CN204793183U

CN204793183U - 一种顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线

Info

Publication number: CN204793183U
Application number: CN201520505268.0U
Authority: CN
Inventors: 罗康; 王依刚; 张波; 陈彬
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2025-07-13

Abstract

本实用新型公开了一种顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，包括矩形的介质板、设置于介质板正面的树形贴片天线、设置于介质板背面下部的矩形地板以及设置于介质板下边缘处的接线端子；树形贴片天线包括左下天线臂、右下天线臂、左上天线臂以及右上天线臂；左下天线臂、右下天线臂、左上天线臂以及右上天线臂均倾斜向介质板的上边缘伸展，且左下天线臂与左上天线臂相平行，右下天线臂与右上天线臂相平行；左下天线臂和右下天线臂的下端交汇，左上天线臂和右上天线臂的下端交汇，且交汇处由馈电微带线连接至接线端子；矩形地板的下边缘中点处连接至接线端子。该单馈双频双极化单极子微带天线结构简单且频带较宽，具有较好的市场应用前景。

Description

一种顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线

技术领域

本实用新型涉及一种单极子微带天线，尤其是一种单馈双频双极化单极子微带天线。

背景技术

在工程实践中往往需要双频、多极化工作的小型化微带天线，如收发共用天线(移动电台)、跳频工作天线、频率捷变天线等。双极化微带天线的应用可分为：收发一体化、频率复用、极化捷变、极化分集等。随着科学技术的发展，双频多极化天线逐渐被运用到通信系统中，此类天线结构紧凑、成本低廉、抗干扰性能强，然而天线性能的多样性使其设计变得更加困难：两个频带都要有满足要求的带宽；不同工作频段的极化特性不同，且具有较高的隔离度。双馈双极化天线和多输入多输出(MIMO)天线由于频率复用忽视极化多样性在通信系统中运用广泛，然而随着天线数量的增加或者馈电结构的复杂化，很难在所有的端口获得较高的隔离度。

PengJin设计了一种小型化双频GPS的L1/L2频带圆极化微带天线，然而天线的剖面较高(38.8×38.8×19.4mm³)，并且天线设计于一个大铜板之上(直径119.5mm)。MayumiMatsunaga设计了一种用于移动通信的多频多极化(1GHz、1.8GHz为线极化，1.57GHz为圆极化)交叉螺旋天线结构，然而螺旋结构使得天线较为复杂并且轴比带宽很窄。G.-H.Li设计了一种单极子宽带(3.1～22.2GHz)五圆极化微带天线结构，然而随着频率的增加，交叉极化恶化剧烈且旁瓣剧增。

旋杆天线由于结构紧凑和全向辐射特性适合于单馈多频多极化天线的设计。旋杆天线通常包括两个正交放置的半波长偶极子旋杆，由幅度相等相位相差90°的馈电网络馈电。AkbarGhobadi在此结构上进行了改进，设计了单馈Y型微带单极子天线，去除了馈电网络，天线结构紧凑，轴比带宽4％(2.3GHz)。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是现有的双频双极化天线存在端口隔离度差和结构复杂的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，包括矩形的介质板、设置于介质板正面的树形贴片天线、设置于介质板背面下部的矩形地板以及设置于介质板下边缘处的接线端子；树形贴片天线包括左下天线臂、右下天线臂、左上天线臂以及右上天线臂；左下天线臂、右下天线臂、左上天线臂以及右上天线臂均倾斜向介质板的上边缘伸展，且左下天线臂与左上天线臂相平行，右下天线臂与右上天线臂相平行；左下天线臂和右下天线臂的下端交汇，左上天线臂和右上天线臂的下端交汇，且交汇处由馈电微带线连接至接线端子；矩形地板的下边缘中点处连接至接线端子。

采用在介质板的正面与背面分别设置树形贴片天线和矩形地板的方法，结构简单，且在E面和H面具有较宽的波瓣宽度；采用单馈单极子微带天线的形式来实现双频双极化辐射，避免了双馈的两个端口馈电隔离度差的固有缺陷，实现了较高的交叉极化隔离度；采用左上天线臂和右上天线臂形成一个Y型单极子的形式，能够在低频产生新的谐振，从而实现单馈双频双极化的天线特性；将左下天线臂和右下天线臂正交放置以及右下天线臂和右上天线臂正交放置，构成两个正交放置的半波长偶极子旋杆，产生幅度相等相位相差90°信号(2.4GHz)，实现圆极化辐射。

作为本实用新型的进一步改进方案，在矩形地板的左上角和右上角均设有三角形切角。采用三角形切角实现阻抗匹配，可展宽阻抗带宽，而对轴比带宽影响较小。

作为本实用新型的进一步改进方案，在矩形地板的中心偏右处设有与其左右边缘相平行的条形缝隙。采用条形缝隙实现阻抗匹配，使矩形地板左、右两侧的电流相互垂直分布并且不再平衡，使得天线在2.9GHz附近的谐振频率向低频偏移。

作为本实用新型的进一步限定方案，条形缝隙的缝隙宽度为0.8～1.0mm。将条形缝隙的缝隙宽度设置在0.8～1.0mm之间，可通过调节条形缝隙的大小和位置来调节第三个谐振频率。

作为本实用新型的进一步限定方案，左下天线臂的长度小于右下天线臂的长度；左上天线臂的长度小于右上天线臂的长度。采用长短臂的设置使天线轴比在2.22～2.56GHz的频带范围内小于3dB，轴比带宽为14.23％。

本实用新型的有益效果在于：(1)采用在介质板的正面与背面分别设置树形贴片天线和矩形地板的方法，结构简单，且在E面和H面具有较宽的波瓣宽度；(2)采用单馈单极子微带天线的形式来实现双频双极化辐射，避免了双馈的两个端口馈电隔离度差的固有缺陷，实现了较高的交叉极化隔离度；(3)采用左上天线臂和右上天线臂形成一个Y型单极子的形式，能够在低频产生新的谐振，从而实现单馈双频双极化的天线特性；(4)将左下天线臂和右下天线臂正交放置以及右下天线臂和右上天线臂正交放置，构成两个正交放置的半波长偶极子旋杆，产生幅度相等相位相差90°信号(2.4GHz)，实现圆极化辐射。

附图说明

图1为本实用新型的天线正面视图；

图2为本实用新型的天线背面视图；

图3为本实用新型的天线Ⅰ在2.4GHz、ωt＝0°电流分布图；

图4为本实用新型的天线Ⅰ在2.4GHz、ωt＝90°电流分布图；

图5为本实用新型的天线Ⅱ在2.4GHz、ωt＝0°电流分布图；

图6为本实用新型的天线Ⅱ在2.4GHz、ωt＝90°电流分布图；

图7为本实用新型的天线Ⅲ在1.575GHz、ωt＝0°电流分布图；

图8为本实用新型的天线Ⅲ在1.575GHz、ωt＝90°电流分布图；

图9为本实用新型的天线1.57GHzE面方向视图；

图10为本实用新型的天线1.57GHzH面方向视图；

图11为本实用新型的天线2.4GHzE面方向视图；

图12为本实用新型的天线2.4GHzH面方向视图。

具体实施方式

如图1和2所示，本实用新型的顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线包括：矩形的介质板1、设置于介质板1正面的树形贴片天线、设置于介质板1背面下部的矩形地板3以及设置于介质板1下边缘处的接线端子6。

其中，树形贴片天线包括左下天线臂7、右下天线臂8、左上天线臂9以及右上天线臂10；左下天线臂7、右下天线臂8、左上天线臂9以及右上天线臂10均倾斜向介质板1的上边缘伸展，且左下天线臂7与左上天线臂9相平行，右下天线臂8与右上天线臂10相平行，左下天线臂7和左上天线臂9的倾角为-45°，右下天线臂8与右上天线臂10的倾角为+45°；左下天线臂7和右下天线臂8的下端交汇，左上天线臂9和右上天线臂10的下端交汇，且交汇处由馈电微带线2连接至接线端子6；矩形地板3的下边缘中点处连接至接线端子6；在矩形地板3的左上角和右上角均设有三角形切角4；在矩形地板3的中心偏右处设有与其左右边缘相平行的条形缝隙5；左下天线臂7的长度小于右下天线臂8的长度；左上天线臂9的长度小于右上天线臂10的长度。

介质板1采用Rogers5880，相对介电常数ε_r＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.001，树形贴片天线由50Ω馈电微带线2馈电。左下天线臂7和右下天线臂8两个长度不同的单极子天线臂正交放置，以在2.4GHz附近产生圆极化辐射，在馈电微带线2的顶端设置一个由左上天线臂9和右上天线臂10构成的Y型单极子天线，以在1.575GHz附近产生线极化辐射，同时展宽了天线的轴比带宽。

介质板1的尺寸为长55mm，宽50mm；左下天线臂7的长度为21mm，右下天线臂8的长度为31mm，左上天线臂9的长度为15mm，右上天线臂10的长度为26.5mm，宽度均为2.9mm；条形缝隙5的缝隙宽度为0.9mm，长度为10mm，与馈电微带线2之间的间距为3.55mm；馈电微带线2的线宽为3.1mm；三角形切角4的水平边和垂直边的长度分别为5mm和7mm；矩形地板3的长度为50mm，宽度为15mm；两个交汇处之间的距离为13mm。

矩形地板3对天线阻抗有较大的影响，通过在矩形地板3前端刻蚀两个三角形切角4和条形缝隙可展宽阻抗带宽而对轴比带宽影响较小，天线输入电阻在2.7GHz附近大幅提高而相应的输入电抗由负值变为正值。天线无切缝时，有三个主谐振频率：1.6GHz、2.3GHz和2.9GHz，切缝后第三个谐振频率由2.9GHz移向2.7GHz，其它两个谐振频率基本保持不变。

这主要是由于在树形贴片天线底部、条形缝隙5附近以及矩形地板3前侧有较强的电流分布。一旦电流到达馈电微带线2的顶端，条形缝隙5使矩形地板3左侧的电流环绕条形缝隙5流动，然而矩形地板3右侧的电流沿着矩形地板3前侧流动，即条形缝隙5使矩形地板3左侧的电流沿交替的路径流动，不再相对于矩形地板3右侧电流反向流动。因此，矩形地板3左、右两侧的电流相互垂直分布并且不再平衡，使得天线在2.9GHz附近的谐振频率向低频偏移，可通过调节矩形地板3的大小和位置来调节第三个谐振频率。需要指出的是，矩形地板3对天线轴比特性影响不大，这是由于天线轴比主要由天线臂调节。

如图3-8所示，依次描述了天线的设计过程和表面电流分布，“Itotal”表示贴片表面电流的总方向。如图3和4所示，对于天线Ⅰ(2.4GHz)：Itotal在ωt＝0°时相对于+x轴沿Ф＝－140°附近，在ωt＝90°时相对于+x轴沿Ф＝+140°附近，电流在ωt＝180°和ωt＝270°时的方向与在ωt＝0°和ωt＝90°时相反。因此，天线臂A和B上的电流随时间顺时针旋转。

如图5所示，对于天线Ⅱ(2.4GHz)：电流在ωt＝0°时沿天线臂C的方向与沿天线臂B平行，与此同时电流在天线臂D上的电流几乎为零，因此，总电流方向变为Ф＝－135°附近(沿+x轴)。

如图6所示，电流在ωt＝90°时沿天线臂D的方向与沿天线臂A平行，与此同时天线臂C上的电流几乎为零，因此，总电流方向变为Ф＝+135°附近。即天线臂C和D交替在ωt＝0°和ωt＝90°或者ωt＝180°和ωt＝270°时对天线臂B和A上的电流产生增强的效果，优化了产生圆极化波的条件，从而展宽了天线的轴比带宽并获得了较低的轴比值。

如图7和8所示，天线Ⅲ在2.4GHz时，树形贴片天线表面电流分布与天线Ⅱ类似，不再赘述。天线Ⅲ在1.57GHz时，贴片表面电流主要分布在微带馈线和天线臂C上，总电流方向总是沿Ф＝+165°附近，电流方向保持不变也验证了天线臂C和D作为顶端加载辐射线极化波。

如图9-12所示，表示主极化，表示交叉极化，表示左旋圆极化，表示右旋圆极化，在x-z(E)面和y-z(H)面具有较宽的波瓣宽度。在1.57GHz，E面(图9)和H面(图10)交叉极化隔离度分别为－15dB和－14dB，同时天线在H面为全向辐射、E面方向图为倒“8”字型，交叉极化隔离度在较宽的波瓣范围内较低。在2.4GHz(图11-12)，天线在上半平面(z>0)辐射左旋圆极化波，在下半平面(z<0)辐射右旋圆极化波，E面3-dB增益波瓣宽度约为90°。

Claims

1.一种顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，其特征在于：包括矩形的介质板（1）、设置于介质板（1）正面的树形贴片天线、设置于介质板（1）背面下部的矩形地板（3）以及设置于介质板（1）下边缘处的接线端子（6）；树形贴片天线包括左下天线臂（7）、右下天线臂（8）、左上天线臂（9）以及右上天线臂（10）；左下天线臂（7）、右下天线臂（8）、左上天线臂（9）以及右上天线臂（10）均倾斜向介质板（1）的上边缘伸展，且左下天线臂（7）与左上天线臂（9）相平行，右下天线臂（8）与右上天线臂（10）相平行；左下天线臂（7）和右下天线臂（8）的下端交汇，左上天线臂（9）和右上天线臂（10）的下端交汇，且交汇处由馈电微带线（2）连接至接线端子（6）；矩形地板（3）的下边缘中点处连接至接线端子（6）。

2.根据权利要求1所述的顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，其特征在于：在矩形地板（3）的左上角和右上角均设有三角形切角（4）。

3.根据权利要求1或2所述的顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，其特征在于：在矩形地板（3）的中心偏右处设有与其左右边缘相平行的条形缝隙（5）。

4.根据权利要求3所述的顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，其特征在于：条形缝隙（5）的缝隙宽度为0.8～1.0mm。

5.根据权利要求1或2所述的顶端加载的单馈双频双极化单极子微带天线，其特征在于：左下天线臂（7）的长度小于右下天线臂（8）的长度；左上天线臂（9）的长度小于右上天线臂（10）的长度。