CN109742546B - 一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线，通过在介质基板的上下表面分别设置单极子辐射振子和金属地板共同形成平面单极子天线单元；通过在金属地板上开设缝隙形成缝隙天线单元；并通过金属连接部以及两个穿设于介质基板内的馈电端口组成馈电结构单元用以对单极子辐射振子和金属地板进行电气连接；从而利用这两种天线单元极化正交的特性，通过不同的馈电模式，实现同一频率上的两种不同线极化波。另外，平面单极子天线单元和缝隙天线单元都具有低剖面，重量轻，易于加工的特点，因此，由两者形成的双极化天线也具有结构简单、体积小巧、易于加工制作的优势。

Description

一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线
技术领域
本发明涉及一种双极化天线，具体涉及一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线。
背景技术
双极化天线通过不同的馈电方式使天线辐射出不同方向的极化波，有利于在传输中实现有效的分集，从而对抗由于多径衰落引起的通信质量的下降，可在MIMO***中作为发射天线或接收天线。
现有的双极化天线相对的辐射极化纯度不高，同时设计的灵活性较低。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线，该天线结构简单，具有低剖面、重量轻的特性，易于加工制作，同时具有较高的极化纯度和设计灵活度。
技术方案：本发明所述的一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线，包括介质基板、平面单极子天线单元、缝隙天线单元以及馈电结构单元；所述介质基板具有相互平行的上表面和下表面；所述平面单极子天线单元包括金属地板和单极子辐射振子；所述金属地板呈长方形，设置于介质基板的下表面；所述单极子辐射振子呈长条形，设置于所述介质基板的上表面，该长条形单极子辐射振子的长度方向垂直平分该长方形金属地板的长边；所述缝隙天线单元包括两端封闭且在金属地板厚度方向上形成贯通的缝隙，该缝隙的延伸方向与单极子辐射振子的长度方向均位于垂直于所述介质基板表面的同一平面上；所述馈电结构单元包括金属连接部和两个馈电端口，所述金属连接部设置于单极子辐射振子的一端，所述两个馈电端口分别连接在所述缝隙的两条侧边上，且两个馈电端口的另一端均垂直贯通所述介质基板并分别连接在该金属连接部的两侧。
进一步的，为了改善平面单极子天线单元的匹配性能，所述金属地板设置于所述介质基板下表面的一侧，所述单极子辐射振子设置于介质基板上表面的另一侧，且金属地板和所述单极子辐射振子在介质基板的厚度方向上形成交错。
进一步的，该双极化天线还包括馈电线路，所述两个馈电端口分别与所述馈电线路电连接。
其中，当所述馈电线路通过两个馈电端口进行偶模馈电时，平面单极子天线单元工作并辐射出垂直极化波。
当馈电线路通过两个馈电端口进行奇模馈电时，缝隙天线单元工作并辐射出水平极化波。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过在介质基板的上下表面分别设置单极子辐射振子和金属地板共同形成平面单极子天线单元；通过在金属地板上开设缝隙形成缝隙天线单元；并通过金属连接部以及两个穿设于介质基板内的馈电端口组成馈电结构单元用以对单极子辐射振子和金属地板进行电气连接；从而利用这两种天线单元极化正交的特性，通过不同的馈电模式，实现同一频率上的两种不同线极化波，并且具有较高的极化纯度。另外，平面单极子天线单元和缝隙天线单元都具有低剖面，重量轻，易于加工的特点，因此，由两者形成的双极化天线设计灵活度较高，也具有结构简单、体积小巧、易于加工制作的优势。
附图说明
图1为本发明的双极化天线的上表面的结构示意图；
图2为图1中馈电结构单元的局部放大立体图；
图3为本发明的双极化天线的下表面的结构示意图；
图4为图3中双极化天线的俯视结构示意图；
图5是图3中双极化天线的右视结构示意图；
图6是利用HFSS软件计算的偶模和奇模两种馈电模式下的天线回波损耗特性；
图7是利用HFSS软件计算的偶模馈电下xoy面、xoz面、yoz面的主极化和交叉极化的辐射方向图；
图8是利用HFSS软件计算的奇模馈电下xoy面、xoz面、yoz面的主极化和交叉极化的辐射方向图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1-5所示，本实施例公开了一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线，包括介质基板1、金属地板2、单极子辐射振子3、缝隙4、金属连接部5以及两个馈电端口6。
其中，介质基板1呈长方形结构并具有相互平行的上表面和下表面，天线单元制作在该介质基板1上。请参阅图5所示方位，底层的金属地板2设置于介质基板1的下表面右侧，顶层的单极子辐射振子3设置于介质基板1的上表面左侧，金属地板2和单极子辐射振子3共同形成该双极化天线的平面单极子天线单元。
具体的，金属地板2呈长方形结构，其长边的长度约为半波长，短边的长度约为四分之一波长。本实施例中，金属地板2的一条长边与介质基板1下表面的一侧边沿平齐，另一条长边位于该下表面的中部区域。而作为优选，金属地板2的长边长度为半波长，短边长度为四分之一波长。
单极子辐射振子3为长条形的金属条带，其长度约为四分之一波长。而在本实施例中，该长条形的单极子辐射振子的长度优选为四分之一波长。单极子辐射振子3自介质基板1上表面的另一侧边沿向该上表面的中部延伸，且其长度方向垂直等分金属地板2的长边。
金属地板2上开设有两端封闭且在金属地板2厚度方向上形成贯通的缝隙4，该缝隙4的延伸方向与单极子辐射振子3的长度方向均位于垂直于所述介质基板1表面的同一平面上，将该缝隙4作为双极化天线的缝隙天线单元。具体的，本实施例中，缝隙4的长度优选为四分之一导波波长。
金属连接部5以及两个馈电端口6组成馈电结构单元。其中，两个馈电端口6分别连接在金属连接部5的两侧，而两个馈电端口6的另一端均贯穿介质基板1并分别连接位于介质基板1下表面的缝隙4的两条侧边上。
请再次参阅图5，单极子辐射振子3和金属地板2在介质基板1厚度方向上形成交错重叠。也即，位于上表面一侧的单极子辐射振子3的一端延伸并超出位于下表面另一侧的金属地板2的边沿一段长度，然后与金属连接部5相连，从而改善平面单极子天线单元的匹配性能。
另外，两个馈电端口6与金属连接部5相对于缝隙4所处的位置能够改变缝隙天线单元的自阻抗，从而也能够改善缝隙天线单元的匹配性能。
进一步的，该双极化天线还包括馈电线路，所述两个馈电端口6分别与所述馈电线路电连接。具体的，当所述馈电线路通过两个馈电端口6进行偶模馈电时，平面单极子天线单元工作并辐射出垂直极化波。当馈电线路通过两个馈电端口6进行奇模馈电时，缝隙天线单元工作并辐射出水平极化波。
如图6所示，本实施例中，介质基板1按照介电常数4.4、厚度为1毫米设计时，利用HFSS软件计算的天线两种馈电模式下的回波损耗。在奇模馈电模式下，天线的工作频率为2.4GHz，天线的-10dB阻抗带宽为41.7％(1.9GHz-2.9GHz)；在偶模馈电模式下，天线的工作频率为2.4GHz，天线的-10dB阻抗带宽为35.3％(2.1GHz-3.0GHz)。
如图7所示，本实施例的平面单极子和缝隙结构的双极化天线，利用HFSS软件计算的偶模馈电条件下的xoy面，xoz面，yoz面的主极化和交叉极化的辐射方向。其中xoz面和yoz面的交叉极化低于-30dB，图上未示出。
如图8所示，本实施例的平面单极子和缝隙结构的双极化天线，利用HFSS软件计算的奇模馈电条件下的xoy面，xoz面，yoz面的主极化和交叉极化的辐射方向。其中xoz面和yoz面的交叉极化低于-30dB，图上未示出。
通过上述试验可知，本发明的平面单极子和缝隙结构的双极化天线具有同一工作频率的两种不同极化的工作模式，并且性能优越。

Claims (5)

1.一种平面单极子和缝隙结构的双极化天线，其特征在于，包括介质基板(1)、平面单极子天线单元、缝隙天线单元以及馈电结构单元；
所述介质基板(1)具有相互平行的上表面和下表面；
所述平面单极子天线单元包括金属地板(2)和单极子辐射振子(3)；所述金属地板(2)呈长方形，设置于介质基板(1)的下表面；所述单极子辐射振子(3)呈长条形，设置于所述介质基板(1)的上表面，该长条形单极子辐射振子(3)的长度方向垂直平分该长方形金属地板(2)的长边；
所述缝隙天线单元包括两端封闭且在金属地板(2)厚度方向上形成贯通的缝隙(4)，该缝隙(4)的延伸方向与单极子辐射振子(3)的长度方向均位于垂直于所述介质基板(1)表面的同一平面上；
所述馈电结构单元包括金属连接部(5)和两个馈电端口(6)，所述金属连接部(5)设置于单极子辐射振子(3)的一端，所述两个馈电端口(6)分别连接在所述缝隙(4)的两条侧边上，两个馈电端口(6)的另一端均垂直贯通所述介质基板(1)并分别连接在该金属连接部(5)的两侧；
还包括馈电线路，所述两个馈电端口(6)分别与所述馈电线路电连接；当所述馈电线路通过两个馈电端口(6)进行偶模馈电时，平面单极子天线单元工作并辐射出垂直极化波；当馈电线路通过两个馈电端口(6)进行奇模馈电时，缝隙天线单元工作并辐射出水平极化波。
2.根据权利要求1所述的平面单极子和缝隙结构的双极化天线，其特征在于，所述金属地板(2)设置于所述介质基板(1)下表面的一侧，所述单极子辐射振子(3)设置于介质基板(1)上表面的另一侧，且金属地板(2)和所述单极子辐射振子(3)在介质基板(1)的厚度方向上形成交错。
3.根据权利要求1所述的平面单极子和缝隙结构的双极化天线，其特征在于，所述金属地板(2)的长边长度为半波长，短边长度为四分之一波长。
4.根据权利要求3所述的平面单极子和缝隙结构的双极化天线，其特征在于，所述单极子辐射振子(3)的长度为四分之一波长。
5.根据权利要求3所述的平面单极子和缝隙结构的双极化天线，其特征在于，所述缝隙(4)的长度为四分之一导波波长。
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