一種基于人工磁導體結構的寬帶低剖面雙極化全向天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于天線工程技術領域，具體涉及一種可用于微型移動通信系統室內通信覆蓋的寬帶低剖面雙極化全向天線。
【背景技術】
[0002]隨著新一代移動通信的發展，微基站由于具有一體化、小型化、低成本、安裝維護方便等優點而備受關注。設計微基站天線的難點之一在于在滿足天線性能同時要求盡可能的降低天線的剖面高度、尺寸和成本。在城市以及室內通信中，通常除了要求微基站天線具有雙極化、寬頻帶、低剖面等特點外，為了實現360度均勻全覆蓋，安裝在室內屋頂的微基站天線，還要求具有水平全向方向圖的特性，以實現室內信號覆蓋。隨著4G通信的發展，天線帶寬需要覆蓋LTE的1710-2690MHZ頻帶，天線相對帶寬達到45%。為了實現極化分集，要求天線能同時實現垂直極化和水平極化。
[0003]通常垂直極化全向天線都比較容易實現，比如單錐子、雙錐天線等。J.-F.Ziircher等人在 IEEE Trans.Antennas Propag (vo 1.62, n0.4, pp.1888-1894,April.2014)上發表的題為“A Novel ,Low-Profile,Vertically-Polarized UWB Antenna for WBAN” 中介紹了一種低剖面超寬帶單極子天線結構，該天線通過單錐子上面放置一個十字形的貼片加載，十字形貼片通過四根短路探針接地，從而有效的降低天線剖面高度，該天線在3.06-12GHZ頻段內實現Sll〈-10dB。相比垂直極化全向天線，水平極化天線的實現，相對而言比較困難，基本都要通過組陣的形式形成電流環來實現，這種天線帶寬一般很窄，不超過10% 1.Wei等人在IEEE Antennas Wireless Propag(vol.11，pp.49-52，2012.)發表的 “Design of awideband horizontally polarized omnidirect1nal printed loop antenna，，文章中，通過周期性的電容加載，實現了 31%的帶寬。
[0004]將單極子天線和環天線結合在一起可以實現雙極化全向天線，考慮到在實際移動通信應用中，微基站室內天線為吸頂式安裝，且一般需要與饋電/控制電路集成，因此在天線工作環境中應該考慮到金屬大地板的影響。在全向雙極化設計中，一方面，考慮到大地板的影響，水平極化天線與地板距離約為低頻波長的四分之一;另一方面，垂直天線與水平天線間的耦合，這兩者均導致天線剖面高度難以降低。例如李榮林發表在IEEETrans.Antennas Propag.(vol.61，pp.943-947 ,Feb.2013.)上的 “A broadband dual-polarized omnidirect1nal antenna for base stat1ns，，中，將一個單極子天線和一個環天線縱向疊加于地板兩側形成一個雙極化天線，并進行組陣。這種疊層方式明顯增加了天線的高度。陳志彰發表在Wireless Symposium(pp.1_4，2014.)上的 “A Novel BroadbandOmnidirect1nal Dual Polarized MIMO Antenna for 4G LTE Applicat1ns”文章中，將單極子天線與水平極化天線縱向疊加于地板同一側，剖面高度約為107mm，顯然難以滿足新一代微基站天線低剖面要求。申請號為201010504764.6的專利申請所公開的技術方案中，基于小反射板的工作環境，將垂直極化天線與水平極化天線單元垂直疊層擺放于一側來實現全向雙極化天線。在申請號為201410027371.9的專利申請中，同樣通過將垂直極化天線與水平極化天線簡單的垂直疊層擺放實現雙極化。以上公開的天線技術與成果均以犧牲天線的剖面高度為代價來保證天線性能，通過增大水平天線與反射板間距以及水平天線與垂直天線單元間的間隔來減小反射板對水平天線的影響以及兩副天線間的耦合，并通過兩副天線的簡單疊加實現雙極化。而微基站天線的實際工程應用，要求所設計的全向雙極化天線在保證天線工作性能(帶寬、不圓度、效率等)的前提下，實現較低的剖面高度。
【發明內容】
[0005]本發明的發明目的在于:針對現有技術中考慮到大金屬地板的影響后，雙極化全向天線剖面高、帶寬不足的問題，進而提出了一種基于人工磁導體結構(AMC)的寬帶低剖面雙極化全向天線。
[0006]本發明的一種基于人工磁導體結構的寬帶低剖面雙極化全向天線，包括水平極化環天線、人工磁導體反射板結構(AMC)、垂直極化單極子天線；
[0007]其中，水平極化環天線包括第一介質板，設置于第一介質板I上下表面的多個旋轉對稱的偶極子及偶極子饋電結構，即將每個偶極子的兩個偶極子臂分別印刷在第一介質板的上下表面，設置于第一介質板下表面的第一偶極子臂、上表面的第二偶極子臂，一個偶極子的兩個偶極子臂關于第一介質板旋轉對稱，且同一表面的偶極子臂位于同一圓周上，上下表面的偶極子饋電結構關于第一介質板對稱設置；
[0008]位于第一介質板下表面的人工磁導體結構包括上表面設置有周期性貼片單元的第二介質板、金屬地板，以及第二介質板的下表面與金屬地板的上表面間的空氣層；
[0009]位于第二介質板與金屬地板之間的垂直極化天線包括第三介質板、設置于第三介質板上表面的貼片，該貼片通過短路柱與金屬地板連接，與貼片連接的饋電探針，包裹饋電探針的金屬圓錐體緊貼第三介質板的下表面且與金屬地板的上表面存在間隙，與金屬地板連接的饋電同軸外導體；
[0010]水平極化環天線與垂直極化天線垂直放置，且水平極化環天線的饋電同軸線通過位于第二介質板的通孔、垂直極化天線的通孔和金屬地板的通孔在金屬地板的下表面進行饋電，其中垂直極化天線的通孔貫穿第三介質板上表面的貼片、第三介質板、金屬圓錐體。
[0011]本發明通過引入人工磁導體(AMC)反射板結構，合理利用人工磁導體(AMC)結構的相位反射特性以及全反射特性，有效的降低了天線的剖面高度同時減小兩副天線間的互耦。通過將水平極化環天線與垂直極化天線垂直放置，保證了垂直與水平兩種極化天線方向圖的不圓度。通過垂直極化天線(單極化天線)的通孔，可以實現從金屬地板下表面引線對環天線饋電。
[0012]進一步的，為了拓展水平極化天線的阻抗帶寬、同時提高方向的交叉極化比，引入錐形饋電巴倫作為第一介質板的各偶極子的饋電結構。即各偶極子由錐形饋電巴倫通過阻抗漸變微帶線進行饋電。
[0013]為了拓展天線的帶寬，可在第一介質板的上表面設置多個位于同一圓周上的弧形寄生單元，第一介質板上表面的每個偶極子分別對應一對弧形寄生單元，且弧形寄生單元所在的圓周半徑大于第二偶極子臂所在的圓周半徑。另外，為了改善環天線在方位面的增益不圓度，可在第一介質板的上表面設置多個位于同一圓周上的弧形引向器，弧形引向器的個數與弧形引向器的個數相同，且弧形引向器所在的圓周半徑大于弧形寄生單元所在的圓周半徑。
[0014]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:在保證全向雙極化寬帶化、高不圓度工作的同時，有效降低了全向雙極化天線的剖面高度，更符合實際室內通信環境中的工程應用。
【附圖說明】
[0015]圖1是實施例1中所涉及的一種基于人工磁導體(AMC)反射板結構的寬帶低剖面雙極化全向天線三維結構正視圖；
[0016]圖2是印刷在圖1所示的第一介質板上的水平極化天線俯視結構圖；
[0017]圖3是印刷在圖1所示的第二介質板上的周期貼片結構圖；
[0018]圖4是實施例1的垂直極化天線與金屬地板的結構圖；
[0019]圖5是實施例1中，人工磁導體(AMC)反射板結構與獨立的金屬地板的反射相位特性對比不意圖；
[0020]圖6是實施例1中，人工磁導體(AMC)反射板結構的回波損耗示意圖；
[0021]圖7是圖1所示的雙極化全向天線兩個端口回波損耗以及端口間隔離度仿真結果示意圖；
[0022]圖8是圖1所示的雙極化全向天線的垂直極化天線(下層單極子天線)在俯仰面以及方位面的主極化和交叉極化仿真結果示意圖；
[0023]圖9是圖1所示的雙極化全向天線的水平極化天線(環天線)在俯仰面以及方位面的主極化和交叉極化仿真結果示意圖；
[0024]圖10是圖1所示的雙極化全向天線垂直極化天線與水平極化天線的天線輻射效率仿真結果對比示意圖；
[0025]其中，I一一第一介質板，2—一第二介質板、3—一金屬地板、4一一第一支撐件、5一一第二支撐件、6一一短路柱、7一一饋電探針、8一一金屬圓錐體、9一一垂直極化天線的饋電同軸外導體、10——水平極化天線的饋電同軸外導體、11——第三介質板、12——垂直極化天線的通孔、13—一寄生單元、14一一第一偶極子臂、15—一第二偶極子臂、16—一引向器、17—一第一介質板上表面的錐形饋電巴倫、18—一阻抗漸變微帶線、19一一第一介質板的通孔、20—一第一介質板下表面的錐形饋電巴倫、21—一第二介質板的第一通孔、
22--第二介質板上表面的貼片、23--第二介質板中心的通孔、24--第二介質板的第二通孔、25 第二介質板上表面的貼片、26 金屬地板的通孔。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合實施方式和附圖，對本發明作進一步地詳細描述。
[0027]實施例1
[0028]參見圖1?圖4，本發明的寬帶低剖面雙極化全向天線包括:第一介質板I和第二介質板2以及金屬地板3，為了使其固定，便于使用，采用第一支撐件4、第二支撐件5對其進行支撐。本實施例中第一支撐件4、第二支撐件5均采用塑料螺釘，其中第一支撐件4通過通孔19、通孔24后與金屬地板3連接，第二支撐件5通過通孔21與金屬地板3連接。第一介質板I采用圓形的FR4介質板，其厚度設置為1.6mm，第二介質板2的尺寸設置為185_ X 185_ X 2mm，金屬地板3尺寸為200mm X 200mm X 2mm，雙極化全向天線的整體尺寸設置為200mm X 200mm X30.6mmο
[0029]構成垂直極化天線(單極子天線)的第三介質板采用厚度為1.0mm的FR4介質板。單極子天線的中心位置的加載貼片25采用圓形，且印制在第三介質板11的上表面，單極子天線的饋電同軸外導體9和金屬地板3相連接，內導體--饋電探針7直接和單極子天線中心位置加載的貼片25連接，在饋電探針7的外面包裹著一個實心的金屬圓錐體8，金屬圓錐體8緊挨著第三介質板11的下表面，本實施例中，金屬圓錐體8與第三介質板11采用集成圓錐體的介質板的結構實現。饋電探