一种小型化的宽带三极化天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种小型化的宽带三极化天线，可作为基站天线和移动通信系统中的天线，用于提高频谱利用率和增加通信容量等。

背景技术

移动通信领域，数据传输需求日益增长、频带资源日益紧张，提高通信系统的容量势在必行。通常可以通过增加频带宽度，如将使用的频段扩大到毫米波段，但目前还有不少问题需要解决。另外可以考虑提高频谱的利用率，有效的解决方法是采用多输入多输出(MIMO)技术。MIMO系统是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。MIMO技术的好处是能创建多个并行的独立子信道，具有在不提高发射功率和不增加频谱的条件下而使通信系统容量成倍提高的能力。

MIMO技术同时也是无线通信中对抗衰落，提高系统性能的一个重要技术。无线信道中信号会受严重衰落的影响，分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，在接收端经过适当的合并后，接收信号的衰落程度会明显改善。极化分集充分利用电磁波的空间维度，不同极化方式的信号经由相同的路径传播，传播环境中的随机反射将会把信号大致均匀地分配在每个极化方向上，所以不同极化的接收功率同时深衰落的可能性很小。因此，利用极化分集技术能有效抑制信号在自由空间传播过程中的多径衰落。

目前，天线的极化分集技术主要采用双极化天线，天线处于接收状态时，在多径环境下，当电磁波沿接近极化平面法向入射时，电场矢量几乎可以被两正交极化模式高效的接收；而当入射波方向偏离法向时，双极化天线的极化匹配效率将显著降低，而这种情形在移动通信中是不可避免的。如果能够在双极化天线的基础上再增加一个极化分量，构成三个两两正交的极化分量，则可以在全空间构成完备的极化矢量坐标系，那么任意方向的任意极化来波都可以被最高效率的接收，尤其对于大方位角入射时意义更加显著。因此，研究高性能的三极化天线极具实际应用价值。目前三极化天线的研究均集中于三个极化功能的实现上，天线带宽窄、尺寸大且辐射特性未加以控制。故，解决小型化、宽带、方向图可控的三极化天线是当前三极化天线的关键技术。

发明内容

要解决的技术问题

目前三极化天线的相对带宽基本不超过20％，且横向尺寸基本大于半个波长。为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种小型化的宽带三极化天线。

技术方案

一种小型化的宽带三极化天线，其特征在于包括介质空腔、辐射盖板、2块微带介质板、馈电基板、金属底板和3个射频接头，所述的介质空腔放置于金属底板上表面，由四块相同的辐射基板组成，辐射基板的表面印刷天线辐射体结构，所述天线辐射体结构是由上部相连的4个T形辐射片组合而成，其T形辐射片在不同高度具有不同的渐变斜率；所述的辐射盖板位于介质空腔上面，其上表面印刷4个方形辐射片，所述的方形辐射片为镂空结构；所述的2块微带介质板正交放置于介质空腔内部，在微带介质板的正面印刷微带线路，背面印刷金属接地面，微带线路的输入端与射频接头相连；所述的馈电基板平行放置于金属底板上表面，位于介质空腔内部，馈电基板的上表面印刷等功分微带匹配电路，等功分微带匹配电路的输入端与射频接头相连，等功分微带匹配电路的输出端与天线辐射体的下部相连。

本发明技术方案更近一步的说：所述的微带线路包括50Ω的微带传输线、阻抗变换线和枝节，微带传输线的一端连接射频接头，另一端连接阻抗变换线，阻抗变换线的另一端连接枝节。

本发明技术方案更近一步的说：所述的等功分微带匹配电路为一分四的等功分微带匹配电路，每个支路包括50Ω传输线和1/4阻抗变换线，其中1/4阻抗变换线的一端与射频接头相连，另一端与50Ω传输线相连，50Ω传输线的另一端与T形辐射片的下部相连。

本发明技术方案更近一步的说：所述的辐射盖板上设有正交十字槽线，用于固定微带介质板。

本发明技术方案更近一步的说：所述的馈电基板上设有卡槽，用于固定微带介质板。

本发明技术方案更近一步的说：所述的其中一个射频接头置于金属底板的下方，射频接头的内芯穿过金属底板和等功分微带匹配电路的输入端相连，射频接头的外皮和金属底板相连接。

本发明技术方案更近一步的说：所述的其中一个射频接头置于金属底板的下方，射频接头的内芯穿过金属底板和微带介质板上的微带线路的输入端相连，射频接头(6)的外皮和金属底板相连接。

有益效果

本发明提出的一种小型化的宽带三极化天线，与现有技术相比较，本发明中的天线垂直极化辐射体部分由4个上部相连的T形辐射片组成，4个T形辐射片分别印刷在介质空腔四壁的内表面，其中T形辐射片为渐变结构，天线水平双极化辐射体部分由一金属辐射片上开正交十字槽线形成的4个辐射片构成的，同时，为实现天线的小型化采用镂空技术，将4个辐射片进行镂空处理，通过延长电流路径，实现了天线的小型化。该天线将垂直极化辐射体部分置于水平双极化辐射体部分的下面，使得天线结构各部分高度对称。该天线垂直极化辐射体部分中4个T形辐射片上部相连的布局利用了阵列的思想，即利用阵因子和单元方向图的相互作用使得该天线垂直极化具有良好的全向辐射性能且在频带范围内该天线方向图的稳定性良好。该天线水平双极化辐射体部分中4个镂空且相聚很近的辐射片利用紧耦合效应和曲流技术以及将辐射片置于垂直极化辐射片正上方的布局，使得该天线水平双极化获得宽频阻抗带宽。

综上所述，该天线的三个相互正交的三个极化由两个水平相互正交的线极化和一个垂直极化组成，天线垂直极化辐射体部分由4个上部相连的T形辐射片构成，天线水平双极化辐射部分由4个相距很近的4个镂空方形辐射片构成。该天线有三个相互正交的线极化，即存在三个互不相关的信道，在此基础上，天线的工作频带实现宽带化并在工作频带范围内该天线垂直极化方向图稳定性良好且水平极化的交叉极化得到良好抑制。该天线可作为基站天线用于增加信道容量、提高频谱利用率等。

本发明三极化天线同时实现了小型化和宽带，小型化技术通过将垂直极化辐射结构集成在水平双极化辐射结构的下方实现了该天线的小型化；宽带技术：水平双极化同过馈电巴伦实现，垂直极化通过辐射片采用阵列紧耦合思想，由4个平面相连的T形辐射片和等功分微带匹配电路实现宽带，横向尺寸为0.35λ(对应中心频率)，相对带宽为36％，从结果图中可得。

附图说明

图1为本发明天线整体结构图；

图2为本发明天线垂直极化辐射体部分的平面图；

图3为本发明天线辐射盖板平面图；

图4为本发明天线微带介质板图：(a)前视图1；(b)前视图2；(c)后视图；(d)正交图；

图5为本发明天线馈电基板的俯视图；

图6为天线三端口的电压驻波比曲线图；

图7为天线三端口的隔离度曲线图；

图8是本发明天线端口1在低频的D面方向图；

图9是本发明天线端口1在中频的D面方向图；

图10是本发明天线端口1在高频的D面方向图；

图11是本发明天线端口2在低频的D面方向图；

图12是本发明天线端口2在中频的D面方向图；

图13是本发明天线端口2在高频的D面方向图；

图14是本发明天线端口3在低频的D面方向图；

图15是本发明天线端口3在中频的D面方向图；

图16是本发明天线端口3在高频的D面方向图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供了一种小型化的宽带三极化天线，其包括，一介质空腔，该介质空腔垂直放置于金属底板上，在此介质空腔的表面印刷天线垂直极化辐射体部分；一辐射盖板，该辐射盖板置于介质空腔的正上面，在辐射盖板的上表面印刷天线水平双极化辐射体部分；两块微带介质基板，该微带介质板正交放置于介质空腔内部，在微带介质板的正面印刷微带线路，背面印刷金属接地面；一馈电基板，该馈电基板平行放置于金属底板上且置于介质空腔内，在此馈电基板的上表面印刷用于给天线垂直极化辐射体部分馈电的等功分微带匹配电路，该微带匹配电路的末端和天线垂直极化辐射体部分的下部相连；一金属底板，介质空腔和馈电基板均在金属底板的上表面；三个射频接头，其中一个所述射频接头的内芯与等功分微带匹配电路中心相连接，另外两个所述射频接头的内芯与微带线路板正面的微带线相连接，所述射频接头的外皮均与金属底板相连接。

在上述技术方案的基础上，所述介质空腔内部中空无盖板并垂直放置于金属底板的上表面，天线垂直极化辐射体部分印刷在介质空腔的内表面。

在上述技术方案的基础上，所述的天线垂直极化辐射体由4个上部相连的T形辐射片组成，其中T形辐射片在不同高度处具有不同斜率，T形辐射片的上部相连使得该天线垂直辐射体部分成为一个整体。所述4个T形辐射片的平面结构为左右相连的宽带阵列天线结构，由于T形辐射片中渐变的结构和上部首尾相连的设计使得该天线垂直极化获得宽带甚至超宽带性能。所述天线辐射体部分中4个T形辐射片采用分布式的布局，使得该天线垂直极化辐射方向图稳定性良好。

在上述技术方案的基础上，所述的辐射盖板位于介质空腔的正上方，在辐射盖板的上表面印刷天线水平双极化辐射体部分，天线水平双极化辐射体部分由一金属辐射片上开正交十字槽线形成的4个辐射片构成的。同时，为实现天线的小型化和宽频阻抗带宽对4个辐射片进行镂空，即由相距很近的4个镂空方形辐射片组成天线水平双极化辐射体部分，通过辐射片之间的强耦合和采用镂空技术延长电路路径使得该天线水平双极化获得宽带性能。

在上述技术方案的基础上，所述的两块微带介质板正交放置于介质空腔内部，在微带介质板的正面印刷微带线，反面印刷金属接地面，该金属接地面的上部和水平双极化辐射体部分相连接，下部和金属地面相连接。

在上述技术方案的基础上，所述的馈电基板置于介质空腔内部，在此馈电基板的上表面印刷用于给天线辐射体部分馈电的一分四的等功分微带匹配电路，该微带匹配电路每一支路的末端和一个T形辐射片的下部相连。

在上述技术方案的基础上，所述金属底板的表面上垂直放置介质空腔和平行放置馈电基板。

在上述技术方案的基础上，所述的三个射频接头均置于金属底板的下方，其中一个射频接头的内芯穿过金属底板与等功分微带匹配电路的中心相连接，另外两个射频接头的内芯和微带介质板正面微带线相连接，三个射频接头的外皮均与金属底板相连接。

如图1～图5，本发明提出一种小型化的宽带三极化天线，工作在SC波段。其包括介质空腔1(相对介电常数为3，厚度为0.5mm，长和宽均为28mm高为16mm，在介质空腔1四壁的内表面印刷T形辐射片，4个T形辐射片101(整体长27mm，高15.5mm)上部相连辐射。辐射盖板2(相对介电常数为4.4，厚度为0.2mm，长和宽均为28mm)的上表面印刷4个辐射片201。两块微带介质板3(相对介电常数为3，厚度为0.5mm的正面印刷微带线，一块微带介质板上的微带线由50Ω的微带传输线301(宽1.5mm)、阻抗变换线302(宽0.9mm)和枝节303(宽0.65mm)组成，另外一块微带介质板上的微带线由50Ω的微带传输线304(宽1.5mm)、阻抗变换线305(宽0.9mm)和枝节306(宽0.65mm)组成，两块微带介质板的背面均印刷金属接地面307，两块微带介质板正交放置于介质空腔内部，即放置于馈电基板4中的卡槽404内。在馈电基板4的上表面印刷等功分微带匹配电路，该等功分微带匹配带路由一分四的等功分线路组成，每一分支路均由405(宽1mm)和406(宽0.35mm)组成，其中405部分为1/4阻抗变换线，405部分为50Ω的传输线。金属底板5作为该天线辐射体部分的反射板和支撑结构。三个射频接头6用于给该天线馈电，射频接头内芯与等功分微带匹配电路中心相连接，射频接头内芯伸出位置为401、402和403，将三个射频接头6的外皮和金属底板5相连接。

多项技术共同实施，使得本发明的三极化天线具有宽频阻抗带宽特性和方向图良好的稳定性，同时，基于该天线有三个极化的特点和宽频带特性，可作为基站天线增加信道容量，提高频谱利用率。

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实施例天线进行仿真实验，该天线的电压驻波比和该天线辐射方向图如图6至图16所示。

2、仿真结果

图6是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。该天线三个端口的电压驻波比都小于1.5的相对带宽为36.4％。该结果表明本发明天线在阻抗匹配的情况下获得了显著的宽带特性。

图7是对实施例天线仿真得到的三端口隔离度随工作频率变化的曲线。在整个工作频带范围内，三个端口之间的隔离度整体大于30dB，该结果表明本发明天线的三个极化相互之间的端口隔离度良好。

图8～图16是对实施例天线仿真得到的三个端口的D面方向图，其中端口1为垂直极化端口，2和3端口为水平极化端口。在整个频带范围内，该天线垂直极化D面方向图波束指向在40°左右，最大增益为3～6dB，该天线水平极化最大增益为7.9～9.0dB，60°方向的XPD大于16dB。该结果表明本发明天线垂直极化方向图稳定性良好，水平极化的交叉极化抑制良好且增益稳定。

该天线良好的宽频阻抗带宽特性、高隔离度特点和在此工作频带范围内该天线垂直极化保持良好的全向特性、水平极化在±60°范围内XPD抑制良好使得该天线极具使用价值。

以上仅为本发明的最佳实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构、参数和频率进行修改，进而得到本发明天线的宽带特性和全向特性实现该天线和其他天线集成或与载体共形，但这些均在本发明的保护之列。