CN102842757B - 双频双极化背腔缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构紧凑的双频双极化背腔缝隙天线，可分为上、中、下三层结构，在上层部分（1）中，金属圆形缝隙引向器的单金属片（11）和介质支撑金属箔（12），作为天线引向器位于介质板（23）之上；在中层部分（2）中，双臂馈电电路（22）位于介质板（23）上方，十字交叉开缝金属面（24）位于介质板（23）下方；在下层部分（3）为矩形、椭圆形金属波导腔或为矩形、椭圆形基片集成波导（SIW）腔。通过设置矩形或椭圆形波导腔产生所需的双频谐振频率，再经过特殊的引向器使天线在双频段上产生有效辐射，实现双频双极化工作模式，在不同的频段上实现频谱共享和信息的高效传输，提高频谱利用率。

Description

双频双极化背腔缝隙天线

技术领域

本发明属于无线电天线领域，涉及背腔缝隙天线，尤其适用于认知无线电领域。

背景技术

现代通信技术的迅速发展和应用，有力地推动着通信系统向小型化、集成化以及高性能化方向发展。微带缝隙天线由于其成本低、重量轻、剖面小、相对宽的工作带宽和易于批量生产等优点，因此被广泛应用在微波和毫米波系统中。由于其结构紧凑同时采用微带馈电形式，因此它可以直接和系统其它电路集成，解决了天线难以集成的难题。但是当天线需要工作在多个频段和具有双极化特性时，普通微带缝隙天线不具有此特性，多部天线集成又占有较大的空间，对组阵也带来困难。

认知无线电技术的发展对天线技术提出了新的要求，在尽可能不增加天线数目和设备的情况下，让天线在尽可能宽的频带或者多个频带上工作，具有多个工作模式并具有良好的传输特性是业界追求的目标。背腔缝隙天线以体积小、重量轻、成本低、电性能优异的特点受到了业界的青睐，双频双极化微带背腔缝隙天线实现了背腔缝隙天线的双频集成和双极化功能，结构上仅需改变背腔的形状和增加圆形开缝引向器，即可实现双频双极化功能，且使得天线的增益、驻波特性和辐射效率得以改善。

发明内容

技术问题：天线工作受到频带的限制，在无线电技术特别是目前正在兴起的认知无线电技术中，如何实现双频天线集成，且要体积小、结构紧凑、频带宽、电性能优良是一个挑战性的课题。本发明的目的就是开发一种双频双极化背腔缝隙天线，通过增加矩形和椭圆谐振腔引入双频模式，合理的引向器使天线在双频双极化状态下仍然具有出色的性能，实现在不同频段的频谱共享和信息的高效传输，提高频谱利用率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种双频双极化背腔缝隙天线结构，根据“十”字缝隙天线工作在不同频段上，通过合理的构造和配置，选择合适的馈电点、背腔和引向器，实现天线双频双极化工作。

该天线包括上、中、下三层结构，在上层部分中，金属圆形缝隙引向器作为双频双极化背腔缝隙天线引向器；

在中层部分中，以介质板为载体,搭桥和双臂馈电电路位于介质板上方，十字交叉开缝金属面位于介质板下方；

下层部分为矩形金属波导腔或椭圆形金属波导腔。

双臂馈电电路为两个形状相同的“凸”字形结构，其馈电端分别位于介质板相邻的两侧，其中边长 s1+s2为低频段中心频率的四分之一波长，边长s3+s4为高频段中心频率的四分之一波长。

金属圆形缝隙引向器的外形为圆形，在其中设有一个与之同圆心的圆形槽，单金属片形式内外圆由两个宽q的部分相接，由两个或多个直径为p的圆孔安装支撑所需的介质螺钉；有介质支撑的金属箔圆形缝隙引向器其两圆槽连通。  

下层部分由SIW金属化通孔形成矩形基片集成波导SIW腔或椭圆形基片集成波导SIW腔，其中SIW金属化通孔的直径小于十分之一高频工作波长，通孔的间距小于四分之一高频工作波长。

有益效果：

1）天线是由背腔缝隙天线和特别设置的引向器加一“十”字交叉缝隙的构造组合而成，具有结构紧凑、尺寸小、重量轻等优点。实现了背腔缝隙天线的双频双极化工作。

2）天线在工作频段内具有较好带宽特性。背腔为矩形，工作在低频率端时，可以实现33%的相对工作带宽；工作在高频率端时，可以实现21%的相对工作带宽；背腔为椭圆形，工作在低频率端时，可以实现35%的相对工作带宽；工作在高频率端时，可以实现24%的相对工作带宽（天线的驻波VSWR<2）。

3）天线缝隙为十字交叉形，通过双臂形馈电电路实现馈电耦合和阻抗匹配，在高频和低频两个频段实现不同极化形式。

4）采用成熟的PCB（印刷电路）加工工艺，易批量生产，加工精度较高、电性能稳定的天线。

附图说明

图1是双频双极化背腔缝隙天线三层结构示意图； 

图2a是第一部分一种结构的顶视图，图2b是第一部分另一种结构的顶视图；

图3a是第二部分的顶视图；图3b是第二部分的底视图；

图4a是下层部分的矩形结构示意图；

图4b是下层部分的椭圆形结构示意图；

图4c是下层部分的SIW矩形结构示意图；

图4d是下层部分的SIW椭圆形结构示意图;

图5、矩形腔天线端口的回波损耗图；

图6、椭圆腔天线端口的回波损耗图；

图7、矩形腔天线2.4GHz频段仿真方向图；

图8、矩形腔天线3.6GHz频段仿真方向图；

图9、椭圆腔天线2.4GHz频段仿真方向图；

图10、椭圆腔天线3.6GHz频段仿真方向图；

上层部分1，单金属片形式金属圆形缝隙引向器11、介质支撑金属箔形式金属圆形缝隙引向器12，中层部分2，搭桥21，双臂馈电电路22，介质板23，十字交叉开缝金属面24。 

具体实施方式   

该天线包括上、中、下三层结构，上层部分中，圆形金属缝隙引向器用金属板制作或用金属箔制作并依附在介质板载体上，并用发泡材料或介质螺钉固定在中层介质板上；

中层部分中，以中介质板为载体上下两面均为金属箔层，双臂馈电电路位于介质板上方金属层，十字交叉开缝金属面位于介质板下方； 

下层部分为金属波导腔或基片集成波导（SIW）腔。

金属圆形缝隙引向器的外形为圆形，在其中设有一个与之同圆心的圆形槽。

在双频宽带背腔缝隙天线辐射最大方向上加一个引向器可增加辐射增益，提高天线性能。不开缝的规则或者不规则图形的金属贴片作为引向器使用时，不能保证贴片上的电流密度在双频上均实现理想辐射，阻抗匹配亦达不到满意的效果。而经开两条优化的劣弧环形缝隙的圆形贴片既可在两个频段上替代两个不同大小和位置的引向器，而且可使两者工作时互不干扰，实现较为理想的电磁辐射和阻抗匹配。

馈电电路位于介质板上方，两条馈电电路都为双臂形式，便于激励和调节天线匹配阻抗。双臂馈电电路为两个形状相同的“凸”字形结构，其馈电端分别位于上介质板相邻的两侧，其中边长 s1+s2为低频段中心频率的四分之一波长，边长s3+s4为高频段中心频率的四分之一波长。

介质板下方的“十”字交叉开缝金属面构成双频段的微带缝隙天线。在“十”字交叉开缝金属面下方连接的是背腔金属或SIW矩形（或椭圆）腔，天线两个频段的中心频点为腔的两个固有谐振频率，腔可以很好地抑制后向辐射且滤除杂波。在距离介质板上方一段距离的圆形开缝金属片，作为天线引向器。引向器所开环形劣弧缝关于y轴对称，缝隙大小、弧形大小和金属圆大小根据天线的工作频率、极化特性和阻抗匹配关系调节。

下层部分的金属腔或SIW腔为一个矩形或圆形的腔体，

背腔的构造。根据天线双频和“十”字交叉缝隙选择的矩形和椭圆形两种谐振腔，背腔的大小根据双频段的两个中心频点确定，工作频率的低频中心频点对应谐振腔的主模，工作频率的高频中心频点对应谐振腔的高次模，背腔谐振器能够很好地起到滤波和抑制天线反向辐射的作用。

双频双极化背腔缝隙天线是在背腔缝隙天线的开缝金属面上开不同长度的“十”字交叉双缝，用两条双臂馈电电路进行耦合馈电，以矩形或者椭圆形背腔抑制反向辐射增强正向辐射，在介质板上方的适当距离加一特别设计的圆形开缝引向器，以达到双频双极化的目的。该设计的关键所在是微带馈电电路的双臂设计、背腔的选取和圆形开缝引向器的设计。双臂馈电的方式使馈电点可调性增加、使阻抗匹配更加容易满足，矩形和椭圆形背腔的选择使天线的工作频率谐振在不同模式下且互不干扰，圆形开缝引向器可以提高背腔天线增益、双频双极化效率和改善阻抗匹配特性。在本发明中，天线长缝隙工作在低频段，天线短缝隙工作在高频段。恰当的选取馈电点的位置和背腔尺寸的大小，合理的在圆形引向器上开环形缝，使得天线在双频段上、双极化状态下都具有出色的性能。

实施实例：

我们在2.4GHz和3.6GHz两个频段上实现了双频双极化背腔缝隙天线。其中基片为高频介质基片。

天线的仿真结果参见图5－图10。

双频双极化背腔缝隙天线的工作原理：

双频双极化背腔缝隙天线通过在背腔缝隙天线的缝隙金属面上开“十”字交叉双缝，微带馈电电路在介质层的上方以耦合馈电方式进行馈电，电流流过缝隙时，一部分绕过缝隙，一部分以位移电流的形式穿过缝隙，并向空间辐射，不同长度的双缝就可以有不同的辐射频段。在介质层上方的馈电电路为双臂馈电形式，这就使每一条馈电缝隙都有两个馈电点，调节两馈电点与缝隙的相对位置就可以改变天线的阻抗匹配特性。辐射缝隙的下方为腔，合理选择腔的尺寸大小以保证天线两个频段的中心频点为腔的两个谐振频点，有效抑制后向辐射。圆形开缝引向器位于介质层上方低频段中心频率对应1/4波长与高频段中心频率对应的1/4波长之间，合理设计开缝的大小和位置有利于天线的阻抗匹配和增益、效率的改善。天线的各部分有效设计，就保证了天线优良的双频双极化性质，达到了设计的目的。

双频双极化背腔缝隙天线有以下发明创造点：

将背腔缝隙天线的辐射缝隙处开两条长度不同的“十”字交叉缝隙，天线就可以工作在双频段且具有双极化特性，即将两幅背腔缝隙天线合二为一，实现双频宽带性能。该天线的创造点是：其一，天线结构紧凑，两副天线合二为一；其二，采用矩形和椭圆谐振腔构造了所需的双频本征谐振频率并与相应的谐振缝对应，实现了双频工作的目的，两谐振缝正交实现了双极化的目的，其三，圆形开缝引向器有效解决了不同频率引向器大小和位置不同的问题。在电性能上，背腔双频天线可以各自独立工作在相应的宽频段正交极化状态上而互不干扰。关键点是通过合理设计背腔形状和尺寸、圆形引向器的开缝结构和位置、缝隙的大小和馈电点位置。该设计发明保持了单缝隙背腔天线单一频段的原有性能，且有很好的隔离特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种双频双极化背腔缝隙天线，其特征在于：该天线包括上、中、下三层结构，在上层部分(1)中，单金属片形式金属圆形缝隙引向器(11)和介质支撑金属箔形式金属圆形缝隙引向器(12)作为双频双极化背腔缝隙天线引向器；在中层部分(2)中，以介质板(23)为载体,搭桥(21)和双臂馈电电路(22)位于介质板(23)上方，十字交叉开缝金属面(24)位于介质板(23)下方；

下层部分(3)为矩形金属波导腔或椭圆形金属波导腔；

双臂馈电电路(22)为两个形状相同的“凸”字形结构，其馈电端分别位于介质板(23)相邻的两侧，其中边长s1+s2为低频段中心频率的四分之一波长，边长s3+s4为高频段中心频率的四分之一波长。

2.根据权利要求1所述的双频双极化背腔缝隙天线，其特征在于：金属圆形缝隙引向器的外形为圆形，在其中设有一个与之同圆心的圆形槽，单金属片形式金属圆形缝隙引向器(11)两圆槽连通；介质支撑金属箔形式金属圆形缝隙引向器(12)内外圆由两个宽q的部分相接，两个或多个直径为p的圆孔安装支撑所需的介质螺钉。

3.根据权利要求1所述的双频双极化背腔缝隙天线，其特征在于：下层部分(3)由SIW金属化通孔形成矩形基片集成波导SIW腔或椭圆形基片集成波导SIW腔，其中SIW金属化通孔的直径小于十分之一高频工作波长，通孔的间距小于四分之一高频工作波长。