一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线

技术领域

本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线。

背景技术

无线通信技术的不断发展以及电子设备高度集成化的快速演进，推动了信息获取手段以及信息交互的多样性，工作在无线局域网的设备随之应运而生。

在现代通信系统中，提高系统的通信容量已然成为无线技术发展的关键。为了提供多功能服务，以及能在复杂的电磁环境中正常的工作，通信系统对于双频段的需求快速增长，这就需要天线也能够同时工作在多频段以满足不同频段的服务。另一方面，具有极化和方向图分集特性的系统可以提供不同的辐射特性，能够保证通信的可靠性。因此，具有多频段和分集特性的天线可以利用在频率和极化上的多个通道，以便于减小多径效应和提高数据传输速率。并且，一个具有多频段的分集天线相比多个单一频段的天线组合具有更紧凑的结构，因此其小型化的优势在系统中也更受欢迎。

对于此类多输入多输出天线，天线之间的端口隔离度，方向图正交性等等将会是此方向研究的重要挑战。最近，有学者提出：

一、用单端口在不同的频段实现不同或相同的极化和方向图。虽然能够在不同频段提供不同的极化和方向图，但是不能支持在每个频段都实现方向图分集。

二、用每个端口在对应的一个频段激励各自的辐射方向图，使得在两个频段能够支持不同的方向图和极化。这类天线更加适合连接不同模式或者不同极化要求的单频段系统，但是其分集特性不能得到充分利用。

三、用每个端口在两个频段同时激励起一种工作模式，这样就能够同时实现极化和方向图的分集特性，然而，已有的此类天线应用受限于极化数量少、剖面高、以及频率比小等不足。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线，通过控制封闭蘑菇状单元结构的色散特性，设计一个在两个指定频段同时具备垂直极化辐射特性和双水平极化辐射特性的多频方向图分集辐射设备。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线，其特征在于，包括垂直极化辐射体和水平极化辐射体；所述水平极化辐射体位于所述垂直极化辐射体一侧，两者固定连接呈圆饼状结构；所述垂直极化辐射体和所述水平极化辐射体均为多层叠加的结构，所述多层叠加的结构包括若干层同心圆；所述同心圆包括若干介质基板；所述所述垂直极化辐射体和所述水平极化辐射体分别包括若干封闭蘑菇状单元结构；所述封闭蘑菇状单元结构包括至少三层的金属层和金属短路针；所述短路针至少连接所述金属中的两层。

作为优选，所述垂直极化辐射体由一侧至另一侧依次包括：垂直极化辐射体顶层贴片、寄生圆盘贴片、环形贴片阵以及下层辐射体的金属地板；还包括若干连接所述环形贴片阵以及所述下层辐射体的金属地板的短路针圆环阵；所述环形贴片阵包括2-5圈同轴环形的贴片；所述环形的贴片包括若干贴片；所述贴片连接若干所述短路针结构；所述垂直极化辐射体顶层贴片贴合所述水平极化辐射体。

可以看出，所述垂直极化辐射体的封闭蘑菇状单元结构包括所述贴片、短路针和下层辐射体的金属地板。

作为优选，所述水平极化辐射体由一侧至另一侧依次包括：水平极化辐射体顶层贴片、贴片阵列以及上层辐射体金属地板；还包括若干电路连接所述贴片阵列以及所述上层辐射体金属地板的短路针方阵；所述上层辐射体金属地板贴合所述垂直极化辐射体。

可以看出，所述水平极化辐射体的封闭蘑菇状单元结构包括所述贴片、短路针和上层辐射体金属地板。

作为优选，所述垂直极化辐射体的馈电结构包括垂直体同轴波导端口连接所述寄生圆盘贴片；所述同轴波导端口连接所述下层辐射体的金属地板。

作为优选，所述水平极化辐射体的馈电结构包括水平极化同轴波导端口以及所述水平极化同轴波导端口连接并加载的微带长条；

所述微带长条位于所述水平极化辐射体顶层贴片和所述方形贴片阵列之间；

所述水平体同轴波导端口连接贴片阵列和上层辐射体金属地板；

所述述水平极化同轴波导端口之间呈90°夹角；且微带长条之间呈90°夹角。

作为优选，所述垂直极化辐射体一侧包括2个非金属化过孔。

作为优选，所述水平极化辐射体和所述垂直极化辐射体通过非金属固定装置固定连接，这里可以选用尼龙材质的固定装置，例如但不仅限于尼龙螺丝。

作为优选，所述贴片阵列为环形或多边形。该贴片阵列可包括若干贴片；垂直极化辐射体和水平极化辐射体的贴片阵列可以用不同形状的贴片阵列进行区分，例如但不仅限于环形或多边形。所述多边形包括但不仅限于方形、三角形、六边形。

作为优选，所述水平极化辐射体包括具有对称性的矩形辐射体结构，以便为了产生双水平极化。

作为优选，垂直体同轴波导端口沿

有益效果：本发明提出了一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线。该结构通过控制封闭蘑菇状单元结构的色散特性，然后基于此结构可以设计一个在两个指定频段同时具备垂直极化辐射特性和双水平极化辐射特性的多频方向图分集辐射设备。天线在2.4GHz的自由空间波长，剖面非常低。此天线能够在双频段同时支持垂直极化、y水平极化、以及x水平极化的辐射特性，具有很好的方向图正交性。其端口之间的隔离度都高于15dB，辐射效率高达94％，包络相关系数小于0.01，且两个工作频段可以独立控制。相比于已有的多频段多极化天线，本发明具有能够在双频带内同时支持多种通信模式，与同类研究相比尺寸更小，辐射效率高，增益高，以及极化数多等优点，在未来多输入多输出通信领域有着重要前景。具体：

1)能在一个双频段内(2.4和5.8GHz)同时支持垂直极化辐射模式和双水平极化辐射模式(共三个模式)，与之前的双频段多模式天线相比，该天线可以在每一个频段支持多种辐射模式，避免了因一个端口控制一个频段而带来的分集特性不被充分利用等劣势。并且，相比现有天线，该天线进一步补充了极化数量，可以有效提高多径环境中的链路稳定性、数据传输速率，并拓宽信号覆盖范围；

2)此天线结构紧凑，电尺寸较小，该天线的两个辐射体结构可以通过调整同一种封闭蘑菇状单元结构的色散特性设计实现所需的工作模式；

3)此天线在两个工作频带内具有高达94％的辐射效率。另外，此天线有很好的前后比、较高的交叉极化度、以及很低的相关系数；

4)此天线具有很好的工作频段独立可控特性。仅通过改变天线结构的两个参数，可以实现高频或者低频工作频带独立可控，在调整高频和低频的频率比方面具有很高的自由度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；其中：

图1a为本发明结构的正视图，

图1b为本发明垂直极化辐射体的多层展开图，

图1c为本发明水平极化辐射体的多层展开图，

图1d为本发明垂直极化辐射体的环形贴片阵的俯视图，

图1e为本发明垂直极化辐射体的侧视图，

图1f为本发明水平极化辐射体的顶层方形贴片的俯视图，

图1g为本发明水平极化辐射体的贴片阵列的俯视图，

图1h为本发明水平极化辐射体的侧视图；

图2为本发明仿真和实测S参数；其中：

a是同轴波导端口1的反射系数，b是同轴波导端口1和同轴波导端口2的互耦系数，c是同轴波导端口2的反射系数，d是同轴波导端口1和同轴波导端口3的互耦系数，e是同轴波导端口3的反射系数，f是同轴波导端口2和同轴波导端口3的互耦系数；

图3为本发明在2.4GHz时自由空间中的仿真和实测归一化远场辐射方向图；其中a是激励同轴波导端口1时的方向图，b是激励同轴波导端口2时的方向图，c是激励同轴波导端口3时的方向图；

图4为在5.8GHz时自由空间中的仿真和实测归一化远场辐射方向图；其中

a是激励同轴波导端口1时的方向图，b是激励同轴波导端口2时的方向图，c是激励同轴波导端口3时的方向图；

图5为在自由空间中的增益随频率变化曲线；

图6为S参数在低频和高频段的独立可调；其中：

a是低频段独立可调时各个同轴波导端口的反射系数，b是低频段独立可调时各个同轴波导端口之间的互耦系数，c是高频段独立可调时各个同轴波导端口的反射系数，d是高频段独立可调时各个同轴波导端口之间的互耦系数；方案1是频段向低频偏移，方案2是频段保持不变，方案3是频段向高频偏移；

图7为封闭蘑菇状结构示意图；

图8为三个端口之间的包络相关系数；其中：

a是同轴波导端口1和2的包络相关系数，b是同轴波导端口1和3的包络相关系数，c是同轴波导端口2和3的包络相关系数。

图中有：

1-垂直极化辐射体；1a-垂直极化辐射体顶层贴片；1b-寄生圆盘贴片；1c-环形贴片阵；1d-短路针圆环阵；1e-下层辐射体金属地板；1f-连接顶层圆形贴片和下层辐射体金属地板的短路针；1g-垂直体同轴波导端口(即同轴波导端口1)；

2-水平极化辐射体；2a-水平极化辐射体顶层贴片；微带长条(2b、2c)(即2b-同轴波导端口2加载的微带长条，2c-同轴波导端口3加载的微带长条)；2d-贴片阵列；2e-短路针方阵；水平体同轴波导端口(2f，2g)(即2f-同轴波导端口2，2g-同轴波导端口3)；2h-上层辐射体金属地板；

3-尼龙螺丝；

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具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线，包括一个垂直极化辐射体1和一个水平极化辐射体2，水平极化辐射体2位于垂直极化辐射体1的正上方，并且两者用尼龙螺丝3固定。所述垂直极化辐射体1和所述水平极化辐射体2分别包括若干如图7所示的封闭蘑菇状单元结构；所述封闭蘑菇状单元结构包括至少三层的金属层和金属短路针；所述短路针至少连接所述金属中的两层。

水平极化辐射体2的同轴波导端口2和同轴波导端口3穿过垂直极化辐射体1，并且垂直极化辐射体1的顶层圆形贴片1a与水平极化辐射体2的上层辐射体金属地板2h电相连。所述垂直极化辐射体1从上到下依次包括顶层圆形贴片1a(本实施例中，垂直极化辐射体顶层贴片1a选择圆形贴片，以下均称其为顶层圆形贴片1a)、寄生圆盘贴片1b、环形贴片阵1c、短路针圆环阵1d、以及下层辐射体金属地板1e。

其中，短路针圆环阵1d与环形贴片阵1c以及下层辐射体金属地板1e相连。本实施例的形贴片阵1c选择不同半径的三圈同心圆环形贴片作为环形贴片阵1c，同样可以选择，但不仅限于2-5圈不同半径的同心环形贴片，贴片的具体数量根据实际尺寸需求进行调节；也可以选择由若干小贴片组成每一圈环形贴片。

所述垂直极化辐射体1的馈电结构包括同轴波导端口1(附图标记1g)连接着位于顶层圆形贴片1a和环形贴片阵1c之间的寄生圆盘贴片1b，并处于垂直极化辐射体1的中心进行耦合馈电。所述水平极化辐射体2从上到下依次包括加载微带长条的顶层方形贴片2a、同轴波导端口2加载的微带长条2b、同轴波导端口3加载的微带长条2c、3×3方形贴片阵列2d(本实施例中，贴片阵列2d选择3×3方形贴片阵列，以下均称其为3×3方形贴片阵列2d)、短路针方阵2e、以及上层辐射体金属地板2h。

其中，短路针方阵2e与3×3方形贴片阵列2d和上层辐射体金属地板2h相连。所述水平极化辐射体2的馈电结构包括同轴波导端口2加载的微带长条2b、同轴波导端口3加载的微带长条2c、同轴波导端口2(2f)、以及同轴波导端口3(2g)。同轴波导端口2加载的微带长条2b和同轴波导端口3加载的微带长条2c分别与加载微带长条的顶层方形贴片2a进行耦合馈电。同轴波导端口3(2g)由同轴波导端口2(2f)绕坐标轴z轴旋转90度而成。

本实施例中，为了实现双频多模式的辐射特性，以及考虑到具有水平极化辐射模式的辐射体需要在具有垂直极化辐射模式的辐射体上方的特点，为了在两个辐射体的结构设计紧凑的前提下，将垂直极化辐射模式的辐射体的顶层贴片做封闭设计。

为了实现上述设计要求，本发明采取封闭的蘑菇状单元结构，通过控制单元的色散特性，使得单元的色散特性能够分别满足在2.4和5.8GHz实现垂直极化和水平极化的谐振条件，然后分别组成两种具有不同辐射特性的天线结构。因此，本发明基于同一个单元结构就可以设计具有双频三极化辐射特性的天线。

在垂直极化辐射体的设计中，为了产生垂直极化的全向辐射模式，对于较薄厚度的圆形贴片结构，主要的辐射模式是与

在水平极化辐射体的设计中，为了产生双水平极化，本天线采用具有对称性的矩形辐射体结构。为了在矩形腔体内构造TM

对于同轴波导端口1和同轴波导端口2、3的隔离度的改善，可以从两个方面进行设计。一方面，同轴波导端口2和3的位置需要设计在垂直极化辐射体的工作模式的零场上。另一方面，将下层辐射体金属地板作为水平极化辐射体的同轴波导端口2和3的地，然后将顶层圆形贴片与上层辐射体金属地板电连接，与同轴波导端口1的地分离开来，能够将同轴波导端口1和同轴波导端口2、3的隔离度在2.4GHz从10dB提高到42dB，在5.8GHz从16提高到20dB。同时对于同轴波导端口2和3的隔离度提高也有帮助，尤其是在5.8GHz从8dB提高了到15dB。

对于同轴波导端口2和3的隔离度改善，在顶层方形贴片和3×3方形贴片阵列上加载四周的切角，能够将在5.8GHz时的端口隔离度从8.7dB提高到15dB，而在2.4GHz时的端口隔离度是从26dB降到了15.5dB。显然，在两个频率的端口隔离度已经能够满足多输入多输出天线对于隔离度的要求了。通过在顶层方形贴片和3×3方形贴片阵列加载切角的方法提高端口隔离度，可以得益于两个原因。第一，在没有加载切角时，天线的谐振频率低于5.8GHz，因此导致在5.8GHz时互耦系数较高。随着两层贴片切角，由于辐射体尺寸的变小，工作频段将向更高的频率移动，这样的移动将会导致互耦系数也向高频移动，从而降低了在工作频段内的互耦系数。其次，当端口2被激活时，在顶层方形贴片上可以发现沿着x轴方向的流动的电流较强，干扰了沿着y轴方向的主极化电流。在切角加载之后，沿着x轴方向的电流明显变弱，因此对y轴方向的电流作用就大大减少了。

图1a、图1b、图1c、图1d、图1e、图1f和图1g给出了所述基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线的俯视，正视以及侧视示意图，天线半径为0.39λ

图2给出了所述一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线的仿真和实测S参数；从结果可以得出，该天线在工作频点为2.4GHz和5.8GHz，带宽分别为35MHz和85MHz，可以实现垂直极化的全向辐射模式和双水平极化的边射辐射模式的共享，并且在带内每个端口两两隔离度均大于15dB。

图3给出了所述一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线在2.4GHz时自由空间中的仿真和实测归一化远场辐射方向图；其中a是激励同轴波导端口1时的方向图，b是激励同轴波导端口2时的方向图，c是激励同轴波导端口3时的方向图；从结果可以得出，仿真结果和实测结果大体一致。当同轴波导端口1激励时，天线方向图为全向方向图，全向的增益波动仅为0.25dB；当同轴波导端口2和3分别激励时，天线方向图均为定向方向图，其半功率波束宽度在yz和xz面上分别为86°和80°。实测方向图的前后比大于14.5dB，并且交叉极化度也低于-16.7dB。

图4给出了所述一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线在5.8GHz时自由空间中的仿真和实测归一化远场辐射方向图；其中a是激励同轴波导端口1时的方向图，b是激励同轴波导端口2时的方向图，c是激励同轴波导端口3时的方向图；从结果可以得出，仿真结果和实测结果大体一致。当同轴波导端口1激励时，天线方向图为全向方向图，全向的增益波动为5dB；当同轴波导端口2和3分别激励时，天线方向图均为定向方向图，其半功率波束宽度在yz和xz面上分别为47°和59°。实测方向图的前后比大于14.5dB，并且交叉极化度低于-13.7dB。

图5给出了所述一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线在自由空间中的增益随频率变化曲线；由结果可知，实测增益和仿真增益保持很好的一致性。当同轴波导端口1、2和3分别激励时，在低频可以实现2.3/6.8/6/7dBi的实际增益，在高频可以实现6.6/9.0/9.2dBi的实际增益。高频时的增益波动主要是由于天线在高频段的不到1％的频移引起，另外同轴线引入的电流也会对辐射有影响。

图6给出了所述一种基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线的S参数在低频和高频段的独立可调；其中，a是低频段独立可调时的反射系数，b是低频段独立可调时的互耦系数，c是高频段独立可调时的反射系数，d是高频段独立可调时的互耦系数；方案1是频段向低频偏移，方案2是频段保持不变，方案3是频段向高频偏移。当改变连接短路针圆环阵1e或者短路针方阵2e的直径，在5.8GHz的工作频段可以产生向低频或者向高频的移动，而在2.4GHz时的工作频段保持不变。当联合改变连接短路针圆环阵或者短路针方阵的直径，和环形贴片阵1c的贴片宽度或者方阵的方形贴片边长，可以使得在2.4GHz时的工作频段向低频或者向高频移动，而保持在5.8GHz时的工作频段不变。并且，不管是在2.4GHz还是5.8GHz的频段可调，均能保持较好的端口隔离度。

图8给出了所述基于封闭蘑菇状单元结构的双频段三极化天线在自由空间的包络相关系数；由图可知，由仿真的端口散射参数和仿真的三维方向图所计算出的包络相关系数在工作频段内大致重合，这是因为两两端口隔离度较好以及方向图正交。由实测端口散射参数所计算出的包络相关系数在工作频段内也低于0.01，这已经满足多入多出天线对于信道独立的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。