CN109786939A - 一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线，包括上介质基板、下介质基板、双波束天线模块和极化转化模块。双波束天线模块包括谐振腔和均设在谐振腔内的16个缝隙天线；16个缝隙天线呈4*4阵列布设，并形成两个2*4子阵；一个2*4子阵产生前向波束，另一个2*4子阵产生后向波束。极化转化模块包括16个偶极子金属条带，16个偶极子金属条带呈4*4阵列布设在上金属层上，且与16个缝隙天线的位置相对应，每个偶极子金属条带的中心点与对应缝隙天线的中心点位于同一竖直直线上。极化转化模块将缝隙天线辐射出的电磁波的极化特性由线极化转变为圆极化。带有圆极化特性的双波束天线，能在结构和馈电方式简单的情况下实现高增益低剖面，适用于室内无线通信***。

Description

一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线

技术领域

本发明涉及一种缝隙谐振腔天线，特别是一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线。

背景技术

随着室内无线通信的发展，天线得以发展以实现更好的***性能。与传统的全向天线相比，双波束天线可以产生两个定向波束。其可以将功率限制在某个方向以减少无用的能量辐射，从而有效地改善链路质量并减少信道干扰。同时，双波束天线将减少天线数量并减少馈电网络复杂度。因此，双波束天线是室内无线通信的良好候选者。

在通信***中，通常需要天线来实现高增益以减少信号干扰。此外，传播主要受室内无线通信中墙壁，天花板，地板和障碍物的反射影响，导致频率选择性多径衰落，圆极化波发射/接收显著减轻了多径衰落。因此，实现圆极化双波束天线也具有一定的实际意义。

然而实现一个低剖面高增益的圆极化双波束天线并非易事，因为传统的贴片天线由于其低辐射效率和口径面积等限制，导致其无法进一步提高增益，同时圆极化实现往往需要比较复杂的结构设计，这势必也会引入很多冗杂的结构，因此设计一个结构和馈电简单的圆极化双波束天线成为了一个难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线，该圆极化双波束缝隙谐振腔天线带有圆极化特性，能在结构和馈电方式简单的情况下实现了高增益低剖面。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线，包括上介质基板、下介质基板、双波束天线模块和极化转化模块。

上介质基板同轴设置在下介质基板的上方，且两者之间具有空气间隙。

下介质基板的上表面设置有缝隙贴片金属层。

双波束天线模块设置在缝隙贴片金属层上，双波束天线模块包括谐振腔和均设置在谐振腔内的16个缝隙天线；16个缝隙天线呈4*4阵列布设，并形成两个2*4子阵；其中一个2*4子阵产生前向波束，另一个2*4子阵产生后向波束。

上介质基板的上表面设置有上金属层。

极化转化模块包括16个偶极子金属条带，16个偶极子金属条带呈4*4阵列布设在上金属层上，且与16个缝隙天线的位置相对应，每个偶极子金属条带的中心点与对应缝隙天线的中心点位于同一竖直直线上。

极化转化模块将缝隙天线辐射出的电磁波的极化特性由线极化转变为圆极化。

谐振腔呈矩形或正方形，以谐振腔的中心为原点，将过原点且与谐振腔其中一条边长相平行的直线作为x轴，将过原点且与谐振腔另一条边长相平行的直线作为y轴。

谐振腔内具有均与x轴相平行的7根八分等线，7根八分等线包括间隔布设的4根奇数八等分线和三根偶数八等分线；每根奇数八等分线附近均设置四个缝隙天线，四个缝隙天线对称设置在y轴两侧，位于y轴同侧的两个缝隙天线分别位于对应奇数八等分线的两侧。

每个缝隙天线均为长方形，缝隙天线的长边与x轴相平行。

每个偶极子金属条带与x轴之间的夹角均为θ，θ值能够根据极化特性进行调整。

θ=+45°、0°或-45°；当θ=+45°时，能实现左旋圆极化特性；当θ=0°时，能实现线极化特性；当θ=-45°时，能实现右旋圆极化特性。

谐振腔尺寸满足谐振高次模TE₄₄₀的尺寸要求，谐振腔由若干个短路通孔均匀排列形成。

谐振腔呈正方形，边长W_c=89.7 mm，每个短路通孔的直径均为d=1 mm，短路通孔之间的距离均为g=1.5 mm；每个缝隙天线的长度为S_L=20.1 mm ，宽度为S_W=4.2 mm；缝隙天线与相邻偶数八等分线之间的最小距离m=6.7 mm；每个偶极子金属条带的长度P _l =17.1 mm，宽度 P _W =4.4 mm；空气间隙高度h=7 mm。

下介质基板的下表面设置有金属接地层，金属接地层上设置有同轴馈电端。

缝隙贴片金属层上与同轴馈电端相对应的位置为馈电位置(Fx，Fy)，其中，Fx=-9mm， Fy=8.7mm。

同轴馈电端的特征阻抗为50欧姆。

本发明具有如下有益效果：

1、利用谐振腔高次模式TE₄₄₀的驻波分布特点来开槽形成缝隙天线阵列，天线结构和馈电方式简单，最终通过阵列的方法实现了较高的增益。

2、16个缝隙天线呈4*4阵列布设，两个2*4子阵分别产生前向和后向两个波束。

3、16个偶极子金属条带结构简单，且可以根据其旋转角度来改变极化特性，可以实现较好的圆极化效果，具有低成本、低剖面、较好的辐射和阻抗匹配特性等特点，满足室内无线通信***的实际需要。

附图说明

图1（a）为本发明一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线中上介质基板的结构示意图。

图1（b）为本发明一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线中下介质基板的结构示意图。

图2（a）为本发明一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线中双波束天线模块的结构示意图。

图2（b）为本发明一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线中极化转化模块的设置位置图。

图2（c）为本发明一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线的纵向剖面图。

图3（a）为采用CST软件对本发明进行仿真后的频率与散射参数曲线图。

图3（b）为采用CST软件对本发明进行仿真后关于θ角的归一化方向图。

图4（a）为采用安捷伦5245A矢量网络分析仪进行测试后的频率与增益曲线图。

图4（b）为采用安捷伦5245A矢量网络分析仪进行测试后AR（轴比）随θ角的变化曲线图。

其中有：

10.上介质基板；11.上金属层；

20.下介质基板；21.缝隙贴片金属层；22.金属接地层；23.同轴馈电端；

30.双波束天线模块；

31.短路通孔；32.奇数八等分线；33.偶数八等分线；34.缝隙天线；35.馈电位置；36.中心对称面；

40.极化转化模块；41.偶极子金属条带；

50.空气间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图2（c）所示，一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线，包括上介质基板10 、下介质基板20、双波束天线模块30和极化转化模块40。

如图1（a）所示，上介质基板的上表面设置有上金属层11。

上介质基板同轴设置在下介质基板的上方，且两者之间具有空气间隙50。空气间隙的高度优选为h=7 mm，实际中优选采用尼龙螺钉的方式将上介质基板和下介质基板进行支撑固定。

如图1（b）和图2（c）所示，下介质基板的上表面设置有缝隙贴片金属层21，下介质基板的下表面设置有金属接地层22，金属接地层上设置有同轴馈电端23，其特征阻抗优选为50欧姆。 同轴馈电端也即第一端口Port1，馈电方式为同轴线馈电，优选采用SMA头焊接。

上介质基板和下介质基板均优选采用相对介电常数为2.55，厚度为1.5mm的PCB板。作为替换，也可以采用其他规格的PCB板。

双波束天线模块设置在缝隙贴片金属层上，缝隙贴片金属层的宽度为W。

如图2（a）所示，双波束天线模块包括谐振腔和均设置在谐振腔内的16个缝隙天线34。

双波束天线模块优选采用基片集成波导技术，谐振腔采用谐振模式TE₄₄₀，工作频段设计在室内通信频段5.8 GHz左右，谐振腔尺寸满足谐振高次模TE₄₄₀的尺寸要求，谐振腔优选由若干个短路通孔31均匀排列形成。

谐振腔优选呈正方形，边长W_c=89.7 mm，每个短路通孔的直径均优选为d=1 mm，短路通孔之间的距离均优选为g=1.5 mm。

缝隙贴片金属层通过短路通孔接地以起到封锁能量的作用。

上述16个缝隙天线呈4*4阵列布设，并形成两个2*4子阵。其中一个2*4子阵，产生前向波束，另一个2*4子阵产生后向波束。

16个缝隙天线优选按照如下方式进行布设。

1.坐标系建立。

谐振腔呈矩形或正方形，本发明以正方形为例进行详细说明，以谐振腔的中心为原点，将过原点且与谐振腔其中一条边长相平行的直线作为x轴，将过原点且与谐振腔另一条边长相平行的直线作为y轴，将过原点且与xy平面相垂直的直线作为z轴。

2.谐振腔八等分。

谐振腔内具有均与x轴相平行的7根八分等线，7根八分等线包括间隔布设的4根奇数八等分线32和三根偶数八等分线33。

3. 16个缝隙天线布设。

每根奇数八等分线附近均设置四个缝隙天线，四个缝隙天线优选对称设置在y轴两侧，位于y轴同侧的两个缝隙天线分别位于对应奇数八等分线的两侧。16个缝隙天线以YZ面（或yz面）作为中心对称面36，也即位于中心对称面两侧的缝隙天线需要具有相反的相位特性。

因此，位于中心两排沿x方向分布的缝隙天线位于4根奇数八等分线的同侧位置（在x方向上一排缝隙天线保持一致，同位于奇数八等分线的左侧或者右侧），至此，位于+x和-x方向的两组2*4缝隙子阵可分别产生+x和-x两个方向的波束。

每个缝隙天线均优选为长方形，缝隙天线的长边与x轴相平行。每个缝隙天线的长度优选为S_L=20.1 mm ，宽度优选为S_W=4.2 mm；缝隙天线与相邻偶数八等分线之间的最小距离优选为m=6.7 mm。

作为替换，16个缝隙天线也可按照其他方式进行布设，如图2（a）中的第一二行调整位置等。

缝隙贴片金属层上与同轴馈电端相对应的位置为馈电位置35，坐标为(Fx，Fy)，其中，Fx=-9mm， Fy=8.7mm。

如图2（b）所示，极化转化模块包括16个偶极子金属条带41，16个偶极子金属条带呈4*4阵列布设在上金属层上，且与16个缝隙天线的位置相对应，每个偶极子金属条带的中心点与对应缝隙天线的中心点位于同一竖直直线上，也即相位中心保持一致。

每个偶极子金属条带的长度优选为P _l =17.1 mm，宽度优选为 P _W =4.4 m。

极化转化模块将缝隙天线辐射出的电磁波的极化特性由线极化转变为圆极化，最终能够产生圆极化双波束的方向图。

每个偶极子金属条带与x轴之间的夹角均为θ，θ值能够根据极化特性进行调整。

θ=+45°、0°或-45°；当θ=+45°时，能实现左旋圆极化特性；当θ=0°时，能实现线极化特性；当θ=-45°时，能实现右旋圆极化特性。

通过上述设计，本发明的圆极化双波束缝隙谐振腔天线设计中心频率为5.8 GHz，从图3（a）、图3（b）、图4（a）和图4（b）中可以看出，模拟结果与测量结果吻合良好。

图3(a)中显示测得的回波损耗优于-10 dB，范围从5.74至5.86 GHz。

图3(b)给出了5.80 GHz频点下的xz平面仿真和测试的主极化和交叉极化方向图。很明显，天线具有两个对称的定向波束，两个波束的增益在xz平面的最大值为±24°，并且交叉极化增益比主极化增益低18 dB，显示出了良好的交叉极化特性。进一步地，天线所测得的增益优于12.5 dB。并且两个波束之间的最大增益差异约为0.1 dB，这是由于馈电点位于腔体的一侧，导致场分布有些许的不均匀。

此外，图4(a)给出了在通带中两个波束测试的增益频率响应，可以看出其增益值在通带内相对稳定。

如图4(b)所示，测量的轴比在±50°的波束宽度中小于3 dB，除了0°附近的区域，这表明两个波束都具有良好的圆极化特性。同时，图3(a)中测得的两个波束频率的轴比在通带中都低于3dB。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：包括上介质基板、下介质基板、双波束天线模块和极化转化模块；

上介质基板同轴设置在下介质基板的上方，且两者之间具有空气间隙；

下介质基板的上表面设置有缝隙贴片金属层；

双波束天线模块设置在缝隙贴片金属层上，双波束天线模块包括谐振腔和均设置在谐振腔内的16个缝隙天线；16个缝隙天线呈4*4阵列布设，并形成两个2*4子阵；其中一个2*4子阵产生前向波束，另一个2*4子阵产生后向波束；

上介质基板的上表面设置有上金属层；

极化转化模块包括16个偶极子金属条带，16个偶极子金属条带呈4*4阵列布设在上金属层上，且与16个缝隙天线的位置相对应，每个偶极子金属条带的中心点与对应缝隙天线的中心点位于同一竖直直线上；

极化转化模块将缝隙天线辐射出的电磁波的极化特性由线极化转变为圆极化。

2.根据权利要求1所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：谐振腔呈矩形或正方形，以谐振腔的中心为原点，将过原点且与谐振腔其中一条边长相平行的直线作为x轴，将过原点且与谐振腔另一条边长相平行的直线作为y轴；

谐振腔内具有均与x轴相平行的7根八分等线，7根八分等线包括间隔布设的4根奇数八等分线和三根偶数八等分线；每根奇数八等分线附近均设置四个缝隙天线，四个缝隙天线对称设置在y轴两侧，位于y轴同侧的两个缝隙天线分别位于对应奇数八等分线的两侧。

3.根据权利要求2所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：每个缝隙天线均为长方形，缝隙天线的长边与x轴相平行。

4.根据权利要求2或3所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：每个偶极子金属条带与x轴之间的夹角均为θ，θ值能够根据极化特性进行调整。

5.根据权利要求4所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：θ=+45°、0°或-45°；当θ=+45°时，能实现左旋圆极化特性；当θ=0°时，能实现线极化特性；当θ=-45°时，能实现右旋圆极化特性。

6.根据权利要求5所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：谐振腔尺寸满足谐振高次模TE₄₄₀的尺寸要求，谐振腔由若干个短路通孔均匀排列形成。

7.根据权利要求6所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：谐振腔呈正方形，边长W_c=89.7 mm，每个短路通孔的直径均为d=1 mm，短路通孔之间的距离均为g=1.5mm；每个缝隙天线的长度为S_L=20.1 mm ，宽度为S_W=4.2 mm；缝隙天线与相邻偶数八等分线之间的最小距离m=6.7 mm；每个偶极子金属条带的长度P _l =17.1 mm，宽度 P _W =4.4 mm；空气间隙高度h=7 mm。

8.根据权利要求7所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：下介质基板的下表面设置有金属接地层，金属接地层上设置有同轴馈电端。

9.根据权利要求8所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：缝隙贴片金属层上与同轴馈电端相对应的位置为馈电位置(Fx，Fy)，其中，Fx=-9mm， Fy=8.7mm。

10.根据权利要求8所述的圆极化双波束缝隙谐振腔天线，其特征在于：同轴馈电端的特征阻抗为50欧姆。