CN102856640A

CN102856640A - 一种带有寄生圆片的高隔离度双极化e型微带天线

Info

Publication number: CN102856640A
Application number: CN2012103649039A
Authority: CN
Inventors: 杨仕文; 苟俨山; 刘传; 石星宇; 顾爱军; 李潇; 何小峰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: CN102856640B

Abstract

本发明公开了一种带有寄生圆片的高隔离度双极化E型微带天线。该天线具有隔离度高、低交叉极化、尺寸小、结构简单的优点。该天线采用双层E型贴片形式，分别在上层介质板的上下两面印有E型贴片，且开槽方向正交,通过同轴探针馈电分别产生了±45°方向的两个线极化，本发明最大的创新在于在同一块介质板的两面各印有一个E型贴片，将传统的单极化E型贴片天线拓展到双极化E型贴片天线，并获得了高隔离度，以及低交叉极化特性。在回波损耗低于-15dB的情况下可达7.7%的带宽，隔离度低于-30dB，方向图稳定，交叉极化好、增益在6.8dBi-7.4dBi。本发明可应用于微型移动基站中。

Description

一种带有寄生圆片的高隔离度双极化E型微带天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种双极化微带天线，具体来说是一种可用于微型移动基站的高隔离度双极化E型微带天线。

背景技术

微基站(Pico)具有体积小、功率小、重量轻、便于携带和安装的特点，适用于热点地区和室内覆盖场合。同时，微基站(Pico)可以很好地解决当前建网所遇到的快速补盲、热点话务收发、低成本覆盖的难点问题。微基站(Pico)作为基站与手机用户之间的中继转发站，主要是对所在地基站或用户手机的射频信号进行接收、放大和重发，以增大场强，较低成本地解决各种原因形成的通信盲区，提高接通率，扩大基站服务区的覆盖范围，达到服务区延伸的目的。随着国内网络建设的不断发展，网络深度覆盖成为运营商的主要目标。微基站(Pico)在网络建设和网络优化过程中发挥着至关重要的作用。微基站天线多采用±45°双极化方式，双极化天线能同时形成一对极化正交、频率相同的工作模式。由于双极化天线特有的优点，能接收电磁波中的全部极化信息，有很强的抗干扰、提高***灵敏度以及构成变极化***等能力，因此引起了人们的广泛兴趣。

微带天线因为剖面低，易加工，一致性好，极化易控制等特点，常被用于实现双极化天线，易于满足微基站小型化、低成本的要求。但如何提高两个极化之间的隔离度，则是双极化微带天线面临的主要问题。为此，在实现高隔离度双极化微带天线方面，武汉虹信通信技术有限责任公司在专利CN201188461Y中公布了一种高隔离度双极化微带天线的馈电结构。采用反相馈电结构消除双极化微带天线端口间的天线单元本身内部干扰和阵列干扰，从而提高隔离度和交叉极化。此天线两端口间在工作频段内隔离度低于-28dB。但是由于功分器的引入，使得天线结构复杂并且其辐射性能也有所降低。南京理工大学在专利CN201536151U中公布了一种应用于X波段的双极化低互耦微带天线单元，通过对传统H型槽耦合馈电双极化微带天线进行改进，将H槽改成介于U与H之间的槽，实现了高隔离度特性，在工作频带内低于-40dB。但是此种结构由于多层介质板的引入，加上开槽引入的空气间隙对天线性能的影响非常大，这使得仿真与实测的结果出入很大，并且采用的加工方式成本也高。华为终端有限公司在专利CN102110906A中公布了一种成本低，加工容易的双极化微带天线。通过切角大小及个数来提高隔离度，在3.3GHz-3.7GHz之间隔离度达到25dB，相对较低。Yang Fan在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION，2001.发表的题为“Wide-Band E-Shaped Patch Antennas forWireless Communications”中介绍了一种E型槽单贴片微带天线单元，该天线工作带宽为2.2GHz-2.7GHz。但是剖面高，且不具有双极化特性。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景，目的在于对满足低成本、低剖面、小型化的双极化微带天线如何提高隔离度的问题进行了研究，提出了一种带有寄生圆片的高隔离度的双极化E型贴片天线。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种带有寄生圆片的高隔离度的双极化E型贴片天线单元，包括上层介质板和下层介质板，所述的上层介质板由至少三个塑料螺丝支撑并置于下层介质板的上方；所述上层介质板的上下两个表面分别印有开槽方向-45°的E形贴片和开槽方向+45°的E形贴片，下层介质板的上表面印有圆形贴片，下表面全部覆铜作为金属反射板，所述的开槽方向-45°的E形贴片和开槽方向+45°的E形贴片分别与其中一个探针相连并通过贴片本身的圆孔分别与另一个探针之间保持间隙，所述的圆形贴片通过其上面的两个圆孔使得它与两个探针之间都保持间隙。

进一步的技术方案是：所述的开槽方向-45°的E形贴片和开槽方向+45°的E形贴片的E型槽呈正交状态，且各个槽的长度不一样。

进一步的技术方案是：所述的圆形贴片的中心与天线中心不重合。

更进一步的技术方案是：所述的开槽方向-45°的E形贴片和开槽方向+45°的E形贴片的中间的矩形条均被截断一小部分，两个E型贴片被截断部分长度不一样。

更进一步的技术方案是：所述的开槽方向-45°的E形贴片和开槽方向+45°的E形贴片的四周均被切角，且对于每一个E型贴片的四个切角大小一样，但是两个E型贴片的切角相比大小不同。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：首次将E型贴片应用于双极化微带天线中，并通过加载圆形贴片有效地实现了小型化，天线厚度为0.06个波长。在天线单元S11小于-15dB的情况下覆盖了2.5GHz-2.69GHz频段，并且在工作频带内，天线两端口隔离度均低于-30dB。该天线具有结构简单，重量轻，易加工，成本低的特点，满足微基站天线的基本要求。而且由仿真与实测知，天线的性能稳定，对各参数不敏感，易于组阵。

附图说明

图1为本发明一种带有寄生圆片的双极化E型贴片天线单元结构图；

图2为本发明双极化E型贴片天线的俯视图；

图3为本发明双极化E型贴片天线的侧视图；

图4为本发明双极化E型贴片天线的上层介质板的正面和反面正视图；

图5为本发明双极化E型贴片天线的下层介质板的正面和反面正视图；

图6为本发明双极化E型贴片天线的S参数仿真与测试曲线图；

图7为本发明双极化E型贴片天线两端口隔离度的仿真与实测曲线图；

图8为本发明双极化E型贴片天线在2.6GHz时端口1（+45°）的实测E面和H面方向图；

图9为本发明双极化微带天线在2.6GHz时端口2（-45°）的实测E面和H面方向图；

图10为本发明双极化微带天线在2.5-2.7GHz时的实测增益及效率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

图1示出了本发明一个实施例的整体结构示意图，参考图1所示，本发明的一个实施例是一种带有寄生圆片的双极化E型贴片天线单元，该天线单元中设有上层介质板1和下层介质板7，所述上层介质板1由至少三个塑料螺丝6支撑并置于下层介质板7的上方；正如图1所示出的，此处将塑料螺丝设置为四个，并且分布在上层介质板1和下层介质板7的四个角附近。

参考图2，图3和图4所示，所述上层介质板1的上下两个表面分别印有开槽方向-45°的E型贴片2和开槽方向+45°的E型贴片3，所述的开槽方向-45°的E形贴片2与探针4相连，并且开槽方向-45°的E形贴片2通过本身的圆孔14与探针5之间保持间隙。同样地，所述的开槽方向+45°的E型贴片3与探针5相连，并且开槽方向+45°的E型贴片3通过本身的圆孔13与探针4之间保持间隙。

参考图2，图3和图5所示，所述的下层介质板7的上表面印有圆形贴片9，下表面全部覆铜作为金属反射板8，圆形贴片9上的圆孔（10）和圆孔（11）使得圆形贴片9与探针4和探针5之间均保持间隙。所述的金属反射板8的大小和天线的横向尺寸一样。

基于上述实施例，本发明的关键技术手段之一是引入了圆孔10，圆孔11，圆孔13和圆孔14。所述的圆孔10和圆孔11的直径均大于上层介质板1上的两个通孔直径大小，而上层介质板1上的两个通孔直径大小与探针4和探针5的一样。所述的圆孔13和圆孔14的直径与下层介质板7上的两个通孔直径大小一样，而下层介质板7上的两个通孔直径大小与同轴探针外导体直径大小一样。这样的结构使得探针4和探针5之间没有直接连接，使得经过每个探针流进的电流的路径不容易改变方向，从而改善了每个端口馈电时的极化纯度。

参考图2所示，开槽方向-45°的E型贴片2和开槽方向+45°的E型贴片3的E型槽呈正交状态，其目的是使每个端口所产生的极化方向垂直。调整槽的长度可以改善天线带宽以及增加交叉极化隔离度。基于前述所提到的开槽方向-45°的E形贴片2和开槽方向+45°的E形贴片3，更加优选的实施方式是将它们中间的矩形条截断一小部分，用于减少电流路径，两个被截断部分的大小不一样，可以针对每个端口的阻抗匹配进行优化。更进一步地，基于前述的所提到的开槽方向-45°的E形贴片2和开槽方向+45°的E形贴片3，每个E型贴片四周均被等大小切角，用来减小尺寸，但是E形贴片2的切角和E形贴片3的切角相比大小不一样，也可以针对每个端口的阻抗匹配进行优化。

基于本发明的上述实施例，更进一步的优选的技术方案是引入圆形贴片9，这相当于加载电容，减小了天线的谐振频率，使得可以在不用增大天线辐射贴片大小的情况下使天线的工作频段往低频移动，从而减小了天线的尺寸。由于天线结构不对称，圆形贴片的中心也不需要对准天线的中心，可以调整其位置来改善天线阻抗匹配以及天线的交叉极化特性。

参考图3所示，本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例是在上述的基础之上，由于探针4是与开槽方向-45°的E型贴片2相连，所以可以直接在上层介质板1上表面焊接，但是探针5是与开槽方向+45°的E型贴片3相连，要在上层介质板1的下表面进行焊接，由于天线太薄使得加工难度有点大，为解决这一问题，探针5可以通过金属化过孔12于上层介质板1的上表面焊接，并且其焊接点不能与开槽方向-45°的E型贴片2相连，从而使得探针5与开槽方向+45°的E形贴片3相连，这使得天线的加工变得简单。

天线运行过程为：当带有寄生圆片的双极化E型贴片天线在+45度极化端口馈电时，微波信号由探针5进入时，电流通过开槽方向+45°E型贴片3传输，电流沿着E型槽附近流动，其能量耦合到开槽方向-45°E型贴片2和圆形贴片9。开槽方向-45°E型贴片2和圆形贴片9组成了一个分布式加载电路，他们提供了电感电容分量，减小了天线的谐振频率。金属地板8的作用是减小后向辐射的能量，使天线工作时大部分能量都向前辐射。

本发明的发明人在其实验过程中，基于本发明思想设计出的带有寄生圆片的双极化E型贴片天线单元回波损耗实测结果与仿真结果的对比参考图6所示，由仿真结果可以看出在回波损耗低于-15dB的情况下，端口1实测相对带宽为7.7%（2.48GHz-2.69GHz），端口2实测相对带宽为7.7%（2.48GHz-2.69GHz）。实测结果与仿真结果吻合较好。

更进一步的，基于本发明的思想设计出的带有寄生圆片的双极化E型贴片天线单元两端口的实测隔离度与仿真结果的对比参考图7所示。由实测结果可以看出，在2.5GHz-2.69GHz整个频段，隔离度低于-30dB。实测结果与仿真结果吻合较好。

当带有寄生圆片的双极化E型贴片天线在+45度极化端口馈电时，在中心频率2.6GHz测得的方向图参考图8所示，包括E面主极化、E面交叉极化、H面主极化、和H面交叉极化。由方向图可以看出，E面和H面的交叉极化电平在法向均低于-25dB。

当带有寄生圆片的双极化E型贴片天线在-45度极化端口馈电时，在中心频率2.6GHz测得的方向图参考图9所示，包括E面主极化、E面交叉极化、H面主极化、和H面交叉极化。由方向图可以看出，E面和H面的交叉极化电平在法向均低于-30dB。

更进一步，图10为分别在带有寄生圆片的双极化E型贴片天线在+45度和-45°极化端口馈电时，在2.5GHz到2.7GHz的范围内天线的增益和效率随频率的变化曲线。由曲线可以看出，天线在整个工作频带范围内的增益在6.8-7.4dBi，效率均高于78%。

还需要说明的是，在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种带有寄生圆片的高隔离度双极化E型微带天线,包括上层介质板（1）和下层介质板（7），所述的上层介质板（1）由至少三个塑料螺丝（6）支撑并置于下层介质板（7）的上方；其特征在于：所述上层介质板（1）的上下两个表面分别印有开槽方向-45°的E形贴片（2）和开槽方向+45°的E形贴片（3），下层介质板（7）的上表面印有圆形贴片（9），下表面全部覆铜作为金属反射板（8），所述的开槽方向-45°的E形贴片（2）与探针（4）相连，并且开槽方向-45°的E形贴片（2）通过本身的圆孔（14）与探针（5）之间保持间隙；同样地，所述的开槽方向+45°的E形贴片（3）与探针（5）相连，并且开槽方向+45°的E形贴片（3）通过本身的圆孔（13）与探针（4）之间保持间隙，探针（5）通过金属化过孔（12）于上层介质板的上表面焊接，实现探针（5）与开槽方向-45°的E形贴片（2）的连接，所述的圆形贴片通过其上面的圆孔（10）和圆孔（11）使得它与探针（4）和探针（5）之间都保持间隙。

2.根据权利要求1所述的一种带有寄生圆片的高隔离度E型微带天线，其特征在于通过引入圆孔（13）和圆孔（14）将所述的开槽方向-45°的E形贴片（2）和开槽方向+45°的E形贴片（3）同时用于微带天线中，实现了双极化并获得了高隔离度。

3.根据权利要求1所述的一种带有寄生圆片的高隔离度E型微带天线，其特征在于通过引入圆孔（10）和圆孔（11）加载圆形贴片（9），实现电容加载。

4.根据权利要求2所述的一种带有寄生圆片的高隔离度双极化E型微带天线，其特征在于开槽方向-45°的E形贴片（2）和开槽方向+45°的E形贴片（3）的中间的矩形条均被截断一小部分，用于减少电流路径，弥补了增加E型槽的长度使电流路径过长的缺点。