CN115863994B - 一种多频多极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多频多极化天线，包括介质板，介质板的下表面贴附有接地板，介质板的上表面贴附有圆形微带贴片和环形微带贴片，其中：圆形微带贴片通过纵向设置的第一微带馈线连接有第一馈线端口，环形微带贴片依次通过横向设置的阻抗变换器和第二微带馈线连接有第二馈线端口，接地板上还设置有圆形缝隙、槽线和开放型缝隙，圆形缝隙和开放型缝隙分别位于第一微带馈线的两侧，且圆形缝隙对应环形微带贴片的位置设置；槽线沿横向连通圆形缝隙和开放型缝隙，且与第一微带馈线在竖直方向上投影呈十字交叉结构。其效果是：能够实现多种频率多种极化方式的信号传输，频率比大，频率覆盖范围宽，且天线结构简单，尺寸较小，生产制造和安装维护方便。

Description

一种多频多极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种多频多极化天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，通信系统的工作频带越来越多。例如WLAN常用的工作频率为2.4GHz，5.2GHz和5.8GHz；WiMax的工作频率为 2.5GHz，3.5GHz和5.5GHz；UWB的工作频率为3.1~10.6GHz。此外在1GHz以下的频段，由于适合在复杂环境中应用，也在抗干扰和检测中具有特殊意义。天线作为无线通信系统中收发电磁波的关键器件，其性能对系统的工作影响很大。为了缩小系统尺寸，降低系统成本，方便设备移动，需要将多个无线通信协议的工作频带集中于同一个天线上实现。因此多频段天线具有重大的研究价值和现实意义，现有技术中涉及的多频段天线主要有：（1）中国专利201610065150.X公开的一种应用于WLAN/WiMAX的共面波导馈电三频天线，（2）中国专利202011281931.5 公开的一种方形三频天线装置及通信设备；（3）中国专利201710058078.2公开的一种加载嵌套双R形左手结构缝隙的三频天线，以及（4）中国专利201710866790.5公开的一种共馈电巴伦结构的三频天线。

但是现有的多频段天线的频率比（最高频率/最低频率）较小，因此覆盖的频率范围有限。

发明内容

基于上述需求，本发明的目的在于提出一种多频多极化天线，该天线覆盖的频率范围可以满足0.65GHz（相对带宽6.69%），2.5GHz（相对带宽30.40%），8.2GHz（相对带宽68.85%），最大频率比可达12.6，可实现两种线极化，且结构简单，尺寸较小。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种多频多极化天线，包括介质板，其关键在于：所述介质板的下表面贴附有接地板，所述介质板的上表面贴附有圆形微带贴片和环形微带贴片，其中：所述圆形微带贴片通过纵向设置的第一微带馈线连接有第一馈线端口，所述环形微带贴片依次通过横向设置的第二微带馈线和阻抗变换器连接有第二馈线端口，所述接地板上还设置有圆形缝隙、槽线和开放型缝隙，所述圆形缝隙和所述开放型缝隙分别位于所述第一微带馈线的两侧，且所述圆形缝隙对应所述环形微带贴片的位置设置；所述槽线沿横向连通所述圆形缝隙和所述开放型缝隙，且与所述第一微带馈线在竖直方向上投影呈十字交叉结构。

可选地，所述圆形缝隙、所述槽线和所述开放型缝隙构成缝隙天线，并与所述圆形微带贴片和所述第一微带馈线构成的圆形微带天线共用第一馈线端口。

可选地，所述缝隙天线的极化方向为x方向线极化，且工作频率为0.65GHz。

可选地，所述圆形微带天线的极化方向为x方向线极化，且工作频率为2.5GHz。

可选地，所述开放型缝隙为矩形开放型缝隙，长度为45mm~65mm，宽度为20mm~40mm，所述圆形缝隙的半径为15mm~25mm。

可选地，所述环形微带贴片、所述阻抗变换器和所述第二微带馈线构成单极子天线，该单极子天线的极化方向为y方向线极化，且工作频率为8.2GHz。

可选地，所述第一微带馈线和所述第二微带馈线的阻抗为50Ω，宽度为1.9mm。

可选地，所述介质板呈矩形，相对介电常数为4.4，厚度为1mm。

可选地，所述圆形微带贴片上沿着所述第一微带馈线的两侧向圆心延伸形成有条形缝隙，所述条形缝隙的长度为15mm~20mm。

可选地，所述阻抗变换器为1/4阻抗变换器，长度为10mm，宽度为1mm，所述环形微带贴片的外径为6mm，宽度为3mm。

本发明的效果是：

本发明提出的多频多极化天线，通过缝隙天线、圆形天线及单极子天线的融合，能够实现多种频率多种极化方式的信号传输，频率比大，频率覆盖范围宽，且天线结构简单，尺寸较小，生产制造和安装维护方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明具体实施例提供的天线结构俯视投影关系图；

图2为本发明具体实施例提供的天线结构尺寸参数分布关系图；

图3为本发明具体实施例中不同Lo对应的S11参数曲线；

图4为本发明具体实施例中不同Wo对应的S11参数曲线；

图5为本发明具体实施例中不同Ro对应的S11参数曲线；

图6为本发明具体实施例中不同Ls对应的S11参数曲线；

图7为本发明具体实施例中不同Rm对应的S11参数曲线；

图8为本发明具体实施例中不同Rp对应的S22参数曲线；

图9为本发明具体实施例中不同Wp对应的S22参数曲线；

图10为本发明具体实施例中不同Lt对应的S22参数曲线；

图11为本发明具体实施例中不同Wt对应的S22参数曲线；

图12为本发明具体实施例中不同工作频率对应的S11参数曲线；

图13为本发明具体实施例中不同工作频率对应的S22参数曲线；

图14为本发明具体实施例中不同工作频率对应的S21参数曲线。

图中标记：1-圆形缝隙，2-圆形微带贴片，3-槽线，4-开放型缝隙，5-环形微带贴片，6-阻抗变换器，7-第二微带馈线，8-第一微带馈线，9-接地板。

实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本实施例提供一种多频多极化天线，包括介质板，介质板的下表面贴附有接地板9，所述介质板的上表面贴附有圆形微带贴片2和环形微带贴片5，其中：所述圆形微带贴片2通过纵向设置的第一微带馈线8连接有第一馈线端口，所述环形微带贴片5依次通过横向设置的阻抗变换器6和第二微带馈线7连接有第二馈线端口，所述接地板上还设置有圆形缝隙1、槽线3和开放型缝隙4，所述圆形缝隙1和所述开放型缝隙4分别位于所述第一微带馈线8的两侧，且所述圆形缝隙1对应所述环形微带贴片5的位置设置；所述槽线3沿横向连通所述圆形缝隙1和所述开放型缝隙4，且与所述第一微带馈线8在竖直方向上投影呈十字交叉结构。

通过图1可以看出，针对天线结构进行俯视投影时，介质板未在图1中体现，图中x方向为纵向，y方向为横向，开放型缝隙4为矩形开放型缝隙，在圆形微带贴片2上还沿着所述第一微带馈线8的两侧向圆心延伸形成有条形缝隙，圆形缝隙1、槽线3和开放型缝隙4构成缝隙天线，并与圆形微带贴片2和第一微带馈线8构成的圆形微带天线共用第一馈线端口，在图1中第一馈线端口标记为“端口1”，第二馈线端口标记为“端口2”。在本实施例中，缝隙天线的极化方向为x方向线极化，且工作频率为0.65GHz，圆形微带天线的极化方向也为x方向线极化，且工作频率为2.5GHz，环形微带贴片5、阻抗变换器6和第二微带馈线7构成单极子天线，且该单极子天线的极化方向为y方向线极化，且工作频率为8.2GHz，第一微带馈线8和第二微带馈线7的阻抗为50Ω，宽度为1.9mm, 介质板呈矩形，相对介电常数为4.4，厚度为1mm。

具体实施时，天线结构的尺寸关系如图2所示，在进行结构设计时可以按照以下步骤进行：

（1）缝隙天线作为低频天线，其工作频率fmin由开放型缝隙4的长度Lo决定，如图3所示，在长度为45mm~65mm范围内进行仿真可以看出，当Lo为45mm，55mm和65mm时，对应的频率分别为0.77GHz，0.7GHz和0.65GHz，缝隙天线在0.65GHz处的匹配由微带转槽线实现，圆形微带贴片2在0.65GHz的作用是充当电容盘，不辐射电磁波。调节开放型缝隙宽度Wo和圆形缝隙半径Ro，可以增强fmin处的匹配。如图4所示，Wo从20mm增加到40mm时，S11从-6dB降低到-10dB以下，如图5所示，Ro从25mm降低到15mm时，S11从-8dB降低到-12dB。具体实施时，槽线3和第一微带馈线8组成的十字交叉结构尺寸对天线S参数影响的敏感度较低，但对天线整体尺寸影响较大，因此在天线设计之前需要先确定槽线宽度长度和交叉位置。槽线3的作用是实现从微带线到缝隙天线的过渡，由于微带线和槽线为并联关系，因此槽线阻抗初值选取为微带线阻抗（50Ω）的2倍，槽线宽度定为5mm，阻抗大约为100Ω。另一方面，为了降低圆形微带贴片2和开放型缝隙4的互耦，同时兼顾天线的小型化设计，槽线长度取一个折中值30mm（确保比圆形贴片直径略长）。根据上述原则（降低互耦，小型化），交叉位置要靠近槽线3的最左侧。

（2）圆形微带天线作为中频天线，其工作频率fcenter由条形缝隙的槽口长度Ls决定。如图6所示，Ls从15mm增加到20mm时，频率向低频移动。Ls最佳尺寸为17.5mm，缝隙末端大约在圆心处，在2.2GHz到2.8GHz的范围内，S11低于-10dB。圆形微带贴片2为辐射结构，其半径Rm对匹配几乎没有影响，如图7所示，不同的Rm对应的S11基本一致，因此Rm可取较小值12.5mm，以降低天线尺寸。

（3）工作于高频fmax的单极子天线匹配结构是1/4阻抗变化器，辐射结构是环形微带贴片5，环形贴片的半径Rp影响天线的阻抗大小和带宽，从而影响天线的反射系数S22（如图8所示），宽度Wp影响天线的阻抗大小，也影响天线的反射系数S22（如图9所示），1/4阻抗变化器的作用是将天线本身阻抗变换到50Ω，阻抗匹配器长度Lt和宽度Wt都会影响阻抗变换的倍数和带宽，从而也影响反射系数S22（如图10，图11所示），经过仿真优化，以上变量最佳值为Rp=6mm，Wp=3mm，Lt=10mm，Wt=1mm。

进一步地，图12为天线反射系数S11的仿真结果，低频段10 dB阻抗带宽为6.2%（0.63 GHz ~ 0.67 GHz），中频段10 dB阻抗带宽为32%（2.1 GHz ~ 2.9 GHz）。图13为天线反射系数S22仿真结果，端口2的10 dB阻抗带宽为60.2%（4 GHz ~ 8.3 GHz）。图14为天线隔离度S21仿真结果，在0.5 GHz ~ 9 GHz天线的隔离度小于-22.9 dB。表1为天线增益仿真结果，天线在0.65 GHz，2.5 GHz，4 GHz，6 GHz，8GHz的增益分别为0.6 dBi，4.6 dBi，5.6dBi，5.7 dBi，6.6 dBi。

表1 增益仿真结果

频率（GHz）	0.65	2.5	4	6	8
						增益（dBi）	0.6	4.6	5.6	5.7	6.6

综上可以看出，本发明提供的多频多极化天线，有效简化了天线结构，尺寸小，降低天线重量，生产制造和安装维护方便，覆盖的频率范围有0.65GHz（相对带宽6.69%），2.5GHz（相对带宽30.40%），8.2GHz（68.85%），最大频率比12.6；可实现两种线极化。

最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种多频多极化天线，包括介质板，其特征在于：所述介质板的下表面贴附有接地板，所述介质板的上表面贴附有圆形微带贴片和环形微带贴片，其中：所述圆形微带贴片通过纵向设置的第一微带馈线连接有第一馈线端口，所述环形微带贴片依次通过横向设置的阻抗变换器和第二微带馈线连接有第二馈线端口，所述接地板上还设置有圆形缝隙、槽线和开放型缝隙，所述圆形缝隙和所述开放型缝隙分别位于所述第一微带馈线的两侧，且所述圆形缝隙对应所述环形微带贴片的位置设置；所述槽线沿横向连通所述圆形缝隙和所述开放型缝隙，且与所述第一微带馈线在竖直方向上投影呈十字交叉结构，所述第二馈线端口与所述开放型缝隙位于横向的相对两个侧边上，并设定x方向为纵向，y方向为横向。

2.根据权利要求1所述的多频多极化天线，其特征在于：所述圆形缝隙、所述槽线和所述开放型缝隙构成缝隙天线，并与所述圆形微带贴片和所述第一微带馈线构成的圆形微带天线共用第一馈线端口。

3.根据权利要求2所述的多频多极化天线，其特征在于：所述缝隙天线的极化方向为x方向线极化，且工作频率为0.65GHz。

4.根据权利要求2所述的多频多极化天线，其特征在于：所述圆形微带天线的极化方向为x方向线极化，且工作频率为2.5GHz。

5.根据权利要求2所述的多频多极化天线，其特征在于：所述开放型缝隙为矩形开放型缝隙，长度为45mm~65mm，宽度为20mm~40mm，所述圆形缝隙的半径为15mm~25mm。

6.根据权利要求1所述的多频多极化天线，其特征在于：所述环形微带贴片、所述阻抗变换器和所述第二微带馈线构成单极子天线，该单极子天线的极化方向为y方向线极化，且工作频率为8.2GHz。

7.根据权利要求1-6任一所述的多频多极化天线，其特征在于：所述第一微带馈线和所述第二微带馈线的阻抗为50Ω，宽度为1.9mm。

8.根据权利要求7所述的多频多极化天线，其特征在于：所述介质板呈矩形，相对介电常数为4.4，厚度为1mm。

9.根据权利要求1-4任一所述的多频多极化天线，其特征在于：所述圆形微带贴片上沿着所述第一微带馈线的两侧向圆心延伸形成有条形缝隙，所述条形缝隙的长度为15mm~20mm。

10.根据权利要求1所述的多频多极化天线，其特征在于：所述阻抗变换器为1/4阻抗变换器，长度为10mm，宽度为1mm，所述环形微带贴片的外径为6mm，宽度为3mm。

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