CN202308284U

CN202308284U - 一种双极化多系统兼容型天线

Info

Publication number: CN202308284U
Application number: CN2011203249380U
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 魏晓东
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-08-31

Abstract

本实用新型公开一种双极化多系统兼容型天线，包括上层圆形电容加载金属贴片、单极子金属柱、上层介质基板、第一短路针和第二短路针、环形金属贴片、中间层第一介质基板、L型探针、中间层第二介质基板、金属地板、底层介质基板和底层Wilkinson功分器；Wilkinson功分器连接两个相互正交的L型探针对环形金属贴片进行耦合馈电，环形金属贴片的外边缘为圆形内边缘为椭圆形，调节椭圆长短轴之比，可以调节天线的轴比性能；上层圆形电容加载金属贴片、单极子金属柱、第一短路针和第二短路针电感加载组成一个电容电感加载的单极子的天线，有效减小了天线的尺寸。该天线具有尺寸小、轴比带宽与阻抗带宽大、结构紧凑等特点。

Description

一种双极化多系统兼容型天线

技术领域

本实用新型涉及多系统兼容型接收天线，特别涉及可用于卫星导航和无线通信的双极化多系统兼容型接收天线。

背景技术

随着无线通信的发展，第三代移动通信3G以其高速数据传输和宽带多媒体服务的特点受到人们的青睐，它正逐步取代第二代移动通信成为当今世界的主流。卫星导航产业是国家战略性高技术产业，是典型的技术密集型与服务型IT产业，其发展前景十分广阔，预计在今后五到十年内将形成GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统融合的全球性导航卫星系统的集合。

随着无线通信系统和各导航系统的发展，多系统并存、多模融合步伐将进一步加快，因此，开发同时兼容上述无线通信系统和卫星导航系统的应用技术，实现多模融合，是通信产业发展的必然趋势。

但是，目前设计多系统兼容型天线存在以下几方面的技术难点：

1、轴比/阻抗带宽的技术

圆极化天线的轴比/阻抗带宽是天线的一个重要的性能指标，传统的单馈微带天线利用微扰产生圆极化波的方法无法达到较宽的轴比/阻抗带宽，所以不能满足多系统兼容的需求。

2、小型化技术

小型化技术是多系统兼容型天线设计中的一大难题。不管从电性能方面来说，还是从机械尺寸方面来说，小型化技术都是不可或缺的。

3、天线增益增强技术

北斗、GPS及GLONASS等卫星导航定位系统要求天线不仅具有很宽的波束范围，还要求天线具有较高的增益。为了达到这种要求，首先要改善端口的阻抗匹配，保证射频信号能够馈入各个天线单元中，减少反射回去的信号能量。在保证端口良好匹配的基础上还要提高天线的辐射效率，使馈入天线的信号能充分的发射出去，减少天线单元中的能量损失，包括介质损耗，金属损耗等。

4、双极化技术

随着无线通信的发展，将移动通信中的线极化天线和卫星导航系统中的圆极化天线相结合成为一种趋势。现有技术多为圆极化与圆极化天线的结合，线极化与圆极化天线的结合为之甚少。

5、双端口隔离度技术

双端口天线的端口隔离度是一个重要指标，如何提高两端口之间的隔离度是天线设计中的难点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够兼容多个卫星导航与定位系统和无线通信系统的双极化多系统兼容型天线，且实现良好的阻抗带宽、轴比带宽、增益和小体积等性能。

本实用新型通过功分器和L型探针对环形金属贴片金属正交耦合馈电，实现了圆极化天线性能，其天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽都涵盖了北斗B1、GPS L1、北斗B1-2和GLONASS L1等三个全球卫星定位系统的四个频段；通过电容电感加载的单极子天线实现了线极化天线性能，使得TD-SCDMA的B频段(2010MHz-2025MHz)内具有较好的阻抗带宽和增益；此外还具有小型化，结构紧凑等特点。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种双极化多系统兼容型天线，包括上层圆形电容加载金属贴片、单极子金属柱、上层介质基板、第一短路针、第二短路针、环形金属贴片、中间层第一介质基板、第一L型探针、第二L型探针、中间层第二介质基板、金属地板、底层介质基板和底层Wilkinson功分器；上层圆形电容加载金属贴片附着在上层介质基板的上表面，环形金属贴片附着在中间层第一介质基板的上表面；第一L型探针的长方形金属贴片附着在中间层第二介质基板的上表面，金属地板和底层Wilkinson功分器分别附着在底层介质基板的上表面和下表面；上层介质基板、中间层第一介质基板、中间层第二介质基板和底层介质基板从上到下依次粘接在一起；单极子金属上端连接上层圆形电容加载金属贴片，下端穿过所有介质基板以及金属地板上的圆形挖孔之后与馈电端口连接；第一短路针和第二短路针上端与上层圆形电容加载金属贴片相连，下端与金属地板相连。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，第一L型探针由长方形金属贴片组成L型的长边，短金属柱组成L型的短边，第二L型探针与第一L型探针结构相同。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，单极子金属柱、第一短路针、第二短路针以及第二L型探针的轴线在同一平面内，该平面将介质基板等分；第一L型探针的轴线所在的平面与第二L型探针的轴线所在的平面正交，且交线为单极子金属柱的轴线；第一L型探针的短金属柱的上端与L型探针的长方形金属贴片相连，下端穿过金属地板上的圆形挖孔与Wilkinson功分器的第一低阻抗线的末端相连，第二L型探针与Wilkinson功分器的第二低阻抗线的末端相连。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，所述的环形金属贴片外边缘为圆形，内边缘为椭圆形。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，所述的底层Wilkinson功分器包括第一低阻抗线、第二低阻抗线、第三低阻抗线、高阻线以及贴片电阻，第三低阻抗线与高阻线的中部相连，高阻线的另外两段分别与第一低阻抗线和第二低阻抗线的一端相连，第一低阻抗线的另一端连接第一L型探针，第二低阻抗线的另一端连接第二L型探针。第二低阻抗线的电长度比第一低阻抗线的电长度大四分之一波长。高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线、第二低阻抗线以及第三低阻抗线的特征阻抗为z₀的

倍、贴片电阻的阻抗为特征阻抗z₀的2倍。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，所述的上层圆形电容加载金属贴片与单极子金属、第一第二短路针组成了电容电感加载的单极子天线，单极子金属、第一第二短路针的轴线在同一平面内。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，所述的金属地板上有三个金属挖孔，分别供单极子金属和两个相互正交的L型探针的金属柱穿过。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，所述的第一L型探针与第二L型探针相互正交，接收幅度相同、相位相差90°的信号对环形金属贴片金属耦合馈电。

上述的一种双极化多系统兼容型天线中，所述的中层第一介质基板、中间层第二介质基板和底层介质基板具有相同的介电常数，上层介质基板的介电常数比中层第一介质基板介电常数要低。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：

(1)所述天线利用功分器、L型探针对环形金属贴片耦合馈电的结构，拓展轴比带宽和阻抗带宽。

(2)所述天线的环形金属贴片外边缘为圆形，内边缘为椭圆形，改变椭圆的长轴与短轴之比可以调节天线的轴比性能，增加了轴比调节的自由度。

(3)单极子金属连接上层电容加载金属贴片，并经过两个短路针连接到地面，增加了电容电感耦合，从而形成电容电感加载的单极子天线，有效地减小了单极子天线的尺寸。

(3)天线采用功分器与天线共用地板，有效减小天线的厚度，使结构更紧凑。

(4)所述天线可以同时工作在中国北斗二代系统的B1频段(1561.098MHz)、B1-2频段(1589.742MHz)，美国的GPS系统L1频段(1575.42MHz)，欧洲GLONASS的L1频段(1602.56-1615.50MHz)和TD-SCDMA的B频段(2010MHz-2025MHz)。

附图说明

图1为一种双极化多系统兼容型天线结构示意图。

图2为一种双极化多系统兼容型天线结构俯视图。

图3为上层圆形电容加载金属贴片的示意图。

图4为环形金属贴片示意图。

图5为金属地板示意图。

图6为底层Wilkinson功分器示意图。

图7为圆极化频段的回波损耗和两端口间隔离度示意图。

图8为圆极化频段的轴比示意图。

图9为圆极化频段的增益随频率变化的曲线。

图10为线极化频段的回波损耗和两端口之间隔离度。

图11为线极化频段的增益随频率变化的曲线。

图12a为天线在频率为2.01GHz的E面方向图。

图12b为天线在频率为2.01GHz的H面方向图。

图12c为天线在频率为2.015GHz的E面方向图。

图12d为天线在频率为2.015GHz的H面方向图。

图12e为天线在频率为2.025GHz的E面方向图。

图12f为天线在频率为2.025GHz的H面方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施做详细说明，但本实用新型要求的保护范围不限于下述的实施方式。

如图1、2a、2b所示，一种双极化多系统兼容型天线，其包括上层圆形电容加载金属贴片2、单极子金属柱1、上层介质基板16、第一短路针3、第二短路针4、环形金属贴片5、中间层第一介质基板17、第一L型探针6、第二L型探针7、中间层第二介质基板18、金属地板15、底层介质基板19和底层Wilkinson功分器；上层圆形电容加载金属贴片2附着在上层介质基板16的上表面，环形金属贴片5在附着在中间层第一介质基板17的上表面；第一L型探针6的长方形金属贴片6a附着在中间层第二介质基板18的上表面，金属地板15和底层Wilkinson功分器分别附着在底层介质基板19的上表面和下表面；上层介质基板16、中间层第一介质基板17、中间层第二介质基板18和底层介质基板19从上到下依次粘结在一起；单极子金属1上端连接上层圆形电容加载金属贴片2，下端穿过所有介质基板以及金属地板15上的圆形挖孔9(如图5)之后与馈电端口连接；第一短路针3和第二短路针4上端与上层圆形电容加载金属贴片2相连，下端与金属地板15相连；第一L型探针6由长方形金属贴片6a组成L型的长边，短金属柱6b组成L型的短边，第二L型探针7与第一L型探针6结构相同；单极子金属柱1、第一短路针3、第二短路针4以及第二L型探针7的轴线在同一平面内，该平面将介质基板等分；第一L型探针的轴线所在的平面与第二L型探针7的轴线所在的平面正交，且交线为单极子金属柱1的轴线；第一L型探针6的短金属柱6b的上端与L型探针的长方形金属贴片6a相连，下端穿过金属地板上的圆形挖孔8与Wilkinson功分器的第一低阻抗线10的末端相连，第二L型探针7与Wilkinson功分器的第二低阻抗线11的末端相连。

环形金属贴片5如图4所示，其外边缘为圆形内边缘为椭圆形，圆心和椭圆中心均位于天线的几何中心轴线上，圆形结构的半径R和椭圆结构的长轴a的大小共同影响圆极化天线的谐振频率，改变椭圆长轴a和短轴b之比可以调节天线的轴比性能。

如图6，底层Wilkinson功分器由第一低阻抗线10、第二低阻抗线11、第三低阻抗线14、高阻线12以及贴片电阻13组成。第三低阻抗线14与高阻线12的中部相连，高阻线12的另外两段分别与第一低阻抗线10和第二低阻抗线11的一端相连，第一低阻抗线10的另一端连接第一L型探针6，第二低阻抗线11的另一端连接第二L型探针7。第二低阻抗线11的电长度比第一低阻抗线10的电长度大四分之一波长，这样可以产生幅度相同、相位相差90°的信号，经过两个相互正交的L型探针对环形金属贴片5进行馈电，从而形成圆极化天线。高阻线12的特征阻抗为第一低阻抗线10、第二低阻抗线11以及第三低阻抗线14的特征阻抗为z₀的为

倍、贴片电阻13的阻抗为特征阻抗z₀的2倍。这样就可使得Wilkinson功分器的输入端和输出端接入与低阻抗微带线特征阻抗z₀相等的负载时完全匹配。

如图3所示，上层圆形电容加载金属贴片2、单极子金属柱1、第一短路针3和第二短路针4电感加载组成一个电容电感加载的单极子天线，上层电容加载金属贴片2增加了电容耦合，第一短路针3和第二短路针4连接上层电容加载金属贴片2与金属地板15增加了电感耦合，从而有效减小了天线的尺寸。两个短路针的直径要大于单极子金属1的直径，调节两个短路针的直径大小可以调节电容电感加载单极子天线的阻抗带宽。

底层Wilkinson功分器与天线共用金属地板15，有效地减少天线体积，使结构更加紧凑。

中层第一介质基板17、中间层第二介质基板18和底层介质基板19的介电常数相同，上层介质基板16的介电常数比中层第一介质基板17介电常数要低。上层介质基板16采用较低介电常数，可以改善天线的隔离度性能。

以上实施方式实施后得到的结果如图7、图8、图9、图10、图11和图12所示。从图7可以看出在北斗B1，B1-2，GPS L1，GLONASS L1所在的1.55～1.615GHz频段内，回波损耗S11＜-15dB，隔离度S21＜-30dB，从图8中可以看到，在上述频带内轴比AR＜2dB，从图9中可以看到在1.55～1.615GHz频带内，增益Gain＞2dB，增益的最大值在1.58GHz为5dB。从图10可以看出频率在2～2.035GHz时回波损耗小于-10dB，在2.01～2.025GHz频段内回波损耗小于-15dB，隔离度始终小于-15dB。从图12a～图12f可以看出天线在TD-SCDMA的频段内实现了很好的线极化。这说明天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽覆盖了北斗B1/B1-2，GPS L1和GLONASS L1等频段，实现了圆极化和线极化天线的结合，并使得天线在上述频段内具有良好的性能。

Claims

1.多系统兼容型天线，其特征在于包括上层圆形电容加载金属贴片、单极子金属柱、上层介质基板、第一短路针、第二短路针、环形金属贴片、中间层第一介质基板、第一L型探针、第二L型探针、中间层第二介质基板、金属地板、底层介质基板和底层Wilkinson功分器；上层圆形电容加载金属贴片附着在上层介质基板的上表面，环形金属贴片附着在中间层第一介质基板的上表面；第一L型探针的长方形金属贴片附着在中间层第二介质基板的上表面，金属地板和底层Wilkinson功分器分别附着在底层介质基板的上表面和下表面；上层介质基板、中间层第一介质基板、中间层第二介质基板和底层介质基板从上到下依次粘接在一起；单极子金属上端连接上层圆形电容加载金属贴片，下端穿过所有介质基板以及金属地板上的圆形挖孔之后与馈电端口连接；第一短路针和第二短路针上端与上层圆形电容加载金属贴片相连，下端与金属地板相连。

2.根据权利要求1所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于第一L型探针由长方形金属贴片组成L型的长边，短金属柱组成L型的短边，第二L型探针与第一L型探针结构相同。

3.根据权利要求1所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于单极子金属柱、第一短路针、第二短路针以及第二L型探针的轴线在同一平面内，该平面将介质基板等分；第一L型探针的轴线所在的平面与第二L型探针的轴线所在的平面正交，且交线为单极子金属柱的轴线；第一L型探针的短金属柱的上端与L型探针的长方形金属贴片相连，下端穿过金属地板上的圆形挖孔与Wilkinson功分器的第一低阻抗线的末端相连，第二L型探针与Wilkinson功分器的第二低阻抗线的末端相连。

4.根据权利要求1所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于所述的环形金属贴片外边缘为圆形，内边缘为椭圆形。

5.根据权利要求1所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于所述的底层Wilkinson功分器包括第一低阻抗线、第二低阻抗线、第三低阻抗线、高阻线以及贴片电阻，第三低阻抗线与高阻线的中部相连，高阻线的另外两段分别与第一低阻抗线和第二低阻抗线的一端相连，第一低阻抗线的另一端连接第一L型探针，第二低阻抗线的另一端连接第二L型探针；第二低阻抗线的电长度比第一低阻抗线的电长度大四分之一波长。

6.根据权利要求1所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于所述的上层圆形电容加载金属贴片与单极子金属、第一第二短路针组成了电容电感加载的单极子天线，单极子金属、第一第二短路针的轴线在同一平面内。

7.根据权利要求1所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于所述的金属地板上设有分别供单极子金属和两个相互正交的L型探针的金属柱穿过的三个金属挖孔。

8.根据权利要求1~7任一项所述的一种双极化多系统兼容型天线，其特征在于：所述的第一L型探针与第二L型探针相互正交。