CN111600137A

CN111600137A - 一种多制式移动通信信号测向天线

Info

Publication number: CN111600137A
Application number: CN202010384627.7A
Authority: CN
Inventors: 朱永忠; 孟志豪; 谢文宣
Original assignee: Engineering University of Chinese Peoples Armed Police Force
Current assignee: Engineering University of Chinese Peoples Armed Police Force
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2020-08-28

Abstract

本发明公开了一种多制式移动通信信号测向天线，包括低频天线阵列和高频天线阵列；低频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个低频圆极化天线，低频圆极化天线包括由上层微带天线、中层微带天线、底层微带天线、馈电网络层和接地板，高频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个高频圆极化天线；高频圆极化天线包括相互正交的第一Vivaldi天线阵子和第二Vivaldi天线阵子。本发明结构简单、设计合理，设计了分别应用于0.8GHz～0.96GHz的低频圆极化天线和1.7GHz～2.7GHz高频圆极化天线，同时使用这两种圆极化天线可以达到全频段覆盖的效果；利用低频圆极化天线和高频圆极化天线作为阵元，分别设计两组L型测向阵列，解决测向阵列尺寸大、带宽窄的问题。

Description

一种多制式移动通信信号测向天线

技术领域

本发明属于天线通信技术领域，具体涉及一种多制式移动通信信号测向天线。

背景技术

目前，无线电技术得到迅速发展，无线电测向作为无线电监测、技术侦查和电子对抗的一项重要技术手段，已得到业界越来越多的关注。无线电测向设备使用天线来寻找信标或者信号源，测向天线是无线电测向设备的重要组成部分，测向天线的性能尤其是方向图性能决定了无线电测向设备的灵敏度。

测向天线是移动通信信号测向系统中用于发射和接收电磁波的前端部件，其作用是进行电磁波与感应电动势的相互转换，在移动通信信号测向系统中，天线起着举足轻重的作用，提升测向天线的技术性能，对于提高整个移动通信信号测向系统的综合性能和实用价值有着重要意义。

由于我国移动通信行业的快速发展，形成了2G/3G/4G网络并存的局面，移动通信网络由中国移动、中国联通、中国电信三大运营商分别搭建和管理。国内三大运营商所使用的移动通信制式非常繁多，包括GSM、DSC、CDMA和LTE这四个种类，其上行链路和下行链路所使用的频点分布在0.8GHz-0.96GHz、1.7GHz-2.7GHz这两个频段。

当前市面上存在的便携式移动测向系统存在工作带宽不够的问题，如大唐移动手机侦码测向系统无法支持DSC和CDMA通信制式的手机测向，这是因为该系统所使用的测向天线工作频段只有0.89GHz-0.96GHz、2.3GHz-2.7GHz，由此会出现手机漏测的问题。只有将测向天线的工作带宽拓展到移动通信网络的全频段，才能确保测向系统能对多种制式的移动通信信号的可用性，提高移动通信测向系统的实用性。因此需要一种能解决现有测向天线尺寸大、带宽窄等突出问题的多种制式移动通信信号测向的小型宽带圆极化天线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多制式移动通信信号测向天线，其结构简单、设计合理，设计了分别应用于0.8GHz～0.96GHz和1.7GHz～2.7GHz频段的两种圆极化天线，同时使用这两种圆极化天线可以达到全频段覆盖的效果；利用低频圆极化天线和高频圆极化天线作为阵元，分别设计两组L型测向阵列，解决测向阵列尺寸大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：包括用于接收0.8GHz～0.96GHz的低频天线阵列和用于接收1.7GHz～2.7GHz的高频天线阵列；所述低频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个低频圆极化天线，所述低频圆极化天线包括由上层微带天线、中层微带天线、底层微带天线、馈电网络层和接地板，所述上层微带天线包括上层微带贴片和上层介质基板，所述上层微带贴片具有切角和中心孔，所述中层微带天线包括包括中层微带贴片和中层介质基板，所述中层微带贴片斜对称设置，所述底层微带天线包括底层介质基板和刻蚀在底层介质基板上的金属导带，所述底层馈电网络层包括馈电介质基板和馈电网络电路板，所述馈电网络电路板包括威尔金森功分器和与威尔金森功分器输出端口相接的金属探针；所述高频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个高频圆极化天线；所述高频圆极化天线包括相互正交的第一Vivaldi天线阵子和第二Vivaldi天线阵子。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述第一Vivaldi天线阵子包括第一上层金属层、第一下层接地层、设置在第一上层金属层和第一下层接地层之间的第一介质层，所述第一介质层设置有第一微带馈电线和与第一微带馈电线相接的第一金属贴片，所述第一金属贴片弯向第一介质层的两端并与第一介质层所在平面相垂直；所述第二Vivaldi天线阵子包括第二上层金属层、第二下层接地层、设置在第二上层金属层和第二下层接地层之间的第二介质层，所述第二介质层设置有第二微带馈电线和与第二微带馈电线相接的第二金属贴片，所述第二金属贴片弯向第二介质层的两端并与第二介质层所在平面相垂直，所述第二介质层上开设有供所述第一介质层插入的槽。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述低频圆极化天线的个数为三个，三个所述低频圆极化天线分别位于等腰三角形的三个顶点处。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述高频圆极化天线的个数为三个，三个所述高频圆极化天线分别位于等腰三角形的三个顶点处。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述上层微带贴片呈正方形，所述切角包括两个分别位于一个对角线方向两端的三角形切角，所述中心孔为位于中心位置的方孔。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述中层微带贴片的中心开设有与金属探针相适应的连接孔，所述中层微带贴片大小相同，中层微带贴片的数量为偶数个，偶数个所述中层微带贴片呈斜对称布设。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述底层介质基板的数量为四个，四个所述底层介质基板围设成方形槽，四个所述底层介质基板沿方形槽的中心轴旋转对称，所述方形槽分别与上层微带天线、中层微带天线和馈电网络层垂直设置。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述金属导带呈圆环结构。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述第一上层金属层和第二上层金属层分别设置有馈电结构，所述馈电结构包括具有两级威尔金森功分器的馈电网络。

上述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述第一微带馈电线的末端接有第一圆形短截线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明设计了分别应用于0.8GHz～0.96GHz和1.7GHz～2.7GHz频段的两种圆极化天线，同时使用这两种圆极化天线可以达到全频段覆盖的效果。

3、本发明利用低频圆极化天线和高频圆极化天线作为阵元，分别设计两组L型测向阵列，高频天线阵列布设在低频天线阵列L型的缺口位置处充分利用了低频圆极化天线L型阵列的闲置空间放置高频圆极化天线，有效解决测向阵列尺寸大的问题。

4、本发明利用上层微带贴片切角开孔的方式，改善了低频圆极化天线的圆极化特性；利用耦合馈电的方式加强了低频圆极化天线的耦合效果；利用加载圆环枝节的方式实现了低频圆极化天线水平尺寸的小型化；底层馈电网络层的威尔金森功分器确保了天线的可集成化，使用效果好。

5、本发明中，第一Vivaldi天线阵子和第二Vivaldi天线阵子相互正交构成高频圆极化天线，采用空间折叠的方式降低了天线剖面，同时充分利用了Vivaldi天线的宽带特性，缩减了天线的水平尺寸。

6、本发明中，第一金属贴片的两端伸出了第一介质层并分别朝相反方向进行了弯折，弯折部分弯向第一介质层的两边并与第一介质层所在平面相垂直，通过优化常规Vivaldi天线中金属贴片的布设方法,改变了Vivaldi天线表面的电流分布，提高高频圆极化天线的增益和定向性。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，设计了分别应用于0.8GHz～0.96GHz和1.7GHz～2.7GHz频段的两种圆极化天线，同时使用这两种圆极化天线可以达到全频段覆盖的效果；利用低频圆极化天线和高频圆极化天线作为阵元，分别设计两组L型测向阵列，解决测向阵列尺寸大的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明低频圆极化天线的结构示意图。

图3为本发明上层微带天线的结构示意图。

图4为本发明中层微带天线的结构示意图。

图5为本发明底层微带天线的结构示意图。

图6为本发明馈电网络层的结构示意图。

图7为本发明高频圆极化天线的结构示意图。

图8为本发明第一Vivaldi天线阵子的结构示意图。

图9为本发明第二Vivaldi天线阵子的结构示意图。

附图标记说明:

1—低频圆极化天线； 11—接地板； 12—上层微带天线；

13—中层微带天线； 14—底层微带天线； 15—馈电网络层；

2—高频圆极化天线； 21—第一Vivaldi天线阵子；

22—第二Vivaldi天线阵子； 211—第一介质层；

212—第一下层接地层； 213—第一上层金属层； 214—第一金属贴片；

215—第一圆形短截线； 216—第一微带馈电线； 221—第二介质层；

222—第二下层接地层； 223—第二上层金属层； 224—第二金属贴片；

225—第二圆形短截线； 226—第二微带馈电线； 227—槽。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1至图9所示，本发明包括用于接收0.8GHz～0.96GHz的低频天线阵列和用于接收1.7GHz～2.7GHz的高频天线阵列。

实际使用时，本发明设计了分别应用于0.8GHz～0.96GHz和1.7GHz～2.7GHz频段的两种圆极化天线，同时使用这两种圆极化天线可以达到全频段覆盖的效果。L型天线阵列结构简单，能同时对来波方向的方位角和俯仰角进行测定。

低频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个低频圆极化天线1，高频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个高频圆极化天线2。高频天线阵列布设在低频天线阵列L型的缺口位置处，利用低频圆极化天线和高频圆极化天线作为阵元，分别设计两组L型测向阵列，充分利用了低频圆极化天线L型阵列的闲置空间放置高频圆极化天线，节省了空间，测向天线整体尺寸为290mm×270mm×300mm。从而实现对全频段移动通信信号测向的目的，有效解决测向阵列尺寸大、带宽窄的问题。

实际使用时，所述低频圆极化天线1的个数为三个，三个所述低频圆极化天线1分别位于一个等腰三角形的三个顶点处。所述高频圆极化天线2的个数为三个，三个所述高频圆极化天线2分别位于另一个等腰三角形的三个顶点处。具体实施时，上述两个等腰三角形均为等腰直角三角形，两个等腰直角三角形的斜边垂线相平行或重合。

所述低频圆极化天线1包括由上层微带天线12、中层微带天线13、底层微带天线14、馈电网络层15和接地板11。

实际使用时，低频圆极化天线1的尺寸为0.22λ×0.22λ×0.09λ。相比于其他圆极化天线，本发明低频圆极化天线1具有较小的水平尺寸和天线剖面。在兼顾小型化和宽带化的天线设计角度上来说，具有一定的优势。

所述上层微带天线12包括上层微带贴片和上层介质基板，所述上层微带贴片具有切角和中心孔。所述上层微带贴片呈正方形，所述切角包括两个分别位于一个对角线方向两端的三角形切角，所述中心孔为位于中心位置的方孔。利用上层微带贴片切角开孔的方式，改善了低频圆极化天线1的圆极化特性。

所述中层微带天线13包括包括中层微带贴片和中层介质基板，所述中层微带贴片斜对称设置。所述中层微带贴片的中心开设有与金属探针相适应的连接孔，所述中层微带贴片大小相同，中层微带贴片的数量为偶数个，偶数个所述中层微带贴片呈斜对称布设。实际使用时，连接孔为直径1mm的圆孔。利用耦合馈电的方式加强了低频圆极化天线的耦合效果，改善了低频圆极化天线阻抗带宽，提高了低频圆极化天线的增益。

所述底层微带天线14包括底层介质基板和刻蚀在底层介质基板上的金属导带。所述金属导带呈圆环结构。所述底层介质基板的数量为四个，四个所述底层介质基板围设成方形槽，四个所述底层介质基板沿方形槽的中心轴旋转对称，所述方形槽分别与上层微带天线12、中层微带天线13和馈电网络层15垂直设置。实际使用时，利用加载圆环枝节的方式实现了低频圆极化天线水平尺寸的小型化。

所述底层馈电网络层15包括馈电介质基板和馈电网络电路板，所述馈电网络电路板包括威尔金森功分器和与威尔金森功分器输出端口相接的金属探针。实际使用时，威尔金森功分器为单级威尔金森功分器，威尔金森功分器确保了天线的可集成化。威尔金森功分器的微带线结构示意图如图6所示，微带线包括宽微带线和窄微带线，其宽微带线的线宽为1.93mm，窄微带线的线宽为1.02mm。隔离电阻R的阻值为100Ω。为了确保输出端口A与输出端口B的输出电路相位相差90°，因此输出端口A到隔离电阻R的距离比输出端口B到隔离电阻R的距离长46.6mm。为了改善传输特性，对微带线采用切角处理，切角的边长等于微带线的宽度。

实际使用时，接地板11位于功分器底层馈电网络层15的上侧，可以有效减少馈电网络电路板对天线辐射特性的影响，接地板11沿低频圆极化天线1四周设置，可以起到反射作用，在一定程度上可以增大天线的增益。

需要说明的是，所述上层介质基板、中层介质基板、底层介质基板和馈电介质基板为FR-4介质基板。

所述高频圆极化天线2包括相互正交的第一Vivaldi天线阵子21和第二Vivaldi天线阵子22。实际使用时，第一Vivaldi天线阵子21和第二Vivaldi天线阵子22相互正交构成高频圆极化天线2，其中第一Vivaldi天线阵子21和第二Vivaldi天线阵子22的结构基本相同，第一Vivaldi天线阵子沿中心轴旋转90°即为第二Vivaldi天线阵子；不同的是，第二Vivaldi天线阵子的第二介质层221上开设有供所述第一介质层211插入的槽227。采用空间折叠的方式降低了天线剖面，同时充分利用了Vivaldi天线的宽带特性，缩减了天线的水平尺寸。

本实施例中，所述第一Vivaldi天线阵子21包括第一上层金属层213、第一下层接地层212、设置在第一上层金属层213和第一下层接地层212之间的第一介质层211，所述第一介质层211设置有第一微带馈电线216和与第一微带馈电线相接216的第一金属贴片214，所述第一金属贴片214弯向第一介质层211的两端并与第一介质层211所在平面相垂直。

第一金属贴片214的两端伸出了第一介质层211并分别朝相反方向进行了弯折，弯折部分弯向第一介质层211的两边并与第一介质层211所在平面相垂直，通过优化常规Vivaldi天线中金属贴片的布设方法,改变了Vivaldi天线表面的电流分布，提高高频圆极化天线的增益和定向性。

第一微带馈电线216起到馈电的作用，为了改善第一微带馈电线216的匹配关系，第一微带馈电线216的末端接有第一圆形短截线215。

本实施例中，所述第二Vivaldi天线阵子22包括第二上层金属层223、第二下层接地层222、设置在第二上层金属层223和第二下层接地层222之间的第二介质层221，所述第二介质层221设置有第二微带馈电线226和与第二微带馈电线相接226的第二金属贴片224，所述第二金属贴片224弯向第二介质层221的两端并与第二介质层221所在平面相垂直，所述第二介质层221上开设有供所述第一介质层211插入的槽227。所述第一微带馈电线216的末端接有第一圆形短截线215。

第二Vivaldi天线阵子22与第一Vivaldi天线阵子21结构基本相同，为了实现空间上的正交，第二介质层221上开设有供所述第一介质层211插入的槽227，该槽宽度1mm。第二Vivaldi天线阵子22与第一Vivaldi天线阵子21中其他未说明的结构采用现有结构即可。

需要说明的是，所述第一上层金属层213和第二上层金属层223分别设置有馈电结构，所述馈电结构包括具有两级威尔金森功分器的馈电网络。第一上层金属层213上的馈电结构的输出端口与第一介质层211上的金属通孔相连接。第二上层金属层223上的馈电结构的输出端口与第二介质层221上的金属通孔相连接。

所述第一介质层211和第二介质层221同时为FR-4介质基板或F4B-2介质基板。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：包括用于接收0.8GHz～0.96GHz的低频天线阵列和用于接收1.7GHz～2.7GHz的高频天线阵列；

所述低频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个低频圆极化天线(1)，所述低频圆极化天线(1)包括由上层微带天线(12)、中层微带天线(13)、底层微带天线(14)、馈电网络层(15)和接地板(11)，所述上层微带天线(12)包括上层微带贴片和上层介质基板，所述上层微带贴片具有切角和中心孔，所述中层微带天线(13)包括包括中层微带贴片和中层介质基板，所述中层微带贴片斜对称设置，所述底层微带天线(14)包括底层介质基板和刻蚀在底层介质基板上的金属导带，所述底层馈电网络层(15)包括馈电介质基板和馈电网络电路板，所述馈电网络电路板包括威尔金森功分器和与威尔金森功分器输出端口相接的金属探针；

所述高频天线阵列包括设置在同一水平面上呈L型布设的多个高频圆极化天线(2)；所述高频圆极化天线(2)包括相互正交的第一Vivaldi天线阵子(21)和第二Vivaldi天线阵子(22)。

2.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述第一Vivaldi天线阵子(21)包括第一上层金属层(213)、第一下层接地层(212)、设置在第一上层金属层(213)和第一下层接地层(212)之间的第一介质层(211)，所述第一介质层(211)设置有第一微带馈电线(216)和与第一微带馈电线相接(216)的第一金属贴片(214)，所述第一金属贴片(214)弯向第一介质层(211)的两端并与第一介质层(211)所在平面相垂直；

所述第二Vivaldi天线阵子(22)包括第二上层金属层(223)、第二下层接地层(222)、设置在第二上层金属层(223)和第二下层接地层(222)之间的第二介质层(221)，所述第二介质层(221)设置有第二微带馈电线(226)和与第二微带馈电线相接(226)的第二金属贴片(224)，所述第二金属贴片(224)弯向第二介质层(221)的两端并与第二介质层(221)所在平面相垂直，所述第二介质层(221)上开设有供所述第一介质层(211)插入的槽(227)。

3.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述低频圆极化天线(1)的个数为三个，三个所述低频圆极化天线(1)分别位于等腰三角形的三个顶点处。

4.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述高频圆极化天线(2)的个数为三个，三个所述高频圆极化天线(2)分别位于等腰三角形的三个顶点处。

5.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述上层微带贴片呈正方形，所述切角包括两个分别位于一个对角线方向两端的三角形切角，所述中心孔为位于中心位置的方孔。

6.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述中层微带贴片的中心开设有与金属探针相适应的连接孔，所述中层微带贴片大小相同，中层微带贴片的数量为偶数个，偶数个所述中层微带贴片呈斜对称布设。

7.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述底层介质基板的数量为四个，四个所述底层介质基板围设成方形槽，四个所述底层介质基板沿方形槽的中心轴旋转对称，所述方形槽分别与上层微带天线(12)、中层微带天线(13)和馈电网络层(15)垂直设置。

8.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述金属导带呈圆环结构。

9.按照权利要求1所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述第一上层金属层(213)和第二上层金属层(233)分别设置有馈电结构，所述馈电结构包括具有两级威尔金森功分器的馈电网络。

10.按照权利要求2所述的一种多制式移动通信信号测向天线，其特征在于：所述第一微带馈电线(216)的末端接有第一圆形短截线(215)。