小型化寬帶平面雙極化天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種小型化寬帶平面雙極化天線，從上至下依次包括正方形上層介質(zhì)板、空氣層、正方形下層介質(zhì)板、金屬地板，上層介質(zhì)板上表面設(shè)有兩個(gè)上層正方形金屬貼片及一個(gè)正方形金屬環(huán)，上層介質(zhì)板下表面設(shè)有兩個(gè)下層正方形金屬貼片，上下表面的四個(gè)正方形金屬貼片按正方形排列，正方形金屬環(huán)將四個(gè)正方形金屬貼片包圍于內(nèi)部中心，正方形金屬環(huán)和四個(gè)正方形金屬貼片之間設(shè)有間隙，本發(fā)明提出了一種印刷形式的偶極子雙極化天線；經(jīng)過HFSS仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的雙極化天線能夠覆蓋2GHz?3.1GHz，相對(duì)帶寬大于40％，隔離度在帶寬內(nèi)大于30dB，交叉極化小于?28dB，而天線輻射體包含介質(zhì)板尺寸僅為0.345λ0，這是目前公開發(fā)表論文和發(fā)明中尺寸最小的。
【專利說明】
小型化寬帶平面雙極化天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種基于印刷偶極子形式的小型化寬帶平面雙極化天線，適用于工作在無線通信系統(tǒng)，尤其適用于工作在MIMO系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前的通信領(lǐng)域?qū)μ炀€技術(shù)發(fā)展提出了諸多要求，基站天線一般采用雙極化天線形式。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，采用極化與空間兩個(gè)維度分集，簡(jiǎn)而言之是由雙極化天線以一定的排布方式組成MMO系統(tǒng)的一端，以達(dá)到高的分集增益。本發(fā)明正是基于上述需求，設(shè)計(jì)了用于基站通信的寬帶平面雙極化天線，具體來說是基于印刷偶極子形式的寬帶平面雙極化天線。
[0003]雙極化天線技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。其實(shí)現(xiàn)方式主要包括微帶貼片天線和正交偶極子天線兩種。而微帶貼片形式的雙極化天線設(shè)計(jì)基本上集中于饋電的設(shè)計(jì)。20 I 2年Changliang Deng等設(shè)計(jì)了一個(gè)高隔離的全向福射雙極化天線，其采用修正電容親合結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。2013年，X1-Wang Dai等設(shè)計(jì)了一個(gè)高隔離的全向福射雙極化天線，饋電采用的是六位功分器。2015年，Lan Cui等設(shè)計(jì)了一個(gè)輻射方向圖為圓錐形的寬帶圓形貼片天線，采用環(huán)形饋電技術(shù)。2016年，He Huang等設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶雙極化全向天線，饋電采用四位功分器。這些天線性能雖然良好，但是饋電結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，對(duì)加工條件要求很高，導(dǎo)致加工成本不可控制、批量生產(chǎn)困難。
[0004]當(dāng)前關(guān)于印刷偶極子形式的雙極化天線設(shè)計(jì)集中在平面化，小型化，寬帶等。關(guān)注小型化與寬帶，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中僅對(duì)輻射體，即金屬部分尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，目前公開發(fā)表的論文或發(fā)明金屬部分尺寸保持在0.36λο以上，而通常情況下，負(fù)載金屬的介質(zhì)板大于該尺寸。大的輻射體就迫使天線地板尺寸加大以保證天線的方向性。這就導(dǎo)致了印刷偶極子的雙極化天線難以在保證帶寬的同時(shí)做到平面化和小型化。
[0005]2013年，X.L.Jiang等人在“A low-cost dual-polarized array antenna etchedon a single substrate”中提出了一種四葉草縫隙天線，相對(duì)帶寬為23.5%(SWR〈2)，天線尺寸為100*1001111112(0.75人()*0.75人())，地板尺寸為300*3001111112。2014年￥.!1.(:11丨等人在1Broadband Dual-Polarized Planar Antenna for 2G/3G/LTE Base Stat1ns，，提出了一種由兩對(duì)領(lǐng)結(jié)單元組成的雙極化天線，相對(duì)帶寬為56%(3胃1?〈1.5)，天線尺寸為56*561111112(0.42λ0*0.42λ0)，地板尺寸為134*134mm2。2014年，Z.D.Bao等人在 “A Novel BroadbandDual-Po larizat 1n AntennaUtilizing Strong Mutual Coupling，，提出了一種具有金屬地板的雙極化天線，相對(duì)帶寬為57.5%(3胃1?〈1.5)，天線尺寸為49.7*49.71111112(0.386入0*0.386λ0)，地板尺寸為 3 00* 145mm2。2015 年，Y.Liu 等人在 “Wideband Dual-polarizedPlanar Antenna for Base Stat1ns”提出了一種雙臂圓形開槽雙極化天線，。相對(duì)帶寬為48.2%(5體〈1.4)，天線尺寸為50*501111112(0.36人()*0.36人())，地板尺寸為130*1301111112。2015年，M.J.Li等人在“Wideband Magnetoelectric Dipole Antennas With Dual Polarizat1nand Circular Polarizat1n”提出了一種磁偶極子雙極化天線，相對(duì)帶寬為48% (SffR<1.5)，天線尺寸為60.5*60.5mm2(0.45λ0*0.45λ0)，地板尺寸為300*145mm2。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的是:鑒于上述技術(shù)背景及要求，提出了基于印刷偶極子形式的小型化寬帶平面雙極化天線。具體來說，采用兩組印刷偶極子來組成寬帶平面雙極化天線，為了完成小型化，引入了環(huán)形寄生結(jié)構(gòu)。天線本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做到充分的小型化。
[0007]對(duì)偶極子的阻抗匹配，有兩種思路，一個(gè)是在饋電部分引入一定的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于引入激勵(lì)的復(fù)雜度，來實(shí)現(xiàn)一定的阻抗匹配。第二種思路為在天線輻射部分引入一定的結(jié)構(gòu)，使得阻抗匹配得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上是在結(jié)構(gòu)或者饋電中加入復(fù)雜性或者自由度，完成小型化，平面化的設(shè)計(jì)。兩種方法各有特點(diǎn)。本發(fā)明采用在輻射結(jié)構(gòu)外圍加入環(huán)的方法，引入第二個(gè)諧振點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。但是這種天線形式由于結(jié)構(gòu)緊湊，模式之間相互影響，帶寬均有降低。為了解決此問題，引入空氣層。
[0008]對(duì)于隔離的問題，原則上如果兩個(gè)相互正交的模式被準(zhǔn)確的激勵(lì)起來，其源分布，輻射場(chǎng)分布都相互正交。隔離度將達(dá)到相當(dāng)高的水平。但是在實(shí)現(xiàn)過程中，由于饋電結(jié)構(gòu)的引入，造成模式純度有限，破壞了模式的純度，正交性也因此被破壞。表現(xiàn)出的就是端口隔離降低。與此同時(shí)，在偶極子形式的雙極化天線的激勵(lì)中，饋電的安排極大的影響了結(jié)構(gòu)的平面化。這個(gè)問題的解決方法為:將兩個(gè)偶極子的一個(gè)臂印刷在貼片一面，另外一個(gè)臂印刷于貼片另外一面(偶極子的一個(gè)臂即一個(gè)正方形貼片)。而通過介質(zhì)板上的通孔，采用微帶形式的饋電，避免類似跳線的結(jié)構(gòu)，使得天線形式完全平面化，而對(duì)輻射特性基本上不影響。饋電方式采用雙端口同軸探針饋電，與常見的平行貼片的饋電方式相同，在上層貼片與地板上加激勵(lì)。根據(jù)電流分布安排饋電，保證簡(jiǎn)并的模式被獨(dú)立的激勵(lì)。
[0009]正交偶極子形式的雙極化天線正是將這種天線結(jié)構(gòu)兩種極化正交的模式分別激勵(lì)起來，實(shí)現(xiàn)的雙極化輻射特性。
[0010]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0011]—種小型化寬帶平面雙極化天線，從上至下依次包括正方形上層介質(zhì)板、空氣層、正方形下層介質(zhì)板、金屬地板，所述上層介質(zhì)板上表面設(shè)有兩個(gè)上層正方形金屬貼片及一個(gè)正方形金屬環(huán)，上層介質(zhì)板下表面設(shè)有兩個(gè)下層正方形金屬貼片，所述上下表面的四個(gè)正方形金屬貼片按正方形排列，所述正方形金屬環(huán)將所述四個(gè)正方形金屬貼片包圍于內(nèi)部中心，且正方形金屬環(huán)和四個(gè)正方形金屬貼片之間設(shè)有間隙，處于對(duì)角線上的兩個(gè)正方形貼片之間用饋電貼片連接，饋電貼片和同軸饋電線連接，饋電貼片上設(shè)有饋電端口。
[0012]作為優(yōu)選方式，上層介質(zhì)板介電常數(shù)為4.4，上層介質(zhì)板邊長(zhǎng)Ll= 41.4mm、厚度tl= 0.8mmo
[0013]作為優(yōu)選方式，金屬環(huán)的外邊沿與上層介質(zhì)板外邊沿重合，金屬環(huán)每條邊的寬度W3 = l.2mm0
[0014]作為優(yōu)選方式，正方形貼片邊長(zhǎng)L2= 17.5mm，相鄰貼片之間的距離Wl = lmm，貼片外邊沿與金屬環(huán)內(nèi)邊沿的距離W2 = 1.5mm。
[0015]作為優(yōu)選方式，饋電貼片的長(zhǎng)L4 = 2.914mm、寬W4 =Imm，饋電端□距離饋電貼片邊沿 fr = 0.69mm。
[0016]作為優(yōu)選方式，下層介質(zhì)板與上層介質(zhì)板材料相同，下層介質(zhì)板介電常數(shù)為4.4，下層介質(zhì)板邊長(zhǎng)L3 = 100mm、厚度t2 = 1mm。
[0017]作為優(yōu)選方式，金屬地板為正方形，金屬地板邊長(zhǎng)L3 = 100mm。
[0018]作為優(yōu)選方式，空氣層厚度h= 30mm。
[0019]作為優(yōu)選方式，正方形上層介質(zhì)板、空氣層、正方形下層介質(zhì)板、金屬地板通過四個(gè)尼龍螺釘連接成一體。
[0020]作為優(yōu)選方式，上層介質(zhì)板上方的四個(gè)角設(shè)有四個(gè)與尼龍螺釘配合的通孔，通孔半徑為r = Imm，介質(zhì)板同一邊上相鄰兩個(gè)通孔之間的距離L5 = 36.7mm。
[0021]本天線的上述設(shè)計(jì)尺寸是通過分析電流加上HFSS仿真之后的優(yōu)選尺寸。
[0022]本文設(shè)計(jì)首次提出加入寄生環(huán)完成平面偶極子形式雙極化天線的小型化設(shè)計(jì)，通過此結(jié)構(gòu)的加入，偶極子天線的尺寸縮減到0.34λο。同時(shí)該設(shè)計(jì)可以引入類似結(jié)構(gòu)中完成雙極化天線小型化設(shè)計(jì)。
[0023]與以前公開的發(fā)明專利和論文相比，本發(fā)明的小型化寬帶雙極化天線主要針對(duì)饋電復(fù)雜和天線尺寸過大的問題。在饋電方面采用印刷偶極子的天線形式，通過介質(zhì)板的通孔，避免跳線來使天線形式完全平面化;在尺寸方面，通過寄生結(jié)構(gòu)的引入，本發(fā)明的寬帶平面雙極化天線是目前公開論文或發(fā)明中尺寸最小的，相對(duì)帶寬為55.8% (SWR〈2)，天線尺寸為41.4*41.4mm2(0.345λο*0.345λο)，地板尺寸為100*100mm2。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝成熟、穩(wěn)定，適用于工作無線通信系統(tǒng)，尤其適用于工作在MIMO系統(tǒng)。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:提出了一種印刷形式的偶極子雙極化天線。經(jīng)過HFSS仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的雙極化天線能夠覆蓋2GHz-3.1GHz，相對(duì)帶寬大于40%，隔離度在帶寬內(nèi)大于30dB，交叉極化小于_28dB，而天線輻射體包含介質(zhì)板尺寸僅為0.345λ0，這是目前公開發(fā)表論文和發(fā)明中尺寸最小的。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的俯視圖；
[0026]圖2為本發(fā)明饋電部分的局部放大圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的側(cè)視圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的主輻射結(jié)構(gòu)沒有加金屬環(huán)的特征值分布圖；
[0029]圖5為本發(fā)明主輻射結(jié)構(gòu)加上金屬環(huán)的特征值分布圖；
[0030]圖6為本發(fā)明的S參數(shù)分布圖；
[0031]圖7為本發(fā)明兩個(gè)端口的輻射方向圖；
[0032]圖8為本發(fā)明兩個(gè)端口的輻射效率。
[0033]圖9為本發(fā)明兩個(gè)端口的增益圖；
[0034]I為上層正方形金屬貼片，2為金屬環(huán)，3為饋電貼片，4為饋電端口，5為下層正方形金屬貼片，6為上層介質(zhì)板，7為同軸饋電線，8為尼龍螺釘，9為下層介質(zhì)板，10為金屬地板，11為空氣層，12為通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0036]一種小型化寬帶平面雙極化天線，從上至下依次包括正方形上層介質(zhì)板6、空氣層
11、正方形下層介質(zhì)板9、金屬地板10，所述上層介質(zhì)板上表面設(shè)有兩個(gè)上層正方形金屬貼片I及一個(gè)正方形金屬環(huán)2，上層介質(zhì)板下表面設(shè)有兩個(gè)下層正方形金屬貼片5，所述上下表面的四個(gè)正方形金屬貼片按正方形排列，所述正方形金屬環(huán)2將所述四個(gè)正方形金屬貼片包圍于內(nèi)部中心，且正方形金屬環(huán)2和四個(gè)正方形金屬貼片之間設(shè)有間隙，處于對(duì)角線上的兩個(gè)正方形貼片之間用饋電貼片3連接，饋電貼片3和同軸饋電線7連接，饋電貼片上設(shè)有饋電端口 4。
[0037]上層介質(zhì)板介電常數(shù)為4.4，上層介質(zhì)板邊長(zhǎng)Ll=41.4mm、厚度tl=0.8mm。
[0038]金屬環(huán)2的外邊沿與上層介質(zhì)板外邊沿重合，金屬環(huán)每條邊的寬度W3= 1.2mm。
[0039]正方形貼片邊長(zhǎng)L2 = 17.5mm，相鄰貼片之間的距離Wl = 1mm，貼片外邊沿與金屬環(huán)內(nèi)邊沿的距離W2 = 1.5mm。
[0040]饋電貼片的長(zhǎng)L4 = 2.914mm、寬W4= 1mm，饋電端口 4距離饋電貼片邊沿fr =
0.69mm。
[0041 ]下層介質(zhì)板與上層介質(zhì)板材料相同，下層介質(zhì)板介電常數(shù)為4.4，下層介質(zhì)板邊長(zhǎng)1^3 = 100臟、厚度七2 = 1111111。
[0042]金屬地板10為正方形，金屬地板邊長(zhǎng)L3 = 100mm。
[0043]空氣層11厚度h = 30mm。
[0044]正方形上層介質(zhì)板、空氣層、正方形下層介質(zhì)板、金屬地板通過四個(gè)尼龍螺釘8連接成一體。
[0045]上層介質(zhì)板上方的四個(gè)角設(shè)有四個(gè)與尼龍螺釘配合的通孔12，通孔半徑為r=1mm，介質(zhì)板同一邊上相鄰兩個(gè)通孔之間的距離L5 = 36.7mm。
[0046]本天線的上述設(shè)計(jì)尺寸是通過分析電流加上HFSS仿真之后的優(yōu)選尺寸。
[0047]本發(fā)明的工作原理是這樣的:天線結(jié)構(gòu)主輻射結(jié)構(gòu)由四個(gè)正方形貼片組成，而為了阻抗匹配引入了金屬環(huán)。天線本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做到充分的小型化。將兩個(gè)偶極子的一個(gè)臂印刷在貼片一面，另外一個(gè)臂印刷于貼片另外一面(偶極子的一個(gè)臂即一個(gè)正方形貼片)，而通過介質(zhì)板上的通孔，采用微帶形式的饋電，避免類似跳線的結(jié)構(gòu)，使得天線形式完全平面化，而對(duì)輻射特性基本上不影響。采用金屬環(huán)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，既不增加饋電的復(fù)雜性又成功加大了帶寬。
[0048]圖1、2和3示例性地描述了小型化寬帶平面雙極化天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
[0049]圖4、5分別為本發(fā)明小型化寬帶平面雙極化天線的主輻射結(jié)構(gòu)沒有加和加了金屬環(huán)的特征值分布圖。在圖4中，偶極子對(duì)應(yīng)的特征值集中在特征值為-0.5附近的曲線，只是模式序號(hào)變化了。模式I在2.8GHz附近迅速衰減畸變，而模式4由幾乎在同一個(gè)頻點(diǎn)迅速由原來的電流分布畸變?yōu)榕紭O子模式。而在圖5中，特征值也集中在-0.5附近，不同的是在單純的雙極化天線中，模式并沒有諧振。而在在加入金屬環(huán)之后，模式諧振在2.75GHz附近。這就造成了兩種結(jié)構(gòu)不同的阻抗特性。
[0050]圖6為本發(fā)明小型化寬帶平面雙極化天線的S參數(shù)分布圖?？梢钥闯觯炀€阻抗帶寬可以達(dá)到40%以上(2-3.1GHz)。
[0051]圖7為本發(fā)明小型化寬帶平面雙極化天線兩個(gè)端口的輻射方向圖。從圖中發(fā)現(xiàn)，端口隔離大于30dB。同時(shí)交叉極化水平可以保持在-28dB以下。方向圖在整個(gè)帶寬內(nèi)保持穩(wěn)定。
[0052]圖8為本發(fā)明小型化寬帶平面雙極化天線兩個(gè)端口輻射效率圖，兩個(gè)端口在工作頻帶內(nèi)輻射效率均大于0.97。
[0053]圖9為本發(fā)明小型化寬帶平面雙極化天線兩個(gè)端口的峰值增益圖。天線兩個(gè)端口在測(cè)試面內(nèi)的峰值增益為8.1dBi0
[0054]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:從上至下依次包括正方形上層介質(zhì)板(6)、空氣層(11)、正方形下層介質(zhì)板(9)、金屬地板(10)，所述上層介質(zhì)板上表面設(shè)有兩個(gè)上層正方形金屬貼片(I)及一個(gè)正方形金屬環(huán)(2)，上層介質(zhì)板下表面設(shè)有兩個(gè)下層正方形金屬貼片(5)，所述上下表面的四個(gè)正方形金屬貼片按正方形排列，所述正方形金屬環(huán)(2)將所述四個(gè)正方形金屬貼片包圍于內(nèi)部中心，且正方形金屬環(huán)(2)和四個(gè)正方形金屬貼片之間設(shè)有間隙，處于對(duì)角線上的兩個(gè)正方形貼片之間用饋電貼片(3)連接，饋電貼片(3)和同軸饋電線(7)連接，饋電貼片上設(shè)有饋電端口(4)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:上層介質(zhì)板介電常數(shù)為4.4，上層介質(zhì)板邊長(zhǎng)LI =41.4mm、厚度11=0.8mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:金屬環(huán)(2)的外邊沿與上層介質(zhì)板外邊沿重合，金屬環(huán)每條邊的寬度W3 = 1.2mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:正方形貼片邊長(zhǎng)L2= 17.5mm，相鄰貼片之間的距離Wl = 1mm，貼片外邊沿與金屬環(huán)內(nèi)邊沿的距離W2 = 1.5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:饋電貼片的長(zhǎng)L4=2.914mm、寬W4 = Imm，饋電端口(4)距離饋電貼片邊沿fr = 0.69mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:下層介質(zhì)板與上層介質(zhì)板材料相同，下層介質(zhì)板介電常數(shù)為4.4，下層介質(zhì)板邊長(zhǎng)L3 = 100mm、厚度t2 = 1mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:金屬地板(10)為正方形，金屬地板邊長(zhǎng)L3 = I OOmm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:空氣層(11)厚度h=30mmο9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:正方形上層介質(zhì)板、空氣層、正方形下層介質(zhì)板、金屬地板通過四個(gè)尼龍螺釘(8)連接成一體。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的小型化寬帶平面雙極化天線，其特征在于:上層介質(zhì)板上方的四個(gè)角設(shè)有四個(gè)與尼龍螺釘配合的通孔(12)，通孔半徑為r=lmm，介質(zhì)板同一邊上相鄰兩個(gè)通孔之間的距離L5 = 36.7mm。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK105846075SQ201610364563
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】楊德強(qiáng), 曾慧靈, 屈家峰, 文宇波, 潘錦, 劉賢峰, 耿東東, 王清松, 楊天明
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)