CN105186140A - 一种小型宽波束双极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型宽波束双极化微带天线，包括附设有四个微型辐射片的辐射基板和嵌接在一支撑边框内的馈电网络基板，辐射基板位于馈电网络基板的顶部；馈电网络基板上附有两根交叉的馈电线，底面附有金属底板，馈电线交叉的部位通过桥元件连接；每个微型辐射片和馈电线之间均连接有一馈电探针，而每个微型辐射片和金属底板之间连接有一短路柱；另外，有一支撑柱位于辐射基板和馈电网络基板之间，其两端分别连接于辐射基板和馈电网络基板；金属底板底面一侧设有射频接头，分别与两交叉馈电线上的馈电部连接。本发明同时实现了微带天线的小型化、宽波束和双极化特性。

Description

一种小型宽波束双极化微带天线

技术领域

本发明涉及一种小型宽波束双极化微带天线，具体是用于作为移动载体的小型双极化天线终端。

背景技术

双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，因此在同一频带内，天线可以同时发射或接收两路信号。因此，一副天线可以实现两幅天线的作用，可缩减天线成本和安装空间；同时，收发天线采用正交极化可以减小收发天线间的互耦影响，改善通信质量；收发天线同时工作时还可以扩展通信链路，增加通信容量。

常用的双极化天线形式有正交的半波振子天线和双极化微带天线。正交的半波振子采用两个半波振子天线正交放置，在中心处分别给两天线馈电，该天线为双向辐射，增益较低，为得到单向辐射，需在天线一侧0.25λ-0.5λ的位置放置反射板，反射板边长大于半波振子长度，因此正交的半波振子天线尺寸通常大于0.5λ×0.5λ×0.25λ。在移动载体通信应用中，通常要求天线具有小尺寸，尤其需要天线具有低剖面特性，这在高速移动载体的应用中尤其明显。双极化微带天线具有微带天线低剖面的特点，但微带天线横向尺寸大，需要采取小型化技术缩小天线的横向尺寸，常用方法包括辐射片开槽和采用高介电常数介质等，但同时会带来频带变窄等问题。

在移动通信中，天线的宽波束特性可以为***提供更好的通信稳定性，消除通信盲区，因此宽波束微带天线一直是亟需解决的难题。双极化微带天线在缩小尺寸的同时，表面波的辐射比重会增加，天线的波束宽度会有所增大，可以达到95°，但仍然无法满足当前对宽波束性能的要求。因此，在满足一定工作带宽的条件下，实现双极化微带天线的小尺寸、宽波束都是需要解决的主要难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种小型宽波束双极化微带天线，同时实现微带天线的小尺寸、宽波束和双极化特性，解决传统双极化微带天线的性能缺陷。

一种小型宽波束双极化微带天线，包括嵌接于一支撑边框内的馈电网络基板以及连接于馈电网络基板顶部的辐射基板，所述辐射基板上设有主要由至少四个分立的微型辐射片构成的微带辐射片，所述馈电网络基板上则设有至少两根交叉连接的馈电线；另外，每个微型辐射片和馈电线之间均连接至少一个馈电探针，其中馈电探针的顶端连接于微型辐射片，而末端则连接于馈电线；所述馈电网络基板的底部附设有金属底板，每个微型辐射片和金属底板之间均连接有至少一个短路柱，短路柱的顶端连接于微型辐射片，末端穿过馈电网络基板与金属底板连接；所述金属底板底面一侧还设有至少两个射频接头，其顶端穿过馈电网络基板与馈电线连接。

需要说明的是，所有微型辐射片排列呈方形。

需要说明的是，所述支撑边框为金属材质或绝缘介质材质，且支撑边框上配有法兰孔，用于天线安装。所述支撑边框用于支撑所述馈电网络基板和辐射基板。

需要说明的是，所述辐射基板与馈电网络基板均为印刷电路板。

需要说明的是，每个微型辐射片的一角均设有角孔，而每个角孔均对应一个馈电线的端部，相应的馈电探针的顶端插接于角孔内，而末端则插接在与该角孔位置对应的馈电线端部。

需要说明的是，所述馈电线的交叉部位通过金属薄片结构的桥元件进行连接。

需要说明的是，所述微型辐射片上设有通孔，其对应的短路柱的顶端插接于在通孔内。

需要说明的是，还设有金属材质或绝缘介质材质的支撑柱，所述支撑柱的顶端和末端均分别连接于辐射基板和馈电网络基板。

需要说明的是，所述馈电线上与所述射频接头相对应的位置上设有馈电部，所述射频接头的顶端具体与所述馈电部连接。

进一步需要说明的是，所述射频接头包括内芯以及包裹着内芯的外皮，所述内芯的顶端连接于馈电线的馈电部，而外皮的顶端则焊接于所述金属底板底面一侧。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的微带辐射片采用四个分立的微型辐射片组成，并利用馈电网络进行分别馈电。辐射基板对角线方向的一对辐射片构成一个线极化工作状态，另一对辐射片构成正交的线极化工作状态。每一个微型辐射片都是全向辐射工作，当一对辐射片被等幅反相的电流激励时，在天线的正上方可以得到具有宽波束特性的方向图。由于四个微型辐射片尺寸小、结构紧凑，可实现天线外形尺寸明显小于传统微带天线，并且天线的波束宽度得到显著增加，可以达到110°；

2、四个微型辐射片需要通过馈电网络分别馈电，一对微型辐射片需要采用幅度相等相位相反的激励。传统馈电网络常采用T形结或功分器结构，但这些结构比较复杂，在本发明这样的小空间内难以实现，因此提出了双交叉线形的馈电网络结构：一对辐射片通过一根弯折馈电线直接相连，在线上合适的位置进行馈电，另一对辐射片也通过类似弯折线连接并馈电，两条馈电线相交的部分采用桥元件进行隔离。本发明设计的馈电网络结构简单，性能优越，可为四个微型辐射片提供良好馈电，同时天线的双极化状态也实现了良好的隔离度；

3、本发明还采用了支撑边框结构，这在传统微带天线中是没有的，支撑边框对天线起到支撑和屏蔽的作用，支撑边框为金属材质时，可以减小安装环境对小天线性能的影响，支撑边框上配有法兰孔，便于天线直接安装。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的分层结构示意图；

图3为图1中馈电网络基板的结构示意图；

图4为图1的侧视结构示意图；

图5为本发明天线两端口的电压驻波比曲线图；

图6为本发明天线的S₂₁曲线图；

图7是本发明天线的E面增益方向图；

图8是本发明天线的H面增益方向图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作说明，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1-图4所示，一种小型宽波束双极化微带天线，包括辐射基板1和嵌接于一支撑边框内2的馈电网络基板3，辐射基板1位于馈电网络基板3的顶部。

辐射基板1的底材为介质基板，采用印刷电路工艺制造，辐射基板1上附有四个分立的微型辐射片101和若干的焊片102，具体可采用边长为0.1λ-0.12λ的微型辐射片，所述焊片102用于将辐射基板1连接支撑边框2的顶部。

支撑边框2用于支撑辐射基板1和馈电网络基板3，支撑边框2为金属材质或绝缘介质材质；支撑边框2起到支撑和屏蔽的作用，为金属材质时，可以减小安装环境对天线性能的影响；另外，支撑边框2上配有法兰孔，便于天线直接安装。

馈电网络基板3嵌接于支撑边框2内，馈电网络基板3的底材同样为介质基板，采用印刷电路工艺制造，馈电网络基板3上附有两条交叉的馈电线301，其上有馈电部302，底面附有金属底板303；两条馈电线301交叉的部位采用金属薄片结构的桥元件4进行连接。

所述小型宽波束双极化微带天线还包括四支馈电探针5，馈电探针5的末端插接在一个馈电线301的端部，具体可在每个馈电线的端部上设孔，使得馈电探针5的末端***孔中并进行焊接。而馈电探针的顶端则***一微型辐射片101的角孔中并焊接。

所述小型宽波束双极化微带天线还包括四支短路柱6，短路柱6的末端穿过馈电网络基板3与附设于馈电网络基板底部的金属底板303焊接，顶端则***所述辐射片101的通孔103中并焊接。

所述小型宽波束双极化微带天线还包括采用绝缘介质材质的支撑柱7，其顶端和末端分别连接于辐射基板1的中央和馈电网络基板3的中央。

另外，所述金属底板303的底面一侧设有两射频接头8，射频接头8包括内芯和包裹着内芯的外皮，内芯的顶端穿过馈电网络基板3与馈电线301上的馈电部302连接，而外皮的顶端与金属底板303连接。

辐射基板1的微带辐射片由四个分立的微型辐射片101组成，四个微型辐射片排列呈方形。每个微型辐射片101通过探针馈电并采用短路柱接地，这样每个微型辐射片都可以得到全向辐射的方向图。当处于对角线位置的一对微型辐射片采用等幅反相的电流进行馈电时，就可以在天线的上半空间得到宽波束的方向图。同时由于四个微型辐射片的尺寸都很小，并且结构紧凑，因此天线能够实现小型化的特性。

馈电网络采用了双交叉馈电线结构，网络结构简单。一根馈电线通过两支馈电探针连接一对微型辐射片，并通过优化在馈电线上确定合适的馈电位置。当射频接头送入高频电流时，在馈电线上两端可以得到等幅反相的电流，并通过馈电探针送入微型辐射片。另一根馈电线也是相同的过程，在两根馈电线相交的部分采用桥元件连接。通过该方法设计的馈电网络可以改善天线双极化状态的隔离度。

本发明天线的厚度可实现小于0.07λ，而横向尺寸则可实现小于0.25λ，同时天线还具有宽波束和高隔离度的特点。

以下将通过仿真实验说明本发明的性能。

1、仿真内容

利用电磁仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、隔离度及增益方向图进行了仿真，如图5-图8所示。

2、仿真结果

图5是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。实线和虚线分别代表两个端口的电压驻波比。可以看出，实线电压驻波比小于2的范围为1.99～2.11GHz，谐振频率2.05GHz，带宽120MHz；虚线电压驻波比小于2的范围为2.17～2.33MHz，谐振频率2.25GHz，带宽160MHz。计算结果表明本发明天线可以在5％-7％的相对带宽内良好匹配，在小型谐振式天线中属于优良特性，可满足大部分窄带工作的需求。本例中两端口得到了不同的谐振频率，通过对天线参数调整，两个谐振频率可以实现位置的独立可控，可增加了天线设计的灵活性。

图6是对实施例天线仿真得到的S₂₁参数随工作频率变化的曲线。从图6可以看出，本发明的天线隔离度大于20dB的范围非常宽，在2GHz-2.3GHz范围内，天线的隔离度大于23dB。这样良好的隔离度可以确保天线双极化工作的稳定性，减小天线双极化状态的相互影响。

图7、图8是对实施例天线仿真得到的E面增益方向图和H面增益方向图。从图上可以看出，本发明天线的最大增益为5.3dB，E面方向图的3dB波束宽度达到110°，该波束宽度远大于传统微带天线85°的波束宽度，H面方向图的3dB波束宽度也达到了95°，也大于传统微带天线的波束宽度。在移动载体通信中，尤其高速移动载体，天线姿态快速的发生着变化，宽波束方向图可保证天线在很大的角度范围内具有较高的增益，有利于提升通信***性能。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，包括嵌接于一支撑边框内的馈电网络基板以及连接于馈电网络基板顶部的辐射基板，所述辐射基板上设有主要由至少四个分立的微型辐射片构成的微带辐射片，所述馈电网络基板上则设有至少两根交叉连接的馈电线；另外，每个微型辐射片和馈电线之间均连接至少一个馈电探针，其中馈电探针的顶端连接于微型辐射片，而末端则连接于馈电线；所述馈电网络基板的底部附设有金属底板，每个微型辐射片和金属底板之间均连接有至少一个短路柱，短路柱的顶端连接于微型辐射片，末端穿过馈电网络基板与金属底板连接；所述金属底板底面一侧还设有至少两个射频接头，其顶端穿过馈电网络基板与馈电线连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，所有微型辐射片排列呈方形。

3.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，所述支撑边框为金属材质或绝缘介质材质，且支撑边框上配有法兰孔，用于天线安装。

4.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，所述辐射基板与馈电网络基板均为印刷电路板。

5.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，每个微型辐射片的一角均设有角孔，而每个角孔均对应一个馈电线的端部，相应的馈电探针的顶端插接于角孔内，而末端则插接在与该角孔位置对应的馈电线端部。

6.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，所述馈电线的交叉部位通过金属薄片结构的桥元件进行连接。

7.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，微型辐射片上设有通孔，其对应的短路柱的顶端插接于在通孔内。

8.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，还设有金属材质或绝缘介质材质的支撑柱，所述支撑柱的顶端和末端均分别连接于辐射基板和馈电网络基板。

9.根据权利要求1所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，所述馈电线上与所述射频接头相对应的位置上设有馈电部，所述射频接头的顶端具体与所述馈电部连接。

10.根据权利要求1或9所述的一种小型宽波束双极化微带天线，其特征在于，所述射频接头包括内芯以及包裹着内芯的外皮，所述内芯的顶端连接于馈电线的馈电部，而外皮的顶端则焊接于所述金属底板底面一侧。