CN103311653B - 采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，包括一对结构相同但背靠背正交放置的多层贴片天线。每一个多层贴片天线由三层介质板和四层电路组成。本发明用于移动通信，差分馈电结构很好地抑制了普通天线交叉极化的问题，正交放置进一步获得了较高的隔离度，同时采用多层贴片结构产生两个相接近的谐振频率，拥有较宽的工作带宽。本发明交叉极化小，隔离度高，带宽较大，较好地解决了天线小型化与宽频带以及小型化与高隔离之间的设计矛盾，适用于紧凑型直放站和小功率基站等移动通信场景，该设计具有新颖性、创造性和实用性。

Description

采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线

技术领域

    本发明涉及无线移动通信领域的天线，特别涉及一种基于差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线。

背景技术

    天线是无线通信***中接收和发送电磁波的能量转换装置，是无线移动通信***中不可缺少的组成部分。随着无线移动通信技术的发展，对天线的要求越来越高。天线的研究正朝着多频带、多极化、宽频带、高隔离、小型化的方向发展。其中工作带宽和隔离度是衡量天线工作性能的重要指标。

      对于微带贴片天线而言，目前扩展工作带宽的常用方法与技术包括以下几种：一是选用介电常数小的基板材料，且增大基板厚度；二是改变微带贴片的形状；三是采用馈电技术和阻抗匹配技术；四是采用寄生阵子技术。

      在一些移动通信的场景下，由于体积空间或者应用场景的限定，天线需要背靠背紧贴放置，例如在对铁路沿线和公路进行移动通信信号覆盖时，要覆盖的区域在一条直线上，收发天线采用背靠背放置的形式有利于天线小型化，使得天线结构紧凑。另外在ICS直放站等场景中，例如公路铁路隧道，高层建筑，密闭仓库，小型图书馆等，也需要把天线设置为背靠背的形式以减小设备体积。此时要获得良好的收发隔离度是一个重要的技术问题。

      在微带贴片天线的设计过程中，在小型化下获得高隔离宽频带的天线一直是研究的难点。而设计存在的问题是：若想要得到较高的隔离度，则要求两副天线的间隔较大，若要想得到较宽的频带，那么就要求辐射贴片到金属地板之间的高度较大，这样会使得天线体积变大。而且一般的设计方案并不能很好地同时解决小型化与宽频带以及小型化与高隔离之间的矛盾，能解决以上矛盾的设计方案，天线体积又较大。

发明内容

    为解决以上提到的小型化与宽频带以及小型化与高隔离之间的设计矛盾，本发明提供了采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，具体技术方案如下。

采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其于包括一对结构相同但背靠背正交放置的多层贴片天线；每一个多层贴片天线均包括三层FR4环氧玻璃布层压板和四层电路，从背面到正面依次包括第一层FR4环氧玻璃布层压板介质板、第二层FR4环氧玻璃布层压板和第三层FR4环氧玻璃布层压板；四层电路中的第一层电路是印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板底面的金属地板，第二层电路是印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板上面的反相功分器，第三层电路是印制于第二层FR4环氧玻璃布层压板上面的第一层矩形贴片和矩形馈电金属片；第一层矩形贴片开有与第一层矩形贴片的宽边平行的槽，矩形馈电金属片位于该槽内，并且矩形馈电金属片与第一层贴片之间留有缝隙；第四层电路是印制于第三层FR4环氧玻璃布层压板上面的第二层矩形贴片，而金属地板与反相功分器通过接地孔连接，并且接地孔穿过第一层FR4环氧玻璃布层压板，反相功分器的输出端和矩形馈电金属片通过圆柱形馈电探针连接，并且圆柱形馈电探针穿过第二层FR4环氧玻璃布层压板。

本发明的两副多层贴片天线背靠背正交放置，使得两副多层贴片天线的主极化方向正交，降低接收端与发射端主极化信号之间的影响；所述反相功分器的两臂长度相差中心工作频率对应波长的一半，两端输出为反相信号，形成差分馈电结构，可以抑制交叉极化，以上两种技术特征均提高了天线的隔离度。矩形馈电金属片与第一层矩形贴片印制在第二层FR4环氧玻璃布层压板的顶面，并且它们之间有微小缝隙，产生电容耦合和电感耦合，形成并联谐振网络，提供谐振频率点。

进一步的，所述槽个数为两个，分别靠近第一层矩形贴片两个宽边。

进一步的，所述圆柱形馈电探针的个数为多个，多个圆柱形馈电探针并联连接，能够减小电感效应，展宽工作频带，多个圆柱形馈电探针分两排，每排呈中心对称结构；第一层矩形贴片的窄边谐振边比第二层矩形贴片的窄边谐振边短，以此产生两个较接近的谐振频率点，通过第一层矩形贴片和第二层矩形贴片的窄边谐振边产生主极化，减小交叉极化；增大第一层FR4环氧玻璃布层压板和第二层FR4环氧玻璃布层压板的厚度可以降低天线的Q值，以上三种技术特征均能展宽天线的工作频带。

      本发明的第一层贴片和第二层贴片均为矩形，它们之间间隔FR4环氧玻璃布层压板，并且第二层贴片的窄边谐振边略大于第一层贴片的窄边谐振边，以产生两个相接近的谐振频率，通过增加寄生阵子，展宽工作频带。

      本发明的工作原理：信号通过其中一副多层贴片天线端口输入，经反相功分器作用产生两个仅仅是相位相反的信号，形成差分馈电抑制交叉极化，通过圆柱形馈电探针分别馈进嵌入有矩形馈电金属片的第一层矩形贴片，经过缝隙等效的电感并联网络和第一层矩形贴片窄边谐振边的作用产生第一谐振频率f1，由于第二层矩形贴片窄边谐振边的作用产生第二谐振频率f2，而且f1与f2相近，之间形成耦合效应，从而扩展了工作带宽。

      相同信号在其中一副多层贴片天线产生的电磁波主极化方向正好与另外一副多层贴片天线的正交，减小了两者主极化信号间的相互影响，并且多层贴片天线的后瓣较小，背靠背放置进一步提高了收发隔离度。

      与现有技术相比，发明的采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，具有以下有益效果：

1.        采用差分馈电方式抑制交叉极化，提高天线的收发隔离度；

2.        在天线高度受限的情况下展宽了工作频带；

3.        天线结构紧凑，体积小型化。

附图说明

    图1是本发明实施例多层贴片天线的立体结构分层示意图；

      图2是本发明实施例多层贴片天线的立体结构示意图图；

      图3是本发明实施例多层贴片天线的第二层电路反相功分器俯视示意图；

      图4是本发明实施例多层贴片天线的第三层电路第一层矩形贴片侧视图；

图5是本发明实施例多层贴片天线的第三层电路第一层矩形贴片俯视示意图；

      图6是本发明实施例多层贴片天线的第二层FR4环氧玻璃布层压板过圆柱形馈电探针中心轴的剖视图；

      图7是本发明实施例多层贴片天线的侧视示意图；

      图8是本发明实施例多层贴片天线第一层矩形贴片和第二层矩形贴片的俯视    示意图；

图9是本发明实施例整体侧视示意图，上01和下02分别表示多层贴片天线；

图10是本发明实施例的隔离度S21-频率仿真结果图；

图11是本发明实施例的电压驻波比VSWR-频率仿真结果图；

图12是本发明实施例多层贴片天线在920MHz下Phi=0deg时的方向图；

图13是本发明实施例多层贴片天线在920MHz下Phi=90deg时的方向图。

具体实施方式

    下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例所采用的技术方案进行清晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，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，都属于本发明实施例的保护范围。

      本发明实施例提供了一种采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线。

如图1、图2，采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其包括一对结构相同但背靠背正交放置的多层贴片天线；每一个多层贴片天线均包括三层FR4环氧玻璃布层压板和四层电路，从背面到正面依次包括第一层FR4环氧玻璃布层压板3、第二层FR4环氧玻璃布层压板5和第三层FR4环氧玻璃布层压板9；四层电路中的第一层电路是印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板3底面的金属地板1，第二层电路是印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板3上面的反相功分器4，第三层电路是印制于第二层FR4环氧玻璃布层压板5上面的第一层矩形贴片8和矩形馈电金属片7；第一层矩形贴片8开有与第一层矩形贴片8的宽边平行的槽，矩形馈电金属片7位于该槽内，并且矩形馈电金属片7与第一层贴片8之间留有缝隙；第四层电路是印制于第三层FR4环氧玻璃布层压板9上面的第二层矩形贴片10，而金属地板1与反相功分器4通过接地孔2连接，并且接地孔2穿过第一层FR4环氧玻璃布层压板3，反相功分器4的输出端和矩形馈电金属片7通过圆柱形馈电探针6连接，并且圆柱形馈电探针6穿过第二层FR4环氧玻璃布层压板5（如图6）。

如图9，本实施例包括了一对多层贴片天线（01和02）以及金属固定外壳。其中金属外壳呈长方体结构，没有顶面和底面，所述这对多层贴片天线（01和02分别位于金属外壳的顶部和底部。并且这对多层贴片天线结构一致，背靠背正交放置于金属外壳的底部和顶部。

一对多层贴片天线（01和02）之间的间距以及金属固定外壳的尺寸由实际工程需要限定，本发明实施例给出了在中心频率为930MHz下，两者之间的间距为35mm，金属固定外壳长194mm，宽159mm，高60mm。本发明整体尺寸并不唯一，具体尺寸依据实际工程需求设置。

      参照图7，多层贴片天线包括三层介质板和四层电路。

      三层介质板包括第一层FR4环氧玻璃布层压板3、第二层FR4环氧玻璃布层压板5和第三层FR4环氧玻璃布层压板9。

      四层电路包括金属地板1、反相功分器4、矩形馈电金属片7、第一层矩形贴片8和第二层矩形贴片10。

      其中金属地板1印制并覆盖于第一层FR4环氧玻璃布层压板3的底部，接地孔2采用金属化过孔技术，贯穿第一层FR4环氧玻璃布层压板3，连接金属地板1和反相功分器4。其中接地孔2呈中心对称，个数取法不唯一。附图4实施例只是给出了取1排5个的情况示意。

      参照图3，反相功分器4为微带线结构印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板3上。其中矩形片401接地，端口402为输入端，输入端连接的矩形微带两臂（403和404）为对应工作频率的四分之一波长L1；矩形微带1（405和406）的长度L2比矩形微带2（407和408）的长度L3短对应工作频率的二分之一波长L4，使得在T型馈电端（409和410）输出相位相差180度的反相信号，这种差分结构有利于抑制正交极化，提高隔离度。其中L1、L2、L3和L4均相对于中心工作频率而言，它们均随中心工作频率的改变而改变。

      参照图5，中间层多个圆柱形馈电探针6分上下两排，每排呈中心对称，个数取法不唯一。示意图中标示了3个，其采用金属化过孔技术，穿过第二层FR4环氧玻璃布层压板5，连接了反相功分器4的T型馈电端（409和410）和矩形馈电金属片7。上述圆柱形馈电探针6的个数取法并不唯一，其本质目的是为了形成多个电感并联，降低电感效应，展宽工作频带。

      如图5，矩形馈电金属片（701、702）和第一层矩形贴片8均印制于第二层FR4环氧玻璃布层压板5的顶部。实施例中给出了中心工作频率在930MHz的情况下，在第一层矩形贴片8宽边中段，并距离宽边1.5mm处开有长为50.4mm宽为4mm的槽，矩形馈电金属片7放入第一层矩形贴片8的槽内，之间有微小缝隙（801和802），通过电容电感效应进行耦合。限于工程实际要求以及加工精度，上述缝隙取值会不同。实施例中给出了中心工作频率在930MHz的情况下，微小缝隙801为0.7mm，802为0.2mm。

      对于最顶层，第二层矩形贴片10印制于第三层FR4环氧玻璃布层压板9顶部。

      结合图7多层贴片天线的侧视示意图，三层FR4环氧玻璃布层压板的厚度有明显差别。其中第一层FR4环氧玻璃布层压板3的厚度最小，第二层FR4环氧玻璃布层压板5的厚度次之，第三层FR4环氧玻璃布层压板9最大。在本发明实施例中给出工作中心频率在930MHz的情况下，第一层FR4环氧玻璃布层压板3的厚度为1.6 mm，第二层FR4环氧玻璃布层压板5的厚度为3.2mm，第三层FR4环氧玻璃布层压板9的厚度为6.4mm。

      在具体实施例中，三层FR4环氧玻璃布层压板的厚度可调整，一般情况下为了获得较大工作带宽，要增大第一层FR4环氧玻璃布层压板3和第二层FR4环氧玻璃布层压板5的厚度，也就是增大第一层矩形贴片8到金属地板1的距离，以降低Q值。

      本发明实施例通过增大FR4环氧玻璃布层压板的厚度与增加馈电探针个数结合的方法，获得较大频带。在实际实施中，大部分情况下会限定天线体积，这时可通过上述两种方法结合，增加馈电个数，相应减小介质板厚度和两副多层贴片天线之间的距离，来抵消限定因素的影响，从而设计出小型化天线。

      参照图8，第一层矩形贴片8的窄边谐振边比第二层矩形贴片10的窄边谐振边短，但是长度相接近，以此产生两个较接近的谐振频率点，通过增加寄生阵子，展宽工作带宽。其中矩形贴片的窄边为谐振边。实施例中给出工作中心频率在930MHz的情况下，第一层矩形贴片8的谐振边为67mm，第二层矩形贴片10的谐振边为69mm，第二层矩形贴片10的谐振边比第一层矩形贴片8的谐振边长2mm。

      具体工程实施中，可根据工作要求调整第一层矩形贴片和第二层矩形贴片窄边谐振边的长度，从而改变谐振点的频率。

      本发明按以上规格加工所得的实施例，参照图10隔离度S21-频率图，根据仿真结果得出，在工作中心频率为930MHz的情况下，得到整体的收发隔离度S21为72.5db，很好地抑制了交叉极化的影响。

参照图11电压驻波比VSWR-频率图，根据仿真结果得出，以电压驻波比VSWR1.4为上限（其对应的回波损耗约为15db），本发明实施例的带宽接近100MHz，天线带宽较大。

参照图12，多层贴片天线在920MHz下Phi=0deg时的方向图，主极化最大处比交叉极化最大处要大35db；参照图13，多层贴片天线在920MHz下Phi=90deg时的方向图，主极化最大处比交叉极化最大处要大35db，这说明多层贴片天线很好地抑制了交叉极化的影响。

本发明按以上规格加工所得的实施例整体大小为194mm*159mm*60mm，其中底面为194mm*159mm，厚度为60mm。

      综上所述，本发明所提出新型天线的结构抑制了交叉极化，提高了天线的隔离度。在获得良好隔离度的同时也采用多层贴片结构，利用寄生贴片产生多个谐振频率以展宽工作频带，同时也可以通过增大介质板厚度降低Q值，获得较大的工作频带，并且本发明有利于天线的小型化，使得天线结构紧凑。

      本发明提供的实施例主要应用于无线移动通信领域，可应用于各类无线通信接发收设备（如ICS直放站，微功率基站）中，特别适用于紧凑型直放站和小功率基站等场景，具体用于公路和铁路隧道，高层建筑，密闭仓库，小型图书馆等场所。上述单个多层贴片天线可以为接收天线，也可以为发射天线，一对上述多层贴片天线可以构成用于改善室内无线信号直放站的接收和发射装置。除了GSM，该技术也可用于其他频段和其他***中。

      以上是对本发明一种采用差分结构和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的新型天线所提供实施例的详细介绍。本文运用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

      对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上军会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其特征在于包括一对结构相同但背靠背正交放置的多层贴片天线；每一个多层贴片天线均包括三层FR4环氧玻璃布层压板和四层电路，从背面到正面依次包括第一层FR4环氧玻璃布层压板（3）、第二层FR4环氧玻璃布层压板（5）和第三层FR4环氧玻璃布层压板（9）；四层电路中的第一层电路是印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板（3）底面的金属地板（1），第二层电路是印制于第一层FR4环氧玻璃布层压板（3）上面的反相功分器（4），第三层电路是印制于第二层FR4环氧玻璃布层压板（5）上面的第一层矩形贴片（8）和矩形馈电金属片（7）；第一层矩形贴片（8）开有与第一层矩形贴片（8）的宽边平行的槽，矩形馈电金属片（7）位于该槽内，并且矩形馈电金属片（7）与第一层贴片（8）之间留有缝隙；第四层电路是印制于第三层FR4环氧玻璃布层压板（9）上面的第二层矩形贴片（10），而金属地板（1）与反相功分器（4）通过接地孔（2）连接，并且接地孔（2）穿过第一层FR4环氧玻璃布层压板（3），反相功分器（4）的输出端和矩形馈电金属片（7）通过圆柱形馈电探针（6）连接，并且圆柱形馈电探针（6）穿过第二层FR4环氧玻璃布层压板（5）。

2.根据权利要求1所述的采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其特征在于第一层矩形贴片（8）上开有的所述槽的个数为两个，分别靠近第一层矩形贴片（8）两个宽边。

3.根据权利要求1所述的采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其特征在于所述反相功分器（4）的两臂长度相差中心工作频率对应波长的一半，两端输出为反相信号，形成差分馈电结构。

4.根据权利要求1所述采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其特征在于所述圆柱形馈电探针（6）的个数为多个，多个圆柱形馈电探针（6）并联连接，多个圆柱形馈电探针（6）分两排，每排呈中心对称结构；第一层矩形贴片（8）的窄边谐振边比第二层矩形贴片（10）的窄边谐振边短。

5.根据权利要求1所述采用差分馈电和多层贴片结构小型化高隔离宽频带的天线，其特征在于第一层贴片和第二层贴片均为矩形。