CN115799827B - 圆极化紧凑全双工天线及无线通信设备 - Google Patents

圆极化紧凑全双工天线及无线通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆极化紧凑全双工天线及无线通信设备，所述天线包括从上到下依次设置的第一层、第二层、第三层和第四层，第一层包括第一介质板和寄生结构，第二层包括第二介质板、发射天线辐射结构和接收天线辐射结构，第三层包括金属地板，第四层包括第三介质板、发射天线馈电结构和接收天线馈电结构；所述发射天线辐射结构和接收天线辐射结构设置在第二介质板上，发射天线辐射结构包括四个发射天线辐射贴片，每个发射天线辐射贴片中心放置有环形排列的第一短路针，接收天线辐射结构包括四个接收天线辐射贴片，每个接收天线辐射贴片边缘放置有第二短路针。本发明可以实现滤波效果，减小天线之间的耦合电流，达到较高的隔离。

Description

圆极化紧凑全双工天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及一种全双工天线，尤其是一种圆极化紧凑全双工天线及无线通信设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
圆偏振天线具有对天线方向的优点和减少多路径效应的能力，已广泛应用于无线系统，如卫星通信、全球定位系统和智能传输系统。各种类型的圆极化天线，如螺旋天线、螺旋天线、介质谐振器天线、槽天线、交叉偶极子和微带贴片天线在过去的几十年里已经进行了研究。圆极化微带天线因其成本低、轮廓低、易于制造等优点而引起了广泛的研究兴趣。具有圆极化的多频段天线是目前无线通信系统的发展趋势之一，因此具有圆极化的紧凑型全双工天线必然成为全双工无线通信系统的首选功能部件之一。
中国专利文献CN207217788U提出了一种圆极化微带双工天线，通过设置发送和接收微带带阻滤波器，实现发送和接收端口间的高隔离度，但该结构的圆极化轴比带宽较窄。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种圆极化紧凑全双工天线，该天线具有结构紧凑，较高的隔离，易于集成的优点。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述圆极化紧凑全双工天线的无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种圆极化紧凑全双工天线，包括从上到下依次设置的第一层、第二层、第三层和第四层，所述第一层包括第一介质板和寄生结构，所述第二层包括第二介质板、发射天线辐射结构和接收天线辐射结构，所述第三层包括金属地板，所述第四层包括第三介质板、发射天线馈电结构和接收天线馈电结构；
所述寄生结构设置在第一介质板上，所述发射天线辐射结构和接收天线辐射结构设置在第二介质板上，发射天线辐射结构包括四个发射天线辐射贴片，每个发射天线辐射贴片中心放置有环形排列的第一短路针，接收天线辐射结构包括四个接收天线辐射贴片，每个接收天线辐射贴片边缘放置有第二短路针，发射天线辐射贴片和接收天线辐射贴片交错设置，所述第一短路针和第二短路针均与金属地板短接，所述发射天线馈电结构和接收天线馈电结构设置在第三介质板上。
进一步的，所述发射天线辐射贴片和接收天线辐射贴片均为矩形辐射贴片，四个发射天线辐射贴片分别为第一矩形辐射贴片、第二矩形辐射贴片、第三矩形辐射贴片和第四矩形辐射贴片，四个接收天线辐射贴片分别为第五矩形辐射贴片、第六矩形辐射贴片、第七矩形辐射贴片和第八矩形辐射贴片；
所述第一矩形辐射贴片和第三矩形辐射贴片设置在第一介质板的垂直中心线上，且关于第一介质板的中心对称，所述第二矩形辐射贴片和第四矩形辐射贴片设置在第一介质板的水平中心线上，且关于第一介质板的中心对称；
所述第五矩形辐射贴片设置在第一矩形辐射贴片与第二矩形辐射贴片之间，所述第六矩形辐射贴片设置在第二矩形辐射贴片与第三矩形辐射贴片之间，所述第七矩形辐射贴片设置在第三矩形辐射贴片与第四矩形辐射贴片之间，所述第八矩形辐射贴片设置在第四矩形辐射贴片与第一矩形辐射贴片之间。
进一步的，所述寄生结构包括四个第一方形寄生贴片和四个第二方形寄生贴片，所述第一方形寄生贴片的尺寸小于第二方形寄生贴片的尺寸，四个第一方形寄生贴片分别设置在与四个发射天线辐射贴片相应的位置上，四个第二方形寄生贴片分别设置在与四个接收天线辐射贴片相应的位置上。
进一步的，所述发射天线馈电结构包括由弯曲结构的串并联微带传输线；
每个发射天线辐射贴片的边缘设置有金属化过孔，所述串并联微带传输线通过金属化过孔为四个发射天线辐射贴片进行顺序差分馈电。
进一步的，所述串并联微带传输线包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线和四条阻抗变换微带传输线；
所述第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线和第五微带传输线依次连接，第三微带传输线、第四微带传输线和第五微带传输线呈圆弧状，第三微带传输线的尺寸大于第四微带传输线的尺寸，第四微带传输线的尺寸大于第五微带传输线的尺寸，第二微带传输线与第三微带传输线的连接处、第三微带传输线与第四微带传输线的连接处、第四微带传输线与第五微带传输线的连接处以及第五微带传输线的末端分别与四条阻抗变换微带传输线的一端连接，四条阻抗变换微带传输线的另一端分别短接金属化过孔。
进一步的，所述接收天线馈电结构包括一个第一T型功分器和两个对称的第二T型功分器；
每个接收天线辐射贴片上还放置有第三短路针，所述第一T型功分器的两个输出端分别通过第一弯折微带传输线与两个第二T型功分器的输入端连接，两个第二T型功分器的两个输出端分别与第二弯折微带传输线的一端连接，所述第二弯折微带传输线的另一端通过第三短路针与接收天线辐射贴片连接。
进一步的，所述金属地板上设置有四个矩形槽模块，四个矩形槽模块分别位于四个发射天线辐射贴片的下方，每个矩形槽模块包括两个对称的矩形槽组，每个矩形槽组包括三个矩形槽。
进一步的，每个接收天线辐射贴片包括主辐射体，所述主辐射体的两侧对称放置有两片U型寄生贴片。
进一步的，所述第二介质板的两个相对的边缘分别设置有焊盘和电缆端口。
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，包括上述的圆极化紧凑全双工天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明在发射天线辐射贴片中心环形放置短路针，以及在接收天线辐射贴片边缘放置短路针，实现滤波效果，利用滤波特性，在发射天线和接收天线距离较近的情况下，减小天线之间的耦合电流，达到较高的隔离，隔离度|S21|大于25 dB。
2、本发明的发射天线馈电结构利用串并联的环形微带传输线对发射天线辐射贴片进行馈电，实现顺序差分馈电，达到圆极化效果。
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为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的正视结构示意图。
图2为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的第一层结构示意图。
图4为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的第二层结构示意图。
图5为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的发射天线辐射贴片的结构示意图。
图6为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的接收天线辐射贴片的结构示意图。
图7为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的第三层结构示意图。
图8为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的第四层结构示意图。
图9为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的俯视尺寸图。
图10为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的正视尺寸图。
图11为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的S参数曲线图。
图12为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的增益曲线图。
图13为本发明实施例的圆极化紧凑全双工天线的轴比曲线图。
其中，1-第一层，101-第一介质板，102-第一寄生结构，103-第二寄生结构，2-第二层，201-第二介质板，202a-第一矩形辐射贴片，202b-第二矩形辐射贴片，202c-第三矩形辐射贴片，202d-第四矩形辐射贴片，203a-第五矩形辐射贴片，203b-第六矩形辐射贴片，203c-第七矩形辐射贴片，203d-第八矩形辐射贴片，204-焊盘，205-电缆端口，207-金属化过孔，208a-第一U型寄生贴片，208b-第二U型寄生贴片，209-主辐射体，210-第三短路针，211-第二短路针，3-第三层，301-金属地板，302a-第一矩形槽组，302b-第二矩形槽组，303-第一矩形槽，304-第二矩形槽，305-第三矩形槽，4-第四层，401-第一T型功分器，402-第一弯折微带传输线，403-第二弯折微带传输线，404-第二T型功分器，405-第一微带传输线，406-第二微带传输线，407-第三微带传输线，408-阻抗变换微带传输线，409-第四微带传输线，410-第五微带传输线，411-第三介质板。
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~图2所示，本实施例提供了一种圆极化紧凑全双工天线，该天线能够应用于各种无线通信设备中，包括从上到下依次设置的第一层1、第二层2、第三层3和第四层4。
如图1~图3所示，第一层1包括第一介质板101，第一寄生结构102和第二寄生结构103，第一寄生结构102和第二寄生结构103通过印制的方式设置在第一介质板101上，第一寄生结构102包括四个第一方形寄生贴片，第二寄生结构103包括四个第二方形寄生贴片，第一方形寄生贴片的尺寸大于第二方形寄生贴片的尺寸，两个寄生结构可以提高阻抗匹配带宽和轴比带宽。
如图1~图2和图4所示，第二层2包括第二介质板201、发射天线辐射结构和接收天线辐射结构，发射天线辐射结构和接收天线辐射结构通过印制的方式设置在第二介质板201上，发射天线辐射结构包括四个发射天线辐射贴片，接收天线辐射结构包括四个接收天线辐射贴片，发射天线辐射贴片和接收天线辐射贴片交错设置，发射天线辐射贴片和接收天线辐射贴片均为矩形辐射贴片。
如图1~图2、图4~图5所示，四个发射天线辐射贴片分别为第一矩形辐射贴片202a、第二矩形辐射贴片202b、第三矩形辐射贴片202c和第四矩形辐射贴片202d，每个矩形辐射贴片的结构大小完全相同，以第一矩形辐射贴片202a的结构为例进行说明，第一矩形辐射贴片202a的边缘设置有金属化过孔207；由金属化过孔207将电流信号传输至第一矩形辐射贴片202a，对第一矩形辐射贴片202a进行馈电，以第一矩形辐射贴片202a的中心为轴，八根第一短路针206均匀排列成环形，将第一矩形辐射贴片202a与第三层3的金属地板短接。
如图1~图2、图4和图6所示，四个接收天线辐射贴片分别为第五矩形辐射贴片203a、第六矩形辐射贴片203b、第七矩形辐射贴片203c和第八矩形辐射贴片203d，每个矩形辐射贴片的结构大小完全相同，以第五矩形辐射贴片203a的结构为例进行说明，第五矩形辐射贴片203a包括主辐射体209，第五矩形辐射贴片203a边缘放置有第二短路针211；第五矩形辐射贴片203a上还放置有第三短路针210，由第三短路针210将电流信号传输至第五矩形辐射贴片203a，对第五矩形辐射贴片203a进行馈电，第五矩形辐射贴片203a包括主辐射体209，第二短路针211将主辐射体209与第三层3的金属地板短接，主辐射体209的两侧对称放置有两片U型寄生贴片，两片U型寄生贴片分别为第一U型寄生贴片208a和第二U型寄生贴片208b。
本实施例通过在发射天线辐射贴片中心环形放置第一短路针206，以及在接收天线辐射贴片边缘放置第二短路针211，可以实现滤波效果，减小天线之间的耦合电流，达到较高的隔离。
进一步地，第一矩形辐射贴片202a和第三矩形辐射贴片202c设置在第一介质板101的垂直中心线上，且关于第一介质板101的中心对称，第二矩形辐射贴片202b和第四矩形辐射贴片202d设置在第一介质板101的水平中心线上，且关于第一介质板101的中心对称。
进一步地，第五矩形辐射贴片203a设置在第一矩形辐射贴片202a与第二矩形辐射贴片202b之间，第六矩形辐射贴片203b设置在第二矩形辐射贴片202b与第三矩形辐射贴片202c之间，第七矩形辐射贴片203c设置在第三矩形辐射贴片202c与第四矩形辐射贴片202d之间，第八矩形辐射贴片203d设置在第四矩形辐射贴片202d与第一矩形辐射贴片202a之间。
如图1~图4所示，四个第一方形寄生贴片分别设置在与四个发射天线辐射贴片相应的位置上，四个第二方形寄生贴片分别设置在与四个接收天线辐射贴片相应的位置上；本实施例中的方形寄生贴片和矩形辐射贴片均为金属贴片。
进一步地，第二介质板的两个相对的边缘分别设置有焊盘204和电缆端口205，外接同轴线电缆的内导体穿过电缆端口205和第四层的天线馈电网络连接，焊盘204将同轴线电缆的外导体和金属地板301连接，实现馈电。本实施例中两个相对的边缘为左边缘和右边缘。
如图1、图2和图7所示，第三层3包括金属地板301，金属地板301上设置有四个矩形槽模块，以拓宽圆极化轴比带宽的效果。四个矩形槽模块分别位于四个发射天线辐射贴片的下方，且四个矩形槽模块的大小和结构相同，每个矩形槽模块包括两个对称的矩形槽组，两个矩形槽组分别为第一矩形槽组302a和第二矩形槽组302b，每个矩形槽组包括三个矩形槽，三个矩形槽分别为第一矩形槽303、第二矩形槽304和第三矩形槽305。
如图1、图2和图8所示，第四层4包括第三介质板411、发射天线馈电结构和接收天线馈电结构，发射天线馈电结构和接收天线馈电结构通过印制的方式设置在第三介质板411上。
进一步地，发射天线馈电结构包括由弯曲结构的串并联微带传输线，串并联微带传输线通过金属化过孔207为四个发射天线辐射贴片进行顺序差分馈电，实现圆极化特性；具体地，串并联微带传输线包括第一微带传输线405、第二微带传输线406、第三微带传输线407、第四微带传输线409、第五微带传输线410和四条阻抗变换微带传输线408，第一微带传输线405、第二微带传输线406、第三微带传输线407、第四微带传输线409、第五微带传输线410依次连接，第三微带传输线407、第四微带传输线409和第五微带传输线410呈圆弧状，第三微带传输线407的尺寸大于第四微带传输线409的尺寸，第四微带传输线409的尺寸大于第五微带传输线410的尺寸，第二微带传输线406与第三微带传输线407的连接处、第三微带传输线407与第四微带传输线409的连接处、第四微带传输线409与第五微带传输线410的连接处以及第五微带传输线410的末端分别与四条阻抗变换微带传输线408的一端连接，四条阻抗变换微带传输线408的另一端分别短接金属化过孔207，通过金属化过孔207为四个发射天线辐射贴片进行馈电。
进一步地，接收天线馈电结构包括一个第一T型功分器401和两个对称的第二T型功分器404，其中一个第二T型功分器404和第一T型功分器401的上半部分，与另一个第二T型功分器404和第一T型功分器401的下半部分构成上下对称；第一T型功分器401的两个输出端分别通过第一弯折微带传输线402与两个第二T型功分器404的输入端连接，两个第二T型功分器404的两个输出端分别与第二弯折微带传输线403的一端连接，即第二弯折微带传输线403共有四条，第二弯折微带传输线403的另一端分别短接第三短路针210，通过第三短路针210为四个接收天线辐射贴片进行馈电。
如图9和图10所示，第一介质板101宽度Wa为160mm，长度La为165mm，第二介质板201和第三介质板411同样大小，其宽度Wb为124mm，长度Lb为134mm，第一介质板101和第二介质板201之间的厚度H为5mm;第一寄生结构102为正方形，其宽度Wc为35.8mm，第二寄生结构103为正方形，其宽度Wd为29.2mm；第二矩形辐射贴片202b的宽度We为22mm，长度Le为18.9mm；第八矩形辐射贴片203d的宽度Wf为4mm，长度Lf为15.4mm，第一U型寄生贴片208a的宽度Wg为2mm，长度Lg为26mm，连接发射天线辐射贴片和金属地板301的第一短路针206的半径Ra为0.7mm；第一弯折微带传输线402的宽度Wh为1.8mm，第二弯折微带传输线403的宽度Wm为1.8mm，第二微带传输线406的宽度Wn1为3.1mm，第三微带传输线407的宽度Wn2为3.6mm，第四微带传输线409的宽度Wn3为2.1mm，第五微带传输线410的宽度Wn4为0.7mm。
如图11~图13所示，分别为本实施例的圆极化紧凑全双工天线的S参数曲线图、增益曲线图和轴比曲线图;本实施例天线的高频和低频的工作频段分别为2.48GHz-2.72GHz和3.29GHz-3.81GHz，相对带宽分别为21.6%和68.2%,利用滤波特性，在发射天线和接收天线距离较近的情况下，使得耦合电流较小，隔离度|S21|大于25 dB。低频和高频的天线的增益分别为10.2-10.5dBi和8.9-10.1dBi;圆极化覆盖的频段为3.28GHz-3.67GHz。
综上所述，本发明在发射天线辐射贴片中心环形放置短路针，以及在接收天线辐射贴片边缘放置短路针，实现滤波效果，利用滤波特性，在发射天线和接收天线距离较近的情况下，减小天线之间的耦合电流，达到较高的隔离，隔离度|S21|大于25 dB；此外，发射天线馈电结构利用串并联的环形微带传输线对发射天线辐射贴片进行馈电，实现顺序差分馈电，达到圆极化效果。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，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 (10)

1.一种圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，包括从上到下依次设置的第一层、第二层、第三层和第四层，所述第一层包括第一介质板和寄生结构，所述第二层包括第二介质板、发射天线辐射结构和接收天线辐射结构，所述第三层包括金属地板，所述第四层包括第三介质板、发射天线馈电结构和接收天线馈电结构；
所述寄生结构设置在第一介质板上，所述发射天线辐射结构和接收天线辐射结构设置在第二介质板上，发射天线辐射结构包括四个发射天线辐射贴片，每个发射天线辐射贴片中心放置有环形排列的第一短路针，接收天线辐射结构包括四个接收天线辐射贴片，每个接收天线辐射贴片边缘放置有第二短路针，发射天线辐射贴片和接收天线辐射贴片交错设置，所述第一短路针和第二短路针均与金属地板短接，所述发射天线馈电结构和接收天线馈电结构设置在第三介质板上。
2.根据权利要求1所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述发射天线辐射贴片和接收天线辐射贴片均为矩形辐射贴片，四个发射天线辐射贴片分别为第一矩形辐射贴片、第二矩形辐射贴片、第三矩形辐射贴片和第四矩形辐射贴片，四个接收天线辐射贴片分别为第五矩形辐射贴片、第六矩形辐射贴片、第七矩形辐射贴片和第八矩形辐射贴片；
所述第一矩形辐射贴片和第三矩形辐射贴片设置在第一介质板的垂直中心线上，且关于第一介质板的中心对称，所述第二矩形辐射贴片和第四矩形辐射贴片设置在第一介质板的水平中心线上，且关于第一介质板的中心对称；
所述第五矩形辐射贴片设置在第一矩形辐射贴片与第二矩形辐射贴片之间，所述第六矩形辐射贴片设置在第二矩形辐射贴片与第三矩形辐射贴片之间，所述第七矩形辐射贴片设置在第三矩形辐射贴片与第四矩形辐射贴片之间，所述第八矩形辐射贴片设置在第四矩形辐射贴片与第一矩形辐射贴片之间。
3.根据权利要求1所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述寄生结构包括四个第一方形寄生贴片和四个第二方形寄生贴片，所述第一方形寄生贴片的尺寸小于第二方形寄生贴片的尺寸，四个第一方形寄生贴片分别设置在与四个发射天线辐射贴片相应的位置上，四个第二方形寄生贴片分别设置在与四个接收天线辐射贴片相应的位置上。
4.根据权利要求1所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述发射天线馈电结构包括由弯曲结构的串并联微带传输线；
每个发射天线辐射贴片的边缘设置有金属化过孔，所述串并联微带传输线通过金属化过孔为四个发射天线辐射贴片进行顺序差分馈电。
5.根据权利要求4所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述串并联微带传输线包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线和四条阻抗变换微带传输线；
所述第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第四微带传输线和第五微带传输线依次连接，第三微带传输线、第四微带传输线和第五微带传输线呈圆弧状，第三微带传输线的尺寸大于第四微带传输线的尺寸，第四微带传输线的尺寸大于第五微带传输线的尺寸，第二微带传输线与第三微带传输线的连接处、第三微带传输线与第四微带传输线的连接处、第四微带传输线与第五微带传输线的连接处以及第五微带传输线的末端分别与四条阻抗变换微带传输线的一端连接，四条阻抗变换微带传输线的另一端分别短接金属化过孔。
6.根据权利要求1所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述接收天线馈电结构包括一个第一T型功分器和两个对称的第二T型功分器；
每个接收天线辐射贴片上还放置有第三短路针，所述第一T型功分器的两个输出端分别通过第一弯折微带传输线与两个第二T型功分器的输入端连接，两个第二T型功分器的两个输出端分别与第二弯折微带传输线的一端连接，所述第二弯折微带传输线的另一端通过第三短路针与接收天线辐射贴片连接。
7.根据权利要求1所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述金属地板上设置有四个矩形槽模块，四个矩形槽模块分别位于四个发射天线辐射贴片的下方，每个矩形槽模块包括两个对称的矩形槽组，每个矩形槽组包括三个矩形槽。
8.根据权利要求1-7任一项所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，每个接收天线辐射贴片包括主辐射体，所述主辐射体的两侧对称放置有两片U型寄生贴片。
9.根据权利要求1-7任一项所述的圆极化紧凑全双工天线，其特征在于，所述第二介质板的两个相对的边缘分别设置有焊盘和电缆端口。
10.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的圆极化紧凑全双工天线。
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