CN114883799B - 一种方向图分集的宽带高增益贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向图分集的宽带高增益贴片天线，包括：依次叠置的上层介质基板、金属地板及下层介质基板；上层介质基板设有主贴片、第一寄生贴片及第二寄生贴片，主贴片的两端分别开设有开口槽；金属地板开设有对应主贴片的镂空槽；下层介质基板设有第一微带馈线、第二微带馈线、第一半波谐振器及第二半波谐振器；第一微带馈线的一端延伸至镂空槽的下方，另一端可接外部馈电端口，第二微带馈线的一端分别与第一半波谐振器及第二半波谐振器电导通，另一端可接外部馈电端口，第一半波谐振器与第一寄生贴片电导通；第二半波谐振器与第二寄生贴片电导通。本发明的技术方案具有低剖面、高端口隔离、高增益及宽带等优点。

Description

一种方向图分集的宽带高增益贴片天线

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种方向图分集的宽带高增益贴片天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，无线通信设备正广泛且深入地进入人们的生产和生活当中。为了满足人们日益增长的通信需求，无线通信系统朝着大通信容量、宽通信带宽、多功能等方向发展，对天线的性能也提出了更高的要求。因此，需要在无线通信系统平台中采用多个天线。然而，移动终端设备也在朝着小体积化发展，有限的空间内无法放置多个天线。此外，天线数量的增加也带来了系统成本的增加、并且导致信号的串扰、信号的失真等问题。

方向图分集天线无疑是最佳的解决方案之一，通过在无线通信系统中采用方向图分集天线，有以下的优点： 1）可以减小无线通信系统中天线的数量，从而降低系统的复杂度；2）方向图分集天线的方向图多样性能够避免噪声干扰；3）可以通过改变其辐射零点的位置来避免电子干扰；4）可以通过重新配置辐射方向提供更大的覆盖范围；5）可以有效得抑制多径衰落。

目前方向图分集天线主要可以分为以下的两种：

第一种是通过多天线组合的方式，基于多天线实现方向图的分集。文献[1]（X.Gao, H. Zhong, Z. Zhang, Z. Feng and M. F. Iskander, “Low-Profile PlanarTripolarization Antenna for WLAN Communications,” in IEEE Antennas andWireless Propagation Letters, vol. 9, pp. 83-86, 2010）中提出了一款紧凑的方向图分集天线。采用单极子天线与圆环微带贴片天线组合的方式，实现了方向图的分集。三个端口之间的测量隔离均优于24、30和30 dB，重叠的带宽为2.04%。此外，贴片模式产生边射方向图，增益为7 dBi，而单极子模式由于其全向的辐射特性，增益只有2.5 dBi。

第二种是利用单个天线的不同模式，基于模式的多样性实现方向图的分集。文献[2]（H. Deng, L. Zhu, N. -W. Liu and Z. -X. Liu, “Single-Layer Dual-ModeMicrostrip Antenna With No Feeding Network for Pattern DiversityApplication,” in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 19, no.12, pp. 2442-2446, Dec. 2020）中提出了一种低剖面的方向图分集的贴片天线。通过利用贴片天线模式TM₁₀和TM₂₀模式，分别激励两个端口可以实现边射辐射方向图以及双向辐射方向图的切换。在剖面为4.5%真空波长下，两个模式重叠的带宽为1.02%，端口间隔离度优于14.3 dB，在工作频带内，TM10模式的增益约为8.3 dBi，TM20模式的增益为5.8 dBi。

现有的方向图分集天线，虽然实现了方向图分集的效果，但是他们基本上都存在：增益低或者两个波束状态的增益差别较大，无法满足中远程通信的需求。因此，针对以上的研究现状，需要设计一种具有低剖面、高端口隔离、高增益、宽带等特性的方向图分集天线。

发明内容

为解决上述至少一技术问题，本发明的主要目的是提供一种方向图分集的宽带高增益贴片天线。

为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案为：提供一种方向图分集的宽带高增益贴片天线，包括：依次叠置的上层介质基板、金属地板及下层介质基板；

所述上层介质基板设有主贴片，以及位于所述主贴片两侧的第一寄生贴片及第二寄生贴片，所述主贴片的两端分别开设有开口槽；

所述金属地板开设有对应所述主贴片的镂空槽；

所述下层介质基板设有第一微带馈线、第二微带馈线、第一半波谐振器及第二半波谐振器；所述第一微带馈线的一端延伸至所述镂空槽的下方，另一端可接外部馈电端口，以使第一微带馈线通过镂空槽将能量耦合至主贴片，使主贴片产生谐振，同时主贴片将能量分别耦合至第一寄生贴片及第二寄生贴片，使第一寄生贴片及第二寄生贴片产生谐振；

所述第二微带馈线的一端分别与第一半波谐振器及第二半波谐振器电导通，另一端可接外部馈电端口，所述第一半波谐振器与所述第一寄生贴片电导通，以通过第一半波谐振器对第一寄生贴片进行馈电；所述第二半波谐振器与第二寄生贴片电导通，以通过第二半波谐振器对第二寄生贴片进行馈电，第一寄生贴片及第二寄生贴片最终将能量耦合至主贴片，使主贴片产生谐振。

其中，所述第一微带馈线、第二微带馈线、第一半波谐振器及第二半波谐振器位于所述下层介质基板远离所述金属地板的一侧。

其中，所述第二微带馈线包括第一馈线段、第二馈线段及第三馈线段，所述第一馈线段的一端分别与第二馈线段及第三馈线段电导通，另一端可接外部馈电端口，所述第二馈线段与第一半波谐振器电导通，所述第三馈线段与第二半波谐振器电导通。

其中，所述第二馈线段与第三馈线段均呈L形。

其中，还包括第一探针及第二探针，所述第一探针的一端与第一半波谐振器电导通，另一端依次穿过下层介质基板、金属地板及上层介质基板与第一寄生贴片电导通；所述第二探针的一端与第二半波谐振器电导通，另一端依次穿过下层介质基板、金属地板及上层介质基板与第二寄生贴片电导通。

其中，所述金属地板设有供第一探针穿过且隔开的第一圆孔，所述金属地板设有供第二探针穿过且隔开的第二圆孔。

其中，所述镂空槽为矩形槽，所述矩形槽形成于金属地板的中间，所述主贴片位于矩形槽的正上方。

其中，所述第一寄生贴片与第二寄生贴片对称设置，所述第一寄生贴片与主贴片的间距与第二寄生贴片与主贴片的间距相等。

其中，所述主贴片、第一寄生贴片及第二寄生贴片均为矩形贴片，且所述主贴片具有相对的两辐射边，所述第一寄生贴片及第二寄生贴片均靠近辐射边设置。

其中，所述开口槽自所述主贴片的端部中间边缘向所述主贴片的中心延伸，且两个开口槽对称设置。

本发明的技术方案通过在第一微带馈线接外部馈电端口，第二微带馈线接匹配负载时，可以激励起主贴片及两个寄生贴片的两个奇模，并通过将两个谐振模式拉近可以实现宽带的边射方向图，通过在主贴片上加载两个开口槽，从而有效降低高频模式的副瓣，实现了带内一致的方向图；在第二微带馈线接外部馈电端口，第一微带馈线接匹配负载时，可以激励起主贴片及两个寄生贴片的偶模，通过半波谐振器的引入，引入了一个新的谐振点，拓宽了带宽，实现了宽带的双向辐射方向图。同时，由于两个寄生贴片的引入，实现了高增益。因此，本方案方向图分集天线具有高增益、宽带、方向图互补的优点。

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为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的俯视示意图；

图2为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的正视图；

图3为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的底视图；

图4为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的分解结构示意图；

图5为本发明天线port1（在第一微带馈线接port1时）以及port2（在第二微带馈线接port2时）反射系数的仿真数据图；

图6为本发明天线的port1以及port2隔离度的仿真数据图；

图7为本发明天线的实际增益（theta = 0°，phi = 0°）随频率变化的曲线图；

图8为本发明天线在第一种工作模式且工作频率为3.47 GHz下phi = 0°和phi =90°平面的辐射方向图；

图9为本发明天线在第一种工作模式且工作频率为3.71 GHz下phi = 0°和phi =90°平面的辐射方向图；

图10为本发明天线在第二种工作模式且工作频率为3.58 GHz下phi =90°和theta= 35°平面的辐射方向图；

图11为本发明天线在第二种工作模式且工作频率为3.69 GHz下phi =90°和theta= 35°平面的辐射方向图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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。

需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

区别于现有的方向图分集天线存在增益低或者两个波束状态的增益差别较大，无法满足中远程通信的需求的问题，本发明提供了一种方向图分集的宽带高增益贴片天线，旨在提高方向图分集天线的增益，该方向图分集的宽带高增益贴片天线的具体结构请参照下述的实施例。

请参照图1至图4，图1为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的俯视示意图；图2为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的正视图；图3为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的底视图；图4为本发明一实施例方向图分集的宽带高增益贴片天线的分解结构示意图。在本发明实施例中，该方向图分集的宽带高增益贴片天线，包括：依次叠置的上层介质基板100、金属地板200及下层介质基板300；

所述上层介质基板100设有主贴片110，以及位于所述主贴片110两侧的第一寄生贴片120及第二寄生贴片130，所述主贴片110的两端分别开设有开口槽111；

所述金属地板200开设有对应所述主贴片110的镂空槽210；

所述下层介质基板300设有第一微带馈线310、第二微带馈线320、第一半波谐振器330及第二半波谐振器340；所述第一微带馈线310的一端延伸至所述镂空槽210的下方，另一端可接外部馈电端口，以使第一微带馈线310通过镂空槽210将能量耦合至主贴片110，使主贴片110产生谐振，同时主贴片110将能量耦合分别至第一寄生贴片120及第二寄生贴片130，使第一寄生贴片120及第二寄生贴片130产生谐振；

所述第二微带馈线320的一端分别与第一半波谐振器330及第二半波谐振器340电导通，另一端可接外部馈电端口，所述第一半波谐振器330与所述第一寄生贴片120电导通，以通过第一半波谐振器330对第一寄生贴片120进行馈电；所述第二半波谐振器340与第二寄生贴片130电导通，以通过第二半波谐振器340对第二寄生贴片130进行馈电，第一寄生贴片120及第二寄生贴片130最终将能量耦合至主贴片110，使主贴片110产生谐振。

具体的，本方案的方向图分集天线由上至下分成三层，上层介质基板100、金属地板200及下层介质基板300。在实际应用中，上层介质基板100、金属地板200及下层介质基板300的形状可以根据实际需求设计，此处不做限定。于本方案中，上层介质基板100、金属地板200及下层介质基板300均为矩形。上述的上层介质基板100的介电常数小于下层介质基板300的介电常数。值得注意的是，镂空槽210需要正对主贴片110设置，以便更好地激励起主贴片110。主贴片110的开口槽111位于其两端，两个开口槽111的开口大小相同。第一微带馈线310、第二微带馈线320、第一半波谐振器330及第二半波谐振器340均位于下层介质基板300上，第一半波谐振器330对应第一寄生贴片120，第二半波谐振器340对应第二寄生贴片130。第一微带馈线310呈L形设置。第二微带馈线320包括多段馈线。本发明的方向图分集天线根据第一微带馈线310及第二微带馈线320所接的外部馈电端口，具有不同工作模式。

第一种工作模式，在第一微带馈线310接外部馈电端口（port1），第二微带馈线320接外匹配负载时，第一微带馈线310通过金属地板200的镂空槽210将能量耦合至主贴片110并使主贴片110产生谐振，且主贴片110通过辐射边将能量耦合至两个寄生贴片并使两个寄生贴片产生谐振，此时，天线通过使用缝隙（镂空槽210）耦合激励的方式，可以单独得激励起其中的两个奇模，偶模被很好的抑制，利用其中的两个奇模，并通过将两个谐振模式拉近可以实现宽带的边射方向图，但是由于高频模式下主贴片110上存在着反相电流，高频模式的副瓣水平较高，为了实现宽带的一致的辐射方向图，通过在主贴片110上加载两个开口槽111，从而有效降低高频模式的副瓣，实现了带内一致的方向图。

第二种工作模式，在第二微带馈线320接外部馈电端口（port2），第一微带馈线310接匹配负载时，第二微带馈线320通过第一半波谐振器330对第一寄生贴片120进行馈电，以及第二半波谐振器340对第二寄生贴片130进行馈电，且第一寄生贴片120及第二寄生贴片130将能量耦合至主贴片110并使主贴片110产生谐振。此时，天线通过加载两个半波谐振器，并激励主贴片110以及两个寄生贴片的偶模，这种馈电方式能够很好地抑制两个奇模。由于引入第一半波谐振器330及第二半波谐振器340，拓宽了带宽，实现了宽带的双向辐射方向图。此外，本发明的偶模的谐振频率位于两个奇模的谐振频率之间，因此，有利于获得较宽的重叠带宽。

在一具体的实施例中，所述第一微带馈线310、第二微带馈线320、第一半波谐振器330及第二半波谐振器340位于所述下层介质基板300远离所述金属地板200的一侧，以方便进行加工操作。

进一步的，所述第二微带馈线320包括第一馈线段321、第二馈线段322及第三馈线段323，所述第一馈线段321的一端分别与第二馈线段322及第三馈线段323电导通，另一端可接外部馈电端口，所述第二馈线段322与第一半波谐振器330电导通，所述第三馈线段323与第二半波谐振器340电导通。第一馈线段321位于第二馈线段322及第三馈线段323的中间，第一馈线段321可接外部馈电端口。在第一馈线段321接外部馈电端口时，第一馈线段321通过第二馈线段322与第一半波谐振器330电导通，同时通过第三馈线段323与第二半波谐振器340电导通。其中，第一馈线段321呈直线形，第二馈线段322与第三馈线段323均呈L形，以方便接线连接。

在一具体的实施例中，还包括第一探针410及第二探针420，所述第一探针410的一端与第一半波谐振器330电导通，另一端依次穿过下层介质基板300、金属地板200及上层介质基板100与第一寄生贴片120电导通；所述第二探针420的一端与第二半波谐振器340电导通，另一端依次穿过下层介质基板300、金属地板200及上层介质基板100与第二寄生贴片130电导通。由于信号从第二微带馈线320的外部馈电端口到达第一探针410以及第二探针420的电流路径相同，且第一探针410和第二探针420对称设置，因此两个激励为同相激励，可以单独激励起偶模。

具体的，所述金属地板200设有供第一探针410穿过且隔开的第一圆孔220，所述金属地板200设有供第二探针420穿过且隔开的第二圆孔230。第一探针410与第二探针420各自与金属地板200的第一圆孔220及第二圆孔230的孔壁隔开，彼此隔离或绝缘。

具体的，所述镂空槽210为矩形槽，所述矩形槽位于金属地板200的中间，所述主贴片110位于矩形槽的正上方。矩形槽的中心与主贴片110的中心重合。其中，所述第一寄生贴片120与第二寄生贴片130对称设置，所述第一寄生贴片120与主贴片110的间距与第二寄生贴片130与主贴片110的间距相等。第一寄生贴片120与第二寄生贴片130镜像对称。

具体的，所述主贴片110、第一寄生贴片120及第二寄生贴片130均为矩形贴片，且所述主贴片110具有相对的两辐射边，所述第一寄生贴片120及第二寄生贴片130均靠近辐射边设置。其中，所述开口槽111自所述主贴片110的端部中间边缘向所述主贴片110的中心延伸，且两个开口槽111对称设置，能够有效降低高频模式的副瓣，更好实现带内一致的方向图。

请参照图5，图5为本发明天线port1（在第一微带馈线接port1时）以及port2（在第二微带馈线接port2时）反射系数的仿真数据图。从图5中可以看出，当port1接激励，port2接匹配负载时，天线有两个谐振模式，为耦合贴片天线的两个奇模。当port2激励，port1接匹配负载时，天线有两个谐振模式，为耦合贴片天线的一个偶模以及谐振器引入的模式。port1的相对带宽10.38%，覆盖的频段从3.38 GHz到3.75 GHz，port2的相对带宽8.26%，覆盖的频段从3.48 GHz到3.78 GHz。两个端口的重叠的相对带宽约为7.47%，覆盖的频段从3.48 GHz到3.75 GHz。证明本发明的方向图分集贴片天线的带宽相比于现有的方向图分集贴片天线得到了有效的提高。该天线的工作带宽也并不限制于图5上所覆盖的频率，还可以通过改变天线系统的尺寸或者介质基板的介电常数使其能够覆盖在其他所需要的频段。

请参照图6，图6为本发明天线的port1以及port2隔离度的仿真数据图。从图6中可以看出，两个端口的隔离度极佳，在重叠的工作带宽内，隔离度高于45 dB。

图7为本发明天线的实际增益（theta = 0°，phi = 0°）随频率变化的曲线图。从图7中可以看出，在port1以及port2重叠的带宽范围内，在第一种工作模式下（port1接激励，port2接匹配负载），该天线的实际增益的变化范围为9.82–11.08 dBi，而在第二种工作模式下（port2接激励，port1接匹配负载），该天线的实际增益的变化范围为6.52–7.27 dBi，可以发现，相比于现有的方向图分集贴片天线，本发明的方向图分集贴片天线具有高增益的特性。

请参照图8和图9，图8为本发明天线在第一种工作模式且工作频率为3.47 GHz下phi = 0°和phi = 90°平面的辐射方向图；图9为本发明天线在第一种工作模式且工作频率为3.71 GHz下phi = 0°和phi = 90°平面的辐射方向图。从图8和图9中，可以看出本发明的天线具有稳定的辐射方向图和低交叉极化的性能。

请参照图10和图11，图10为本发明天线在第二种工作模式且工作频率为3.58 GHz下phi =90°和theta = 35°平面的辐射方向图；图11为本发明天线在第二种工作模式且工作频率为3.69 GHz下phi =90°和theta = 35°平面的辐射方向图。从图10和图11中，可以看出本发明的天线具有稳定的辐射方向图和低交叉极化的性能。

此外，由图8至图11可知，在重叠带宽范围内，port1以及port2分别激励边射以及双向的辐射方向图，为两个互补的辐射方向图。

综上，与现有的技术相比，本发明提出了一种方向图分集的宽带高增益贴片天线，采用port1以及port2分别激励的方式，可以实现两种波束状态的切换，并且两种波束为互补的波束。另外，相比于现有的方向图分集天线，本发明的方向图分集天线具有高增益、低剖面、高隔离、宽带等特性，在无线通信系统中具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术方案构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，包括：依次叠置的上层介质基板、金属地板及下层介质基板；

所述上层介质基板设有主贴片，以及位于所述主贴片两侧的第一寄生贴片及第二寄生贴片，所述主贴片的两端分别开设有开口槽；

所述金属地板开设有对应所述主贴片的镂空槽；

所述下层介质基板设有第一微带馈线、第二微带馈线、第一半波谐振器及第二半波谐振器；所述第一微带馈线的一端延伸至所述镂空槽的下方，另一端可接外部馈电端口，以使第一微带馈线通过镂空槽将能量耦合至主贴片，使主贴片产生谐振，同时主贴片将能量分别耦合至第一寄生贴片及第二寄生贴片，使第一寄生贴片及第二寄生贴片产生谐振；

所述第二微带馈线的一端分别与第一半波谐振器及第二半波谐振器电导通，另一端可接外部馈电端口，所述第一半波谐振器与所述第一寄生贴片电导通，以通过第一半波谐振器对第一寄生贴片进行馈电；所述第二半波谐振器与第二寄生贴片电导通，以通过第二半波谐振器对第二寄生贴片进行馈电，第一寄生贴片及第二寄生贴片最终将能量耦合至主贴片，使主贴片产生谐振，其中，还包括第一探针及第二探针，所述第一探针的一端与第一半波谐振器电导通，另一端依次穿过下层介质基板、金属地板及上层介质基板与第一寄生贴片电导通；所述第二探针的一端与第二半波谐振器电导通，另一端依次穿过下层介质基板、金属地板及上层介质基板与第二寄生贴片电导通；信号从第二微带馈线的外部馈电端口到达第一探针以及第二探针的电流路径相同，且第一探针和第二探针对称设置。

2.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述第一微带馈线、第二微带馈线、第一半波谐振器及第二半波谐振器位于所述下层介质基板远离所述金属地板的一侧。

3.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述第二微带馈线包括第一馈线段、第二馈线段及第三馈线段，所述第一馈线段的一端分别与第二馈线段及第三馈线段电导通，另一端可接外部馈电端口，所述第二馈线段与第一半波谐振器电导通，所述第三馈线段与第二半波谐振器电导通。

4.如权利要求3所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述第二馈线段与第三馈线段均呈L形。

5.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述金属地板设有供第一探针穿过且隔开的第一圆孔，所述金属地板设有供第二探针穿过且隔开的第二圆孔。

6.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述镂空槽为矩形槽，所述矩形槽形成于金属地板的中间，所述主贴片位于矩形槽的正上方。

7.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述第一寄生贴片与第二寄生贴片对称设置，所述第一寄生贴片与主贴片的间距与第二寄生贴片与主贴片的间距相等。

8.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述主贴片、第一寄生贴片及第二寄生贴片均为矩形贴片，且所述主贴片具有相对的两辐射边，所述第一寄生贴片及第二寄生贴片均靠近辐射边设置。

9.如权利要求1所述的方向图分集的宽带高增益贴片天线，其特征在于，所述开口槽自所述主贴片的端部中间边缘向所述主贴片的中心延伸，且两个开口槽对称设置。

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