基于寄生枝节的紧凑型双极化双频天线

1.本发明属于天线技术领域，特别涉及一种紧凑型双频双极化天线，可用于基站通信。


背景技术：

2.随着通信需求的日益增多，越来越多的频段投入使用。若通信系统想要尽可能覆盖多的通信频带，则需要纳入多种不同频段的天线组成一个庞大的天线系统。这样一方面会大大增加整个系统的体积，另一方面也会使得整体的成本造价非常昂贵。双频天线的引入，大大减少了对天线种类的需求。一款双频天线便能实现两款单频天线的性能，大大节约了天线的设计成本，同时也大大减小了天线系统的体积。
3.常规的双频天线虽然小于两个同频段单频天线的体积和，但与单频天线相比，仍拥有较大的体积。如果能够实现双频天线的小型化，将尺寸降低到比同频段单频天线的物理尺寸更小，便能大大节约天线在通信系统中所占的空间。在相同天线数量的前提下，可以大大缩小天线系统的体积，使得在相同体积的前提下，可以摆放更多的天线，提升天线系统的性能。
4.申请号为2012102982674的专利申请文献公开了一种“双频天线”。该发明涉及的双频天线由多个l形的微带传输线首尾垂直相连组成并设置于基板上。该发明可同时工作于中心频率为2.4ghz及5.0ghz两个频段，且满足双频天线中各天线单元间的隔离度要求。但天线的尺寸较大，同时不能实现双极化辐射。
5.申请号为2017104651698的专利申请文献公开了一种“高增益双频天线单元”。该发明设计的双频天线由u形辐射结构组、馈电带和反射地板组成，具有较好的辐射性能。但由于该天线单元为单极化天线，因而无法实现双极化辐射且天线的体积大，不能满足一些特定环境的小型化要求。
6.申请号为2021201325824的专利申请文献公开了一种“小尺寸双频天线和通信设备”。该发明涉及的小尺寸双频天线包括介质基板和设置于介质基板上的第一辐射单元、第二辐射单元、阶梯阻抗变换巴伦结构和馈电线。第一辐射单元和第二辐射单元为两套偶极子结构。第二辐射单元两侧向内弯折，从而提高天线的相对带宽，减小天线尺寸。该天线虽然实现了结构小型化，且不能实现双极化辐射。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于寄生枝节的紧凑型双极化双频天线，以在缩小天线整体尺寸的同时拓展频带宽度，实现双极化辐射。
8.本发明的技术方案是这样实现的：
9.一种基于寄生枝节的紧凑型双极化双频天线，包括低频辐射结构1、高频辐射结构2、馈电结构3、多个角形金属结构4、反射板5、顶部水平介质板6、中部水平介质板7和正交放置的竖直介质板8，其特征在于：
10.所述低频辐射结构1为沿顶部水平介质板6中心旋转成对称的四个矩形金属片11，12，13，14，用于辐射双频天线低频段信号，每个矩形金属片上开有矩形槽a，以实现阻抗匹配；
11.所述高频辐射结构2位于中部水平介质板7上表面，其为上下左右对称的“弓”字形金属片21，22，23，24，分布在中部介质板四条边的边沿，用于辐射双频天线高频段信号；
12.所述馈电结构3采用辐射结构与矩形金属地不相接触的馈电方式对高频结构馈电。
13.进一步，所述每个“弓”字形金属片包括中间的“ㄈ”形金属结构b及两端的矩形金属片c和d，三者通过“ㄈ”形结构两侧的金属条e和f连接为一体。
14.进一步，所述馈电结构包括倒“l”形的馈电结构和矩形金属地结构，并采用耦合馈电的方式，该倒“l”形结构位于每个竖直介质板的正面，该矩形金属地结构位于每个竖直介质板的背面，且矩形金属地的一端与低频金属结构1相连，另一端与反射板5相连。
15.进一步，所述正交放置的竖直介质板和每个水平介质板均采用介电常数大于2.2-10.6，电损耗小于0.01的材质，且竖直放置的每个介质板中部均开有矩形槽，以实现两者之间相互正交插合。
16.进一步，所述每个角形金属结构4的上端固定在顶部水平介质板6的四个角，下端穿过中部水平介质板6悬空。
17.进一步，所述耦合馈电的方式包括，辐射结构与矩形金属地相接触和不接触的两种耦合馈电方式，分别用于对低频和高频结构馈电。
18.进一步，所述辐射结构与矩形金属地相接触的馈电方式，是先将馈电结构的电流耦合到金属地上，再通过背面金属地将电流导入低频辐射结构，以实现对低频辐射结构的馈电。
19.进一步，所述辐射结构与矩形金属地不接触的馈电方式，是采用空间波耦合将馈电结构电流直接耦合到高频辐射结构上，以实现对高频辐射结构的馈电。
20.进一步，所述“ㄈ”形结构b的开口长度为s1，两边长度为s2，宽度为s5；所述“ㄈ”形结构两端的矩形金属片c和d长度为s3，宽度为s5；所述连接“ㄈ”型结构和两端矩形金属片的金属条e和f长度为s4；这些参数的比值为：s1:s2:s3:s4:s5＝30：36：17：10：18。
21.进一步，所述顶部水平介质板6、中部水平介质板7的大小相同，且每条边长不大于40mm；
22.进一步，所述正交放置的竖直介质板8，其长度不大于23.6mm，其宽度范围为20mm-55mm。
23.进一步，所述反射板5，其长度和宽度均不小于40mm。
24.本发明与现有技术相比，具有以下有优点：
25.第一，本发明由于设计了一种“弓”字形天线结构，不仅可实现高频段的辐射，而且具有较好的阻抗匹配特性，拓宽了频带宽度并拥有较高的增益。
26.第二、本发明由于采用天线结构与馈电结构和地面均无接触的高频馈电方式，简化了天线的馈电结构，实现了高频辐射。
27.第三、本发明由于在低频辐射结构的每个矩形金属片上开有矩形槽，可实现阻抗匹配。
28.第四、本发明由于采用高频结构辐射和低频结构辐射上下水平放置的排布方式，综合利用三维空间，既实现了天线的小型化，又实现了双极化辐射，扩展了天线的应用场景。
附图说明
29.图1为本发明的整体结构示意图；
30.图2为本发明的高频段辐射结构的模型示意图；
31.图3为本发明的低频段辐射结构的模型示意图；
32.图4为本发明的反射板结构的模型示意图
33.图5为本发明天线的驻波比和s参数的仿真和实测结果图；
34.图6为本发明天线的仿真和交叉极化比的仿真和实测结果图
具体实施方式
35.以下结合附图，对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。
36.参照图1，本发明给出如下三个实施例：
37.实施例1，基于寄生枝节的紧凑型双极化双频天线
38.本实例包括，低频辐射结构1、高频辐射结构2、馈电结构3、多个角形金属结构4、反射板5、顶部水平介质板6、中部水平介质板7和正交放置的竖直介质板8。低频辐射结构1印刷在顶部水平介质板6，高频辐射结构2印刷在中部水平介质板7，顶部水平介质板6位于正交放置的竖直介质板8顶部，中部水平介质板7位于正交放置的竖直介质板8的中上部，反射板位于正交放置的竖直介质板8底部，馈电结构3印刷在正交放置的竖直介质板8上，角形金属结构4固定在顶部水平介质板6的四个角，并穿过中部水平介质板7悬空。
39.所述多个角形金属结构4采用四个直角型金属柱，每个直角型金属柱的上端与顶部水平介质板固定，并与低频辐射结构相接触，用于延长矩形金属片的电流，其下端穿过中部水平介质板悬空。
40.参照图2，所述低频段辐射结构1包括四个矩形金属片11，12，13，14，其印刷在顶部水平介质板6的上表面，且关于顶部水平介质板中心旋转对称。
41.每个矩形金属片的中间开有一个矩形槽a，左下和右上角经过倒圆角处理，右下角经过切割处理，通过这三种措施以实现天线的阻抗匹配。
42.每个矩形金属片的相对角分别都开有一个“l”形槽和一个长矩形槽，用于实现角形金属结构和正交放置的竖直介质板的背面矩形金属地与自身的接触。
43.参照图3，所述高频辐射结构2为上下左右对称的“弓”字形金属片21，22，23，24。四个“弓”字形金属结构蚀刻在中部水平介质板四条边的边沿上，用于实现双频天线的高频辐射。四个“弓”字形金属结构关于中部水平介质板中心旋转对称。
44.每个“弓”字形金属片包括中间的“ㄈ”形金属结构及两端的矩形金属片(b)和(c)，三者通过“ㄈ”形结构两侧的金属条(d)和(e)连接为一体。“ㄈ”形结构开口的长度为s1，“ㄈ”形结构上下两边的长度为s2，两端矩形金属片(b)和(c)的长度为s3，连接“ㄈ”型结构和两端矩形金属片的金属条(d)和(e)的长度为s4，构成“ㄈ”形结构金属条的宽度为s5。上述参数的比值为：s1:s2:s3:s4:s5＝30：36：17：10：18。
45.本实例的参数数值为：s1＝7.5mm,s2＝9mm,s3＝4.25mm,s4＝2.5mm,s5＝4.5mm。
46.所述顶部水平介质板6和中部水平介质板7的长度和宽度均采用为40mm的矩形介质板，顶部水平介质板采用fr4材质，中部水平介质板采用f4b材质。该顶部水平介质板6在四个角开有“l”形槽61，以便与角形金属柱的安装，其中部开有矩形槽62，以便与正交放置的竖直介质板顶部插合。该中部水平介质板7的中部开有正交的一对矩形槽71，以便与正交放置竖直介质板8进行插入连接，其四周开有与顶部水平介质板6相同的四个“l”形槽72，便于角形金属柱的安装。
47.所述正交放置的竖直介质板8为两个矩形介质板，材质为fr4，长度为23.2mm,宽度为25mm。这两个矩形介质板中的一块介质板在中部底端开有宽度与板厚相同的矩形槽，另一块介质板的中部顶端开有宽度与板厚相同的矩形槽，用于彼此相互插合。该正交放置的竖直介质板8顶部有矩形突起，安装时正好插入顶部水平介质板6的矩形槽中，方便与顶部水平介质板6的固定。且正交放置的竖直介质板穿过中部水平介质板7，以便与中部水平介质板的安装。
48.所述馈电结构3包括倒“l”形金属结构和矩形金属地。该倒“l”形金属结构蚀刻在正交放置的竖直介质板8正面，该矩形金属地蚀刻在正交放置的竖直介质板8背面。矩形金属地一端连接底部的反射板5，另一端连接顶部的低频辐射结构1。该馈电结构采用耦合馈电的方式，包括辐射结构与矩形金属地相接触和不接触的两种耦合馈电方式，分别用于对低频和高频结构馈电。其中：
49.辐射结构与矩形金属地相接触的馈电方式，是先将馈电结构的电流耦合到金属地上，再通过背面金属地将电流导入低频辐射结构，以实现对低频辐射结构的馈电。
50.辐射结构与矩形金属地不接触的馈电方式，是采用空间波耦合将馈电结构电流直接耦合到高频辐射结构上，以实现对高频辐射结构的馈电。
51.参照图4，所述反射板5为长度和宽度均为120mm的矩形金属板，并在其中部开有两个圆形孔51，以确保底部端口同轴线内芯能够穿过反射板而不与反射板接触。
52.上述天线通过端口与外部收发器相连，天线端口位于竖直放置介质板底端，一端与倒“l”形金属结构相连，另一端矩形金属地相连。
53.实施例2
54.本实例的结构与实施例1的结构相同，其不同点在于：
55.所述ㄈ”形结构开口的长度s1，“ㄈ”形结构上下两边的长度s2，两端矩形金属片(b)和(c)的长度s3，连接“ㄈ”型结构和两端矩形金属片的金属条(d)和(e)的长度s4，以及构成“ㄈ”形结构金属条的宽度s5，其取值为s1＝8mm,s2＝9.6mm,s3＝4.53mm,s4＝2.7mm,s5＝4.8mm。
56.所述顶部水平介质板6和中部水平介质板7的长度和宽度均采用为42mm的矩形介质板。
57.所述正交放置的竖直介质板8，其长度为23mm，其宽度范围为20mm。
58.所述反射板5为长度和宽度为130mm的矩形金属板。
59.实施例3
60.本实例的结构与实施例1的结构相同，其不同点在于：
61.所述ㄈ”形结构开口的长度s1，“ㄈ”形结构上下两边的长度s2，两端矩形金属片
(b)和(c)的长度s3，连接“ㄈ”型结构和两端矩形金属片的金属条(d)和(e)的长度s4，以及构成“ㄈ”形结构金属条的宽度s5，其取值为s1＝6mm,s2＝7.2mm,s3＝3.4mm,s4＝2mm,s5＝3.6mm。
62.所述顶部水平介质板6和中部水平介质板7的长度和宽度均采用为45mm的矩形介质板。
63.所述正交放置的竖直介质板8，其长度为22.6mm，其宽度范围为55mm。
64.所述反射板5为长度和宽度为140mm的矩形金属板。
65.本发明的效果可通过以下测试结果进一步说明
66.一、测试环境
67.在实验室通过计算机进行仿真测试，在微波暗室中利用矢量网络分析仪和天线测量系统进行实物测试。
68.二、测试内容
69.测试1，分别采用hfss计算软件和矢量网络分析仪对实例1天线的电压驻波比和端口隔离度进行仿真测试和实物测试，结果如图4所示。其中横轴为天线的工作频率，左侧纵轴为天线的驻波比，右侧横轴为双频天线的端口隔离都。
70.从图4可以看出，天线工作于1.7-2.4ghz和3.2-3.8ghz时的驻波比小于2，端口隔离度高于23db，符合双频天线的应用要求。
71.测试2，分别采用hfss计算软件和天线测量系统对实例1的天线的增益和交叉极化比进行仿真测试和实物测试，结果如图5所示，其中横轴为天线的工作频段，左侧纵轴为天线的增益，右侧纵轴为天线的交叉极化比。
72.从图5可以看出，天线在频段内的交叉极化比均小于20db，天线低频增益可以达到7.7db，高频增益最高可达9db，符合双频天线的应用要求。
73.以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不被背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于寄生枝节的紧凑型双极化双频天线，包括低频辐射结构(1)、高频辐射结构(2)、馈电结构(3)、多个角形金属结构(4)、反射板(5)、顶部水平介质板(6)、中部水平介质板(7)和正交放置的竖直介质板(8)，其特征在于：所述低频辐射结构(1)为沿顶部水平介质板(6)中心旋转成对称的矩形金属片(11，12，13，14)，用于辐射双频天线低频段信号，每个矩形金属片上开有矩形槽(a)，以实现阻抗匹配；所述高频辐射结构(2)位于中部水平介质板(7)上表面，其为上下左右对称的“弓”字形金属片(21，22，23，24)，分布在中部介质板四条边的边沿，用于辐射双频天线高频段信号；所述馈电结构(3)采用辐射结构与矩形金属地不相接触的馈电方式对高频结构馈电。2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，每个“弓”字形金属片包括中间的“ㄈ”形金属结构(b)及两端的矩形金属片(c)和(d)，三者通过“ㄈ”形结构两侧的金属条(e)和(f)连接为一体。3.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述的馈电结构包括倒“l”形的馈电结构和矩形金属地结构，并采用耦合馈电的方式，该倒“l”形结构位于每个竖直介质板的正面，该矩形金属地结构位于每个竖直介质板的背面，且矩形金属地的一端与低频金属结构(1)相连，另一端与反射板(5)相连。4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，正交放置的竖直介质板和每个水平介质板均采用介电常数为2.2-10.6，电损耗小于0.01的材质，且竖直放置的每个介质板中部均开有矩形槽，以实现两者之间相互正交插合。5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，每个角形金属结构(4)的上端固定在顶部水平介质板(6)的四个角，下端穿过中部水平介质板(6)悬空。6.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述耦合馈电的方式包括，辐射结构与矩形金属地相接触和不接触的两种耦合馈电方式，分别用于对低频和高频结构馈电。7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，所述辐射结构与矩形金属地相接触的馈电方式，是先将馈电结构的电流耦合到金属地上，再通过背面金属地将电流导入低频辐射结构，以实现对低频辐射结构的馈电。8.如权利要求1或6所述的天线，其特征在于，所述辐射结构与矩形金属地不接触的馈电方式，是采用空间波耦合将馈电结构电流直接耦合到高频辐射结构上，以实现对高频辐射结构的馈电。9.如权利要求2所述的天线，其特征在于：所述“ㄈ”形结构(b)的开口长度为s1，两边长度为s2，宽度为s5；所述“ㄈ”形结构两端的矩形金属片(c)和(d)长度为s3，宽度为s5；所述连接“ㄈ”型结构和两端矩形金属片的金属条(e)和(f)长度为s4；上述参数的比值为：s1:s2:s3:s4:s5＝30：36：17：10：18。10.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述顶部水平介质板(6)、中部水平介质板(7)的大小相同，且每条边长取值范围为40mm-50mm；所述正交放置的竖直介质板8，其长度不大于26mm，其宽度范围为20mm-55mm；所述反射板(5)，其长度和宽度均不小于40mm。

技术总结
本发明公开了一种基于寄生枝节的紧凑型双极化双频天线，主要解决现有双频天线尺寸较大和未能实现双极化辐射的问题。其包括低频辐射结构(1)、高频辐射结构(2)、馈电结构(3)、顶部水平介质板(6)、中部水平介质板(7)和正交放置的竖直介质板(8)，该低频辐射结构为沿顶部水平介质板中心旋转成对称的矩形金属片(11，12，13，14)，该高频辐射结构位于中部水平介质板上表面，其为上下左右对称的“弓”字形金属片(21，22，23，24)，分布在中部介质板四条边的边沿，该馈电结构(3)采用辐射结构与矩形金属地不相接触的馈电方式对高频结构馈电。本发明缩小了天线体积，拓展了频带宽度，实现了双极化辐射，可用于基站通信。可用于基站通信。可用于基站通信。


技术研发人员：翟会清 雷瑶旭 张雅璐 白杰
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/10/20