CN116666974B - 一种双馈电极化可变换超宽带微带振子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，包括呈中心对称正负45度布置在辐射层介质板板面上的四个贴片天线以及设置背面的附铜。两个对角分布的贴片天线分成一组，四个贴片天线分成两个呈正交布置的贴片组，形成两个正交天线极化方向。贴片天线包括相连的馈电部和辐射部。辐射部是由方形的片状体通过相对的两个对角通过弧形切边后所形成的扇形形状，设置有多级圆弧过渡部，中间设置有圆孔。贴片组两个贴片天线通过馈电部分别连接同轴馈电线的内外导体。本发明通过扇形形状的贴片天线提高天线的工作带宽，使得天线具有2.4倍频的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及宽带极化天线。
背景技术
在无线电波传播过程中，天线占有至关重要的地位。近年来，随着无线通信技术飞速发展和不断成熟，移动网络的通信带宽日渐变大，天线设计时需考虑更宽的频率覆盖范围。比如在多频带通信系统中，由于单体天线无法满足其多频带通信的要求，通常需要安装多副天线适配多频带的通信，此种情形，不仅占用空间多，安装成本高，并且天线之间存在电磁干扰降低了通信效率。由此带来了超宽带天线的需求。比如在上述的多频带通信系统中，若采用一副超宽带天线即可覆盖其多频带通信的要求，将大大减少占用空间和降低安装成本，并且也能减少天线之间的电磁干扰。
另一方面，由于电磁信号环境变得日益复杂，多径衰落和阴影衰落等快衰落问题日益突出，由此带来了天线的抗干扰要求。极化天线其极化的隔离特性能够极大地提高抗干扰性能。在天线探测和电子对抗等领域中，通过分析极化天线的极化分量能够探测更多的来波信号信息。在通信系统中，极化天线的极化分量还可以提高通信的保密性和可靠性，极化可变还可以减小终端设备极化形式不确定所带来的影响。
专利文献CN 116169466 A公开了一种超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列。根据其所公开的文献内容。该天线阵列具有0.34~17GHz的工作范围。但由于其为天线阵列，体积过于庞大，不利于现有通信设备小型化的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题：设计一种超宽带的极化天线。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
一种双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，包括呈中心对称正负45度布置在辐射层介质板板面上的四个贴片天线；两个对角分布的贴片天线分成一组，四个贴片天线分成两个呈正交布置的贴片组；贴片天线包括相连的馈电部和辐射部；其中，馈电部位于贴片天线朝向四个贴片天线中心的一端；两个贴片组分别各自连接一根同轴馈电线；同轴馈电线的内外导体分别通过贴片天线的馈电部连接贴片组的两个贴片天线；贴片天线的辐射部是由方形的片状体通过相对的两个对角通过弧形切边后所形成的扇形形状，辐射部的边缘包括两个相对的弧形部、位于辐射部内侧端连接馈电部的45度角切边形成的第一直线部、位于内侧两端分别连接弧形部和第一直线部的相互垂直的两个第二直线部、位于外侧连接弧形部并相互垂直相交的第三直线部；其中，第二直线部上设置有多级圆弧过渡部；多级圆弧过渡部由若干个波浪形的边缘曲线构成；贴片天线中间设置有圆孔。
进一步，第二直线部与相对的第三直线部的距离L为20.0~28.0mm；相邻两个贴片天线的间隙D为1.5~4.0mm；圆孔的直径D为8.0~15.0mm；弧形部的弧度半径R为8.0~14.0mm。
进一步，辐射层介质板在贴片天线所贴面的背面中心还贴敷有第一附铜，第一附铜为方形的片状体，四角朝向相邻贴片天线之间的间隙。
进一步，辐射层介质板在贴片天线所贴面的背面的四边还贴敷有第二附铜；第二附铜为梯形的片状体，长边朝向四个贴片天线的外侧，短边朝向四个贴片天线的中心，腰边与两个相邻贴片天线的边缘对齐。
进一步，辐射层介质板的介电常数为2.00~3.00，厚度为0.500~1.000mm。
进一步，还包括底座；底座上设置有反射地层；辐射层介质板通过竖直设置的两根立柱和两根同轴馈电线支撑在底座的上方，使得辐射层介质板悬浮在反射地层之上，并与反射地层相平行。
进一步，立柱由导电材质制成；立柱和同轴馈电线位于四个贴片天线的中心，穿过辐射层介质板后通过馈电部连接贴片天线。立柱通过和同轴馈电线之间设置的横向导体连接同轴馈电线的外导体或内导体；所连接的同轴馈电线的内导体或外导体连接立柱所连贴片天线相对贴片天线的馈电部。
进一步，横向导体包括设置在辐射层介质板之上的第一横向导体和第二横向导体；第一横向导体和第二横向导体呈十字交叉，相互之间留有间隙，由同轴馈电线的内导体顶部和立柱的顶部支撑，并连接所支撑的同轴馈电线的内导体和立柱；同轴馈电线的外导体通过馈电部连接贴片天线。
进一步，横向导体设置在辐射层介质板下方，连接同轴馈电线的外导体，使得立柱通过横向导体连接同轴馈电线的外导体；同轴馈电线的内导体穿过辐射层介质板后，通过馈电部连接贴片天线。
进一步，辐射层介质板相对于反射地层之间的距离为2~8cm。
本发明的技术效果如下：
通过扇形形状的贴片天线提高天线的工作带宽，具有 2.4倍频的工作带宽。
通过贴片天线中间开设圆孔，使得辐射电场分布更为均匀。
通过在辐射层介质板的背面设置附铜，通过附铜引流，增加天线对称性。
附图说明
图1是本发明实施例辐射层介质板上贴片天线、附铜的相对布局示例图。
图2是本发明实施例整体结构示例图。
图3是本发明实施例贴片天线顶视图下的连接结构示意图。
图4是本发明实施例贴片天线扇形结构的说明示意图。
图5是本发明实施例附铜、立柱和同轴馈电线之间的位置关系图。
图6和图7是两种实施方式下贴片天线和同轴馈电线的连接示意图。
图8是本发明实施例测得的天线驻波系数图。
上述各图中，1是辐射层介质板，2是贴片天线，100为第一贴片天线组，101和102分别为第一贴片组的两个贴片天线，200为第二贴片组，201和202为第二贴片组的两个贴片天线；21为馈电部，22为辐射部，221为弧形部，222为第一直线部，223为第二直线部，224为第三直线部，225为外侧端，23为多级圆弧过渡部，24是圆孔；31为第一附铜，32为第二附铜，301、302、303和304分别为四个第二附铜；4为横向导体，401和402分别为第一横向导体和第二横向导体；51为同轴馈电线，511为内导体，512为外导体，52为立柱，59为环形阻焊层；8为反射地层，9为底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1和图2示例了一种双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，包括底座9和设置在底座9上的辐射层介质板1。其中，辐射层介质板1通过两根同轴馈电线51和两根立柱52设置在底座9上。底座9上设置有反射地层8。辐射层介质板1与反射地层8相平行，并且其顶面上设置有贴片天线2，背面上设置有附铜。附铜包括第一附铜31和四片第二附铜32。
参照图3和图5，辐射层介质板1用于设置附铜的面和用于设置贴片天线2的面是两个相对的面。其中，设置贴片天线2的面位于上方，通常称为正面；设置附铜的面位于下方，通常称为背面或底面。一般而言，背面通常为相对的说法。具体来说，设置贴片天线2的背面为设置附铜的面，设置附铜的面的背面为贴敷贴片天线2的面。
辐射层介质板1上设置的贴片天线2有四个。四个贴片天线2呈中心对称正负45度布置在辐射层介质板1板面上。两个对角分布的贴片天线2分成一组，四个贴片天线2分成两组：第一贴片组100和第二贴片组200。第一贴片组100的两个贴片天线分别为第一贴片天线101和第二贴片天线102分别位于正45度角方向和负135度角方向。第二贴片组200的第一贴片天线201和第二贴片天线202分别位于负45度角方向和正135度角方向。由此两个贴片组呈正负45度正交布置：第一贴片组100设置在正45度角方向，第二贴片组200设置在负45度角方向。两个贴片组分别形成了天线辐射的两个极化方向。正交布置的两个贴片组使得两个极化方向正交。
参照图4，贴片天线2包括相连的馈电部21和辐射部22。其中，馈电部21位于贴片天线2朝向四个贴片天线2中心的一端，设有连接孔。辐射部22是由方形的片状体通过相对的两个对角通过弧形切边后所形成的扇形形状，并以经过四个贴片天线2中心的经向线为中心线C呈左右对称，其边缘包括第一直线部222、第二直线部223、弧形部221、第三直线部224和外侧端225。其中，外侧端225位于中心线C上，两段第一直线部222、第二直线部223、弧形部221和第三直线部224以中心线C对称，并由朝向四个贴片天线2中心的内侧端至朝向外侧的外侧端225按顺序依次相连。第一直线部222连接馈电部21，由位于辐射部22内侧端45度角切边形成，与第二直线部223相连。弧形部221通过对角通过弧形切边形成，两端分别连接第二直线部223和第三直线部224。第三直线部224位于外侧，一端连接弧形部221，另一端与其对称的第三直线部224相交于外侧端225，并与对称的第三直线部224相垂直。第二直线部223位于内侧，两端分别连接弧形部221和第一直线部222。两条对称的第二直线部223相垂直。第二直线部223上设置有多级圆弧过渡部23；多级圆弧过渡部23由若干个波浪形的边缘曲线构成。贴片天线2中间设置有圆孔24。第二直线部223上设置的多级圆弧过渡部23能够拓宽天线的工作带宽。贴片天线2中间设置的圆孔24能够使得辐射电流分布更为均匀。
辐射层介质板1背面设置的附铜与贴片天线2相匹配。附铜的设置能够对辐射层介质板1正面的贴片天线2上的电流起到引向作用，使得贴片天线2所产生的电场更为均匀，天线方向图轴对称更为稳定。附铜，由铜片制成，包括第一附铜31和第二附铜32。其中，第一附铜31，为方形的片状体，位于中心，与正面的四个贴片天线2的中心部相对应。更为具体来说，参照图1，第一附铜31的四边分别与贴片天线2的第一直线部222齐平，四角分别朝向相邻贴片天线2之间的间隙。第二附铜32有四个，分别为第二附铜301、302、303和304，分别位于辐射层介质板1在贴敷贴片天线2的面的背面四边。第二附铜32为梯形的片状体，长边朝向四个贴片天线的外侧，短边朝向四个贴片天线的中心，腰边与两个相邻贴片天线2的边缘对齐，相邻两个贴片天线的中心线垂直于第二附铜长边和短边。
两个贴片组分别各自连接一根同轴馈电线51。具体来说，第一贴片组100连接一根同轴馈电线51，第二贴片组200连接另一根同轴馈电线52。贴片组连接同轴馈电线51时，同轴馈电线51的内外导体分别通过贴片天线2的馈电部21连接贴片组的两个贴片天线2。比如第一贴片组100的第一贴片天线101连接同轴馈电线51的内导体，第二贴片天线102连接该同轴馈电线51的外导体，或者第一贴片组100的第一贴片天线101连接同轴馈电线51的外导体，第二贴片天线102连接该同轴馈电线51的内导体。
本实施例中，立柱52由导电材质制成，比如铝或铜等金属制成。同轴馈电线51连接贴片组的两个贴片天线时通过立柱52辅助进行。具体来说，参照图3和图6，辐射层介质板1正面上方架设有横向导体4。横向导体4两端分别架设在一根同轴馈电线51的内导体511的顶端和立柱52的顶端，并分别连接同轴馈电线51的内导体511和立柱52。立柱52穿过第一附铜31和辐射层介质板1后通过馈电部21连接贴片天线2。同轴馈电线51穿过第一附铜31和辐射层介质板1后，其外导体512通过馈电部21连接贴片天线2，内导体511架空连接横向导体4。由此，该同轴馈电线51的内导体511连接贴片组的一个贴片天线2，外导体512经横向导体4和立柱52连接贴片组的另一个贴片天线2。两个贴片组分别对应两个横向导体4，两个贴片组所对应的横向导体4相互呈十字交叉，并且相互之间留有间隙。比如图3所示例的第一横向导体401和第二横向导体402中，第一横向导体401连接第一贴片组100的贴片天线101和102，第二横向导体402连接第二贴组200的贴片天线201和202。第一横向导体401和第二横向导体402相互呈十字交叉，并且相互之间留有间隙。
图7所示例了另一可选的实施方式。在该实施方式中，同轴馈电线51的外导体512通过辐射层介质板1下方设置的横向导体4连接立柱52，立柱52穿过第一附铜31和辐射层介质板1后连接馈电部21。该同轴馈电线51的内导体511则穿过第一附铜31和辐射层介质板1后直接连接贴片组另一贴片天线2的馈电部21。
同轴馈电线51和立柱52穿过第一附铜31和辐射层介质板1经过第一附铜31和辐射层介质板1所设置的穿孔。尤其穿过第一附铜31所设置的圆孔时，同轴馈电线51或立柱52与第一附铜31之间设置有环形阻焊层59，从而使得同轴馈电线51或立柱52和第一附铜31之间保持相互绝缘而避免同轴馈电线51或立柱52连接第一附铜31。
本实施例中，立柱52和同轴馈电线51除了用于连接贴片天线2之外，还用于支撑辐射层介质板1。两根立柱52和两根同轴馈电线51连接于辐射层介质板1和底座9的中心，使得辐射层介质板1呈现为悬浮的方式悬浮在反射地层8之上。
本实施例中，各部件的尺寸参数如下：贴片天线2的长，也就是第二直线部223与相对的第三直线部224的距离L为24.8mm；相邻两个贴片天线2的间隙D为2.6mm；相背的两个贴片天线2的馈电部21之间的间隙W为3.6mm；弧形部221的弧度半径R1为10.8mm；圆孔24的直径D2为12.0mm；贴片天线2的厚度H1为300μm；辐射层介质板1的边长为57mm，介电常数为2.55，损耗角正切0.0015，厚度H2为0.762mm；第一附铜的边长为11.2mm；辐射层介质板1与反射地层8之间的距离H为40.0mm 。
图8显示了本实施例测试后得到的天线驻波比。其中，VSWR1和VSWR2分别表示两个贴片组的驻波比曲线。由该图可以看出，当天线工作频率位于1.5~3.6GHz之间时，两个贴片组的驻波比都小于2.0，并且大都小于1.6，平均为1.4左右，满足天线发射信号驻波比要求小于2.0的一般要求。这也说明本实施例具有1.5~3.6GHz的超宽工作频率，相当于2.4倍的超宽工作频率。
需要指出的是，本实施例中，立柱52采用金属导体，除了起到支撑辐射层介质板1，还用于连接贴片天线而作为馈线。本领域技术人员理解，立柱52也可以采用其他绝缘材料制成，比如聚四氟乙烯等，此时贴片天线的贴片组与同轴馈电线51之间的连接可以采用其他方式进行。比如同轴馈电线51的外导体直接连接一个贴片天线2，内导体则通过架空的导线连接另一贴片天线2。
另一方面，本实施例中，底座9由绝缘材料制成，反射地层8是铺设在绝缘底座上的金属板体。在另一可选的实施方式下，底座9也可以整体由金属制成而作为反射地层8，底座9上通过绝缘支架设置立柱52和同轴同轴馈电线51支撑辐射层介质板1。
此外，本领域技术人员理解，通过适当改变本实施例各部件的尺寸以满足其自身的需要。一般来说，第二直线部223与相对的第三直线部224的距离L为20.0~28.0mm；相邻两个贴片天线2的间隙D为1.5~4.0mm；圆孔24的直径D2为8.0~15.0mm；弧形部221的弧度半径R1为10.0~14.0mm；辐射层介质板1的厚度为0.500~1.000mm；辐射层介质板1相对于反射地层8之间的距离L一般为2~8cm，或者为0.2~0.5λ。其中，λ为中心工作频率的波长。
此外，本实施例的天线是一个单体天线。本领域技术人员理解，依据本实施例的单体天线，可以组成天线阵列。在组成天线阵列的情形下，各单体天线的辐射层介质板1组成一个整体，反射地层8和底座9组成一个整体。
Claims (10)
1.一种双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，包括呈中心对称正负45度布置在辐射层介质板(1)板面上的四个贴片天线(2)；两个对角分布的贴片天线(2)分成一组，四个贴片天线分成两个呈正交布置的贴片组；贴片天线(2)包括相连的馈电部(21)和辐射部(22)；其中，馈电部(21)位于贴片天线(2)朝向四个贴片天线(2)中心的一端；两个贴片组分别各自连接一根同轴馈电线(51)；同轴馈电线(51)的内外导体分别通过贴片天线(2)的馈电部(21)连接贴片组的两个贴片天线(2)；贴片天线(2)的辐射部(22)是由方形的片状体通过相对的两个对角通过弧形切边后所形成的扇形形状；辐射部(22)的边缘包括两个相对的弧形部(221)、位于辐射部(22)内侧端连接馈电部(21)的45度角切边形成的第一直线部(222)、位于内侧两端分别连接弧形部(221)和第一直线部(222)的相互垂直的两个第二直线部(223)、位于外侧连接弧形部(221)并相互垂直相交的第三直线部(224)；其中，第二直线部(223)上设置有多级圆弧过渡部(23)；多级圆弧过渡部(23)由若干个波浪形的边缘曲线构成；贴片天线(2)中间设置有圆孔(24)。
2.根据权利要求1所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，第二直线部(223)与相对的第三直线部(224)的距离L为20.0~28.0mm；相邻两个贴片天线(2)的间隙D为1.5~4.0mm；圆孔(24)的直径D2为8.0~15.0mm；弧形部(221)的弧度半径R1为8.0~14.0mm。
3.根据权利要求1所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，辐射层介质板(1)在贴片天线(2)所贴面的背面中心还贴敷有第一附铜(31)，第一附铜(31)为方形的片状体，四角朝向相邻贴片天线(2)之间的间隙。
4.根据权利要求1所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，辐射层介质板(1)在贴片天线(2)所贴面的背面的四边还贴敷有第二附铜(32)；第二附铜(32)为梯形的片状体，长边朝向四个贴片天线的外侧，短边朝向四个贴片天线的中心，腰边与两个相邻贴片天线(2)的边缘对齐。
5.根据权利要求3或4所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，辐射层介质板(1)的介电常数为2.00~3.00，厚度为0.500~1.000mm。
6.根据权利要求1所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，还包括底座(9)；底座(9)上设置有反射地层(8)；辐射层介质板(1)通过竖直设置的两根立柱(52)和两根同轴馈电线(51)支撑在底座(9)的上方，使得辐射层介质板(1)悬浮在反射地层(8)之上，并与反射地层(8)相平行。
7.根据权利要求6所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，立柱(52)由导电材质制成；立柱(52)和同轴馈电线(51)位于四个贴片天线(2)的中心，穿过辐射层介质板(1)后通过馈电部(21)连接贴片天线(2)；立柱(52)通过和同轴馈电线(51)之间设置的横向导体(4)连接同轴馈电线(51)的外导体或内导体；所连接的同轴馈电线(51)的内导体或外导体连接立柱(52)所连贴片天线(2)相对的贴片天线(2)的馈电部(21)。
8.根据权利要求7所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，横向导体(4)包括设置在辐射层介质板(1)之上的第一横向导体(401)和第二横向导体(402)；第一横向导体(401)和第二横向导体(402)呈十字交叉，相互之间留有间隙，由同轴馈电线(51)的内导体顶部和立柱(52)的顶部支撑，并连接所支撑的同轴馈电线(51)的内导体和立柱(52)；同轴馈电线(51)的外导体通过馈电部(21)连接贴片天线(2)。
9.根据权利要求7所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，横向导体(4)设置在辐射层介质板(1)下方，连接同轴馈电线(51)的外导体；使得立柱(52)通过横向导体(4)连接同轴馈电线(51)的外导体；同轴馈电线(51)的内导体穿过辐射层介质板(1)后，通过馈电部(21)连接贴片天线(2)。
10.根据权利要求6所述的双馈电极化可变换超宽带微带振子天线，其特征在于，辐射层介质板(1)相对于反射地层(8)之间的距离为2~8cm。
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