专利名称：一种三极化的共形天线的制作方法
技术领域：
本发明属于多输入多输出MIMO无线通信技术中三极化天线的技术领域。
背景技术：
MIMO无线通信技术的研究是当前无线通信研究的一个重要内容。 MIMO系统的核心思想是在通信系统发射机和接收机两端同时使用多个天 线，充分利用无线多径信道的空间自由度以提高系统容量与传输速率。M歴0 技术被认为是在丰富多径的环境中实现不断增长的容量需求的强有力的解决 方法。Bdl实验室的研究人员对MIMO系统的研究工作表明，MIMO系统具 有使系统容量成倍提高的能力，若发射天线为M个，接受天线为N个，则系 统容量可以达到单天线系统的min (M， N)倍。
许多已发表的文章中都提到线性单极化阵列的MIMO系统，而多极化天 线则刚开始受到关注。Andrews etal.在他的文中提到，在复杂多径环境中， 具有多极化性质的天线能够提高无线通信信道容量。A. S. Kcmanur在他的文 中提出一种由圆环和偶极子构成的矢量天线，研究结果表明多极化天线 MIMO阵列比相同天线单元数的单极化天线阵列的信道容量更大。因为不同 极化方向的分支之间相关系数很低，完全可看作相互独立的收发通道。因此, 多极化天线可以利用更少的体积实现更多的统计独立多径通道，从而有效地 提高系统容量和传输速率。
4三极化天线充分利用空间坐标系三个轴方向相互正交的特点，设计出三
个正交方向极化，在有限的体积内实现三个独立的收发通道。Dasetal.研究 出一种由双极化圆形贴片和单极子构成的三极化天线。Gray etal.在他的文中 介绍了一种由双极化介质谐振器和单极子构成的三极化天线。Itoh et al.则提 出了 一种由两个垂直缝隙和单极子构成的三极化天线。
发明内容
现有的三极化天线都采用了立体结构，这使它们的应用范围受到了相当 的限制。
本发明的目的在于提供一种强度髙、外形隐蔽、占用空间少的三极化共 形天线。
同时，为了提髙各端口间的隔离度，本发明提出采用耦合馈电和同轴馈 电相结合的方法。
本发明的特征在于含有第1介质基片，第2介质基片和加载单极子 天线，其中第l介质基片是正方形的，W=L， W是宽，L是长，髙h,，有 一个圆形贴片贴在所述第1介质基片上端面上，该圆形贴片的圆心和该第1 介质基片的中心重合，所述圆形贴片的直径为R;
第2介质基片长为L，宽为W， W=L，高112，该第2介质基片的上端面
与所述第1介质基片的下端面重合，该重合面是一个接地平面，在所述重合 面上有两个H形缝，其中，第一个H形缝沿Y轴方向垂直配置，缝隙中心和 第1介质基片上端面上的圆形贴片圆心的Y轴位置一致，该第1H形缝的中 间横臂在垂直方向的高度为L&， H形缝的中间横臂宽度为wa,， H形缝中的两臂的宽度各为wa2，两臂的髙度各为La2,第二个H形缝沿负X轴轴线方 向水平配置，该第2H形缝的中间横臂在水平方向的长度为L&，该第2H形 缝的中间横臂宽度为wap该第2H形缝中的两臂的髙度各为La2,高度各为 wa2，该缝的中心和第1介质基片上端面上的圆形贴片中心Y轴位置一致，在 X轴轴线正方向一侧，从所述第2介质基片边缘开始，沿X轴轴线方向，贴 一条第l微带馈线，该馈线端口为P1，该第1馈线长度Pl^dsrHsp该第l 馈线的中心与所述第1个H形缝的中心相垂直对应，在该圆形贴片Y轴轴线 正方向一侧，从沿所述第1介质基片下边边缘开始，贴平行于所述Y轴方向， 在距离该圆形贴片的圆心水平方向距离为D2处，贴一条第2微带馈线，第2 馈线端口为P2，该第2馈线长度P2L=dS2+ls2，该第2馈线的中心与所述第2H 形缝中心的中心相垂直对应，所述微带馈线通过所述两个H形缝隙对所述双 极化的圆形贴片进行耦合馈电；
加载单极子天线是用一个直径r的加载圆盘加载的，该加载单极子天 线的长度为hc,该加载单极子天线下端与一根从所述相重叠的第1介质基片 和第2介质基片的中心点穿过的同轴线的内导体相连，该同轴线的外导体同 时与所述接地平面和圆形贴片相连内容的引入。
图2给出了天线实测的反射系数，可以看到各端口反射系数小于-10dB 的带宽范围测量结果分别如下S (单极子端口 Ml)带宽2.38-2.59GHz， S22 (端口P1)带宽2.38隱2.62GHz， S33 (端口 P2)带宽2.40-2.61GHz。
图3给出了天线三端口间实测的隔离度。可以看出，端口P1和端口M1 的隔离度在带宽范围内小于-16dB，端口 Pl和端口 P2的隔离度在带宽范围内小于-30dB，端口P2和端口Ml在带宽范围内小于-40dB。测量结果表明，槽 耦合馈电三极化天线的三个端口相互隔离效果理想，均可以独立工作。
图4为各端口实测方向图。为了便于方向图的比较，所有的方向图都进 行了相应的归一化。图(a) (b)为端口 Pl的XZ、 YZ面方向图。从结果 图中可知，在XZ面内E—theta大于E—phi，而在YZ面内，E_phi大于Etheta, 则说明端口P1辐射的电场平行于X轴。端口P2的XZ、YZ面方向图为图(c) (d)，也可以看出端口 P2辐射的电场与Y轴平行。图(e) (0所示为端 口 Ml的XZ、 YZ面方向图。从实测结果可以看出，无论在XZ面还是YZ 面，端口 Ml的E—theta都大于E—phi，说明端口 Ml的电场为平行于Z轴方 向。可见天线有三个正交的极化模式。
图l三极化天线结构图a、俯视图，b、正侧视图。其中l一圆形贴片, 2—加载圆盘，3—介质基片，4一加载圆盘，5—圆形贴片，6—有缝隙的接地 平面，7—电感，8—馈线1及端口P1， 9一馈线2及端口P2， 10~同轴线及 端口 Ml。
图2三端口反射系数实测曲线。
图3任意两个端口在频带范围内的变化曲线。
图4三端口实测辐射方向图
(a) XZ平面，端口 Pl馈电
(b) YZ平面，端口 Pl馈电
(c) XZ平面，端口P2馈电 (d) YZ平面，端口 P2馈电(e) XZ平面，同轴线端口M1馈电
(f) YZ平面，同轴线端口M1馈电
具体实施例方式
采用双缝耦合对贴片馈电是设计双极化天线较常用的方法，缝隙耦合可 以有效地提高端口间的隔离度，本发明正是采用的这种方法对圆形贴片进行 馈电形成双极化。天线结构如图1所示。天线由两层介质层基片组成，分别 为介质基片1和介质基片2。双极化圆形贴片附着于基片1上表面。两个"H" 型缝位于介质基片1和基片2之间的接地平面，在双极化圆形贴片和馈线间 进行耦合馈电。两条微带馈线位于介质基片2的下表面，并分别位于相应缝 隙的下方，馈电形成和X轴，Y轴平行的两个方向的正交极化。两个"H" 形缝隙呈"T"形放置，用于改善两个缝隙的隔离度。
由于圆形贴片上激励起的两个正交模式在贴片中心处的电场皆为零，所 以可以在双极化圆形贴片中心处加入短路销钉或其它的短路条件而不对两个 正交模产生影响。我们提出的设计方案正是利用了这种短路边界条件，将一 根同轴线从贴片中心点穿过。同轴线的外导体同时与接地平面和双极化圆形 贴片单元相连。同轴线的内导体和一个圆盘加载的单极子天线相连。这个单 极子天线激励起的电场和Z轴平行。在单极子天线的工作模式中，双极化圆 形贴片被用作大地。
本发明采用了加载单极子天线而不是四分之一波长单极子天线作为辐射 单元，从而有效地减小了单极子的高度。在2.6GHz的工作频率，四分之一波 长单极子天线需要29mm的高度，传统的加载单极子天线通常也有15mm的高度。为了保证共形的要求，本发明采用的加载单极子天线的高度为5mm。 随着加载单极子天线高度的降低，加载圆盘和大地之间的等效并联电容值开 始增加，从而导致加载单极子天线的端口匹配恶化。为了抵消等效并联电容 的影响，本发明在天线输入端引入了 1.5nH的并联电感，使并联电感、电容 构成的谐振电路在天线的工作频段内谐振而对消，从而实现了纯阻特性的天 线输入阻抗。
天线的具体尺寸如图1所示，图la和图lb分别是天线的俯视图和侧视 图。整个天线体积为94mm*94mm*10.8mm。介质基片1的介电常数为2.6， 介质基片2的介电常数为4.5。两个介质层由W， L, R， ln和h2定义，"H" 型缝隙由ds， ls， la" la2， waP wa2, D定义，加载单极子天线由h0, r定 义。实际天线的设计参数如下W=L=94mm, R=40mm， h产5mm， h2=0.8mm, ho=5mm， r=15.6mm。端口 1: ds产32.5mm， ls产7mm， la产17mm, la2=2mm， wa产lmm， wa 2=4mm， D尸0mm。端口 2: ds2=47mm, ls2=8.8mm, la产11.4mm, la2=2mm, wa尸lmm， wa2=4mm， D尸12.3mm，。
双极化圆形贴片激励起平行于X, Y轴的两个正交方向的电场，加载单 极子激励起了平行于Z轴方向的场，故该天线形成了三个方向的极化。
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权利要求
1. 一种三极化的共形天线，其特征在于含有第1介质基片，第2介质基片和加载单极子天线，其中第1介质基片是正方形的，W＝L，W是宽，L是长，高h1，有一个圆形贴片贴在所述第1介质基片上端面上，该圆形贴片的圆心和该第1介质基片的中心重合，所述圆形贴片的直径为R；第2介质基片长为L，宽为W，W＝L，高h2，该第2介质基片的上端面与所述第1介质基片的下端面重合，该重合面是一个接地平面，在所述重合面上有两个H形缝，其中，第一个H形缝沿Y轴方向垂直配置，缝隙中心和第1介质基片上端面上的圆形贴片圆心的Y轴位置一致，该第1H形缝的中间横臂在垂直方向的高度为La1，H形缝的中间横臂宽度为wa1，H形缝中的两臂的宽度各为wa2，两臂的高度各为La2，第二个H形缝沿负X轴轴线方向水平配置，该第2H形缝的中间横臂在水平方向的长度为La1，该第2H形缝的中间横臂宽度为wa1，该第2H形缝中的两臂的高度各为La2，高度各为wa2，该缝的中心和第1介质基片上端面上的圆形贴片中心Y轴位置一致，在X轴轴线正方向一侧，从所述第2介质基片边缘开始，沿X轴轴线方向，贴一条第1微带馈线，该馈线端口为P1，该第1馈线长度P1L＝ds1+ls1，该第1馈线的中心与所述第1个H形缝的中心相垂直对应，在该圆形贴片Y轴轴线正方向一侧，从沿所述第1介质基片下边边缘开始，贴平行于所述Y轴方向，在距离该圆形贴片的圆心水平方向距离为D2处，贴一条第2微带馈线，第2馈线端口为P2，该第2馈线长度P2L＝ds2+ls2，该第2馈线的中心与所述第2H形缝中心的中心相垂直对应，所述微带馈线通过所述两个H形缝隙对所述双极化的圆形贴片进行耦合馈电；加载单极子天线是用一个直径r的加载圆盘加载的，该加载单极子天线的长度为h0，该加载单极子天线下端与一根从所述相重叠的第1介质基片和第2介质基片的中心点穿过的同轴线的内导体相连，该同轴线的外导体同时与所述接地平面和圆形贴片相连。
2. 根据权利要求l所述的一种三极化的共形天线，其特征在于所述第l介质基片宽W-94mm，高h产5mm，所述圆形贴片的直径R=40mm，所述第2介质基片长L=94mm,宽W=94mm,高h2=0.8mm，所述第1H形缝的中间横臂在垂直方向的高度La产17mm，中间横臂宽度wa产lmm，两臂的宽度各为Wa2=4mm，两臂的高度各为La2=2mm，所述第2H形缝的中两臂的高度La2=2mm，髙度各为wa2=4mm，所述第1馈线长度PlL=dSl+lSl ，ds产32,5mm, ls产7mm,所述第2微带馈线与圆形贴片圆心水平方向距离D2=12.3mm,该第2馈线长度P2L=ds2+ls2， ds2=47mm， ls2=8.8mm，所述加载圆盘的直径r=15.6mm。
3. 根据权利要求1所述的一种三极化的共形天线其特征在于在所述圆形贴片的中心处加入一个并联电感，使用所述并联电感，加载圆盘和接地平面之间的等效并联电容形成的谐振电路在该加载单极子天线的工作频段内产生谐振而使得电容和电感相互抵消，实现纯阻特性的天线输入阻抗。
全文摘要
一种三极化共形天线属于多输入多输出天线技术领域，其特征在于所述天线由介质基片1和介质基片2重叠组成，双极化圆形贴片附着于基片1表面，两个H形缝位于所述两个基片之间的接地平面上，在双极化圆形贴片和两条微带馈线间进行耦合馈电，所述两条微带馈线位于基片2的下表面，并分别位于所述两个H形缝下方，这种馈电方式形成和X轴、Y轴平行的两个方向的正交极化，所述两个H形缝呈T形放置，用于改善两个缝隙间的隔离度，在所述圆形贴片中心处加入圆盘加载单极子天线，并引入并联电感改进天线的工作特性，形成和Z轴平行的极化方向。本发明具有强度高、隐蔽性好、占用空间少的优点。
文档编号H01Q21/00GK101483277SQ20081024755
公开日2009年7月15日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者冯正和, 张志军, 华 钟, 陈文华 申请人:清华大学