一种双极化双端口腔体方向性天线

摘要

一种双极化双端口腔体方向性天线，涉及一种腔体天线。为长方体腔体结构，长方体腔体的顶面为双面覆铜介质基板，长方体腔体的前后左右四个侧面为4块形状相同的矩形铜板，长方体腔体的底面为一块接地的正方形铜板，长方体腔体内部设有一铜质中心圆柱，铜质中心圆柱的上下两端分别与介质基板下表面的敷铜层和底面正方形铜板相连。采用共置形式实现了双馈双极化方向性天线。工作频带内，天线端口间的隔离度在32dB以上，在最大辐射方向交叉极化小于30dB，天线增益达到6.5dBi。具有良好的端口隔离度，极化纯度高，方向性强，结构紧凑的特点，可用于采用MIMO技术的无线通信系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种腔体天线，尤其是涉及一种通过微带线馈电的高隔离度双极化双端口腔 体方向性天线。

背景技术

随着无线多媒体业务的巨大增长，通信速率已成为移动通信系统的限制瓶颈。为此，可 用于增加信道容量以及传输可靠性的宽带移动通信系统及其天线技术，成为移动通信技术的 发展方向。当前的LTE移动通信技术正是在此背景下应运而生，它应用了多种新的技术，如 基于多输入多输出(MIMO)的多天线技术。

MIMO技术是将多径无线信道与发射/接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容 量和频谱利用率，是一种近于最优的空域-时域联合的分集和干扰对消处理。MIMO天线主要 分为两类：空间分集天线和极化分集天线。传统的空间分集MIMO天线采用共极化，为降低天 线间的相关性，要求天线单元间距在半个波长以上，天线占据空间较大。极化分集天线可在 原来一支天线的空间内实现两支或多支天线的功能，即通过极化正交降低天线间的相关性， 因此在小型基站或移动终端中得到广泛应用(柏兵.MIMO天线的发射与接收问题.清华大学. 1997.12pp.5-9)。

已有多种可用于MIMO系统的双极化天线结构。如利用两倾斜45°单极天线，通过T形 接地面结构实现隔离，它同时具有极化分集和空间分集能力(Wu Tzuenn-Yih,Fang Shyh-Timg  and Wong Kin-Lu.Printed diversity monopole antenna for WLAN operation.Electron. Lett.,2002,38(25),pp.1625-1626)。又如把靠近接地面且与接地面平行的侧向相连的 两个相到垂直PIFA天线，应用于WLAN系统实现MIMO功能(Park-S.and Jung C.,Compact  MIMO antenna with high isolation performance.Electron.Lett.,2010,46(6),pp. 390-391)。但它们都为独立双天线结构，占据了两个天线空间。也有采用等腰三角形缝隙为 辐射源，通过两正交微带线耦合馈电，实现端口隔离度大于30dB的宽带双馈双极化单天线结 构，但其交叉极化较大(Lee Chi-Hsuan,Chen Shih-Yuan,and Hsu Powen.Isosceles  triangular slot antenna for broadband dual polarization applications.IEEE Trans. Antennas Propag.,2009,57(10),pp.3347-3351)。采用共面波导馈电的带矩形环单极 天线及共面波导的缝隙实现的宽带双极化天线，也具有较为紧凑结构，但其端口隔离度只有 22dB(Li Yue,Zhang Zhijun,Feng Zhenghe,and Iskander Magdy F.Dual-mode loop antenna  with compact feed for polarization diversity.IEEE Antennas Wireless Propag.Lett., 2011，10，pp.95-98)。同时还可看到，以上多是全向天线，不具有方向性辐射特性。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述天线存在的不足，提供一种具有高隔离度的双极化双端 口腔体方向性天线。

本发明为长方体腔体结构，长方体腔体的顶面为双面覆铜介质基板，长方体腔体的前后 左右四个侧面为4块形状相同的矩形铜板，长方体腔体的底面为一块接地的正方形铜板，长 方体腔体内部设有一铜质中心圆柱，铜质中心圆柱的上下两端分别与介质基板下表面的敷铜 层和底面正方形铜板相连。

所述介质基板可采用双面覆铜的微波介质基板，介质基板的长度可为42～46mm，宽度可 为42～46mm，厚度可为1～1.5mm；相对介电常数可为1～3，损耗角正切不大于0.01。

所述介质基板的上表面可设有4条相同的矩形微带线，矩形微带线的长度可为9～9.5mm， 宽度可为1.6～2mm，4条矩形微带线的短边分别紧贴介质基板上表面正方形的4条边居中放 置。

所述介质基板的下表面可设有一正方形贴片，正方形贴片的边长可为42～46mm，正方形 贴片可完全覆盖介质基板的下表面，正方形贴片的中央刻蚀一个圆环缝隙，圆环缝隙的内径 可为30.9～31.9mm，外径可为34.3～35.3mm。正方形贴片和圆环缝隙的几何中心重合。

所述介质基板的两个相邻侧面分别居中放置两个相同形状的小矩形贴片，小矩形贴片的 长度可为1.6～2mm，宽度可为1～1.5mm。两小矩形贴片分别与顶面微带线和侧面矩形铜板相 连。

所述4块侧面矩形铜板的长度可为42～46mm，宽度可为14～15.5mm；4块矩形铜板的长 边分别与正方形贴片的4条侧边相连，构成腔体方向性天线的4个侧面。

所述底面正方形铜板的边长可为55～65mm。

所述铜质中心圆柱的底面直径可为3.5～4.5mm，高度可为14～15.5mm，铜质中心圆柱在 水平方向的投影位于正方形铜板的几何中心；铜质中心圆柱的上下两端分别与介质基板下表 面的敷铜层和底面正方形铜板相连。

本发明在正方形介质基板上刻蚀特定图案，并构建一长方体背腔，实现具有高隔离度的 双极化双端口腔体方向性天线。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

采用共置形式实现了双馈双极化方向性天线。工作频带内，天线端口间的隔离度在32dB 以上，在最大辐射方向交叉极化小于30dB，天线增益达到6.5dBi。该天线具有良好的端口隔 离度，极化纯度高，方向性强，结构紧凑的特点，可用于采用MIMO技术的无线通信系统。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构图。

图2为本发明实施例的介质基板上表面的俯视图。

图3为本发明实施例的介质基板下表面的俯视图。

图4为本发明实施例的侧视图。

图5为天线两个端口回波损耗频率曲线的实测值图。在图5中，曲线a是天线回波损耗 S11实测曲线；曲线b是天线回波损耗S22实测曲线。

图6为天线两端口间隔离度的实测值图。在图6中，曲线a是天线两端口间隔离度S21 实测曲线；曲线b是天线两端口间隔离度S12实测曲线。

图7为某一端口激励时(另一端口接匹配负载)天线E面方向图。在图7中，曲线a为 端口激励时的E面主极化方向图；曲线b为端口激励时的E面交叉极化方向图。

图8为某一端口激励时(另一端口接匹配负载)天线H面方向图。在图8中，曲线a为 端口激励时的H面主极化方向图；曲线b为端口激励时的H面交叉极化方向图。

具体实践方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于 限定本发明。

参见图1，一种双极化双端口腔体方向性天线，为一长方体腔体结构，长方体腔体的顶 面为刻蚀有特定图案的双面覆铜介质基板1，长方体腔体的前后左右四个侧面为4块形状完 全相同的矩形铜板2、3、4、5，长方体腔体的底面为一块接地的正方形铜板6。长方体腔体 内部有一铜质中心圆柱7，铜质中心圆柱的上下两端分别与介质基板1下表面的敷铜层和正 方形铜板6相连。

参见图2，介质基板1采用双面覆铜的微波介质基板。介质基板的的长度为a＝44mm± 0.1mm，宽度为a＝44mm±0.1mm，厚度为b＝1.2mm±0.1mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切 为0.01。介质基板1的上表面设有4条相同的矩形微带线8、9、10、11，微带线的长度为 c＝9.3mm±0.1mm，宽度为d＝1.8mm±0.1mm，4条矩形微带线的短边分别紧贴介质基板1上表 面正方形的4条边居中放置。其中矩形微带线9和10是该天线的两个微带线馈电端口。

介质基板1的的两个相邻侧面分别居中放置两个相同形状的小矩形贴片14和15，小矩 形贴片的长度为d＝1.8±0.1mm，宽度为b＝1.2±0.1mm。小矩形贴片14的两条长边分别与微 带线8和铜板2相连，小矩形贴片15的两条长边分别与微带线11和铜板5相连。

参见图3，介质基板1的下表面设有一正方形贴片12，正方形贴片12的边长为a＝44mm ±0.1mm，其面积完全覆盖介质基板的下表面。在正方形贴片12的中央刻蚀出一个圆环缝隙 13，圆环的内径为e＝31.4±0.1mm，外径为f＝34.8±0.1mm。正方形贴片12和圆环缝隙13的 几何中心重合。

参见图4，4块矩形铜板2、3、4、5，长度为a＝44mm±0.1mm，宽度为g＝14.7mm±0.1mm。 4块矩形铜板的长边分别与正方形贴片12的4条侧边相连，构成腔体方向性天线的四个侧面。 底面正方形铜板6，边长为h＝60mm±0.1mm。铜质中心圆柱7，底面直径为i＝4mm±0.1mm，高 度为g＝14.7mm±0.1mm，铜质中心圆柱7在水平方向的投影位于正方形铜板6的几何中心。 铜质中心圆柱的上下两端分别与介质基板1下表面的敷铜层和正方形铜板6相连。

参见图5，天线两个端口回波损耗的频率曲线的实测值图。由于天线结构的对称性，天 线两个端口的回波损耗频率曲线理论上是相同的。利用矢量网络分析仪AV3629进行测试，可 以看到，两个端口在﹣10dB以下的回波损耗带宽的实测范围为2.26～2.37GHz，在中心频点 处小于-25dB。

参见图6，天线两端口间隔离度的实测值图。可以看到，在2.26～2.37GHz的频带范围 内，端口隔离度实测值大于32dB。

参见图7和图8，由于天线结构的对称性，天线两个端口分别激励时的E面和H面方向 图的仿真结果完全相同的，只是两端口对应天线的E面相互垂直。由图可见，在最大辐射方 向其辐射场的交叉极化分量要比主极化低30dB以上，天线增益达到了6.5dBi。