CN101707277B - 嵌入式隐形圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种嵌入式隐形圆极化天线，旨在提供一种波束覆盖范围宽，覆盖区域广，能够承受高功率并能同时接收多个频段信号，能在宽角范围内接收和发射圆极化电磁波，能实现宽角覆盖的嵌入式隐形圆极化天线。它包括，印制板(1)、电缆组件(10)、带状线馈电网络(11)、高频接头(9)，电缆组件由2×2矩形阵列在印制板上的两根馈电电缆(3)和两根平衡电流电缆(4)组成，其中两根馈电电缆与带状线馈电网络中的3dB定向耦合器(6)的端口(20)、端口(21)相连，另外两根平衡电流电缆的外导体与印制板上的铜箔相连，外部信号源上的高频信号电流通过高频接头馈入3dB定向耦合器分配到所述电缆组件，由馈电电缆(3)上的交叉馈电片(2)馈入印制板。

Description

嵌入式隐形圆极化天线

技术领域

本发明是关于能够同时接收多个频段信号的圆极化天线，更具体地说，本发明是关于能在宽角范围内接收和发射圆极化电磁波，能实现宽角覆盖的嵌入式隐形圆极化天线。

背景技术

随着无线通信技术的不断进步，无线通信设备开始朝着小型化、宽频段方向发展，具有轻、薄、短、小等特性的宽带无线产品将成为今后的主流。传统的偶极子天线尽管具有较好的传输特性，但其尺寸规格已无法适应小型化的发展趋势。具有体积小、质量轻、成本低、容易制造，并且可以直接和射频微波电路集成的微带天线，是目前天线研究中的热门主题之一。

现有技术的微带圆极化天线通常是一个由一分四的微带功分移相网络和金属屏蔽盒组成的馈电网络；一个由天线罩、金属辐射贴片、四个L型金属馈电探针和金属反射板组成的天线体，一个圆极化天线组件和反射腔组件，由于传统微带天线的带宽为5％左右，工作带宽较窄，频带不够宽。普通的微带天线功率容量低，覆盖区域不够广，无法多个系统共用一个天线。线极化微带天线在接收圆极化信号时，引起接收电平损失，安装在载体表面时RCS较大，容易被雷达电波侦察到，隐形性能较差。如果嵌入平台内部，电性能指标将受周围金属腔的影响而恶化。

国内在嵌入式隐形天线技术上尚处于起步阶段，仅处于仿真研究。目前国内设计的一款圆极化天线，虽然能够满足宽角覆盖的需求。但由于天线高度较高(工作频率的1/5波长)，围绕天线四周的金属腔体会使电性能指标恶化，在电流过大时，局部易被击穿。且不能作为嵌入式天线使用。一般普通的微带天线功率容量低，在某些需要施加高功率的应用场合发生激穿现象。

采用传统十字阵振子的天线，尺寸较大(工作频率的1/2波长)，嵌入平台时需要较大空间，与未来电子设备小型化的趋势不相符合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波束覆盖范围宽，覆盖区域广，能够承受高功率并能同时接收多个频段信号，能在宽角范围内接收和发射圆极化电磁波，能实现宽角覆盖的嵌入式隐形圆极化天线。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提出的一种嵌入式隐形圆极化天线，包括，印制板、电缆组件、带状线馈电网络、高频接头，其特征在于，电缆组件由2×2矩形阵列在印制板上的两根馈电电缆和两根平衡电流电缆组成，其中两根馈电电缆与带状线馈电网络上的3dB定向耦合器的第一输出端口(20)、第二输出端口(21)相连，另外两根平衡电流电缆的外导体与印制板上的铜箔相连，外部信号源上的高频信号电流通过高频接头馈入3dB定向耦合器分配到所述电缆组件，由馈电电缆上的交叉馈电片馈入印制板。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1.宽频带。由于以空气微带引入位于印制板和上底板之间的空气介质层，降低整个天线的介电常数而增加带宽。在天线高度一定的情况下，能够获得较宽的带宽。经过实测，工作带宽能够达到16.2％，比传统微带天线5％左右的带宽高出了2倍。

2.天线体尺寸小，天线易于嵌入平台安装。经过实际测量，本发明引入高介电常数的基片后的天线尺寸长度和宽度为0.38λ，是传统材料(FR-4)的1/2，大大减小了天线的尺寸，使天线能够实现高度为0.09λ的低剖面。同时又将天线和周围的金属腔体一体化设计，使天线嵌入金属腔体后电性能不会受影响。

3.波束覆盖范围宽，覆盖区域广。印制板微带贴片通过平衡电流电缆平衡电流电缆把印制板铜箔上的馈电焊点阵元周围的强电流下引，到达上底板7。使印制板1上的电流分配呈现幅度较为均匀的电流分布。能够在有限的天线物理空间内，最大化地提高天线的口径效率，使天线在上半空间120°范围内，有较高的圆极化增益。经过实测，本发明在波束覆盖范围120°的上半空间范围内，圆极化增益能大于-1dB。目前美国卫星通信天线在120°的范围内增益仅大于-2dB。

4.能够承受高功率。区别于通常的微带印制板形式，由于采用了带状线馈电网络，使天线能够承受高功率，避免天线在电流过大时局部被击穿。经过功率实验证明，本发明能够承受100W以上的输入功率，且天线的性能不会受到影响。

5.满足隐形化天线需求，能够应用于各种高功率的电子系统中。由于天线的尺寸为：0.38λ(长)*0.38λ(宽)*0.09λ(高)，属于电小类天线；将天线辐射面放置在整个天线的最上端，带空气介质层的金属腔体位于天线辐射面之下，构成了天线和周围的金属腔体一体化，使得天线嵌入金属腔体后电性能不会受影响。

6.能够得到圆极化效果(轴比)更好的辐射波。由于到达馈电网络输出端20的高频信号比到达馈电网络输出端21的信号少走了λ/4的路径，使馈电网络输出端20的馈电相位超前馈电网络输出端21π/2，使连接馈电网络输出端20和输出端21的两根馈电电缆3上的馈电电流相位呈现等副相位差90°，能够在印制板中激励起两个端口电流等幅、馈电相位相差90°的两个简并的正交模式，两模式等副且相位差90°，得到了效果较好的圆极化辐射。相比于线极化天线，在接收同旋向圆极化来波时，不会发生极化损失。能够收到更高的电平，接收功率是线极化天线的2倍，利于整个通信系统的正常运行。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描述本发明，其中：

图1为本发明嵌入式隐形圆极化天线的构造示意图。

图2为本发明的印制板构造示意图。

图3为本发明的馈电电缆组件结构图。

图4为本发明的平衡电流电缆组件结构图。

图5为本发明的3dB定向耦合器结构图。

图6为本发明的带状线馈电网络结构图。

图中：1印制板，2馈电片，3馈电电缆，4平衡电流电缆，5支撑柱，6定向耦合器，7上底板，8下地板，9高频接头，10电缆组件，11带状线馈电网络，12支撑介质，13内导体，14填充介质，15外导体，16内导体、填充介质17，18外导体，19输入端，20第一输出端，21第二输出端，22隔离端。23直通臂，24耦合臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参阅图1。本发明的嵌入式隐形圆极化天线由印制板1、电缆组件10、带状线馈电网络11和高频接头9组成。

印制板1包括印制板上的铜箔、馈电片2、馈电电缆3和平衡电流电缆4。电缆组件10包括馈电电缆和3平衡电流电缆4。印制板1由支撑柱5固定在上底板7上方。作为天线辐射面的敷铜箔基片放置在整个天线的最上端。天线的尺寸可以是：长*宽*高＝0.38λ*0.38λ*0.09λ。

电缆组件10由2×2的矩形阵列在印制板1敷铜箔基片上的两根馈电电缆3和两根平衡电流电缆4组成，其中两根馈电电缆3与带状线馈电网络11上的3dB定向耦合器6的第一输出端口20、第二输出端口21相连，另外两根平衡电流电缆4的外导体与印制板1上的金属铜箔相连，当天线发射信号时，外部信号源上的高频电流信号通过高频接头9馈入3dB定向耦合器6分配到所述电缆组件10，由馈电电缆3上的交叉馈电片2馈入印制板1。

带状线馈电网络11包括，如图6所示的由四周支撑柱5固定的上底板7和下地板8和位于上底板7、下地板8之间的3dB定向耦合器6。3dB定向耦合器6带有输入端口19、第一输出端口20、第二输出端口21和隔离端口22，高频接头9固联在输入端19上。上底板7和下地板8是导电体材料，优选防锈铝材料。

在上述组件构成的嵌入式隐形圆极化天线中，3dB定向耦合器6位于上底板7、下地板8之间的空间中，它由周边上的两两平行固联的支撑介质12平行支撑在下地板8上。印制板1位于上底板的上方，由四周对角线上的四个支撑柱5穿过上底板7固联在印制板1和上底板7之间。其中的两根馈电电缆3的内导体13一端通过馈电片2与印制板1上的铜箔相连，另一端固联在3dB定向耦合器6的输出端口上。另外两根平衡电流电缆3的外导体18分别通过其上电连接的交叉馈电片2电连接印制板1或印制板1上缝隙槽两边的铜箔上。

参阅图2。印制板1上开有对应上述2×2矩形阵列排列的两根馈电电缆3和两根平衡电流电缆4的孔。电连接在馈电电缆3内导体13的两根交叉，但不相接的馈电片2焊接在印制板上，且馈电电缆3和平衡电流电缆4的外导体都与印制板1上的铜箔相焊接。馈电电缆4的内导体是被绝缘不焊接的。平衡电流电缆4把印制板1铜箔上的馈电焊点周围的强电流下引，到达位于下地板(8)上方的上底板7上分流，使由支撑柱5固定在上底板7上方的印制板1上的电流呈现幅度较为均匀的电流分布。

在印制板1开出的缝隙槽可以是交叉的两条缝隙槽或十字交叉缝隙槽，以构成能够获得更好圆极化效果的交叉缝隙天线是本发明的最佳实施例。

印制板1是使天线小型化、宽频带、宽角覆盖的重要部件。其上设置的微带单元的长度L可以由下式确定：

式中，λ₀为自由空间波长；ε_r为敷铜板基片的有效介电常数。当基片的ε_r升高时，单元的长度L会缩小。故在此使用ε_r＞10的基片来缩小天线尺寸。

对小于2的电压驻波比(VSWR)带宽，可以用下式近似地表示：

$B_w=4f^2\left(\frac{h}{1/32}\right)$

式中，f为频率(GHz)；h为介质基片厚度(in)；B_w为带宽(MHz)。根据上式，采用空气微带的方式，将印制板与上底板保持一定的空间距离，相当于增加了h，故可以展宽频带。

一个物理口径A_p和有效口径A_e两者之比为口径效率ε_ap，即

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ap}}=\frac{A_e}{A_p}$ (无量纲)

在图3、图4中，馈电电缆3和平衡电流电缆4分别由内导体13、填充介质14、外导体15和内导体16、填充介质17、外导体18组成。其中，馈电电缆3由插入在内导体13中填充介质14和包履的外导体15组成，外导体15延伸出内导体13和填充介质14包履端面，与3dB定向耦合器6的第一输出端口20和第二输出端口21相连。平衡电流电缆4插入在内导体16中的填充介质17和包履的外导体18是齐平的。上述填充的介质是绝缘的，它们可以是聚四氟乙烯。上述电缆中填充的介质和外导体可按照一定比例进行设计，比如阻抗为50欧姆的电缆，可根据同轴线特性阻抗公式：

$Z_0=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\mathrm{In}\frac{D}{d}$

计算其阻抗。式中，ε_r为内外导体间绝缘电介质的介电常数，D为同轴线外导体直径，d为内导体直径。当电缆内外导体间填充的聚四氟乙烯(ε_r＝2.1)时，

能够保证Z₀＝50Ω。

在图5中，由支撑介质12固定在上底板7和下地板8之间的3dB定向耦合器6，包括一个闭环框和对角点上向框内辐射不相交的直通臂23和耦合臂24。直通臂23和耦合臂24输出之间有90°的相位差。其上的输入端19连接高频接头9，输出端20和输出端21分别连两根馈电电缆3，隔离端22是空置的。一般混合网络通常是微带线或带状线形式，由上述构成的分支线3dB定向耦合器6端口匹配，直通臂23和耦合臂24上的端口19输入的功率对等地分配给第一输出端口20和第二输出端口21。由于这两个输出端口之间有90°相移，没有功率耦合到端口22(隔离端)。因此，可以构成有如下形式的[S]矩阵：

$\left[S\right]=\frac{-1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}0& j& 1& 0\\ j& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& j\\ 0& 1& j& 0\end{array}\right]$

其构成的分支线混合网络有高度的对称性，对称性反映在矩阵中是每行可从第1行互换位置得到的。任意端口都可作为输入端口，输出端口总是在与网络的输入端口相反的一侧，而隔离端22是输入端口同侧的余下端口。这种3dB定向耦合器6比起其它类型的功分器来说，能够获得更宽的阻抗匹配带宽。

本发明所描述的嵌入式隐形圆极化天线工作原理是：电流通过高频接头9馈入3dB定向耦合器6，再经过3dB定向耦合器6分配到电缆组件10，最后通过馈电电缆3和馈电片2馈入印制板1，通过平衡电流电缆4使印制板1上的电流分布更均匀，提高了天线的口径效率。由于采用交叉馈电方式，通过两个馈电片2的电流呈现等副、相位差90°，故在印制板表面激励起两个简并的正交模式，并使此两模式等副且相位差90°，能得到宽角圆极化波的辐射。

Claims (10)

1.一种嵌入式隐形圆极化天线，包括，印制板(1)、电缆组件(10)、带状线馈电网络(11)、高频接头(9)，其特征在于，电缆组件(10)由2×2矩形阵列在印制板(1)上的两根馈电电缆(3)和两根平衡电流电缆(4)组成，其中两根馈电电缆(3)与带状线馈电网络(11)中的3dB定向耦合器(6)的第一输出端口(20)、第二输出端口(21)相连，另外两根平衡电流电缆(4)的外导体与印制板(1)上的铜箔相连，外部信号源上的高频信号电流通过高频接头(9)馈入3dB定向耦合器(6)分配到所述电缆组件(10)，由电缆组件(10)中的馈电电缆(3)上的交叉馈电片(2)馈入印制板(1)。 

2.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：所述的带状线馈电网络(11)，包括，由四周支撑柱(5)固定的上底板(7)和下地板(8)和位于上底板(7)、下地板(8)之间的3dB定向耦合器(6)，3dB定向耦合器(6)带有输入端(19)、第一输出端口(20)、第二输出端口(21)和隔离端(22)。 

3.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：电连接在两根馈电电缆(3)内导体(13)上的两根交叉馈电片(2)焊接在印制板(1)上，且馈电电缆(3)和平衡电流电缆(4)的外导体都与印制板(1)上的铜箔相焊接。 

4.如权利要求2所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：被绝缘而不焊接的平衡电流电缆(4)的内导体(16)和与印制板(1)上铜箔焊接的外导体(18)，把印制板(1)铜箔上的馈电焊点周围的强电流下引，到达位于下地板(8)上方的上底板(7)上分流，使由支撑柱(5)固定在上底板(7)上方的印制板(1)上的电流呈现幅度较为均匀的电流分布。 

5.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：所述的两根 馈电电缆(3)的内导体(13)分别通过其上电连接的交叉馈电片(2)电连接在印制板(1)缝隙槽两边的铜箔上。 

6.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：印制板(1)上设置的微带单元的长度L由下式确定：

式中，λ₀为自由空间波长；ε_r为敷铜板基片的有效介电常数。 

7.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：对小于2的电压驻波比(VSWR)带宽，用下式近似地得出： 

式中，f为频率GHz；h为介质基片厚度in；B_w为带宽MHz。 

8.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：由支撑介质(12)固定在上底板(7)和下地板(8)之间的·3dB定向耦合器(6)包括，一个闭环框和对角点上向框内辐射不相交的直通臂(23)和耦合臂(24)，直通臂(23)和耦合臂(24)输出之间的相位差为90°。 

9.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：所述天线的尺寸是：长*宽*高＝0.38λ*0.38λ*0.09λ，其中，λ为工作波长。 

10.如权利要求1所述的嵌入式隐形圆极化天线，其特征在于：作为天线辐射面的敷铜箔基片放置在整个天线的最上端。 

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