CN107317099A - 一种多频带圆极化宽频交叉偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线在常规平面印刷交叉偶极子的基础上，通过改进偶极子臂的形状、引入额外的偶极子辐射枝节，并且对枝节使用弯折和弯曲盘旋的方法实现减小天线整体大小的效果，在不减弱其他性能的条件下，实现天线小型化、双频化和宽频带化，达到更优的阻抗匹配效果和紧凑性。
Description
技术领域
本发明涉及天线通信领域，更具体地，涉及一种多频带圆极化宽频交叉偶极子天线。
背景技术
随着移动通信4G时代的到来以及向5G时代的迈进，在移动通信、微波能量收集和传输的领域中，交叉偶极子天线是被广泛采用的一种天线形式。由于偶极子是由两根导体组成的，其在中心馈电，总长度约为半波长，是交叉偶极子天线的基本单元。多个偶极子组合在一起，通过控制偶极子上电流的幅度比例、相位以及空间位置摆放的关系，就可以将多偶极子天线应用到基站天线、圆极化天线、MIMO天线和微波无线能量收集和传输等应用场景中。
对于圆极化天线，要求天线能在宽角度内实现低轴比，这样无论处在任何角度，天线都能很好的收到信号。对于如何拓宽频率-轴比带宽已有很多学者进行了大量的研究。随着现代通信***多种通信标准或制式的同时存在，对天线的要求向多频化方向发展，因此设计一种容易实现、多频带的交叉偶极子天线是具有重大意义的。
发明内容
本发明为解决以上现有技术提供的天线只有单频带的缺陷，提供了一种多频带圆极化宽频交叉偶极子天线。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，包括介质基板、设置在介质基板上的第一偶极子、第二偶极子和同轴线；第一偶极子包括第一偶极子臂和第二偶极子臂，所述第一偶极子臂设置在介质基板的上表面上，第二偶极子臂设置在介质基板的下表面上，第一偶极子臂与第二偶极子臂设置在同一直线上；所述第二偶极子包括第三偶极子臂和第四偶极子臂，所述第三偶极子臂设置在介质基板的上表面上，第四偶极子臂设置在介质基板的下表面上，第三偶极子臂与第四偶极子臂设置在同一直线上；所述第一偶极子臂、第二偶极子臂所成的直线与第三偶极子臂、第四偶极子臂所成的直线垂直；所述第一偶极子臂与第三偶极子臂连接，第二偶极子臂与第四偶极子臂连接，所述第一偶极子臂、第三偶极子臂通过同轴线与第二偶极子臂、第四偶极子臂连接，所述第一偶极子臂与第三偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状，所述第二偶极子臂与第四偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状。
上述方案中，第一偶极子臂与第三偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状，所述第二偶极子臂与第四偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状。加长了天线的有效辐射面积，延长电流的有效流动路径，所以有着两个谐振频率和更宽的频带。因此本发明提供的天线的频带的宽度与现有技术相比也得到了提高。
优选地，所述第一偶极子臂与第三偶极子臂、第二偶极子臂与第四偶极子臂之间通过3/4圆环进行连接，3/4圆环的环宽从一端到另一端逐渐减小。3/4圆环在这里主要起到弯曲延时线的作用，弯曲延时线提供正交相位差，所以天线的阻抗匹配带宽更高，而且天线有圆极化特性。
优选地，所述同轴线包括内导体和外导体，其中内导体穿过介质基板后与第一偶极子臂、第三偶极子臂连接，外导体与第二偶极子臂、第四偶极子臂连接。
优选地，所述交叉偶极子天线还包括有设置在介质基板上表面的第一偶极子辐射枝节、设置在介质基板上表面的第二偶极子辐射枝节、设置在介质基板下表面的第三偶极子辐射枝节、设置在介质基板下表面的第四偶极子辐射枝节；第一偶极子辐射枝节与第三偶极子辐射枝节设置在同一直线上，第二偶极子辐射枝节与第四偶极子辐射枝节设置在同一直线上，第一偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节所在的直线与第二偶极子辐射枝节、第四偶极子辐射枝节所在的直线垂直，所述第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节与第一偶极子臂、第三偶极子臂连接，所述第三偶极子辐射枝节、第四偶极子辐射枝节与第二偶极子臂、第四偶极子臂连接。所述第一偶极子辐射枝节与第三偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节与第四偶极子辐射枝节组成另外的一对交叉偶极子，可使得天线在更低的频段也能实现阻抗匹配，即天线也能工作于更低的频段。因此本发明提供的天线具有能够在多频段工作的特性。
优选地，所述设置的第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节和第四偶极子辐射枝节经过弯折处理。以实现减小天线面积的效果，从而实现天线的小型化。
优选地，所述第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节和第四偶极子辐射枝节设置成弯曲盘旋结构。可以进一步减小天线的面积，更好的实现天线的小型化和紧凑性。
优选地，所述第一偶极子臂与第三偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹的三角状；所述第二偶极子臂与第四偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹的三角状。
优选地，所述介质基板为FR-4环氧玻纤布介质基板。
优选地，所述FR-4环氧玻纤布介质基板的厚度为2mm，规格为48mm*48mm，介电系数为4.7，损耗角正切为0.01。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在常规平面印刷交叉偶极子的基础上，通过改进偶极子臂的形状、引入额外的偶极子辐射枝节，并且对枝节使用弯折和弯曲盘旋的方法实现减小天线整体大小的效果，在不减弱其他性能的条件下，实现天线小型化、双频化和宽频带化，达到更优的阻抗匹配效果和紧凑性。
附图说明
图1为实施例1的天线的结构示意图。
图2为实施例1的天线的天线反射系数S11的仿真和测试对比图。
图3为实施例2的天线的结构示意图。
图4为实施例2的天线的天线反射系数S11的仿真和测试对比图。
图5为实施例3的天线的结构示意图。
图6为实施例4的天线的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，一种多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，包括介质基板1、设置在介质基板1上的第一偶极子、第二偶极子和同轴线；第一偶极子包括第一偶极子臂2和第二偶极子臂3，所述第一偶极子臂2设置在介质基板1的上表面上，第二偶极子臂3设置在介质基板1的下表面上，第一偶极子臂2与第二偶极子臂3设置在同一直线上；所述第二偶极子包括第三偶极子臂4和第四偶极子臂5，所述第三偶极子臂4设置在介质基板1的上表面上，第四偶极子臂5设置在介质基板1的下表面上，第三偶极子臂4与第四偶极子臂5设置在同一直线上；所述第一偶极子臂2、第二偶极子臂3所成的直线与第三偶极子臂4、第四偶极子臂5所成的直线垂直；所述第一偶极子臂2与第三偶极子臂4连接，第二偶极子臂3与第四偶极子臂5连接，所述第一偶极子臂2、第三偶极子臂4通过同轴线与第二偶极子臂3、第四偶极子臂5连接，所述第一偶极子臂2与第三偶极子臂4远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状6，所述第二偶极子臂3与第四偶极子臂5远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状6。
上述方案中，第一偶极子臂2与第三偶极子臂4远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状6，所述第二偶极子臂3与第四偶极子臂5远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状6。加长了天线的有效辐射面积，延长电流的有效流动路径，所以有着两个谐振频率和更宽的频带。因此本发明提供的天线的频带的宽度与现有技术相比也得到了提高。
在具体的实施过程中，所述第一偶极子臂2与第三偶极子臂4、第二偶极子臂3与第四偶极子臂5之间通过3/4圆环7进行连接，3/4圆环7的环宽从一端到另一端逐渐减小。3/4圆环7在这里主要起到弯曲延时线的作用，弯曲延时线提供正交相位差，所以天线的阻抗匹配带宽更高，而且天线有圆极化特性。
在具体的实施过程中，所述同轴线包括内导体和外导体，其中内导体穿过介质基板1后与第一偶极子臂2、第三偶极子臂4连接，外导体与第二偶极子臂3、第四偶极子臂5连接。
本实施例中，天线印刷在厚为2mm，介电系数为4.7，损耗角正切为0.01的FR-4环氧玻纤布介质基板1上。介质基板1规格为48mm*48mm。介质基板1的上表面、下表面上分别印刷有具有90°相位差的两个偶极子臂，两个偶极子臂的厚度是基板厚度的一半。偶极子臂的长约为20mm。上表面上的两个偶极子臂与下表面上的两个偶极子臂之间分别具有90°相位差。
图2为本实施例的天线的天线反射系数S11的仿真和测试对比图，可以看出本实施例提供的天线具有较好的阻抗匹配效果，阻抗带宽大约从1.6GHz到3GHz，工作频段包含3G、4G通信和ISM(Industrial Scientific Medical)等多个频段，即此种形式的天线的性能完全可以满足实际要求。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，对实施例1的方案进行了进一步的改进，如图3所示，具体体现在所述交叉偶极子天线还包括有设置在介质基板1上表面的第一偶极子辐射枝节8、设置在介质基板1上表面的第二偶极子辐射枝节9、设置在介质基板1下表面的第三偶极子辐射枝节10、设置在介质基板1下表面的第四偶极子辐射枝节11；第一偶极子辐射枝节8与第三偶极子辐射枝节10设置在同一直线上，第二偶极子辐射枝节9与第四偶极子辐射枝节11设置在同一直线上，第一偶极子辐射枝节8、第三偶极子辐射枝节10所在的直线与第二偶极子辐射枝节9、第四偶极子辐射枝节11所在的直线垂直，所述第一偶极子辐射枝节8、第二偶极子辐射枝节9与第一偶极子臂2、第三偶极子臂4连接，所述第三偶极子辐射枝节10、第四偶极子辐射枝节11与第二偶极子臂3、第四偶极子臂连接5。所述第一偶极子辐射枝节8与第三偶极子辐射枝节10、第二偶极子辐射枝节9与第四偶极子辐射枝节11组成另外的一对交叉偶极子，可使得天线在更低的频段也能实现阻抗匹配，即天线也能工作于更低的频段。因此本发明提供的天线具有能够在多频段工作的特性。
在本实例中，该天线印刷在厚为2mm，介电系数为4.7，损耗角正切为0.01的FR-4环氧玻纤布介质基板上。介质基板规格为95mm*95mm，偶极子臂的厚度约为46mm，长约为18mm。
图4为本实施例的天线的天线反射系数S11的仿真和测试对比图，可以看出此种天线比实施例1的天线多出GSM900的低频工作带宽，即此种形式的天线的性能完全可以满足实际要求。
实施例3
本实施例中的天线是在实施例2的天线的基础上做的进一步改进，如图5所示，具体体现在对天线的第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节、第四偶极子辐射枝节进行弯折处理，以达到在不影响天线性能的条件下减小天线面积的目的，从而实现天线的小型化。经过仿真实验后证明此种天线也能有较好的性能。
实施例4
本实施例中的天线是在实施例2的天线的基础上做的进一步改进，如图6所示，具体体现在将第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节、第四偶极子辐射枝节改进成弯曲盘旋结构，进一步减小天线的面积，更好的实现天线的小型化和紧凑性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，包括介质基板、设置在介质基板上的第一偶极子、第二偶极子和同轴线；第一偶极子包括第一偶极子臂和第二偶极子臂，所述第一偶极子臂设置在介质基板的上表面上，第二偶极子臂设置在介质基板的下表面上，第一偶极子臂与第二偶极子臂设置在同一直线上；所述第二偶极子包括第三偶极子臂和第四偶极子臂，所述第三偶极子臂设置在介质基板的上表面上，第四偶极子臂设置在介质基板的下表面上，第三偶极子臂与第四偶极子臂设置在同一直线上；所述第一偶极子臂、第二偶极子臂所成的直线与第三偶极子臂、第四偶极子臂所成的直线垂直；所述第一偶极子臂与第三偶极子臂连接，第二偶极子臂与第四偶极子臂连接，所述第一偶极子臂、第三偶极子臂通过同轴线与第二偶极子臂、第四偶极子臂连接，其特征在于：所述第一偶极子臂与第三偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状，所述第二偶极子臂与第四偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹状。
2.根据权利要求1所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述第一偶极子臂与第三偶极子臂、第二偶极子臂与第四偶极子臂之间通过3/4圆环进行连接，3/4圆环的环宽从一端到另一端逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述同轴线包括内导体和外导体，其中内导体穿过介质基板后与第一偶极子臂、第三偶极子臂连接，外导体与第二偶极子臂、第四偶极子臂连接。
4.根据权利要求1所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述交叉偶极子天线还包括有设置在介质基板上表面的第一偶极子辐射枝节、设置在介质基板上表面的第二偶极子辐射枝节、设置在介质基板下表面的第三偶极子辐射枝节、设置在介质基板下表面的第四偶极子辐射枝节；第一偶极子辐射枝节与第三偶极子辐射枝节设置在同一直线上，第二偶极子辐射枝节与第四偶极子辐射枝节设置在同一直线上，第一偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节所在的直线与第二偶极子辐射枝节、第四偶极子辐射枝节所在的直线垂直，所述第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节与第一偶极子臂、第三偶极子臂连接，所述第三偶极子辐射枝节、第四偶极子辐射枝节与第二偶极子臂、第四偶极子臂连接。
5.根据权利要求4所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述设置的第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节和第四偶极子辐射枝节经过弯折处理。
6.根据权利要求4所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述第一偶极子辐射枝节、第二偶极子辐射枝节、第三偶极子辐射枝节和第四偶极子辐射枝节设置成弯曲盘旋结构。
7.根据权利要求1所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述第一偶极子臂与第三偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹的三角状；所述第二偶极子臂与第四偶极子臂远离两者连接处的一侧的横向剖面形状为内凹的三角状。
8.根据权利要求1～7任一项所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述介质基板为FR-4环氧玻纤布介质基板。
9.根据权利要求8所述的多频带圆极化宽频交叉偶极子天线，其特征在于：所述FR-4环氧玻纤布介质基板的厚度为2mm，规格为48mm*48mm，介电系数为4.7，损耗角正切为0.01。
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