專利名稱：一種超寬帶雙極化平面天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信中的天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及超寬帶雙極化平面天線。
背景技術(shù)：
伴隨著個(gè)人無線移動通信的迅猛發(fā)展，對系統(tǒng)的帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率、抗干擾能力提出了更高的要求。超寬帶通信技術(shù)由于其很寬的工作頻帶(絕對帶寬達(dá)到7. 5GHz)，很低的傳輸功率(低于-41. 3dBm)，很高的數(shù)據(jù)傳輸速率(在10米范圍內(nèi)可達(dá)到llOMHz/s)和很強(qiáng)的抗干擾能力而受到了廣泛的關(guān)注。然而，由于很低的傳輸功率造成了超寬帶系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的多徑衰落現(xiàn)象從而影響系統(tǒng)的性能。多天線MIMO技術(shù)(多輸入多輸出技術(shù))的出現(xiàn)可以有效的解決上訴問題。MMO技術(shù)可以在不增加額外帶寬或者增大發(fā)射功率的情況下·提供更大的數(shù)據(jù)吞吐量和更廣的連接范圍。天線作為實(shí)現(xiàn)超寬帶通信的關(guān)鍵部件之一成為人們的研究熱點(diǎn)。國際電子電氣工程師協(xié)會《天線與傳播》雜志(IEEE Transactions on Antennaand Propagation, 2009, 57 (10)，3347-3351)介紹了一種寬帶雙極化的等腰三角形槽天線，該天線兩端口之間的隔離度達(dá)到_30dB，但該天線的阻抗帶寬僅能覆蓋5-6GHZ頻率范圍，因此不能滿足超寬帶的應(yīng)用。國際電子電氣工程師協(xié)會《天線與傳播》雜志(IEEE Transactionson Antennaand Propagation, 2012, 60 (3), 1596-1600)介紹了一種雙端口環(huán)形縫隙超寬帶天線，該天線能完全覆蓋超寬帶通信需要的3. 1-10. 6GHz的頻率范圍，兩端口之間的隔離度達(dá)到_15dB，滿足無線通信系統(tǒng)對隔離度的要求，但該天線外觀尺寸較大，因此不滿足便攜式無線通信設(shè)備的應(yīng)用需求。鑒于上述要求，有必要提出一種緊湊的超寬帶雙極化平面天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的平面天線在寬帶范圍和外觀尺寸上不能兼顧的不足，提出了一種超寬帶雙極化平面天線。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超寬帶雙極化平面天線，包括介質(zhì)基板及位于介質(zhì)基板上的金屬層，所述金屬層包含了金屬區(qū)和鏤空區(qū)，其特征在于，所述金屬區(qū)包括位于介質(zhì)基板四周邊緣的接地板，所述接地板的中心為屬于鏤空區(qū)的多邊形槽；所述接地板的兩相鄰邊上分別具有相互垂直的第一開口和第二開口 ；所述第一共面波導(dǎo)傳輸線貫穿第一開口后一端與位于多邊形槽的第一金屬輻射體連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口(圖I中端口 I);所述第二共面波導(dǎo)傳輸線貫穿第二開口后一端與位于多邊形槽的第二金屬輻射體連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口(圖I中端口 2);所述接地板、多邊形槽自身關(guān)于水平方向和垂直方向之間的45度角對稱，所述第一開口、第一共面波導(dǎo)傳輸線和第一金屬輻射體分別與第二開口、第二共面波導(dǎo)傳輸線和第二金屬輻射體關(guān)于水平方向和垂直方向之間的45度角對稱。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果本技術(shù)方案采用單面敷銅介質(zhì)基板制作而成，采用共面波導(dǎo)饋電方式，輻射單元與接地板均位于介質(zhì)基板上表面，這種平面結(jié)構(gòu)使得該天線易于與其他射頻電路相集成，從而減小整個(gè)系統(tǒng)的體積；同時(shí)，多邊形槽中的矩形枝節(jié)和刻在天線右上角的呈等腰直角三角形的三角形切角提高了天線的隔離度，改善了天線性能。該天線是雙極化MIMO天線，可以有效提高接收或者發(fā)射的電磁信號的健壯性和多路徑性，從而克服復(fù)雜惡劣環(huán)境下的多徑衰落提高整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。而且該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，成本低。


圖I是本發(fā)明的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的Sll和S22圖。圖3為本發(fā)明的S12和S21圖。附圖標(biāo)記說明金屬區(qū)I、接地板11、第一共面波導(dǎo)傳輸線12、第一金屬輻射體13、第二共面波導(dǎo)傳輸線14、第二金屬輻射體15、矩形枝節(jié)16、鏤空區(qū)2、多邊形槽21、第一開口22、第二開口 23、三角形切角2具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明如圖I所示，一種超寬帶雙極化平面天線，包括介質(zhì)基板及位于介質(zhì)基板上的金屬層(圖中未示出該雙層結(jié)構(gòu)的截面)，所述金屬層包含了金屬區(qū)I和鏤空區(qū)2，其特征在于，所述金屬區(qū)I包括位于介質(zhì)基板四周邊緣的接地板11，所述接地板11的中心為屬于鏤空區(qū)2的多邊形槽21 ;所述接地板11的兩相鄰邊(圖I中的左和下兩邊)上分別具有相互垂直的第一開口 22和第二開口 23 ;所述第一共面波導(dǎo)傳輸線12貫穿第一開口 22后一端與位于多邊形槽21的第一金屬輻射體13連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口(圖I中端口 I);所述第二共面波導(dǎo)傳輸線14貫穿第二開口 23后一端與位于多邊形槽21的第二金屬輻射體15連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口(圖I中端口 2);所述接地板11、多邊形槽21自身關(guān)于水平方向和垂直方向之間的45度角對稱(通過圖I中左和下兩邊的交點(diǎn)并與下邊呈45度角的中心線所示)，所述第一開口 22、第一共面波導(dǎo)傳輸線12和第一金屬福射體13分別與第二開口 23、第二共面波導(dǎo)傳輸線14和第二金屬福射體15關(guān)于水平方向和垂直方向之間的45度角對稱。作為對上述基本技術(shù)方案的補(bǔ)充和改進(jìn)上述第一開口 22和第二開口 23為呈階梯變化的矩形槽，所述矩形槽靠近多邊形槽21的一段開口較大，遠(yuǎn)離多邊形槽21的一段開口較小。上述介質(zhì)基板的右上角還具有三角形切角24。上述接地板11沿水平方向和垂直方向之間的45度角方向在多邊形槽21內(nèi)延伸有一矩形枝節(jié)16，所述矩形枝節(jié)16的末端與接地板11保持一定間隔。上述接地板11、第一共面波導(dǎo)傳輸線12、第一金屬輻射體13、第二共面波導(dǎo)傳輸線14、第二金屬輻射體15和矩形枝節(jié)16保留金屬構(gòu)成了金屬層的金屬區(qū)I圖案，上述多邊形槽21、第一開口 22、第二開口 23和三角形切角24消除了金屬構(gòu)成了金屬層的鏤空區(qū)2圖案。本技術(shù)方案的工作原理通過把兩個(gè)端口(端口 I和端口 2)設(shè)置在天線平面上相互垂直的位置從而使天線通過兩個(gè)輻射貼片向水平和垂直方向接收或者發(fā)射電磁能量，有效的減少了天線的尺寸。進(jìn)一步的在形成端口 I和端口 2的第一共面波導(dǎo)傳輸線12和第二共面波導(dǎo)傳輸線14的兩側(cè)的第一開口 22和第二開口 23內(nèi)設(shè)置呈階梯變化的矩形槽，這可以使饋電口到天線之間達(dá)到更好的阻抗匹配從而拓展天線的帶寬。放置于多邊形槽21中央的矩形枝節(jié)16可以隔斷兩個(gè)輻射單元(即第一金屬輻射體13和第二金屬輻射體15)的近場耦合，從而提高端口 I和端口2之間的隔離度。刻在天線右上角的呈等腰直角三角形的三角形切角24可以改變原有的通過端口 I到達(dá)端口 2或者通過端口 2到達(dá)端口 I的電流路徑，從而改變磁流分布，使得在不增加天線尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小端口 I和端口 2之間的耦合。為了進(jìn)一步的說明上述技術(shù)方案的可實(shí)施性，下面給出一個(gè)具體實(shí)施例本實(shí)施例中，介質(zhì)基板長L=50mm，寬W=50mm，厚度=0. 762mm,介質(zhì)基板的材料為·RogersR04350，介電常數(shù)為 3. 66。上述第一共面波導(dǎo)傳輸線12和第二共面波導(dǎo)傳輸線14長hl+h(hl=8mm, h=2. 6mm),寬Wd=3mm,采用共面波導(dǎo)饋電方式,且接地板11上的第一開口 22和第二開口 23呈階梯變化的矩形槽，優(yōu)化了天線匹配，提高了天線性能，其中遠(yuǎn)離多邊形槽21的一段開口的縫隙寬度g=0. 3mm,靠近多邊形槽21的一段開口的縫隙寬度為g2=0. 6mm,該段開口的長度為4. 6mm，第一共面波導(dǎo)傳輸線12的中心線偏移介質(zhì)基板的中心11. 6mm。所述第一開口 22的下邊緣到多邊形槽21的下邊緣的垂直距離為W2，該距離根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，需要保證第一金屬輻射體13和第二金屬輻射體15與接地板11具有足夠的間隙。上述第一金屬輻射體13和第二金屬輻射體15的形狀為直角梯形，且梯形下底W4=12mm,上底W5為下底的一半，高h(yuǎn)2=6mm。上述多邊形槽21為關(guān)于自身對稱的五邊形結(jié)構(gòu)，所述多邊形槽21距介質(zhì)基板的邊緣的寬度(圖I中左和下)hl=8mm，直角邊的長度(圖I中左和下)Wl=40mm，直角邊的長度(圖I中上)W3=6. 5mm,同時(shí)天線上端開有的三角形切角24的直角邊長h3=24mm,在多邊形槽21內(nèi)加有矩形枝節(jié)16，矩形枝節(jié)16的長度Ll=30mm，寬度為3_，且其中心線位于水平方向和垂直方向之間的45度角上。該天線設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過實(shí)際仿真和測試，天線的Sll和S22參數(shù)如圖2所示，在
3.IGHz IIGHz天線回波損耗小于-10dB，同時(shí)S21和S12參數(shù)如圖3所示，在整個(gè)工作頻段S21和S12都小于-15dB，特別在4GHz以上可達(dá)_25dB，具有很好的隔離度。因此，本技術(shù)方案能夠滿足超寬帶通信的雙極化MIMO天線的要求，該天線能工作在3. 1-11. 2GHz的頻率范圍內(nèi)且兩個(gè)端口之間的隔離度小于_20dB。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶雙極化平面天線，包括介質(zhì)基板及位于介質(zhì)基板上的金屬層，所述金屬層包含了金屬區(qū)和鏤空區(qū)，其特征在于，所述金屬區(qū)包括位于介質(zhì)基板四周邊緣的接地板，所述接地板的中心為屬于鏤空區(qū)的多邊形槽；所述接地板的兩相鄰邊上分別具有相互垂直的第一開口和第二開口 ；所述第一共面波導(dǎo)傳輸線貫穿第一開口后一端與位于多邊形槽的第一金屬輻射體連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口(圖I中端口 I);所述第二共面波導(dǎo)傳輸線貫穿第二開口后一端與位于多邊形槽的第二金屬輻射體連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口(圖I中端口 2);所述接地板、多邊形槽自身關(guān)于水平方向和垂直方向之間的45度角對稱，所述第一開口、第一共面波導(dǎo)傳輸線和第一金屬輻射體分別與第二開口、第二共面波導(dǎo)傳輸線和第二金屬輻射體關(guān)于水平方向和垂直方向之間的45度角對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超寬帶雙極化平面天線，其特征在于，上述第一開口和第二開口為呈階梯變化的矩形槽，所述矩形槽靠近多邊形槽的一段開口較大，遠(yuǎn)離多邊形槽的一段開口較小。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超寬帶雙極化平面天線，其特征在于，上述介質(zhì)基板的右上角還具有三角形切角24。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超寬帶雙極化平面天線，其特征在于，上述接地板沿水平方向和垂直方向之間的45度角方向在多邊形槽內(nèi)延伸有一矩形枝節(jié)，所述矩形枝節(jié)的末端與接地板保持一定間隔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超寬帶雙極化平面天線，包括介質(zhì)基板及位于介質(zhì)基板上的金屬層，所述金屬層包含了金屬區(qū)和鏤空區(qū)，其特征在于，所述金屬區(qū)包括位于介質(zhì)基板四周邊緣的接地板，所述接地板的中心為屬于鏤空區(qū)的多邊形槽；所述接地板的兩相鄰邊上分別具有相互垂直的第一開口和第二開口；所述第一共面波導(dǎo)傳輸線貫穿第一開口后一端與位于多邊形槽的第一金屬輻射體連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口；所述第二共面波導(dǎo)傳輸線貫穿第二開口后一端與位于多邊形槽的第二金屬輻射體連接，另一端作為天線的輸入或輸出端口。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果可以有效提高接收或者發(fā)射的電磁信號的健壯性和多路徑性，而且該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，成本低。
文檔編號H01Q1/48GK102956965SQ20121026400
公開日2013年3月6日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者高鵬, 熊靈, 賀爽 申請人:電子科技大學(xué)