿真结果中带宽、隔离度和方向图等性能优良，即本小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线实现了出色的工作带宽、良好的端口隔离以及辐射性能。
2、本发明天线结构简单、体积小、加工成本低，在5G基站的应用中可以提高空间利用率，进而提高信道容量。
附图说明
图1为小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线的结构示意图。
图2为金属反射地板的结构示意图。
图3为第一水平介质基板和第一馈电网络及第二馈电网络的结构示意图。
图4为第一垂直介质基板的结构示意图。
图5为第二垂直介质基板的结构示意图。
图6为第二水平介质基板的结构示意图。
图7为小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线的仿真电路参数结果图。
图8为小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线的仿真+Z轴增益以及水平半功率波瓣宽度结果图。
图9为小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线的方向图结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明。
参见图1至图6所示，本实施例提供了一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，包括金属反射地板1、第一水平介质基板2、第一金属柱205、第二金属柱206、第三金属柱207、第四金属柱208、第一馈电网络301、第二馈电网络302、第一垂直介质基板4、第二垂直介质基板6和第二水平介质基板8；所述金属反射板1位于第一水平介质基板2下表面，所述金属反射板1上设有两个圆孔槽、四个矩形槽及四个矩形贴片，分别为第一圆孔槽101和第二圆孔槽102，第一矩型槽103、第二矩型槽104、第三矩型槽105和第四矩型槽106，第一矩形贴片107、第二矩形贴片108、第三矩形贴片109和第四矩形贴片110；所述第一水平介质基板2上设有两个输入通孔和四个矩形插槽，分别为第一通孔209、第二通孔210，第一矩形插槽201、第二矩形插槽202、第三矩形插槽203和第四矩形插槽204；所述第一馈电网络301和第二馈电网络302位于第一水平介质基板2的上表面，馈电网络的两个输出端口相位相差180°且功率相等，实现差分馈电；所述第一垂直基板4连接四个矩形支架；所述第二垂直基板6连接四个矩形支架，共配置有八个矩形支架；所述第二水平介质基板8上有四个矩形插槽，分别是第五矩形插槽801、第六矩形插槽802、第七矩形插槽803和第八矩形插槽804；所述第一圆孔槽101和第二圆孔槽102将同轴馈电内导体与金属反射地板1分开防止短路，所述第一矩型槽103、第二矩型槽104、第三矩型槽105和第四矩型槽106将第一矩形贴片107、第二矩形贴片108、第三矩形贴片109和第四矩形贴片110与金属反射地板1分开，且一个矩型槽配对一个矩形贴片；所述第一通孔209和第二通孔210构成两个输入端口，为第一输入端口209和第二输入端口210；八个矩形支架分别插入第一矩形插槽201、第二矩形插槽202、第三矩形插槽203、第四矩形插槽204、第五矩形插槽801、第六矩形插槽802、第七矩形插槽803和第八矩形插槽804中，用于固定两个水平介质基板与两个垂直介质基板；向上穿过第二水平介质基板8的四个矩形支架的部分覆有矩形铜用于进一步稳定介质基板，分别是第五矩形贴片503、第六矩形贴片504、第七矩形贴片703和第八矩形贴片704；所述第一垂直介质基板4和第二垂直介质基板6上分别有第九矩形插槽505和第十矩形插槽705，用于固定两个交叉的垂直介质基板；所述第一垂直介质基板4上表面设有第一覆铜层；所述第二垂直介质基板6上表面设有第二覆铜层；所述第一覆铜层设有第一L型探针501和第二L型探针502；所述第二覆铜层设有第三L型探针701和第四L型探针702；第一L型探针501、第二L型探针502、第三L型探针701和第四L型探针702分别与第一矩形贴片107、第二矩形贴片108、第三矩形贴片109和第四矩形贴片110连接，即一个L型探针连接一个矩形贴片；第一金属柱205、第二金属柱206、第三金属柱207和第四金属柱208分别连接第一矩形贴片107、第二矩形贴片108、第三矩形贴片109和第四矩形贴片110与馈电网络的输出端口，实现馈电网络给L型探针馈电；所述第二水平介质基板8上设有第五覆铜层；所述第五覆铜层设有作为主要辐射源的第一方形贴片9；所述第一方形贴片9上有四个三角形槽，分别是第一三角形槽901、第二三角形槽902、第三三角形槽903和第四三角形槽904；所述第一方形贴片9上有两个垂直交叉的阶梯型贴片，分别是第一阶梯型贴片905和第二阶梯型贴片906，通过四个三角形槽延长电流路径从而达到小型化的目的，两个垂直交叉的阶梯型贴片用于调阻抗匹配。
其中，所述第二水平介质基板8、第一垂直介质基板4和第二垂直介质基板6的介电常数均为4.4，损耗角正切为0.02，厚度均为1毫米；所述第一水平介质基板2的介电常数为4.38，损耗角正切为0.005，厚度为1毫米；所述第一垂直介质基板4和第二垂直介质基板6均为矩形介质板，两块矩形介质板的长度为25毫米，高度为12.5毫米；所述第一水平介质基板2为方形，方形介质板的边长为70毫米；所述的第二水平介质基板8为方形，方形介质板的边长为21毫米；所述第一输入端口209和第二输入端口210均为50欧姆的阻抗匹配端口；所述第一金属柱205、第二金属柱206、第三金属柱207、第四金属柱208的高度均为1毫米，半径均为0.5毫米；所述第一圆孔槽101和第二圆孔槽102半径均为2.1毫米；所述第一矩型槽103、第二矩型槽104、第三矩型槽105和第四矩型槽106均为方形，方形的边长均为4毫米；所述第一矩形贴片107、第二矩形贴片108、第三矩形贴片109和第四矩形贴片110的长均为3毫米，宽均为2.3毫米；所述第一通孔209和第二通孔210的高度均为1毫米，半径均为0.6毫米；所述第一矩形插槽201、第二矩形插槽202、第三矩形插槽203、第四矩形插槽204、第五矩形插槽801、第六矩形插槽802、第七矩形插槽803和第八矩形插槽804的长均为3毫米，宽均为1毫米，高均为1毫米；所述第一L型探针501、第二L型探针502、第三L型探针701和第四L型探针702尺寸一致，L型探针总长是16.5毫米，较粗的一段宽度为3毫米，长度为2.4毫米，较细的一段宽度为0.5毫米，L型探针的水平长度为8毫米，开路端长度为3.6毫米；所述第五矩形贴片503、第六矩形贴片504、第七矩形贴片703和第八矩形贴片704的长均为3毫米，宽均为1毫米；所述第一三角形槽901、第二三角形槽902、第三三角形槽903和第四三角形槽904均为等腰三角形，腰长为7.76毫米，底边长为10.98毫米；所述第一阶梯型贴片905和第二阶梯型贴片906，中间较细的一段长度均为14毫米，宽度均为0.8毫米，两端较粗的长度均为4.05毫米，宽度均为2毫米。
所述八个矩形支架是用来固定水平介质基板和垂直介质基板，其中为了防止第二水平介质基板脱落，在位于第二水平介质基板8上方的四个矩形支架的部分上覆有矩形铜，在加工时用锡将矩形铜和第一方形贴片9连接，从而使得天线更加稳固。
对本实施例上述小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线进行仿真，仿真结果如图7至图9所示。
参见图7所示，为天线端口的反射系数及端口隔离度，从图中说明：本实施例的小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线的工作频段为3.33-3.92GHz，在此频段的隔离度大于28dB。
参见图8所示，为天线仿真的增益及水平面半功率波瓣宽度，从图中说明：本实施例的小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线在工作频段3.33-3.92GHz的增益大于7.6dBi，在此工作频段的水平面半功率波瓣宽度为60±5.6°。
参见图9所示，为第一输入端口分别在3.3GHz、3.5GHz、3.7GHz和3.9GHz频点下的E面及H面的仿真辐射方向图，从图中说明：本实施例的小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线在工作频段为3.33-3.92GHz实现稳定的辐射，且主极化方向的交叉极化比大于25dB。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，其特征在于：包括金属反射地板(1)、第一水平介质基板(2)、第一金属柱(205)、第二金属柱(206)、第三金属柱(207)、第四金属柱(208)、第一馈电网络(301)、第二馈电网络(302)、第一垂直介质基板(4)、第二垂直介质基板(6)和第二水平介质基板(8)；所述金属反射板(1)位于第一水平介质基板(2)下表面，所述金属反射板(1)上设有两个圆孔槽、四个矩形槽及四个矩形贴片，分别为第一圆孔槽(101)和第二圆孔槽(102)，第一矩型槽(103)、第二矩型槽(104)、第三矩型槽(105)和第四矩型槽(106)，第一矩形贴片(107)、第二矩形贴片(108)、第三矩形贴片(109)和第四矩形贴片(110)；所述第一水平介质基板(2)上设有两个输入通孔和四个矩形插槽，分别为第一通孔(209)、第二通孔(210)，第一矩形插槽(201)、第二矩形插槽(202)、第三矩形插槽(203)和第四矩形插槽(204)；所述第一馈电网络(301)和第二馈电网络(302)位于第一水平介质基板(2)的上表面，馈电网络的两个输出端口相位相差180°且功率相等，实现差分馈电；所述第一垂直基板(4)连接四个矩形支架；所述第二垂直基板(6)连接四个矩形支架，共配置有八个矩形支架；所述第二水平介质基板(8)上有四个矩形插槽，分别是第五矩形插槽(801)、第六矩形插槽(802)、第七矩形插槽(803)和第八矩形插槽(804)；所述第一圆孔槽(101)和第二圆孔槽(102)将同轴馈电内导体与金属反射地板(1)分开防止短路，所述第一矩型槽(103)、第二矩型槽(104)、第三矩型槽(105)和第四矩型槽(106)将第一矩形贴片(107)、第二矩形贴片(108)、第三矩形贴片(109)和第四矩形贴片(110)与金属反射地板(1)分开，且一个矩型槽配对一个矩形贴片；所述第一通孔(209)和第二通孔(210)构成两个输入端口，为第一输入端口(209)和第二输入端口(210)；八个矩形支架分别插入第一矩形插槽(201)、第二矩形插槽(202)、第三矩形插槽(203)、第四矩形插槽(204)、第五矩形插槽(801)、第六矩形插槽(802)、第七矩形插槽(803)和第八矩形插槽(804)中，用于固定两个水平介质基板与两个垂直介质基板；向上穿过第二水平介质基板(8)的四个矩形支架的部分覆有矩形铜用于进一步稳定介质基板，分别是第五矩形贴片(503)、第六矩形贴片(504)、第七矩形贴片(703)和第八矩形贴片(704)；所述第一垂直介质基板(4)和第二垂直介质基板(6)上分别有第九矩形插槽(505)和第十矩形插槽(705)，用于固定两个交叉的垂直介质基板；所述第一垂直介质基板(4)上表面设有第一覆铜层；所述第二垂直介质基板(6)上表面设有第二覆铜层；所述第一覆铜层设有第一L型探针(501)和第二L型探针(502)；所述第二覆铜层设有第三L型探针(701)和第四L型探针(702)；第一L型探针(501)、第二L型探针(502)、第三L型探针(701)和第四L型探针(702)分别与第一矩形贴片(107)、第二矩形贴片(108)、第三矩形贴片(109)和第四矩形贴片(110)连接，即一个L型探针连接一个矩形贴片；第一金属柱(205)、第二金属柱(206)、第三金属柱(207)和第四金属柱(208)分别连接第一矩形贴片(107)、第二矩形贴片(108)、第三矩形贴片(109)和第四矩形贴片(110)与馈电网络的输出端口，实现馈电网络给L型探针馈电；所述第二水平介质基板(8)上设有第五覆铜层；所述第五覆铜层设有作为主要辐射源的第一方形贴片(9)；所述第一方形贴片(9)上有四个三角形槽，分别是第一三角形槽(901)、第二三角形槽(902)、第三三角形槽(903)和第四三角形槽(904)；所述第一方形贴片(9)上有两个垂直交叉的阶梯型贴片，分别是第一阶梯型贴片(905)和第二阶梯型贴片(906)，通过四个三角形槽延长电流路径从而达到小型化的目的，两个垂直交叉的阶梯型贴片用于调阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，其特征在于：所述第一输入端口(209)和第二输入端口(210)均为50欧姆的阻抗匹配端口。
3.根据权利要求1所述的一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，其特征在于：所述第一水平介质基板(2)和第二水平介质基板(8)为方形介质基板。
4.根据权利要求1所述的一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，其特征在于：所述第一垂直介质基板(4)和第二垂直介质基板(6)为矩形介质基板。
5.根据权利要求1所述的一种小型化差分馈电的双极化C波段贴片天线，其特征在于：所述八个矩形支架是用来固定水平介质基板和垂直介质基板，其中为了防止第二水平介质基板脱落，在位于第二水平介质基板(8)上方的四个矩形支架的部分上覆有矩形铜，在加工时用锡将矩形铜和第一方形贴片(9)连接，从而使得天线更加稳固。
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