移动应用中工作于高次模的矩形微带天线

摘要

该发明公开了一种移动应用中工作于高次模的矩形微带天线，属于无线通信技术领域。本发明的目的在于提出一种利用矩形微带天线TM02和TM20模式产生全向性锥形波瓣图(OCBP)的方法。该天线包括圆柱形介质基片、设于介质基片正面的辐射体、设于介质基片背面的接地板及对天线进行馈电的两个同轴探针。通过双端口等幅同相电流激励及圆环缝隙的适当选择产生TM02和TM20模式，并达到两端口较高的隔离度和良好的阻抗匹配。本发明在实现预期目标的同时保证了天线形式及馈电结构的简单化，具有极高的使用价值和应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种工作于TM₀₂和TM₂₀模式的全向辐射矩形微带天线。

背景技术

随着现代信息技术的迅速发展，移动通信技术越来越多的深入到人们的日常生活中。作为移动通信系统中一个关键的部件，天线(发射/接收)的优劣直接影响着通信质量。所以，一款性能优异的天线对移动通信质量的提高和技术的进步显的尤为重要。自从上世纪七十年代，微带天线被研究者们初次研制，就以其重量轻、体积小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容等诸多优点而被各方人士关注和青睐。然而，一款具有低剖面小型化高增益特性的全向辐射微带天线的设计依然具有非常大的挑战性和研究价值。

经过对现有技术文献的检索发现，具有全向性锥形波瓣图(OmnidirectionalConical Beam Pattern,OCBP)的微带天线因其相对于传统天线更高的增益和辐射方位上360度全向覆盖等优点，一直在移动通信系统设计中备受推崇。Son,S.-H.,Jeon,S.-I.等人2010年发表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation的文章“GA-based design of multi-ring arrays with omnidirectional conical beam pattern”以及Zuo,S.L.等人于2010年发表在Electron.Letter的文章“Enhanced bandwidthof low-profile sleeve monopole antenna for indoor base station application”分别从不同的侧面阐述了这个问题。Juhua Liu,Quan Xue等人发表在2013IEEETransactions on Antennas and Propagation上的文章“Design and analysis of alow-profile and broadband microstrip monopolar patch antenna”阐述了圆形微带天线的TM₀₁，TM₀₂，TM₂₁及其他高次模可以产生全向性锥形波瓣图(OCBP)的机理。1995年，Batchelor,J.C.等人发表在IEE Proc.Microwave AntennasPropagation上的文章“Microstrip ring antennas operating at higher order modes formobile communications”提出了利用圆环结构天线的TM₂₁模式产生全向性锥形波瓣图(OCBP)。

然而，利用矩形微带天线的TM₀₂和TM₂₀模式产生全向性锥形波瓣图(OCBP)的设计还鲜有报道。因此，着眼于矩形微带天线的TM₀₂和TM₂₀模式产生全向锥形波瓣图(OCBP)的天线设计还是非常值得研究的一项工作。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用矩形微带天线TM₀₂和TM₂₀模式产生全向性锥形波瓣图(OCBP)的方法。该天线利用两个同轴探针等幅同相电流激励TM₀₂和TM₂₀模式以产生全向性锥形波瓣图。这种方法的好处在于可以实现两个端口较高的隔离度和良好的阻抗匹配。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种移动应用中工作于高次模的矩形微带天线，包括圆柱形介质基片、设于介质基片正面的辐射体、设于介质基片背面的接地板及对天线进行馈电的两个同轴探针，其特征在于，所述接地板为覆盖介质基板下表面的圆形金属接地板。

所述同轴探针的外导体连接接地板，内导体穿过介质基板与辐射体上的馈电点相连接。

所述辐射体为正方形金属贴片，辐射体上设置有两个馈电点，馈电点关于辐射体对角线对称，以两个馈电点为中心分别刻蚀有一尺寸相同的圆环缝隙，缝隙内没有金属物质。

本发明利用两个同轴探针等幅同相电流对天线进行激励。通过调整两个馈电端口的位置和辐射贴片上圆环缝隙宽度的大小来达到两个端口较高的隔离度和良好的阻抗匹配。

本发明和现有技术相比，其对结构和性能的改善是积极和明显的。通过双端口等幅同相电流激励及圆环缝隙的适当选择产生TM₀₂和TM₂₀模式，并达到两端口较高的隔离度和良好的阻抗匹配。本发明在实现预期目标的同时保证了天线形式及馈电结构的简单化，具有极高的使用价值和应用前景。

附图说明

图1(a)为本发明实施例正面结构示意图；

图1(b)为本发明实施例侧面结构示意图；

图2为本发明实施例的两端口回波损耗及隔离度的仿真及实测结果示意图；

图3(a)为本发明实施例在3.81GHz的x-z面方向图仿真结果示意图；

图3(b)为本发明实施例在3.81GHz的水平仰角55度的水平面方向图仿真结果示意图；

图4为本发明实施例的增益仿真结果示意图。

图5为本发明实施例的辐射效率仿真结果示意图。

附图标号说明：1.介质基片，2.馈电点，3.馈电点，4.辐射体，5.接地板，6.圆环缝隙，7.同轴探针。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明的移动应用中工作于高次模的矩形微带天线的实施例结构示意图如图1(a)和图1(b)所示，该天线包括一个圆柱形介质基片1，天线馈电点2、3，设于介质基片正面中心位置的辐射体4，设于介质基片背面的接地板5及对天线进行馈电的两个同轴探针7，以两个馈电点为中心刻蚀的圆环缝隙6。

图1中，厚度为2mm的相对介电常数为2.2的圆柱形介质基片1的直径为d＝100mm；介质基片正面辐射体4的尺寸为a＝b＝50mm；天线馈电点2、3到中心位置距离l＝13mm；圆环缝隙6的半径为r_s＝3.5mm，缝隙宽度为w_s＝0.2mm。此处具体尺寸的选取仅为本发明实施例中所选用，对于本领域的技术人员来说，可以根据实际需要对各部分的尺寸进行适当的调整。

本发明通过调节馈电点2、3的位置和圆环缝隙6的大小来调节天线馈电端口的隔离度以及阻抗匹配。

实施例两端口回波损耗及隔离度的仿真及实测曲线如图2所示，端口1、2的阻抗带宽测量值均为2.1％(3.78–3.85GHz)，两端口隔离度测量值在阻抗带宽内优于-20dB。

实施例在3.81GHz的x-z面方向图仿真结果如图3(a)所示，可以看出，增益最大值在仰角为55度时,交叉极化比在20dB之上。

实施例在3.81GHz的水平仰角55度的水平面方向图仿真结果如图3(b)所示，天线全向性较好，方向图不圆度仅为0.9dB。

实施例的增益仿真结果如图4所示，天线在阻抗带宽内最大增益在5.80dBi，此时频率为3.81GHz。

实施例的辐射效率仿真结果如图5所示，天线在阻抗带宽内最大辐射效率在0.99以上，平均辐射效率在0.96以上。

该实施例的仿真结果显示，该天线很好的达到了高增益全向性锥形波瓣的要求，此外该天线结构简单、馈电方便、结构紧凑，具有很好的应用价值。