CN103268984B - 双波束缝隙阵列天线 - Google Patents
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Abstract
双波束缝隙阵列天线，属于缝隙阵列天线技术领域。本发明为了解决现有缝隙天线由于只具有单一频率特性，造成无线网桥中天线数目过多，存在相互干扰的问题。它包括PCB板，PCB板由表层、中间层和底层组成，PCB板的表层被均分成四个小区间，第一区间和第三区间分别开有半径为r1、r1+h、r1+2h、……r1+nh的90度环形缝隙，第二区间和第四区间分别开有半径为r2、r2+h、r2+2h、……r2+nh的90度环形缝隙，缝隙天线的馈源采用中心同轴线馈电的方式，所述同轴线SMA接头的中心内导体与PCB板的表层连接，同轴线SMA接头的外导体与PCB板的底层连接。本发明作为一种缝隙阵列天线。
Description
技术领域
本发明涉及双波束缝隙阵列天线，属于缝隙阵列天线技术领域。
背景技术
无线网桥通常用于室外的两个网络的连接，在无线网桥中所需的路由和中继等均需要多个天线。常见的中继中至少包括两个天线，一个负责接收信号，另一个负责发送信号，两个天线采用频率分集的模式工作。
常见的缝隙天线为通过在导体面上开缝隙形成，典型的缝隙形状为长条形，长度约为半个波长，缝隙通过跨接在它窄边上的传输线馈电，也可由波导或谐振腔馈电。馈电时，缝隙上被激励形成射频电磁场，该射频电磁场向空间辐射电磁波。同一导体面上的多个缝隙可构成缝隙阵，缝隙阵分为谐振阵和非谐振阵，在非谐振阵中由于各缝隙的激励有一定相位差，因而其最大电磁波辐射方向不是在非谐振阵的法线方向，而是与法线成一辐射角度θ。这一辐射角度θ与介质传播常数Kρ和自由空间传播常数K0存在如下关系sinθ＝Kρ/K0，其中Kρ取决于介质波导的介质常数和电磁波的频率。改变同一介质波导的频率特性，可改变介质传播常数Kρ，进而改变辐射角度θ。
现有缝隙天线由于只具有单一频率特性，使得在无线网桥的应用中，天线数目过多，过多的天线相互干扰，同时造成无线网桥的大尺寸、重量大、成本高及安装复杂等难题。
发明内容
本发明是为了解决现有缝隙天线由于只具有单一频率特性，造成无线网桥中天线数目过多，存在相互干扰的问题，提供了一种双波束缝隙阵列天线。
本发明所述双波束缝隙阵列天线，它包括PCB板，该PCB板为正方形或者圆形，PCB板由表层、中间层和底层组成，所述表层和底层分别为铜层，中间层为FR-4环氧树脂层，该FR-4环氧树脂层的介质介电常数ε为4，
所述正方形PCB板的表层上按田字形状被均分成四个小正方形区间，该四个小正方形区间沿顺时针方向依次为第一区间、第二区间、第三区间和第四区间，
或者圆形PCB板的表层上沿圆周方向被均分成四个小区间，该四个小区间沿顺时针方向依次为第一区间、第二区间、第三区间和第四区间，
以正方形PCB板的中心为圆心，或者以圆形PCB板的圆心为圆心，第一区间和第三区间分别开有半径为r1、r1+h、r1+2h、……r1+nh的90度环形缝隙，第二区间和第四区间分别开有半径为r2、r2+h、r2+2h、……r2+nh的90度环形缝隙，n为大于或者等于2的整数，r2的长度为所述缝隙天线双频中第一个谐振频率11.7GHz对应的波长的1/4，r1的长度为所述缝隙天线双频中第二个谐振频率12.1GHz对应的波长的1/4，h为PCB板的每个区间内相邻环形缝隙的间距，所述环形缝隙的宽度均为w；
所述缝隙天线的馈源采用中心同轴线馈电的方式，所述同轴线SMA接头的中心内导体与PCB板的表层连接，同轴线SMA接头的外导体与PCB板的底层连接。
所述h＝λsw/2，λsw为平板介质波导波长，λ0为馈源馈入电磁波的自由空间波长。
所述PCB板为正方形，PCB板的尺寸为50mm*50mm，PCB板的板厚为1.5mm。
r1为7mm，r2为8mm，环形缝隙的宽度w均为1mm，h为4.5mm。
本发明的优点：本发明将传统缝隙天线的矩形缝隙改变为环形缝隙阵列，便于天线共形设计，它利用简单的印制天线技术，实现了缝隙天线的双频工作特性，它通过天线的对称结构，使中心馈源相对分布在每一列缝隙的一端，而每一列缝隙阵列在馈源的激励下，产生的电磁波辐射方向分别在每一列缝隙的纵向指向方向上，且与法线成一辐射角度θ，因此可以通过改变馈源相应的激励电磁波的频率，分别利用不同的缝隙阵列，使方向图主瓣方向可以沿不同的缝隙阵列纵向指向，使得天线可以实现二维方向图指向变化，呈现出简单的波束扫描特性，并且在空间上具有方向分集。
本发明解决了传统波导缝隙天线的大尺寸，重量大，成本高及安装复杂等难题，它的双波束工作特性应用于无线网桥中，解决了网桥应用中天线数目过多，且相互干扰等难题，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述双波束缝隙阵列天线的结构示意图；
图2是本发明所述双波束缝隙阵列天线的频率特性仿真图；图中S1，1为回波损耗参数；
图3是图2中第一个谐振频点为11.7GHz时远场方向图的2D模式；
图4是图2中第二个谐振频点为12.1GHz时远场方向图的2D模式。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述双波束缝隙阵列天线，它包括PCB板，该PCB板为正方形或者圆形，PCB板由表层、中间层和底层组成，所述表层和底层分别为铜层，中间层为FR-4环氧树脂层，该FR-4环氧树脂层的介质介电常数ε为4，
所述正方形PCB板的表层上按田字形状被均分成四个小正方形区间，该四个小正方形区间沿顺时针方向依次为第一区间1-1、第二区间1-2、第三区间1-3和第四区间1-4，
或者圆形PCB板的表层上沿圆周方向被均分成四个小区间，该四个小区间沿顺时针方向依次为第一区间1-1、第二区间1-2、第三区间1-3和第四区间1-4，
以正方形PCB板的中心为圆心，或者以圆形PCB板的圆心为圆心，第一区间1-1和第三区间1-3分别开有半径为r1、r1+h、r1+2h、……r1+nh的90度环形缝隙，第二区间1-2和第四区间1-4分别开有半径为r2、r2+h、r2+2h、……r2+nh的90度环形缝隙，n为大于或者等于2的整数，r2的长度为所述缝隙天线双频中第一个谐振频率11.7GHz对应的波长的1/4，r1的长度为所述缝隙天线双频中第二个谐振频率12.1GHz对应的波长的1/4，h为PCB板的每个区间内相邻环形缝隙的间距，所述环形缝隙的宽度均为w；
所述缝隙天线的馈源采用中心同轴线馈电的方式，所述同轴线SMA接头的中心内导体与PCB板的表层连接，同轴线SMA接头的外导体与PCB板的底层连接。
本实施方式中，四个区间的90度环形缝隙呈对角对称，每个区间内相邻环形缝隙的间距h大小可以近似为λsw/2，
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述h＝λsw/2，λsw为平板介质波导波长，λ0为馈源馈入电磁波的自由空间波长。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，本实施方式所述PCB板为正方形，PCB板的尺寸为50mm*50mm，PCB板的板厚为1.5mm。
具体实施方式四：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，本实施方式所述r1为7mm，r2为8mm，环形缝隙的宽度w均为1mm，h为4.5mm。
本发明所述缝隙天线，通过分布在PCB板上的90度环形缝隙形成了指向型辐射器，所有90度环形缝隙用来形成所需要辐射的近场和远场形状，它可以通过一个点源来激励PCB板上所有区域的缝隙模型，这种缝隙模型为一种类似平板波导的形式，PCB板采用圆盘结构，方便了不同的缝隙组合可以同时存在于一个平面上，形成缝隙阵列，利用不同的缝隙阵列分布可以形成不同的平面波阻抗，由此可以形成整个缝隙天线在空间上方向图的二维变化，呈现方向性分集。同时由于此天线采用了对称结构，因此可以实现双波瓣同时工作的特性。
图2所示，本发明的环形缝隙天线为双频工作模式，其第一个谐振频点为11.7GHz，第二个谐振频点为12.1GHz，天线的总相对频率带宽14％。图3中可以看到在天线的方位角135度和315度，仰角30度位置出现了天线波束的双主瓣，主瓣宽度为70度，主瓣增益为5.69dB。图4中天线主瓣方向为方位角45度和245度，仰角30度，主瓣宽度为75度，主瓣增益为6.21dB。
本发明天线实现了双频、双波瓣同时工作，不同频率方向分集，馈源只需在天线中心一处馈电，天线设计自由度大，可优化结构广泛，设计简便，因此可以大规模的推广。另外本发明天线材料加工只需要印刷电路加工工艺，材料简单价格便宜。
Claims (4)
1.一种双波束缝隙阵列天线，它包括PCB板，该PCB板为正方形或者圆形，其特征在于，PCB板由表层、中间层和底层组成，所述表层和底层分别为铜层，中间层为FR-4环氧树脂层，该FR-4环氧树脂层的介质介电常数ε为4，
所述正方形PCB板的表层上按田字形状被均分成四个小正方形区间，该四个小正方形区间沿顺时针方向依次为第一区间(1-1)、第二区间(1-2)、第三区间(1-3)和第四区间(1-4)，
或者圆形PCB板的表层上沿圆周方向被均分成四个小区间，该四个小区间沿顺时针方向依次为第一区间(1-1)、第二区间(1-2)、第三区间(1-3)和第四区间(1-4)，
以正方形PCB板的中心为圆心，或者以圆形PCB板的圆心为圆心，第一区间(1-1)和第三区间(1-3)相互对称的开有半径为r1、r1+h、r1+2h、……r1+nh的90度环形缝隙，第二区间(1-2)和第四区间(1-4)相互对称的开有半径为r2、r2+h、r2+2h、……r2+nh的90度环形缝隙，n为大于或者等于2的整数，r2的长度为所述缝隙天线双频中第一个谐振频率11.7GHz对应的波长的1/4，r1的长度为所述缝隙天线双频中第二个谐振频率12.1GHz对应的波长的1/4，h为PCB板的每个区间内相邻环形缝隙的间距，所述环形缝隙的宽度均为w；
所述缝隙天线的馈源采用中心同轴线馈电的方式，所述同轴线SMA接头的中心内导体与PCB板的表层连接，同轴线SMA接头的外导体与PCB板的底层连接。
2.根据权利要求1所述的双波束缝隙阵列天线，其特征在于，所述h＝λsw/2，λsw为平板介质波导波长，λ0为馈源馈入电磁波的自由空间波长。
3.根据权利要求1或2所述的双波束缝隙阵列天线，其特征在于，所述PCB板为正方形，PCB板的尺寸为50mm*50mm，PCB板的板厚为1.5mm。
4.根据权利要求3所述的双波束缝隙阵列天线，其特征在于，r1为7mm，r2为8mm，环形缝隙的宽度w均为1mm，h为4.5mm。
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