CN209496996U - 一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，所述的天线包括底层的天线反射板，在天线反射板上布置两条中心连接并十字交叉的开口谐振环，四根同轴电缆的内芯分别焊接至两条开口谐振环的两端，且四个焊点呈中心对称分布，在开口谐振环的顶部为微带贴片。本实用新型所公开基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，整个天线为中心对称结构，并采用差分馈电及对称的谐振环激励贴片，具有尺寸小、结构紧凑，宽频带，高端口隔离度以及高方向图极化隔离度等优点，可以广泛应用于雷达和基站通信、卫星通信、无线局域网等无线通信领域。上层微带贴片为方形贴片，以便激励起相互正交的辐射模式。

Description

一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线

技术领域

本实用新型属于无线通信双极化天线领域，特别涉及该领域中的一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线。

背景技术

由于差分电路对白噪声、谐波噪声和共模噪声等都具有很好的抑制作用，因此其在微波电路及数字电路等领域中得到了广泛的应用。但是在传统的天线设计中，天线均为单端馈电，这会造成传统的单端天线无法和差分工作的通信系统直接相连接。如果需要把单端馈电的天线和差分通信系统相连接，则需要引入额外的单端差分转换装置，如具有输出差分相位功能的功率功分器，或者巴伦。但是引入功分器或者巴伦则会给差分工作的通信系统造成不必要的插入损耗、接入噪声和阻抗失配等一系列的问题。因此，直接设计出具有差分功能的天线对提高整个差分通信系统的性能具有非常重要的意义。

在传统的微带双极化天线设计过程中，高端口隔离度和高极化隔离度是双极化天线两个非常重要的指标。然而，这两个指标却常常和微带天线的宽频带特性相矛盾。常用的微带天线展宽带宽的方法是通过在贴片上开槽、加载短路探针、引入寄生贴片、或者在地板上开槽等方法引入新的谐振点，进而展开微带天线的工作带宽。然而，这样的设计方法引入到双极化天线设计中会造成天线不同端口间隔离度的恶化，以及天线方向图极化隔离度的恶化。而随着无线通信系统的不断发展，对双极化天线的要求越来越高。低剖面、宽带宽、高端口隔离度和高极化隔离度成为各个通信系统的挑战目标。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种既能应用于差分通信系统，又能克服展宽带宽与端口隔离度和极化隔离度间矛盾的基于开口谐振环的差分双极化贴片天线。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其改进之处在于：所述的天线包括底层的天线反射板，在天线反射板上布置两条中心连接并十字交叉的开口谐振环，四根同轴电缆的内芯分别焊接至两条开口谐振环的两端，且四个焊点呈中心对称分布，在开口谐振环的顶部为微带贴片。

进一步的，所述天线的天线反射板、开口谐振环和微带贴片可采用铜片、铝片或PCB介质板。

进一步的，四根同轴电缆的外皮焊接在天线反射板上。

进一步的，所述的微带贴片为方形贴片。

进一步的，开口谐振环的长度为天线工作中心频率处空气波长的二分之一长度，微带贴片的长度为天线工作中心频率处导波长的二分之一长度。

进一步的，所述天线的可工作频率带宽为3.19—3.79GHz、驻波比小于2、端口隔离度大于35dB、交叉极化电平值小于-33dB、反射系数小于-10dB、交叉极化在边射方向。

进一步的，两条开口谐振环采用电耦合、磁耦合或者电磁混合耦合的形式对顶部微带贴片进行耦合馈电，并激励起两个相互正交的辐射模式。

进一步的，该天线可以扩展为线阵、面阵以及其他形式的天线阵列。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，整个天线为中心对称结构，并采用差分馈电及对称的谐振环激励贴片，具有尺寸小、结构紧凑，宽频带，高端口隔离度以及高方向图极化隔离度等优点，可以广泛应用于雷达和基站通信、卫星通信、无线局域网等无线通信领域。上层微带贴片为方形贴片，以便激励起相互正交的辐射模式。

附图说明

图1是本实用新型实施例1所公开天线的三维立体结构示意图；

图2是本实用新型实施例1所公开天线的顶层示意图；

图3是本实用新型实施例1所公开天线的侧面示意图；

图4是本实用新型实施例1所公开天线仿真与测试的S参数结果图；

图5是本实用新型实施例1所公开天线仿真与测试的E面方向图数据图；

图6是本实用新型实施例1所公开天线仿真与测试的H面方向图数据图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，本实施例公开了一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，此天线由上层微带贴片，中间相互交叉并在中心处连接的开口谐振环，以及最下方的天线反射板组成。上层微带贴片为方形贴片并印刷在PCB介质板上，而开口谐振环和天线反射板则由铜片机械加工而成。此天线由四个差分的同轴电缆进行馈电，四根同轴电缆的外皮与天线反射板焊接、内芯则分别焊接至两条开口谐振环的两端，开口谐振环和同轴电缆的焊接位置（即馈电位置）呈中心对称分布。开口谐振环通过电耦合的形式把能量耦合至上层的微带贴片（即辐射贴片），并激励出两个相互正交的辐射模式，实现双极化辐射。

通过调整和优化天线的微带贴片尺寸、开口谐振环尺寸、微带贴片与天线反射板的距离、以及介质板的板材等，可以改善工作频带带宽、天线的端口隔离度、极化隔离度等天线性能：

通过调整上层微带贴片的尺寸，可对天线的输入阻抗和带宽进行调节。通常微带贴片的长度初始值为天线工作中心频率处导波长的二分之一长度。

通过调整开口谐振环的长度及其距离上层微带贴片的耦合距离，可对天线的输入阻抗和带宽进行调节。开口谐振环的长度为天线工作中心频率处空气波长的二分之一长度。

通过调整差分馈电同轴电缆的馈电位置，也即开口谐振环的抽头（焊接同轴电缆处）与同轴电缆（或SMA头）内芯的焊接位置，可对天线的输入阻抗和带宽进行调节。

天线端口的隔离度和天线方向图的极化隔离度通过天线的对称性，也即对称的十字交叉的开口谐振环、方形贴片、以及四个差分馈电的同轴电缆和开口谐振环的焊接位置得到保证。在实际加工制作天线的过程中，天线的对称性能越好，天线的端口隔离度和方向图的极化隔离度也就越高。此天线通过微带贴片天线和十字交叉的开口谐振环之间的相互作用，实现微带贴片的宽频带特性。

此天线的微带贴片、开口谐振环和天线反射板可采用金属铜片，铝片，PCB介质板等，均可获得同等辐射性能。

具体的说，图1为本实施例基于开口谐振环的差分双极化贴片天线的三维结构示意图。天线由印刷在PCB介质板上方的方形贴片1、十字交叉中心连接的开口谐振环2a和2b、天线反射板3、以及四根天线差分馈电同轴电缆4a、4b、4c、4d组成。差分馈电同轴电缆对4a和4c激励出一个方向上的极化辐射、对4b和4d激励出另外一个正交方向上的极化辐射。

通过调整方形贴片（即辐射贴片）1的长度，开口谐振环2a和2b的长度，开口谐振环2a和2b距离方形贴片1的距离，可以优化天线的阻抗带宽，得到宽频带阻抗响应。作为具体应用实例，本实施例的天线可工作在3.19-3.79GHz，其反射系数低于-10dB。

图2为本实施例基于开口谐振环的差分双极化贴片天线的顶层示意图。整个天线的结构，包括天线方形贴片1、十字交叉中心连接的开口谐振环2a和2b、以及天线的差分馈电同轴电缆4a、4b、4c和4d均为对称设置。这样可以保证天线获得良好的端口隔离度和方向图极化隔离度性能。作为具体应用实例，在本实施例的天线工作带宽范围内，其端口隔离度大于35dB，其交叉极化电平值小于-33dB。

图3为本实施例基于开口谐振环的差分双极化贴片天线的侧面视意图。十字交叉中心连接的开口谐振环2a和2b位于顶层方形贴片1的正下方，四根同轴电缆4a、4b、4c和4d分别与开口谐振环2a和2b相焊接。作为具体应用实例，方形贴片长度的设计初始值为天线工作中心频率处导波长的二分之一长度；开口谐振环的初始设计长度为天线工作中心频率处空气波长的二分之一长度。

图4为本实施例基于开口谐振环的差分双极化贴片天线仿真与测试的S参数结果图。天线的测试S参数结构与所设计的结构符合良好，天线测试的-10分贝反射系数带宽为3.19-3.79GHz。天线具有很高的端口隔离度，其端口隔离度高于35dB。

图5为本实施例基于开口谐振环的差分双极化贴片天线仿真与测试的E面方向图数据图，其对应频率为3.5GHz。图中实线为天线的测试方向图，虚线为天线的仿真方向图，其E面波瓣宽度为58度，其实测的交叉极化电平值在边射方向小于-33dB。

图6为本实施例基于开口谐振环的差分双极化贴片天线仿真与测试的H面方向图数据图，其对应频率为3.5 GHz。图中实线为天线的测试方向图，虚线为天线的仿真方向图，其E面波瓣宽度为72度，其实测的交叉极化电平值在边射方向小于-33dB。

Claims (8)

1.一种基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：所述的天线包括底层的天线反射板，在天线反射板上布置两条中心连接并十字交叉的开口谐振环，四根同轴电缆的内芯分别焊接至两条开口谐振环的两端，且四个焊点呈中心对称分布，在开口谐振环的顶部为微带贴片。

2.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：所述天线的天线反射板、开口谐振环和微带贴片可采用铜片或铝片。

3.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：四根同轴电缆的外皮焊接在天线反射板上。

4.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：所述的微带贴片为方形贴片。

5.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：开口谐振环的长度为天线工作中心频率处空气波长的二分之一长度，微带贴片的长度为天线工作中心频率处导波长的二分之一长度。

6.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：所述天线的可工作频率带宽为3.19—3.79GHz、驻波比小于2、端口隔离度大于35dB、交叉极化电平值小于-33dB、反射系数小于-10dB、交叉极化在边射方向。

7.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：两条开口谐振环采用电耦合、磁耦合或者电磁混合耦合的形式对顶部微带贴片进行耦合馈电，并激励起两个相互正交的辐射模式。

8.根据权利要求1所述基于开口谐振环的差分双极化贴片天线，其特征在于：该天线可以扩展为线阵或面阵形式的天线阵列。