一种双频线-圆极化定向天线

摘要

一种双频线‑圆极化定向天线，属于无线通信和天线技术领域。包括天线辐射体，两个金属反射墙A、B，一个同轴线，一个金属腔体和两个尼龙柱A、B。天线辐射体平行放置于金属腔体上方；同轴线垂直连接辐射天线和金属腔体，给天线辐射体进行馈电；两个金属反射墙A、B分别设于天线辐射体两侧；两个尼龙柱A、B垂直设于上方辐射天线和下方金属腔体之间，用于支撑天线结构。本发明结构简单、易于加工制作；能够实现双频线极化和圆极化辐射；使用同轴线和短路针作为馈电结构，降低同轴线对辐射方向图的负面影响，能够实现良好的阻抗匹配；引入简易金属反射侧墙和金属腔体结构，有效降低天线的后向辐射，使天线的方向图定向稳定且增益较高。

权利要求

1.一种双频线‑圆极化定向天线，其特征在于，所述的双频线‑圆极化定向天线包括天线辐射体，两个金属反射墙A(8)、B(9)，一个同轴线(12)，一个金属腔体(13)和两个尼龙柱A(14)、B(15)；所述天线辐射体平行放置于金属腔体(13)上方；同轴线(12)垂直连接辐射天线和金属腔体(13)，用于给天线辐射体进行馈电；两个金属反射墙A(8)、B(9)分别设于天线辐射体两侧，用于提高天线的前后比和增益；两个尼龙柱A(14)、B(15)垂直设于辐射天线和金属腔体(13)底板之间；

所述的天线辐射体包括介质基板(1)、金属地板(2)、馈电微带线(10)、四个金属贴片A(4)、B(5)、C(6)、D(7)；所述金属地板(2)和微带线(10)分别印刷在介质基板(1)正反两面；

所述金属地板(2)置于介质基板(1)上方，金属地板(2)中间开设有缝隙(3)，作为磁偶极子工作；所述金属贴片C(6)、D(7) 位于缝隙(3)中心点两侧，且关于缝隙(3)中心点旋转对称放置，垂直焊接于金属地板(2)上方；所述金属贴片A(4)、B(5)水平放置于金属贴片C(6)、D(7)顶部，且一端与金属贴片C(6)、D(7)垂直焊接，另一端与金属反射墙A(8)、金属反射墙B(9)间隔一定距离，金属贴片A(4)、B(5)形成水平偶极子结构作为电偶极子工作；

所述馈电微带线(10)置于介质基板(1)下方，位于中间位置；馈电微带线(10)上连接有短路针(11)和同轴线(12)，短路针(11)与同轴线(12)位于缝隙(3)中心点两侧，且位于金属贴片C(6)、D(7)内侧；所述短路针(11)穿过介质基板(1)与金属地板(2)相连接，所述同轴线(12)内导体穿过介质基板(1)与金属地板(2)相连，同轴线(12)外导体与微带线(10)相连，同轴线(12)和短路针(11)作为馈电结构对缝隙(3)馈电，实现阻抗匹配；

所述的金属腔体(13)包括地板和四面金属墙；

所述的金属反射墙A(8)、B(9)位于介质基板(1)上方的左右两侧，用于改善天线辐射的定向性能，提高增益；

所述的同轴线(12)垂直连接上方金属地板(2)和下方金属腔体(13)的地板，与短路针(11)形成馈电结构，用于给天线辐射体进行馈电；

所述的两个尼龙柱A(14)、B(15)放置于金属腔体(13)地板左右两侧，顶端垂直插入介质基板(1)，用于支撑天线结构，且保持介质基板(1)和金属腔体(13)的地板之间高度不变；

所述的水平偶极子结构与金属地板(2)垂直相连，所述的水平偶极子与缝隙(3)构成磁电偶极子结构，产生半波工作在第一频率的线极化波和全波工作在第二频率的圆极化波，所述第一频率低于第二频率。

2.根据权利要求1所述的一种双频线‑圆极化定向天线，其特征在于，所述的金属腔体(13)地板为长方形结构，用于降低天线方向图的后瓣。

说明书

一种双频线‑圆极化定向天线

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信和天线技术领域，涉及一种双频段的定向辐射天线。

背景技术

[0002] 近年来，随着人们对通信系统需求的不断增加，需要更高数据传输速率的通信系统来支持，进而对天线的工作带宽和传输距离提出更大的挑战，因此多频、宽带定向天线的
研究受到了广泛关注。另一方面，圆极化技术比线极化具有更好的移动性和对各种环境的
适应性，可以有效减小多径效应和极化失配，同时降低多业务无线系统固有的复杂性，在电
子干扰和通信领域得到了广泛的应用。此外，多频多极化天线可以用单一天线实现多个天
线的功能，具有尺寸紧凑、结构简单、集成度高、成本低等优点，因此设计一款双频宽带具有
线极化和圆极化特性的天线十分必要。本发明致力于实现双宽带、高增益和高前后比的高
性能天线，可同时覆盖WLAN的2.4/5.2/5.8GHz应用。

发明内容

[0003] 为解决现有技术中天线体积大、带宽窄、增益低等问题，本发明提出一种双频宽带具有线极化和圆极化特性的定向天线。

[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

[0005] 一种双频线‑圆极化定向天线，其结构包括天线辐射体，两个金属反射墙A8、B9，一个同轴线12，一个金属腔体13和两个尼龙柱A14、B15。所述天线辐射体平行放置于金属腔体
13上方11～12mm；同轴线12垂直连接上方辐射天线和下方金属腔体13，用于给天线辐射体
进行馈电；两个金属反射墙A8、B9分别设于天线辐射体两侧，用于提高天线的前后比和增
益；两个尼龙柱A14、B15垂直设于上方辐射天线和下方金属腔体13之间，用于支撑天线结
构。

[0006] 所述的天线辐射体包括介质基板1、金属地板2、微带线10、四个金属贴片A4、B5、C6、D7。所述金属地板2和微带线10分别印刷在所述介质基板1正反两面。所述金属地板2置
于介质基板1上方(正面)，金属地板2中间开设有缝隙3，缝隙3作为磁偶极子工作，缝隙3为
交叉形结构，用于扩大天线的工作带宽。所述金属贴片C6、D7旋转对称放置，垂直焊接于金
属地板2上方，位于缝隙3中心点两侧。所述金属贴片A4、B5水平放置于金属贴片C6、D7顶部，
且一端与金属贴片C6、D7顶部垂直焊接，另一端与金属反射墙A8、金属反射墙B9间隔一定距
离，金属贴片A4、B5形成水平偶极子结构可作为电偶极子工作，所述的水平偶极子结构与金
属地板2相距9～10mm，用于在高频4.6‑6.5GHz与缝隙3形成90°相位差，因此可以在4.6‑
6.5GHz频段内激励出圆极化波。

[0007] 所述馈电微带线10置于介质基板1下方(反面)，位于中间位置；所述馈电微带线10上连接有短路针11和同轴线12，短路针11与同轴线12位于缝隙3中心点两侧，位于金属贴片
C6、D7内侧；所述短路针11穿过介质基板1与金属地板2相连接，所述同轴线12内导体穿过介
质基板1与金属地板2相连，同轴线12外导体与微带线10相连，同轴线12和短路针11作为馈
电结构对缝隙3馈电，实现了良好的阻抗匹配。

[0008] 所述金属反射墙A8、B9分别设于介质基板1的左右两侧，用于改善天线辐射的定向性能，提高增益；所述金属腔体13置于天线辐射体下方，金属腔体13包括44mm×36mm～48mm
×40mm的地板和四面高度为11～12mm的金属墙，介质基板1和金属腔体13的地板之间高度
为10～11mm，可有效降低天线的后向辐射，获得更高的增益。

[0009] 所述同轴线12垂直连接上方的金属地板2和下方金属腔体13的地板，与短路针11形成馈电结构，用于给天线辐射体进行馈电；两个尼龙柱A14、B15分别垂直插入介质基板1
和金属腔体13地板的两端，用于支撑天线结构，保持介质基板1和金属腔体13的地板之间高
度不变，基本不会影响天线的辐射性能。

[0010] 所述的介质基板1由介电常数是4.4的FR‑4材质制成，厚度为1.6mm。

[0011] 本发明的工作过程为：射频信号由同轴线12输入，通过内部馈源探针对缝隙3馈电，缝隙3又通过垂直放置的金属板C6、D7对水平放置的金属贴片A4、B5进行馈电，激励出两
个谐振频率，分别在低频2.4‑2.5GHz产生线极化和高频4.6‑6.5GHz实现圆极化特性；其中：
水平金属贴片A4、B5的电流在低频呈现半波长、在高频呈现全波长，作为偶极子天线；缝隙3
作为缝隙天线，电流分布在低频呈现半波长、在高频呈现全波长，可看作磁偶极子天线，从
而形成混合的磁电偶极子天线进行辐射。

[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0013] 1)本发明所述的线‑圆极化定向天线采用缝隙3和水平金属贴片A4、B5形成磁电偶极子结构工作实现两个宽带谐振频段；缝隙3采用交叉形结构，可增大天线的工作带宽；结
构简单、易于加工制作。

[0014] 2)本发明利用同轴线馈电，馈电结构简单，使得天线在2.4GHz和5.2GHz频段都能产生有效谐振，阻抗带宽分别为2.38‑2.5GHz和4.63‑7.38GHz；天线轴比在2.38‑2.5GHz均
大于30dB，在4.63‑6.5GHz小于3dB，分别实现了纯度较高的线极化和圆极化辐射，可用于
WLAN的2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz系统应用。

[0015] 3)本发明设计使用同轴线和短路针11作为馈电结构，降低了同轴线对辐射方向图的负面影响，实现了良好的阻抗匹配。

[0016] 4)本发明引入简易金属反射侧墙和金属腔体结构，可有效降低天线的后向辐射，提高天线辐射的前后比，使得天线的方向图定向稳定且增益较高。

附图说明

[0017] 图1是本发明提出的双频线‑圆极化定向天线整体结构示意图；

[0018] 图2是本发明提出的双频线‑圆极化定向天线剖视示意图；

[0019] 图3是本发明中天线辐射体结构的正反面结构示意图；图3(a)为正面，图3(b)为反面；

[0020] 图4是本发明仿真的反射系数和轴比曲线图；图4(a)为反射系数曲线图，图4(b)为轴比曲线图；

[0021] 图5是本发明仿真的增益方向图；图5(a)为xz面2.45GHz方向图，图5(b)为yz面2.45GHz方向图，图5(c)为xz面5.2GHz方向图，图5(d)为yz面5.2GHz方向图；

[0022] 图中：1介质基板；2金属地板；3交叉形缝隙；4金属贴片A、5金属贴片B、6金属贴片C、7金属贴片D；8金属反射墙A、9金属反射墙B；10馈电微带线；11短路针；12同轴线；13金属
腔体；14尼龙柱A、15尼龙柱B。

具体实施方式

[0023] 下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

[0024] 参见图1、图2(a)、(b)，双频线‑圆极化定向天线由天线辐射体部分、两个金属反射墙A8、B9和一个金属腔体13构成。天线辐射体部分和金属腔体13地板上下相距11.3mm放置，
并通过两端的尼龙柱A14和B15垂直固定连接。金属贴片C6、D7对称垂直放置焊接于金属地
板2上方，金属贴片A4、B5水平放置分别与金属贴片C6、D7垂直焊接相连，形成水平偶极子结
构并与金属地板2上下相距9.5mm，用于形成90°相位差。所述金属反射墙A8、B9分别设于介
质基板1的左右两侧，用来改善天线辐射的定向辐射性能。

[0025] 参见图3(a)、(b)，双频线‑圆极化定向天线的辐射体部分由介质基板1、金属地板2、微带线10、短路针11、金属贴片A4、B5、C6、D7及交叉形缝隙3构成。介质基板1采用介电常
数为4.4，厚度为1.6mm的FR‑4材质制成。介质基板1正反两面分别印刷有中心设有交叉形缝
隙3的金属地板2和微带线10。金属地板2置于介质基板1的上方(正面)，与垂直放置的金属
贴片C6、D7焊接在一起，金属贴片A4、B5水平放置分别与金属贴片C6、D7焊接相连，形成水平
偶极子结构并与金属地板2上下相距9.5mm，在高频与缝隙3形成90°相位差。金属地板2中心
设有交叉形缝隙3，通过同轴线12探针和短路针11对交叉形缝隙3和金属贴片A4、B5馈电，形
成磁电偶极子结构，产生半波工作在2.4GHz的线极化波和全波工作在5.2GHz的圆极化波。
一方面，调节缝隙3的长度和金属贴片A4、B5的总长度可用来激励天线在2.4GHz和5.2GHz工
作频段谐振工作；另一方面调节金属贴片C6、D7的高度可以调整天线在5.2GHz工作频段的
圆极化轴比；缝隙3采用双缝隙交叉形结构，进一步改善天线的带宽；采用同轴线12探针和
短路针11的馈电结构，可实现了良好的阻抗匹配，降低同轴线对辐射方向图的负面影响。所
述金属面高度为11.5mm的金属墙，介质基板1和金属腔体13的地板之间高度为11mm

[0026] 本发明的辐射性能仿真结果进一步说明：

[0027] 图4(a)、(b)是本发明提出的双频线‑圆极化定向天线的回波损耗曲线和轴比曲线仿真结果，从图中看出天线在2.4GHz和5.2GHz频段都能产生有效谐振，带宽分别为2.38‑
2.5GHz和4.63‑7.38GHz，频段利用率高；天线在2.4GHz频段AR值大于30dB，为有效的线极化
工作，在5.2GHz频段AR值小于3dB，为圆极化工作，工作带宽大。

[0028] 图5(a)～(d)是天线仿真得到的2.45GHz、5.2GHz辐射方向图，从图5中看出本发明提出的双频线‑圆极化定向天线具有高增益，在两个频点增益分别为5.75、7.45dBi；方向图
稳定且对称，在两个工作频率辐射均指向+z方向向上，并且交叉极化比均低于‑20dB。

[0029] 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，让熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护
范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出
若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。