專利名稱：一種低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著室內(nèi)短距離無線接入技術(shù)的不斷發(fā)展，超寬帶通信技術(shù)備受重視。一般認(rèn)為，相對帶寬超過25%的天線屬于超寬帶天線。另一方面，隨著無線通信的快速發(fā)展，為了滿足室內(nèi)信號覆蓋和增強的需要，高增益特性的定向天線得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)存的室內(nèi)通信信號覆蓋系統(tǒng)中的定向天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，帶寬有限，不能覆蓋多種制式無線通信系統(tǒng)的頻段；此外，改善寬帶天線的交叉極化特性，不僅有助于改進其高頻段的輻射特性，還有利于實現(xiàn)寬帶極化分集功能。無論對超寬帶無線通信，還是現(xiàn)存的各種無線通信系統(tǒng)而言，寬帶定向天線的研究都具有重要的實際價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計超寬帶定向天線，提高其交叉極化性能的問題。通過采用三個不同結(jié)構(gòu)的縫隙和多邊形輻射貼片進行組合，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、工作頻帶寬、交叉極化好、便于制作實現(xiàn)和集成的一種低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線。本發(fā)明為解決以上技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
一種低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，包括介質(zhì)基板、以及一個長寬與介質(zhì)基板的長寬相等的非全封閉金屬背腔；所述金屬背腔是一個缺少上表面和前端面的長方體，其中，所述介質(zhì)基板的頂層設(shè)置有多邊形輻射貼片和微帶饋線，其中，多邊形輻射貼片與微帶饋線直接相連，構(gòu)成天線的饋電部分；所述介質(zhì)基板的底層為屏蔽導(dǎo)體，所述金屬背腔上表面的開口部分與介質(zhì)基板的底層的屏蔽導(dǎo)體直接相連，使得介質(zhì)基板作為該金屬背腔的上表面；在所述屏蔽導(dǎo)體上，刻蝕有相互平行的第一縫隙、第二縫隙以及第三縫隙，其中第一縫隙的長度小于第二縫隙的長度，第二縫隙的長度小于第三縫隙的長度。作為本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的進一步優(yōu)化方案，所述第二縫隙為梯形縫隙，該梯形縫隙的漸變部分具有漸變角，該漸變角的范圍為40°到70°。作為本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的進一步優(yōu)化方案，所述第一縫隙、第二縫隙、第三縫隙的形狀為矩形、或矩形和三角形的組合而成的多邊形，多邊形輻射貼片的形狀為矩形、三角形或其它多邊形的組合形狀。作為本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的進一步優(yōu)化方案，非全封閉金屬背腔的高度范圍為7. 5mm到25_。作為本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的進一步優(yōu)化方案，介質(zhì)基板的介電常數(shù)為2至20。
作為本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的進一步優(yōu)化方案，所述第一縫隙與第二縫隙、第二縫隙與第三縫隙的間距均小于4mm。作為本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的進一步優(yōu)化方案，所述第一、第二、第三縫隙覆蓋區(qū)域與多邊形輻射貼片覆蓋區(qū)域相對應(yīng)；其中多邊形輻射貼片的頂端超出第一縫隙的上沿2. 5mm ;多邊形輻射貼片的底端不超出第三縫隙的下沿。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下技術(shù)效果
本發(fā)明通過采用多邊形輻射貼片和微帶饋線組合構(gòu)成低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的饋電系統(tǒng)并將其置于介質(zhì)基板的頂層，在獲得相對帶寬約為69%的工作頻帶的同時，較之傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫隙微帶天線其交叉極化性能顯著提高，并通過引入非全封閉金屬背腔使天線具有定向輻射特性。本天線結(jié)構(gòu)簡單，無需附加饋電部件；制作工藝簡單、成本低廉，且其交叉極化性能好。


圖1是本發(fā)明天線的結(jié)構(gòu)平面示意圖、剖面圖與三維立體示意圖。其中圖1a是平面示意圖，圖1b是剖面示意圖，圖1c是三維立體示意圖。圖2是傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫隙微帶天線的結(jié)構(gòu)平面示意圖、剖面圖與三維立體示意圖。其中圖2a是平面不意圖，圖2b是首I]面不意圖，圖2c是二維立體不意圖。圖。
圖3是利用IE3D軟件計算的本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)反射系數(shù)頻率特性圖。
圖4是利用IE3D軟件計算的傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫微帶天線結(jié)構(gòu)反射系數(shù)率特性
圖5是利用IE3D軟件計算的本發(fā)明天線的方向圖。
圖6是利用IE3D軟件計算的傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫微帶天線的方向圖。
圖1中標(biāo)號1是介質(zhì)基板，2是第一縫隙，3是第二縫隙，4是第三縫隙，5是多邊形輻射貼片，6是微帶饋線，7是非全封閉金屬背腔，8是漸變角度。圖2中標(biāo)號11是介質(zhì)基板，21是縫隙，31是矩形貼片，41是微帶饋線，51是非全封閉金屬背腔。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明
如圖1所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是天線制作在介質(zhì)基板1、第一縫隙2、第二縫隙3、第三縫隙4、多邊形輻射貼片5、微帶饋線6、非全封閉金屬背腔7關(guān)于y軸對稱；多邊形輻射貼片5和微帶饋線6相連構(gòu)成饋電結(jié)構(gòu)；金屬背腔7為一個非全封閉的長方體，其缺少上表面和前端面，所述介質(zhì)基板I作為該金屬背腔的上表面，非封閉的前端面為與微帶饋線靠近的那一面。本發(fā)明從上到下的結(jié)構(gòu)層次依次為多邊形輻射貼片5和微帶饋線6，介質(zhì)基板1，第一縫隙2、第二縫隙3和第三縫隙4，金屬背腔7。第一縫隙與第二縫隙、第二縫隙與第三縫隙的間距均小于4mm，因此可以將這三條縫隙視作一個輻射體，這樣設(shè)計的優(yōu)點是在增加帶寬的同時改善了天線的交叉極化性能。第二縫隙為梯形縫隙，該梯形縫隙的漸變部分具有漸變角，該漸變角的范圍為40°到70°。漸變角位于電流密度最集中的位置附近，對電流分布有很大的影響。通過改變漸變角的大小可以進行電流密度調(diào)控，進而調(diào)整阻抗帶寬。當(dāng)漸變角由小變大時，其阻抗帶寬會相應(yīng)減?。环粗?，當(dāng)漸變角由大變小時，其阻抗帶寬會相應(yīng)增大。但是，當(dāng)漸變角的范圍超出上述范圍時，當(dāng)漸變角太大或太小，天線的阻抗匹配性能會變差。本發(fā)明的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其縫隙的形狀為矩形或三角形，多邊形輻射貼片的形狀為矩形、三角形或其它多邊形的組合形狀。其中，三條縫隙的長寬比控制在一定的范圍內(nèi)，其中第一縫隙的長度小于第二縫隙的長度，第二縫隙的長度小于第三縫隙的長度，以達到低交叉極化特性的要求。貼片與縫隙間的相對位置可用于調(diào)控阻抗帶寬。具體表現(xiàn)為第一、第二、第三縫隙覆蓋區(qū)域與貼片所在位置的區(qū)域?qū)?yīng)，其中貼片的頂端要超出第一縫隙的上沿，一般超出的長度為2. 5_左右為最佳，不能超出太多，否則會使天線的阻抗匹配性能變差。同時貼片的頂端也不能低于第一縫隙的上沿，否則也會使天線的阻抗匹配性能變差。在貼片的頂端超出第一縫隙的長度在2. 5mm范圍內(nèi)時當(dāng)貼片的頂端超出第一縫隙的上沿的距離越大，其阻抗帶寬會相應(yīng)減小；反之，其阻抗帶寬會相應(yīng)增大。 貼片的底端不能超出第三縫隙的下沿，當(dāng)貼片的底端超出第三縫隙的下沿，對電流分布有很大影響，會使天線的阻抗匹配性能變差。如圖2所示，圖2是傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫隙微帶天線，其結(jié)構(gòu)是介質(zhì)基板11、縫隙21、矩形貼片31、微帶饋線41、非全封閉金屬背腔51關(guān)于y軸對稱；矩形貼片31和微帶饋線41相連構(gòu)成饋電裝置；從上到下的結(jié)構(gòu)層次依次為矩形貼片31和微帶饋線41，介質(zhì)基板11，縫隙21，非全封閉金屬背腔51。對照附圖3，附圖3給出了介質(zhì)基板I按照相對介電常數(shù)為2. 2、厚為O. 8毫米實施，非全封閉金屬背腔7按照長52毫米、寬46毫米實施，漸變角8按照45°實施，低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線各部分輪廓與附圖1 一致時，利用IE3D軟件仿真計算得到的天線反射系數(shù)頻率特性。根據(jù)圖3的結(jié)果可見，低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的工作頻帶為5. 15GHz到10. 51GHz，相對工作頻帶寬度約為69%，具有超寬帶工作特性。對照附圖4，附圖4給出了介質(zhì)基板11按照相對介電常數(shù)為2. 2、厚為O. 8毫米實施，全封閉金屬背腔51按照長40毫米、寬20毫米實施，傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫微帶天線各部分輪廓與附圖2 —致時，利用IE3D軟件仿真計算得到的天線反射系數(shù)頻率特性。根據(jù)圖4的結(jié)果可見，傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫微帶天線的工作頻帶為5. 14GHz到7. 74GHz，相對工作頻帶寬度約為40%，同樣具有超寬帶工作特性。對照附圖5，附圖5給出了工作頻率為6. 5GHz時，低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的ZX平面方向圖，圖中的實線為同極化分量，虛線為交叉極化分量。從附圖5可見，3dB主瓣的角度范圍是47°，在此范圍內(nèi)，交叉極化分量低于主極化約33dB。對照附圖6，附圖6給出了工作頻率為6. 5GHz時，傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫微帶天線的ZX平面方向圖，圖中的實線為同極化分量，虛線為交叉極化分量。3dB主瓣的角度范圍是60°，在此范圍內(nèi)，交叉極化分量低于主極化24dB。比較圖5與圖6，在47°的主瓣范圍內(nèi)，傳統(tǒng)寬帶背腔式縫隙微帶天線的交叉極化分量比本發(fā)明天線的交叉極化分量差9dB，可見本發(fā)明天線的交叉極化性能優(yōu)于常規(guī)天線的交叉極化性能。低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線克服了傳統(tǒng)寬帶背腔式縫隙微帶天線帶寬小、交叉極化差的缺點，使其具有較好的超寬帶特性。增加非全封閉金屬背腔使天 線具有定向性，而且此天線結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、成本低廉。按照前述實施方式制作的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線的工作頻段覆蓋C波段和X波段，也可以按尺寸比例進行放大后，將其用作DCS-1800/MT-2000/WLAN-2400/TD-LTE等移動通信系統(tǒng)的室內(nèi)分布定向天線，具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于包括介質(zhì)基板(1)、以及一個長寬與介質(zhì)基板(I)的長寬相等的非全封閉金屬背腔(7);所述金屬背腔(7) 是一個缺少上表面和前端面的長方體，其中，所述介質(zhì)基板(I)的頂層設(shè)置有多邊形輻射貼片(5)和微帶饋線(6),其中，多邊形福射貼片(5)與微帶饋線(6)直接相連,構(gòu)成天線的饋電部分；所述介質(zhì)基板(I)的底層為屏蔽導(dǎo)體，所述金屬背腔上表面的開口部分與介質(zhì)基板(I)的底層的屏蔽導(dǎo)體直接相連，使得介質(zhì)基板(I)作為該金屬背腔的上表面；在所述屏蔽導(dǎo)體上，刻蝕有相互平行的第一縫隙(2)、第二縫隙(3)以及第三縫隙(4)，其中第一縫隙(2)的長度小于第二縫隙(3)的長度，第二縫隙(3)的長度小于第三縫隙(4)的長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于所述第二縫隙(3)為梯形縫隙，該梯形縫隙的漸變部分具有漸變角，該漸變角(8)的范圍為40。到70。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于所述第一縫隙(2)、第二縫隙(3)、第三縫隙(4)的形狀為矩形、或者是任意多邊形的組合形狀，多邊形輻射貼片(5)的形狀為矩形、三角形或其它多邊形的組合形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于所述非全封閉金屬背腔(7)的高度范圍為7. 5mm到25mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于介質(zhì)基板(I)的介電常數(shù)為2至20。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于所述第一縫隙與第二縫隙、第二縫隙與第三縫隙的間距均小于4mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，其特征在于所述第一、第二、第三縫隙覆蓋區(qū)域與多邊形輻射貼片覆蓋區(qū)域相對應(yīng)；其中多邊形輻射貼片的頂端超出第一縫隙的上沿2. 5mm ;多邊形輻射貼片的底端不超出第三縫隙的下沿。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有低交叉極化特性的寬帶背腔式多縫隙微帶天線，在介質(zhì)基板的屏蔽導(dǎo)體上蝕刻三個縫隙，在介質(zhì)基板的另一面制作微帶饋線和多邊形輻射貼片，引入具有一定高度且與屏蔽導(dǎo)體相連接的非全封閉金屬背腔，使天線具有定向輻射特性。多邊形輻射貼片的位置、面積，縫隙的位置、數(shù)量、面積，以及腔體的高度均影響著天線的性能，通過改變這些結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到性能較好的超寬帶定向天線。本發(fā)明所確定的天線結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)寬帶背腔式單縫隙微帶天線結(jié)構(gòu)相比，可以提高天線的交叉極化性能。
文檔編號H01Q9/04GK103022702SQ20121056713
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者呂文俊, 劉艷明, 楊敬宇, 朱洪波 申請人:南京郵電大學(xué)