CN106684543A - 一种低剖面、宽带、圆极化交叉偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线。该天线包括交叉偶极子辐射体、两层介质基板和不规则反射板。所述的交叉偶极子辐射体由位于上层介质基板上下表面的阶梯状矩形贴片和相位延迟线组成，其中相位延迟线提供90°相位差从而形成圆极化辐射，阶梯状矩形贴片能够使天线产生双频的3dB轴比（Axial Ratio，AR）通带，而下层介质基板的引入可以将这两段轴比通带融合起来从而使天线轴比带宽极大增加，最后通过不规则反射板的设计使得天线的增益得到很好的改善。本发明创造性地设计阶梯状矩形贴片偶极子，天线结构简单，未使用复杂的馈电电路，高度仅0.13l0，10dB阻抗带宽达到66.9%，3dB轴比带宽达到55.1%，天线通带内平均增益为10.4dBi。
Description
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域的天线，特别涉及一种可应用于移动通信的低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线。
背景技术
近年来，交叉偶极子天线由于其良好的圆极化特性从而受到广泛关注。为了满足现代无线通信系统的需要，各种宽带交叉偶极子天线被相继提出。增加带宽的技术主要有两种：一是利用各种寄生单元，二是采用较宽的平面偶极子。通过这些方法得到的天线带宽较宽，但是它们的剖面都比较高。高剖面天线不适合共面，而且所受风阻也更大。为了降低天线的高度，人们采用人工磁导体（AMC）作为交叉偶极子天线的反射板。但是此时天线带宽往往会被极大减小。
因此，研究如何在低剖面的条件下实现宽带交叉偶极子天线具有重要的意义。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，提供一种可应用于移动通信的低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线。
本发明所采用的技术方案如下。
一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其包括第一介质基板、第二介质基板、在第一介质基板上下表面分别蚀刻的交叉偶极子、位于第一介质基板和第二介质基板之间的尼龙支撑柱、在第二介质基板下表面蚀刻的反射板；两个交叉偶极子均是由相位延迟线连接两个相同的阶梯状矩形贴片构成，分别位于第一介质基板上下表面；阶梯状矩形贴片通过相位延迟线馈电产生90°相位差，从而产生双频圆极化辐射；第二介质基板位于第一介质基板下面并且和第一介质基板之间有空气间隙，且第二介质基板能够使阶梯状矩形贴片产生的双频轴比通带连接起来形成更宽的轴比带宽；反射板位于第二介质基板下表面，能改善天线的高频增益，从而使天线整个通带内的增益提高；天线直接采用同轴电缆馈电。
进一步地，相位延迟线是折线或弧线，其长度l满足1/4lg-1/16lg<l<1/4lg+1/10lg，其中lg是天线中心频率对应微带线中的波长。
进一步地，阶梯状矩形贴片是由两个不同尺寸的矩形构成。
进一步地，四个相同结构的阶梯状矩形贴片是按照连续旋转90°的方向排列。
进一步地，第一介质基板和第二介质基板之间是通过尼龙支撑柱连接起来的，中尼龙支撑柱尺寸（截面半径/边长）比两端大，而中间部分的高度能根据第一介质基板和第二介质基板之间的间隔进行选取。
进一步地，位于第一介质基板和反射板之间的第二介质基板能由两层或两层以上的不同介电常数的介质基板代替。
进一步地，天线的反射板是不规则的形状。
进一步地，反射板的四个角是阶梯形状或渐变形状（如圆弧）。
进一步地，天线的反射板是通过在矩形反射板的四个角上去掉相同阶梯图案而得到的形状。
进一步地，位于第一介质基板上表面的阶梯状矩形贴片与同轴电缆的内导体相连，而位于第一介质基板下表面的阶梯状矩形贴片以及反射板则与同轴电缆的外导体相连。
本发明的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，所述的交叉偶极子辐射体由位于上层介质基板上下两个表面的阶梯状矩形贴片和相位延迟线组成，其中相位延迟线提供90°相位差从而产生圆极化辐射，阶梯状矩形贴片能够使天线产生双频的轴比通带；而下层的介质基板可以将双频轴比通带融合起来使得天线带宽极大增加，最后通过不规则反射板的设计则使得天线在通带内的增益得到很好的改善。
相关已公开的天线发明专利和实用新型专利，都未采用上述的方法实现增加带宽和提高增益的效果。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.采用阶梯状矩形贴片产生双频的轴比通带，并且通过在反射板和辐射单元之间引入介质基板使得双频3dB轴比通带融合在一起，形成宽带圆极化辐射；
2.通过在规则矩形金属反射板的四个角落去掉相同部分金属得到不规则的反射板结构，提高了天线通带内的整体增益；
3.所述圆极化交叉偶极子天线具有低剖面、宽带、高增益的特点。天线整体高度~0.13l0，10dB阻抗带宽达到66.9%，3dB的轴比带宽达到55.1%，单个天线平均增益为10.4dBi。
附图说明
图1是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例的侧视图；
图2是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例的辐射体的俯视图；
图3是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例的反射板的示意图；
图4是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例的S11参数的仿真和测试曲线图；
图5是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例的轴比参数的仿真和测试曲线图；
图6是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例的增益参数的仿真和测试曲线图；
图7a～图7c分别是本发明圆极化交叉偶极子天线具体实施例在4.2GHz，5.5GHz，7.0GHz的归一化辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术细节进行清晰、详尽的说明，所描述的实施例仅是本发明中的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线。，包括第一介质基板2、第二介质基板4、在第一介质基板2上下表面分别蚀刻的交叉偶极子1、位于第一介质基板2和第二介质基板4之间的尼龙支撑柱3、在第二介质基板4下表面蚀刻的反射板5；两个交叉偶极子1均是由相位延迟线8连接两个相同的阶梯状矩形贴片7构成，分别位于第一介质基板2上下表面；阶梯状矩形贴片7通过相位延迟线8馈电产生90°相位差，从而产生双频圆极化辐射；第二介质基板4位于第一介质基板2下面并且和第一介质基板2之间有空气间隙，且第二介质基板4能够使阶梯状矩形贴片7产生的双频轴比通带连接起来形成更宽的轴比带宽；反射板5位于第二介质基板4下表面，能改善天线的高频增益，从而使天线整个通带内的增益提高；天线直接采用同轴电缆6馈电。第一介质基板和第二介质基板之间是通过尼龙支撑柱3连接起来的。位于第一介质基板2上表面的阶梯状矩形贴片7与同轴电缆6的内导体相连，而位于第一介质基板2下表面的阶梯状矩形贴片7以及反射板5则与同轴电缆6的外导体相连。
参阅图1，本实施例的侧视图，第一介质基板2的厚度h1= 0.813mm（可采用PCB板RO4003），第二介质基板4的厚度h2=3mm（可采用覆铜箔板F4T），天线整体高度~7.113 mm，剖面低。参阅图2，本实施例的辐射体的俯视图，辐射体采用交叉偶极子1，交叉偶极子1由位于上层第一介质基板2上下表面的阶梯状矩形贴片7和相位延迟线8组成，其中相位延迟线8是为了提供90°相位差从而产生圆极化辐射，阶梯型矩形贴片7产生两个相隔比较近的轴比通带。本实施例得到一个优化的尺寸:大矩形的尺寸为19mm×13.8mm,小矩形的尺寸为12.5mm×7.8mm。
参阅图3，本实施例的反射板5，其位于下层第二介质基板4的下表面。反射板5并不是传统的规则金属反射板，而是一个不规则的形状，它是通过在规则矩形反射板的四个角去掉相同图案而得到。
进一步优化实施地，调节反射板尺寸进一步改善高频增益，最终使整个天线在通带内的增益得到很大提高。
参照图4，本发明实施例仿真与测试的|S11| 参数较为吻合，测试结果在高频部分稍微有频偏，这是由实际加工和实验误差所致。测试的10 dB阻抗带宽为66.9%而仿真的结果为66.4%。参照图5，本发明实施例仿真与测试的3dB轴比参数同样较为吻合，测试的3dB轴比带宽为55.1%而仿真的结果为57.3%。而且测试的轴比通带整个位于阻抗通带内，因此均为可用带宽。参照图6，本发明实施例仿真与测试的增益曲线比较吻合，测试通带内平均增益为10.4dBi且3-dB增益带宽为53.6%。参阅图7a~图7c，在通带内三个不同频率4.2GHz，5.5GHz，7.0GHz的归一化辐射方向图。随着频率增加，由于高次模激励导致天线的旁瓣增加，从而使得天线的波束变窄。但是天线的最大辐射方向保持在辐射体的正上方，此方向上主极化比交叉极化大15 dBi 以上。
本发明创造性地设计阶梯状矩形贴片偶极子，天线结构简单，未使用复杂的馈电电路，高度仅0.13l0，10dB 阻抗带宽达到66.9%，3dB轴比带宽达到55.1%，天线通带内平均增益为10.4dBi
本发明提供的实施例应用于无线移动通信领域，可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，可以得到很好的圆极化性能。
Claims (10)
1.一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于包括第一介质基板（2）、第二介质基板（4）、在第一介质基板（2）上下表面分别蚀刻的交叉偶极子（1）、位于第一介质基板（2）和第二介质基板（4）之间的尼龙支撑柱（3）、在第二介质基板（4）下表面蚀刻的反射板（5）；两个交叉偶极子（1）均是由相位延迟线（8）连接两个相同的阶梯状矩形贴片（7）构成，分别位于第一介质基板（2）上下表面；阶梯状矩形贴片（7）通过相位延迟线（8）馈电产生90°相位差，从而产生双频圆极化辐射；第二介质基板（4）位于第一介质基板（2）下面并且和第一介质基板（2）之间有空气间隙，且第二介质基板（4）能够使阶梯状矩形贴片（7）产生的双频轴比通带连接起来形成更宽的轴比带宽；反射板（5）位于第二介质基板（4）下表面，能改善天线的高频增益，从而使天线整个通带内的增益提高；天线直接采用同轴电缆（6）馈电。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，相位延迟线（8）是折线或弧线，其长度l满足1/4lg-1/16lg<l<1/4lg+1/10lg，其中lg是天线中心频率对应微带线中的波长。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，阶梯状矩形贴片（7）是由两个不同尺寸的矩形构成。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，四个相同结构的阶梯状矩形贴片（7）是按照连续旋转90°的方向排列。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，第一介质基板（2）和第二介质基板（4）之间是通过尼龙支撑柱（3）连接起来的。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，位于第一介质基板（2）和反射板（5）之间的第二介质基板（4）能由两层或两层以上的不同介电常数的介质基板代替。
7.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，天线的反射板（5）是不规则的形状。
8.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，反射板（5）的四个角是阶梯形状或渐变形状。
9.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，天线的反射板（5）是通过在矩形反射板的四个角上去掉相同阶梯图案而得到的形状。
10.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益、圆极化交叉偶极子天线，其特征在于，位于第一介质基板（2）上表面的阶梯状矩形贴片（7）与同轴电缆（6）的内导体相连，而位于第一介质基板（2）下表面的阶梯状矩形贴片（7）以及反射板（5）则与同轴电缆（6）的外导体相连。
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