本发明涉及一种第五带移动通信领域无线通信设备的天线技术,尤其涉及一种共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线。
背景技术:
作为面向未来2020年之后移动通信需求应运而生的新一代移动通信,第五代移动通信在第四代移动通信基础上引入新的无限传输技术和体系结构,挖掘新的频率资源,使得包括第五代移动通信在内的未来无线移动网络业务能力将在三个维度上得以提升。较第四代移动通信,无论是容量,传输速率,还是可接入性和可靠性方面,都具有明显优势,实现真正意义上的融合性网络。因此,第五代移动通信掀起了国内外移动通信领域内的研究热潮,成为我国信息技术与产业未来发展最为重要的任务之一。
作为发射和接收电磁波信号的天线,其工作频率范围也会影响移动通信网络覆盖和服务质量。国家无线电监测中心和全国移动通信系统协会于2014公布的《450mhz‐5ghz关注频段频谱资源评估报告》中的结果表明,我国在5ghhz以下的相关频率段,尤其在1.3ghz‐1.4ghz,1.4ghz‐1.427ghz,1.427ghz‐1.527ghz等频率段,其使用率都很低,侧面反映出这些频率段的利用率具有较大的提升空间。如何提高天线相关频段使用率也是第五代移动通信所要解决的问题。为解决此类问题的方法之一就是拓宽天线工作频率,以达到实际占用频谱较少,从而有效提高移动通信无线电电波的频谱利用率;此外,天线带宽的宽度也是影响数据传输速率和容量的重要因素之一。
第五代移动通信在传输速率方面,将在以100mbps的第四代移动通信典型用户之上,提升10到100倍;在容量方面,将高于第四代移动通信实现单位面积移动数据流量1000倍。实现容量和传输速率增加最直接的方法就是增加带宽。发展宽带天线能够提高第五代移动通信的容量和数据传输率,此外,处于较低频段的带宽天线拥有传输距离长,穿透和绕射能力好,不易受气候环境影响等优点,在有效利用5ghz以下的相关频率段的同时,扩大移动通信网络覆盖面积。因此,研发5ghz较低频段的宽带天线也将促进第五代移动通信的发展。
技术实现要素:
:
本发明的目的在于为第五代移动通信提供一种共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线,该共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线方形金属环的外边沿与金属地板上的方形开槽内边沿之间形成缝隙,实现阻抗匹配与电磁波辐射;此外,方形缝隙天线本身低剖面的特点使得天线具有结构独特紧凑,有利于平面印刷加工和商业化应用等特点。
本发明的目的通过如下技术方案实现:一种共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线,应用于第五代移动通信领域的共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线,包括共面波导传输线,方形金属环,金属地板上的方形开槽,匹配阻抗结构和介质基板。其中,共面波导传输线,方形环天线,地板的方形开槽以及阻抗匹配结构都位于介质基板的顶面,介质基板的底面无需附着任何金属。
所述的共面波导传输线,包括中心长方形铜皮和中心铜皮两侧的金属地板铜皮。中心长方形铜皮与中心铜皮两侧的金属地板铜皮之间的距离相等;中心长方形铜皮的一端用于连接射频电路,另一端与方形金属环的一条金属边形成t形接点,t形接点位于方形金属环的一条金属边的中心点处;共面波导传输线两侧金属地板铜皮与金属地板的其余铜皮相接;金属地板上进行开孔留出一个方形开槽;该方形开槽以权利要求2中所述的中心延长线为对称轴,方形槽与对称轴平行的两条边与对称轴距离相等,方形槽的另两条边与对称轴垂直;金属地板不与天线中的其他金属结构连接;
所述的方形金属环,是由两条宽度不同的金属长条和两条宽度相同的金属长条连接构成;其中两条宽度相同的金属长条相互平行且与权利要求2中所述对称轴平行;两条宽度不同的金属长条相互平行并于权利要求2中所述对称轴垂直;方形金属环的四条金属长条的外边沿与权利要求2中所述金属地板上的方向开槽内边沿之间有一定距离;方形金属环的两条较窄金属长条与地板上的方形开槽之间的距离相同;与共面波导传输线连接形成t形连接的方形金属环的一条金属长条与金属地板上的方形开槽之间的距离较小;方形金属环的另一条金属长条与金属地板上的方形开槽之间的距离较大;方形金属环的外边沿与地板上的方形开槽内边沿之间形成缝隙,在天线工作时起到阻抗匹配和辐射作用;
所述的阻抗匹配结构,包括两条长度相同,宽度也相同的金属铜皮与权利2中所述对称轴相平行。所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮位于方形金属环内边沿所形成的方形开孔中;所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮的一端与方形金属环的一条与对称轴垂直的金属长条垂直相接,所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮的另一端与方形金属环的另一条与对称轴垂直的且与共面波导传输线形成t形连接的金属长条之间具有相同距离;所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮与金属环中与权利要求2所述对称轴相平行的金属长条互相平行;所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮与权力要求2中所述对称轴的距离相等。
本发明所述天线可作为第五带移动通信领域无线通信设备的天线,通过共面波导馈电传输线为方形金属环进行馈电,提高传输线的传输性能;并通过方形金属环与地板方形开槽之间的缝隙进行辐射且介质基板底面无需附着任何金属;此外,共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线附着的介质基板的相对介质常数相对较小。整个介质基板上的金属铜皮结构以共面波导传输线中心线延长线为对称轴,天线结构以该对称轴成对称结构。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和技术效果:
(1)上述共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线,通过方形金属环与地板方形开槽之间的缝隙进行辐射,拓宽了其工作频率范围,使得天线的频带变宽,可以减少实际应用时所需天线的数目。
(2)上述共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线,使用相对介质常数较小的介质基板,介质基板及其附着的铜皮即为天线的整体高度,因此天线具有较低剖面。
(3)上述共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线,用于信号传输采用的是共面波导传输线,而且共面波导传输线,方形金属环、金属地板上的方形开槽,阻抗匹配结构共同处于介质基板的顶面,使得天线整体结构紧凑,便于印刷加工,节省制造时间。
附图说明
图1为共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线俯视结构示意图。
图2为共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线横截面结构示意图。
图3为共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线回波损耗频响曲线。
图4为共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线的的频率增益曲线。
图5(a)为1ghz的e-平面辐射方向性图。
图5(b)为1ghz的h-平面辐射方向性图。
图5(c)为1.8ghz的e-平面辐射方向性图。
图5(d)为1.8ghz的h-平面辐射方向性图。
图5(e)为2.4ghz的e-平面辐射方向性图。
图5(f)为2.4ghz的h-平面辐射方向性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明,但本发明的实施和保护不局限于此。
实施例
如图1和图2所示,可作为第五带移动通信领域无线通信设备的宽带方形缝隙天线,通过共面波导传输线为方形金属环馈电,并通过方形金属环与地板方形开槽之间的缝隙进行辐射。共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线包括共面波导传输线,方形金属环,金属地板上的方形开槽,阻抗匹配结构和介质基板。其中,共面波导传输线是由中心长方形铜皮1,中心铜皮两侧的金属地板铜皮8来传输信号;方形金属环是由两条宽度不同的金属长条2,4和两条宽度相同的金属长条3,5构成;构成阻抗匹配结构包括金属铜皮6和金属铜皮7,作为天线的阻抗匹配;介质基板则是相对介质常数较小的基板9。
作为共面波导传输线,包括中心长方形铜皮1和中心铜皮两侧的金属地板铜皮8。中心长方形铜皮1与中心铜皮两侧的金属地板铜皮8之间的距离相等;中心长方形铜皮1的一端用于连接射频电路,另一端与方形金属环的一条金属边2形成t形接点,t形接点位于方形金属环的一条金属边2的中心点处;共面波导传输线两侧金属地板铜皮8与金属地板的其余铜皮相接;金属地板上进行开孔留出一个方形开槽;该方形开槽以权利要求2中所述的中心延长线为对称轴,方形槽与对称轴平行的两条边与对称轴距离相等,方形槽的另两条边与对称轴垂直;金属地板8不与天线中的其他金属结构连接;
上述方形金属环,是由两条宽度不同的金属长条2,4和两条宽度相同的金属长条3,5连接构成;其中两条宽度相同的金属长条3,5相互平行且与权利要求2中所述对称轴平行;两条宽度不同的金属长条2,4相互平行并于权利要求2中所述对称轴垂直;方形金属环的四条金属长条2,3,4,5的外边沿与权利要求2中所述金属地板上的方向开槽内边沿之间有一定距离;方形金属环的两条较窄金属长条3,5与地板上的方形开槽之间的距离相同;与共面波导传输线连接形成t形连接的方形金属环的一条金属长条2与金属地板上的方形开槽之间的距离较小;方形金属环的另一条金属长条4与金属地板上的方形开槽之间的距离较大;方形金属环的外边沿与地板上的方形开槽内边沿之间形成缝隙10,在天线工作时起到阻抗匹配和辐射作用;
上述阻抗匹配结构,包括两条长度相同,宽度也相同的金属铜皮6,7与权利2中所述对称轴相平行。所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮6,7位于方形金属环内边沿所形成的方形开孔11中;所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮6,7的一端与方形金属环的一条与对称轴垂直的金属长条4垂直相接,所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮6,7的另一端与方形金属环的另一条与对称轴垂直的且与共面波导传输线形成t形连接的金属长条2之间具有相同距离;所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮6,7与金属环中与权利要求2所述对称轴相平行的金属长条3,5互相平行;所述阻抗匹配结构的两条长度相同、宽度也相同的金属铜皮6,7与权力要求2中所述对称轴的距离相等;
上述介质基板9具有较低的相对介质常数,介质基板9顶面附着有中心长方形铜皮1和中心铜皮两侧的金属地板铜皮8构成的共面波导传输线,金属铜皮2,3,4,5构成的方形金属环以及构成阻抗匹配结构的金属铜皮6,7。而介质基板9的底面无需附着任何金属。
介质基板9的垂直厚度为0.8mm,长度为180mm,宽度为140mm,相对介质常数为2.55。位于介质基板9顶面的中心长方形铜皮1的长度为21mm,宽度为11mm,中心长方形铜皮1的较长两边与中心铜皮两侧的金属地板铜皮8相距0.3mm缝隙。构成方形金属环的两条宽度不同的金属长条2,4的宽度分别为为10.4mm、10mm,长度均为79mm;构成方形金属环的两条宽度相同的金属长条3,5均为1mm,长度均为54.6mm的金属铜皮3,5相连接。中心长方形铜皮1与金属铜皮2之间是由长度为11mm,宽度为3mm的铜皮连接线连接。与共面波导传输线连接形成t形连接的方形金属环的一条金属长条2与金属地板上的方形开槽之间的距离较小,相距3mm缝隙,而方形金属环的另一条金属长条4与金属地板上的方形开槽之间的距离较大,相距10mm缝隙;方形金属环的两条较窄金属长条3,5与地板上的方形开槽之间的距离相同,相距8mm缝隙。位于方形金属环内边沿所形成的方形开孔11且构成阻抗匹配结构的金属铜皮6,7,其长度均为50mm,宽度均为3mm,金属铜皮6,7之间相距5mm。
采用实施例证中的各个参数所得的结果如图3、图4、图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)、图5(e)和图5(f)所示:
根据图3所仿真出的共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线的回波损耗频响曲线可知,在频率大约为0.9241-2.6095ghz之间,天线的回波损耗均处于-10db以下,频宽为1.6854ghz,相对带宽约为95.4%,表现出本发明天线可以在频带较宽的频率段内正常工作。
如图4所示,为共面波导馈电的方形缝隙超宽带天线的的频率增益曲线,根据仿真得到的曲线图像可知,在频率为1.0g-2.6ghz之间,天线的增益均大于3.75db,其中,在频率为1.15ghz,2.15ghz,2.55ghz附近的增益相对较高,满足第五代移动通信领域内部分工作频率要求,且在这段频率范围内具有较好的性能。
考虑到天线在第五代移动通信领域内较为广泛应用的频率点,图5展示的是在频率为1ghz,1.8ghz,2.4ghz下的方向图。由于宽带方形缝隙天线的极化方式为线极化,因此对应的图4的曲线分别为e面主极化和交叉极化,h面主极化和交叉极化。由图4图像可知,e面主极化方向图主要呈“8”字形状,具有一定的方向性,且随着频率的增加图像无较大的变动,交叉极化随着频率的增加逐渐增大,变动不大。由图4图像可知,h面主极化方向图主要呈“o”字形状,没有明显的方向性,且随着频率的增加没有出现畸变,在0°-360°的辐射都较好,但交叉极化较大,且随着频率的增加逐渐增大,变动较大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。