CN117791121B - 一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，包括第一介质板和第二介质板；所述第一介质板的上表面印刷有天线辐射贴片；第二介质板的上表面印刷有金属反射板，第二介质板的下表面印刷有矩形金属板和微带馈电线；所述第一介质板上连接有若干个短路柱；所述金属反射板上蚀刻有一工型槽，所述微带馈电线通过工型槽和短路柱向天线辐射贴片耦合馈电；所述第二介质板上设有若干个第一金属通孔，所述若干个第一金属通孔沿矩形金属板的边缘均匀排列，以形成SIW；所述金属反射板上蚀刻有矩形槽，所述矩形槽与短路柱共同将SIW的能量耦合至天线辐射贴片。本发明将SIW和贴片天线相结合，实现了高增益、宽带宽、高隔离度、低剖面的特性。
Description
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，具体涉及一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线。
背景技术
近年来，5G通讯技术的发展及推广对天线设计提出了更高的要求。如何设计出具有更高性能、更紧凑结构以及更多覆盖频段的天线，成为通讯天线领域的重点研究方向。
在以往的通信系统中，单端口多频天线是使用较为广泛的一种天线单元。然而，由于单端口多频天线采用的是单端口拓扑结构，导致这种天线单元只能工作于发送或接收的其中一种工作模式。如果需要同时工作在发送和接收模式下，则需要配合额外的具有高隔离度的多路复用器来构建通信系统。但是，额外的多路复用器电路会消耗更多的功率，并且增加系统整体几何结构的复杂度和制作成本。
针对上述状况，为了减少天线额外的功耗、复杂度和尺寸，通讯天线领域提出了自双工天线的概念。
现有技术中，通常是将两个工作在不同频段且带有滤波特性的单极天线放置在一起，构成双工集成天线。利用这种天线可以实现双模工作，而且不需要多路复用器，但也存在一定的缺陷。具体来说，如果使用两个单独的辐射体构成双工天线，虽然可以更容易地实现两端口的高隔离度，但是天线整体所占的体积和空间会比较大；而如果使用单个辐射体构成双工天线，虽然一定程度上降低了天线的体积，却难以实现较高的隔离度。
例如，授权公告号为CN208078170U的中国实用新型专利提出了一种半模基片集成波导背腔自双工天线，通过在半模基片集成波导上刻蚀不同长度缝隙实现两个工作频段的自双工天线，该天线单元剖面较低、尺寸较小，但相对阻抗带宽较小，相对阻抗带宽只有1.4%和1.9%。
又例如，授权公告号为CN114204256B的中国发明专利提出了一种全双工应用的宽带高隔离贴片天线及无线通信设备，分别使用差分E型微带馈电和微带巴伦馈电实现双极化，还通过添加一块寄生贴片来拓展带宽，其相对阻抗带宽为52.2%，但天线剖面较高。
综上，现有技术中的双工天线无法同时兼顾带宽、隔离度和剖面大小，无法满足近年来通讯天线领域的技术革新需求，有待改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其具有良好的辐射特性，且同时具备低剖面、高隔离度的特性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，包括第一介质板和第二介质板，所述第一介质板设置于第二介质板的上方；
所述第一介质板的上表面印刷有天线辐射贴片；第二介质板的上表面印刷有金属反射板，第二介质板的下表面印刷有矩形金属板和微带馈电线；
所述第一介质板上连接有若干个短路柱，所述短路柱沿竖直方向贯穿第一介质板，以将第一介质板上表面的天线辐射贴片与第二介质板上表面的金属反射板短接；所述金属反射板上蚀刻有一工型槽，所述工型槽与天线辐射贴片的覆盖区域部分重合；所述微带馈电线的一端通过第一同轴电缆与第一馈电端口馈电连接，微带馈电线的另一端沿x轴方向延伸至天线辐射贴片和工型槽的下方，且与工型槽正交，以通过工型槽和短路柱向天线辐射贴片耦合馈电；
所述第二介质板上设有若干个第一金属通孔，所述若干个第一金属通孔沿矩形金属板的边缘均匀排列；位于第二介质板下表面的矩形金属板的边缘通过所述若干个第一金属通孔与位于第二介质板上表面的金属反射板短接，以形成SIW；所述SIW的中部附近通过第二同轴电缆与第二馈电端口馈电连接；
所述金属反射板上对应矩形金属板的覆盖区域内蚀刻有一沿x轴方向延伸的矩形槽，所述矩形槽与短路柱共同将SIW的能量耦合至天线辐射贴片。
进一步地，所述天线辐射贴片包括两个矩形辐射贴片，所述两个矩形辐射贴片分别通过一个贯穿第一介质板的短路柱与金属反射板短接；所述两个矩形辐射贴片之间由一条沿y轴方向延伸的矩形缝隙槽隔开。
进一步地，所述第二介质板上还设有两个第二金属通孔，所述两个第二金属通孔设置于矩形金属板覆盖区域的中部附近且沿x轴方向依次排列；所述矩形金属板还通过所述两个第二金属通孔与金属反射板短接。
进一步地，所述第二金属通孔的直径大于第一金属通孔。
进一步地，所述第一同轴电缆由第二介质板的下方边缘处引入，第一同轴电缆的外导体与金属反射板电性连接，第一同轴电缆的内导体与微带馈电线的一端电性连接。
进一步地，所述第二同轴电缆由矩形金属板的下方引入，第二同轴电缆的外导体电性连接于矩形金属板的中部附近，第二同轴电缆的内导体依次穿过矩形金属板和第二介质板后，与金属反射板电性连接。
进一步地，所述工型槽设置于矩形金属板的覆盖区域外；
所述工型槽包括沿x轴方向延伸的两条侧边槽以及沿y轴方向延伸的一条连接槽，所述连接槽的两端分别垂直连接于两条侧边槽的中点；所述连接槽的一部分位于矩形缝隙槽的正下方且与微带馈电线正交，连接槽的另一部分位于天线辐射贴片的覆盖区域外，使得工型槽的其中一条侧边槽位于天线辐射贴片的覆盖区域内，另一条侧边槽位于天线辐射贴片的覆盖区域外。
进一步地，所述第一介质板通过若干个支撑柱支撑于第二介质板的上方。
进一步地，所述第一介质板和第二介质板的厚度及介电常数相同。
本发明提供的一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，将SIW和贴片天线相结合，在一个天线单元中同时实现了高增益、宽带宽、高隔离度、低剖面的特性，能够更好地满足通信天线的技术迭代需求，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线的整体结构示意图。
图2是本发明实施例中的第一介质板的结构示意图。
图3是本发明实施例中的第二介质板的结构示意图。
图4是本发明实施例的S参数曲线图。
图5是本发明实施例的增益曲线图。
图6是本发明实施例的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，包括第一介质板1和第二介质板2，所述第一介质板1通过四个支撑柱13支撑于第二介质板2的上方。所述第一介质板1和第二介质板2的厚度及介电常数相同。在本发明实施例中，第一介质板1和第二介质板2的厚度均为0.762mm，介电常数均为2.2。
其中，所述第一介质板1的上表面印刷有天线辐射贴片11；第二介质板2的上表面印刷有金属反射板21，第二介质板2的下表面印刷有矩形金属板22和微带馈电线23；
所述第一介质板1上连接有若干个短路柱12，所述短路柱12沿竖直方向贯穿第一介质板1，以将第一介质板1上表面的天线辐射贴片11与第二介质板2上表面的金属反射板21短接；所述金属反射板21上蚀刻有一工型槽27，所述工型槽27与天线辐射贴片11的覆盖区域部分重合；所述微带馈电线23的一端通过第一同轴电缆31与第一馈电端口馈电连接，微带馈电线23的另一端沿x轴方向延伸至天线辐射贴片11和工型槽27的下方，且与工型槽27正交，以通过工型槽27和短路柱12向天线辐射贴片11耦合馈电；
所述第二介质板2上设有若干个第一金属通孔24，所述若干个第一金属通孔24沿矩形金属板22的边缘均匀排列；位于第二介质板2下表面的矩形金属板22的边缘通过所述若干个第一金属通孔24与位于第二介质板2上表面的金属反射板21短接，以形成SIW（Substrate integrated waveguide，基片集成波导）；所述SIW的中部附近通过第二同轴电缆32与第二馈电端口馈电连接；
所述金属反射板21上对应矩形金属板22的覆盖区域内蚀刻有一沿x轴方向延伸的矩形槽26，所述矩形槽26与短路柱12共同将SIW的能量耦合至天线辐射贴片11。
在本发明实施例中，所述天线辐射贴片11包括两个形状尺寸相同的矩形辐射贴片，所述两个矩形辐射贴片分别通过一个贯穿第一介质板1的短路柱12与金属反射板21短接。所述两个矩形辐射贴片之间由一条沿y轴方向延伸的矩形缝隙槽14隔开。
进一步地，所述第二介质板2上还设有两个第二金属通孔25，所述两个第二金属通孔25设置于矩形金属板22覆盖区域的中部附近且沿x轴方向依次排列；所述矩形金属板22还通过所述两个第二金属通孔25与金属反射板21短接。其中，所述第二金属通孔25的直径大于第一金属通孔24。所述两个第二金属通孔25用于将SIW的TE110模的谐振频率调整至TE130模谐振频率附近，起到增大带宽的作用。
进一步地，所述工型槽27设置于矩形金属板22的覆盖区域外。具体地，所述工型槽27包括沿x轴方向延伸的两条侧边槽以及沿y轴方向延伸的一条连接槽，所述连接槽的两端分别垂直连接于两条侧边槽的中点；所述连接槽的一部分位于矩形缝隙槽14的正下方且与微带馈电线23正交，连接槽的另一部分位于天线辐射贴片11的覆盖区域外，使得工型槽27的其中一条侧边槽位于天线辐射贴片11的覆盖区域内，另一条侧边槽位于天线辐射贴片11的覆盖区域外。
所述第一同轴电缆31由第二介质板2的下方边缘处引入，第一同轴电缆31的外导体与金属反射板21电性连接，第一同轴电缆31的内导体与微带馈电线23的一端电性连接。
所述第二同轴电缆32由矩形金属板22的下方引入，第二同轴电缆32的外导体电性连接于矩形金属板22的中部附近，第二同轴电缆32的内导体依次穿过矩形金属板22和第二介质板2后，与金属反射板21电性连接。
在本发明实施例中，对于第一馈电端口，微带馈电线23与工型槽27正交，以将第一馈电端口的能量通过工型槽27耦合到天线辐射贴片11上，短路柱12起到改善第一馈电端口匹配的作用，同时还激励第一馈电端口在类似于磁电偶极子的辐射模式。
对于第二馈电端口，工型槽27并不影响第二馈电端口的匹配，但矩形槽26与工型槽27中沿y轴方向延伸的连接槽相垂直，从而提高了第一馈电端口和第二馈电端口之间的隔离度。11
当第二馈电端口工作时，天线辐射贴片11的表面电流平行于y轴，因此在天线辐射贴片11上开设矩形缝隙槽14不会影响天线的辐射性能。同时， 矩形缝隙槽14将天线辐射贴片11分割成两部分，结合短路柱12使得在第一馈电端口激励时，形成磁电偶极子的辐射模式，使得天线辐射贴片11的表面电流平行于x轴，形成双极化特性，提高了两端口的隔离度。
图4、图5和图6分别为本发明实施例的S参数曲线图、增益曲线图和辐射方向图。从图中可以看出，本发明实施例在维持高阻抗带宽前提下实现了较高的隔离度；具体地，第一馈电端口和第二馈电端口的工作频段分别为4.35GHz–5.03GHz和5.1GHz–6GHz，其工作频带较宽，相对阻抗带宽分别为14.5%和16.2%，且隔离度|S21|大于54dB。同时，本发明实施例的双极化增益高于9.8 dBi和10.5 dBi，具有良好的辐射特性。
本发明将SIW和贴片天线相结合，针对两个馈电端口分别采用不同的馈电机理，大幅减小了双极化两端口之间的电流耦合，使两个馈电端口之间的隔离度高达54dB以上。具体地，本发明的第一馈电端口采用工型槽馈电，第二馈电端口采用SIW腔体馈电；当低频的第一馈电端口激励时，由于使用SIW腔体馈电的端口设置在高频以及SIW自身存在的截止频率特性，SIW腔体起到高通滤波器的作用，第一馈电端口的低频能量无法传输到第二馈电端口，从而提高了两个馈电端口之间的隔离度。
此外，本发明还通过在天线辐射贴片上开设矩形缝隙槽以及使用短路柱将天线辐射贴片与金属反射板短接，使得天线辐射贴片形成磁电偶极子的辐射模式，使两个馈电端口产生正交极化，进一步提高了两个馈电端口之间的隔离度。
同时，本发明的天线结构基于重叠的多层介质板及其上的金属贴片制成，天线的剖面高度较低，仅为3.3mm，有利于实现天线系统的小型化和集成化。天线的整体结构较为简单且易于加工，大幅节省了天线的制作成本。
综上，本发明提供的一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，将SIW和贴片天线相结合，在一个天线单元中同时实现了高增益、宽带宽、高隔离度、低剖面的特性，能够更好地满足通信天线的技术迭代需求，具有广泛的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其特征在于，包括第一介质板和第二介质板，所述第一介质板设置于第二介质板的上方；
所述第一介质板的上表面印刷有天线辐射贴片；第二介质板的上表面印刷有金属反射板，第二介质板的下表面印刷有矩形金属板和微带馈电线；
所述第一介质板上连接有若干个短路柱，所述短路柱沿竖直方向贯穿第一介质板，以将第一介质板上表面的天线辐射贴片与第二介质板上表面的金属反射板短接；所述金属反射板上蚀刻有一工型槽，所述工型槽与天线辐射贴片的覆盖区域部分重合；所述微带馈电线的一端通过第一同轴电缆与第一馈电端口馈电连接，微带馈电线的另一端沿x轴方向延伸至天线辐射贴片和工型槽的下方，且与工型槽正交，以通过工型槽和短路柱向天线辐射贴片耦合馈电；
所述第二介质板上设有若干个第一金属通孔，所述若干个第一金属通孔沿矩形金属板的边缘均匀排列；位于第二介质板下表面的矩形金属板的边缘通过所述若干个第一金属通孔与位于第二介质板上表面的金属反射板短接，以形成SIW；所述SIW通过第二同轴电缆与第二馈电端口馈电连接；
所述金属反射板上对应矩形金属板的覆盖区域内蚀刻有一沿x轴方向延伸的矩形槽，所述矩形槽与短路柱共同将SIW的能量耦合至天线辐射贴片；
所述天线辐射贴片包括两个矩形辐射贴片，所述两个矩形辐射贴片分别通过一个贯穿第一介质板的短路柱与金属反射板短接；所述两个矩形辐射贴片之间由一条沿y轴方向延伸的矩形缝隙槽隔开；
所述第二介质板上还设有两个第二金属通孔，所述两个第二金属通孔设置于矩形金属板覆盖区域且沿x轴方向依次排列；所述矩形金属板还通过所述两个第二金属通孔与金属反射板短接；
所述第一介质板通过若干个支撑柱支撑于第二介质板的上方。
2.根据权利要求1所述的低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其特征在于，所述第二金属通孔的直径大于第一金属通孔。
3.根据权利要求1所述的低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其特征在于，所述第一同轴电缆由第二介质板的下方边缘处引入，第一同轴电缆的外导体与金属反射板电性连接，第一同轴电缆的内导体与微带馈电线的一端电性连接。
4.根据权利要求1所述的低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其特征在于，所述第二同轴电缆由矩形金属板的下方引入，第二同轴电缆的外导体电性连接于矩形金属板，第二同轴电缆的内导体依次穿过矩形金属板和第二介质板后，与金属反射板电性连接。
5.根据权利要求1所述的低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其特征在于，所述工型槽设置于矩形金属板的覆盖区域外；
所述工型槽包括沿x轴方向延伸的两条侧边槽以及沿y轴方向延伸的一条连接槽，所述连接槽的两端分别垂直连接于两条侧边槽的中点；所述连接槽的一部分位于矩形缝隙槽的正下方且与微带馈电线正交，连接槽的另一部分位于天线辐射贴片的覆盖区域外，使得工型槽的其中一条侧边槽位于天线辐射贴片的覆盖区域内，另一条侧边槽位于天线辐射贴片的覆盖区域外。
6.根据权利要求1所述的低剖面高隔离的双工双极化贴片天线，其特征在于，所述第一介质板和第二介质板的厚度及介电常数相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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