一种四元双极化的双层分枝微带天线阵

1.本发明公开了一种四元双极化的双层分枝微带天线阵，属于导航技术领域。


背景技术：

[0002]“低耦合小型化传感器天线阵”一直以来都是天线领域研究的热点和难点。在移动终端设备中(wlan、移动电话、蓝牙设备、或是笔记型计算机等等)，天线都是其中的重要组件，其完成能量转换和电磁波的定向辐射。随着物联网的兴起，使用1.575ghz频段的gps导航无线基站电子产品越来越多，对小型化和抗干扰性的天线提出了更高的要求。
[0003]
微带天线因其体积小、重量轻、制造工艺简单，并且与pcb板共形的特点，极易完成传输或接收发射数据及信息，提高无线传输的可靠度。微带天线在无机械结构或其它连接设备的情况下，可等效为一个谐振腔，在谐振频段有较高的价值。现有无线移动终端设备通常采用多根射频天线工作，然而一些重要指标(如天线的尺寸、带宽、增益等)却受到固定尺寸下的增益极限和带宽极限等物理原理的限制，使得射频天线的小型化技术难度逐渐增加，并且射频电磁场分布的复杂性，逼近物理极限值成为巨大的技术难题，并且小型化的双单元间距小于半个波长时极易产生耦合干扰，导致天线方向图畸变，恶化天线的性能。因此，在不改变天线尺寸的前提下，如何设计一款低耦合、高隔离度的天线，已成为亟待解决的问题。
[0004]
cn202010845032.7公开了同心半圆环微带天线，单极子单元的结构相比较为简单，满足1.575ghz gps传感器需求；cn202797265u公开了单圆环小型微带天线，本发明则采用圆形分枝贴片天线设计，通过多元天线设计将极大增加天线阵增益。
[0005]
现有技术存在的问题为：多数移动终端的无线通讯设备采用多根射频天线组成阵列。然而这种阵列的一些重要指标(如天线阵的尺寸、带宽、增益等)却受到基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限和带宽极限等)，并且传统n元射频天线阵只能提供n倍的自由度来调控阵列波束，严重受限于阵列个数，这使得传统天线阵的设计需要增加阵元的个数。


技术实现要素：

[0006]
本发明公开了一种四元双极化的双层分枝微带天线阵，以解决现有技术中，智能天线阵谐振损耗增大，成本高的问题。
[0007]
一种四元双极化的双层分枝微带天线阵，包括第一基板和第二基板，所述第一基板设在第二基板顶部，还包括四元容抗匹配嵌入式贴片、四元双极化贴片、微带分枝激励片、双极化同轴馈电激励柱、底层金属接地板、微带线馈电激励片和极化端口；
[0008]
底层金属接地板设在第二基板的底部，所述极化端口设有四组，每组两个，四组极化端口分别靠近第二基板的四角，底层金属接地板上设有与极化端口位置对应的通孔，所述极化端口的底部设在所述通孔中，顶部设有延伸至第一基板顶部的双极化同轴馈电激励柱；
[0009]
双极化同轴馈电激励柱的顶部设有微带线馈电激励片，两个相邻的微带线馈电激
励片共同连接一个四元双极化贴片，微带线馈电激励片和四元双极化贴片的连接处还设有微带分枝激励片。
[0010]
优选地，所述四元双极化贴片包括四元圆形贴片和两个正交矩形贴片，正交矩形贴片一端连接四元圆形贴片，另一端连接微带线馈电激励片，微带分枝激励片垂直连接正交矩形贴片。
[0011]
优选地，连接同一个四元圆形贴片的两个正交矩形贴片互相垂直。
[0012]
优选地，微带分枝激励片和四元双极化贴片与其靠近的第二基板的角设在两个双极化同轴馈电激励柱的异侧。
[0013]
优选地，四元圆形贴片的单极子表面辐射体半径小于λb/4，阵元间距尺寸小于λb/2，其中，λb为gps谐振频率1.575ghz处自由空间的波长。
[0014]
优选地，所述四元容抗匹配嵌入式贴片设在第二基板中，位于距第一基板h/3处，其中h为第一基板和第二基板的厚度和。
[0015]
优选地，对于1.575ghz gps频段天线，四元双极化分枝贴片的阵元间距尺寸为0.5λb，其中，λb为lte谐振频率的自由空间波长，εr为罗杰斯ro3010介质层的介电常数，c为光速，f为lte谐振频率。
[0016]
优选地，所述极化端口为圆形。
[0017]
本发明具有如下优点：与现有技术相比，本发明具有双倍自由度的波束控制功能，并且成本低、易共性及小型化等优势，适合用于智能lte无线传感器模块；低耦合高隔离度，实现小型化；使谐振点集中在1.575ghz gps频段，将lte带宽拓展100m、全向辐射增益达8db、基于上层金属片的结构可灵活调整天线偶极子单元的尺寸，同时保证天线阵谐振体保持净空达到相关增益高、超带宽。
附图说明
[0018]
图1是本发明的结构图；
[0019]
图2是回波损耗图；
[0020]
图3是eh面辐射图；
[0021]
图4是三维方向增益图；
[0022]
附图标记包括：1-第一基板；2-第二基板；3-四元容抗匹配嵌入式贴片；4-四元双极化贴片；5-微带分枝激励片；6-垂直馈电激励柱；7-水平馈电激励柱；8-金属接地板；9-微带线馈电激励片；10-极化端口。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0024]
一种四元双极化的双层分枝微带天线阵，包括第一基板1和第二基板2，所述第一基板1设在第二基板2顶部，还包括四元容抗匹配嵌入式贴片3、四元双极化贴片4、微带分枝激励片5、双极化同轴馈电激励柱、底层金属接地板8、微带线馈电激励片9和极化端口10；
[0025]
底层金属接地板8设在第二基板2的底部，所述极化端口10设有四组，每组两个，四组极化端口10分别靠近第二基板2的四角，底层金属接地板8上设有与极化端口10位置对应
的通孔，所述极化端口10的底部设在所述通孔中，顶部设有延伸至第一基板1顶部的双极化同轴馈电激励柱；
[0026]
双极化同轴馈电激励柱的顶部设有微带线馈电激励片9，两个相邻的微带线馈电激励片9共同连接一个四元双极化贴片4，微带线馈电激励片9和四元双极化贴片4的连接处还设有微带分枝激励片5。
[0027]
所述四元双极化贴片4包括四元圆形贴片和两个正交矩形贴片，正交矩形贴片一端连接四元圆形贴片，另一端连接微带线馈电激励片9，微带分枝激励片5垂直连接正交矩形贴片。
[0028]
连接同一个四元圆形贴片的两个正交矩形贴片互相垂直。
[0029]
微带分枝激励片5和四元双极化贴片4与其靠近的第二基板2的角设在两个双极化同轴馈电激励柱的异侧。
[0030]
四元圆形贴片的单极子表面辐射体半径小于λb/4，阵元间距尺寸小于λb/2，其中，λb为gps谐振频率1.575ghz处自由空间的波长。
[0031]
所述四元容抗匹配嵌入式贴片3设在第二基板2中，位于距第一基板1h/3处，其中h为第一基板1和第二基板2的厚度和。
[0032]
对于1.575ghz gps频段天线，四元双极化分枝贴片的阵元间距尺寸为0.5λb，其中，λb为lte谐振频率的自由空间波长，εr为罗杰斯ro3010介质层的介电常数，c为光速，f为lte谐振频率。
[0033]
所述极化端口10为圆形。
[0034]
本发明的结构如图1，可实现1.575ghz频段的gps导航基站智能无线传感器天线阵信息传输，其构成分为双介质层，去极化端口10的接地平面以及双层天线谐振体，在厚度小于半波长的介质基板双层面敷以金属辐射片，底层敷以金属薄层为接地板，结合相关gps模块板载pcb基板而设计，将天线单极子设计在双层材料为罗杰斯ro3010(tm)的介质板之上，并设定极子谐振体上下区域为净空域。
[0035]
所述微带线馈电激励片9为输入阻抗匹配传输线，一端与四元双极化贴片4相连，另一端与双极化同轴馈电激励柱的一端相连，双极化同轴馈电激励柱的另一端与底层金属接地板8相连；微带分枝激励片5为正交矩形贴片激励分枝贴片，用于控制天线表面波激励电流，实现降耦；四元圆形贴片的单极子剖面低(天线薄)，有利于共形设计保证优良的空气动力特性；双极化同轴馈电激励柱包括垂直馈电激励柱6和水平馈电激励柱7，为辐射贴片与底层金属接地板8同轴反馈激励，其中一端与微带线馈电激励片9相连，另一端与极化端口10相接，实现辐射贴片与金属地层电磁波te波传输；底层金属接地板8实现电磁波回路辐射，八个极化端口10基于积分传输线可实现底层金属地与双极化同轴馈电激励柱链接。
[0036]
四元双极化贴片4、四元容抗匹配嵌入式贴片3通过微带分枝激励片5产生激励源，通过与双极化同轴馈电激励柱连接在一起的阻抗匹配输入电磁波te波传输到天线谐振体；所述微带分枝激励片5正交于微带传输线，起到分枝谐振可控作用。本发明的天线阵工作在1.575ghz gps l1频段天线的仿真带宽为263mhz，相对带宽为16.78％，可采用蜂窝协议技术、nbiot协议技术、lte协议技术的无线通信设备。
[0037]
四元双极化贴片4圆形微带天线元为天线辐射体，其通过微带线馈电激励片9与垂
直馈电激励柱6和水平馈电激励柱7另一段lump port(集总端口)相应的极化端口10产生激励源，通过与其连接在一起的阻抗匹配输入馈电激励传输线进行传输到天线谐振体，电流按驻波分布，可以达到沿馈点水平方向上天线接收能力最强，同时在gps频段的1.575g频段为本发明天线阵谐振点(s11最小，传输损耗最小点)。
[0038]
基于常规lte模块尺寸建立，长度为220mm，宽度为110mm的第一基板1和第二基板2厚度设置为5mm和10mm，材料则选取是pcb板的材质罗杰斯ro3010(tm)，介电常数为10.2，满足双层pcb板设计要求。
[0039]
微带分枝激励片5、微带线馈电激励片9边缘处直接相连，从微带线馈电激励片9的一段与双极化同轴馈电激励柱相连，其中微带分枝激励片5的长度为10mm，宽度为5mm，微带线馈电激励片9的长度为10mm，宽度为3mm，双极化同轴馈电激励柱长度为15mm，半径为2.5mm。
[0040]
金属接地板8长度为220mm，宽度为110mm；为满足天线阵上下区域保持净空，此次天线阵设计将金属接地板8设置在基板下方区域，去除半径为5mm的圆形端口，达到天线附近净空的效果，同时可以有效降低接地金属片对天线辐射性能的影响，使其极化端口10产生激励源，间接增强天线的辐射效率和增益效果。
[0041]
阻抗匹配输入传输线微带线馈电激励片9设计的目的是使微带传输线的阻抗与双极化天线阵阻抗进行匹配，其设计长度要求满足1/4波长附近，优化断口处设置匹配50ω的极化端口10，以此来达到阻抗匹配的效果，减小损耗。
[0042]
容抗匹配矩形嵌入式贴片作为天线谐振体部分，其长度l对天线的谐振频率和输入阻抗的影响最直接，当长度l增加时，天线的谐振频率降低，输入阻抗减小，天线呈感性，反之当长度l减小时，天线谐振频率升高，输入阻抗变大天线呈容性。
[0043]
该天线装置可以通过改变相关参数从而达到不同的效果。例如，通过改变接地金属片大小形状：由于金属接地片在满足天线净空要求时，金属地板对其影响较小，可以通过改变金属地为圆形、三角形等均能满足此要求。
[0044]
四元双极化贴片4形状更改：本次天线设计为圆形设计；形状可替代更换为矩形、菱形等；位置可替代为水平、垂直或立体结构通过确定使用的工作频段，调整环形辐射体结构周长，可达到相近使用效果。
[0045]
本发明所设计四元双极化的双层分枝同轴微带天线阵的各项性能指标采用hfss高频仿真软件进行仿真分析测试，如图2所得的回波损耗曲线。其中，-10db以下的工作频段为0.552ghz～0.621ghz，1.436ghz～1.699ghz，2.802ghz～3.505ghz，天线带宽69mhz，263mhz，703mhz，相对带宽为11.76％，16.78％，22.29％。图3所示为四元双极化的双层分枝同轴微带天线阵在1.575ghz时的eh面辐射图，由图3可见，在频率为1.575ghz时，经归一化后呈现“苹果型”全向辐射。图2中，横坐标为频率，纵坐标为回归损耗，图3中，radiation pattern为辐射模式，纵坐标为归一化增益(单位:db)，图4中z轴为增益，airbox为空气盒子，theta即θ，phi即db(gaintotal)为总增益。
[0046]
在实际仿真设计中运用anasys optimetrics进行参数优化和调整来达到天线最优性能。本次天线参数调试相比类似微带贴片天线，天线peak gain达6db，有效带宽达到263mhz。
[0047]
图3所示的辐射图为四元双极化的双层分枝同轴微带天线阵eh平面图，其中实线
为e平面上天线辐射曲线，e平面归一化最高增益在00～100；虚线为h平面上天线辐射曲线，h平面归一化最高增益在-150～450。
[0048]
本发明天线三维立体空间波瓣如图4所示，三维directivity天线增益为2.98db，通过仿真可以看出该天线沿着z轴正方向的辐射强度最大，因此无线传感器模块沿着该方向的发射与接收效果最佳。
[0049]
如图4所示，该天线top层所在的平面角度为phi-theta平面。在top层俯视图中绕着与phi-theta平面垂直的z轴逆时针转动时其夹角为phi表示，其中的feed point是所述的印刷天线阵的馈电点，其中的short point与pcb电路板的接地端相连，构成了所述天线阵的短路一端。天线工作在gps 1.575ghz频段，天线阵的仿真带宽为263mhz，仿真结果满足gps导航基站传感器模块所需工作带宽。
[0050]
在本发明中，基板的h/3处嵌入四元耦合贴片可等效为一个带阻滤波器，实现互耦减小，提高天线元间隔离度，相对niraj kumar等发表的《mimo antenna mutual coupling reduction for wlan using spiro meander line》工艺结构简单，降耦效果明显，天线尺寸更小，易于小型化，便于与印制电路板集成，抑制耦合效果明显，适用于热点区域gps基站的无线收发设备，可显著提高信息传输质量。
[0051]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。