CN105914459B - 具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线 - Google Patents

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Abstract

具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，属于天线设计领域，包括单层介质基板、金属通孔阵列、正面十字型缝隙、反面十字型缝隙、同轴馈电端口；其中，单层介质基板正反两面均覆盖金属，边缘均被金属通孔阵列包围，形成金属腔体结构；正面十字型缝隙和反面十字型缝隙刻蚀在介质基板正反两面的金属上，作为辐射结构；同轴馈电端口位于介质基板边缘的中心处，作为信号输入端；该天线可以覆盖多个频段；本发明实现了仅使用一层介质基板的具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，阻抗带宽、轴比带宽、方向图和增益性能良好，同时具有低剖面、低成本、易加工的特点，适用于巷道环境下的无线通信设备。

Description

具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及天线设计技术，特别涉及一种具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线。
背景技术
全国大部分地区已经实现了无线通信的覆盖，但是在部分环境下无线通信依然发展缓慢,信号的覆盖率与质量不够好。巷道环境就是其中一种有代表性的空间受限的通信环境。狭义的巷道环境有矿井、隧道等结构复杂的空间，广义上如高铁铁轨、城市街道、大桥上等。
在巷道环境中，无线通信设备相比有线通信设备，具有成本低廉，设计、布置、检修、更换方便，可以重复利用且对于地震等灾害抵抗力强的特点，因此受到广泛关注。同时，巷道环境普遍狭长，为了方便人类在巷道下的活动，通信设备的小型化是必然趋势。在小型化的基础上，仍然需要天线保证较大的信号覆盖面积和一定的信号质量。为了在巷道环境下提高天线的覆盖面积和信号质量，需要天线在两个相对的主方向上有相对较好的增益。
为了构建完全无线的井下通信，需要克服狭长信道带来的严重的多径效应和传播延时。由于圆极化电磁波经过密度不同的空气，不会造成旋向改变，依然可以被对应圆极化接受天线接收；圆极化波入射到平面时，反射波旋向与原波旋向相反，不会被对应天线接收，因此圆极化天线可以抑制多径反射造成的影响；圆极化天线可以接受任意极化的线极化电磁波。因此无线通信设备中使用圆极化天线将会具有更好的通信效果。
在巷道环境中，采用双向同旋圆极化天线不需要发射天线与接收天线严格对准；两个天线之间只有一种连接方式，在安装天线时没有正反向的区分，同时为维修和更换带来便利；基于区域分集通信原理，对天线安放地点进行选择，可以减小多径效应和信号衰减的影响。因此，在巷道环境中，采用双向同旋圆极化天线接力传递的无线通信方式是一种重要的备选方案。
在已有的文献中，双向同旋圆极化天线的类型包含微带贴片天线、波导天线、偶极子天线阵列、缝隙天线结合频率选择表面等。然而，波导天线、偶极子天线阵列、缝隙天线结合频率选择表面均存在体积较大、安装不便等问题；微带贴片天线存在结构较为复杂、使用基板层数较多、制作成本较高等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，能够双向辐射出相同旋向的圆极化波，且具有低剖面、低成本、易加工的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，包括单层介质基板1、金属通孔阵列2、正面十字型缝隙3、反面十字型缝隙4和同轴馈电端口5，其中：
单层介质基板1正反两面均覆盖金属，边缘均被金属通孔阵列2包围，形成金属腔体结构；
正面十字型缝隙3刻蚀在介质基板1正面金属上，反面十字型缝隙4刻蚀在介质基板1反面金属上，作为辐射结构；
同轴馈电端口5位于介质基板1边缘的中心处，作为信号输入端。
所述金属通孔阵列2由若干高度相同的金属通孔组成，相邻金属通孔之间的间距均相同，金属通孔阵列2与覆盖介质基板1正反两面的金属共同构成金属腔体，金属腔体的正反两面为正方形，侧面为矩形。
所述正面十字缝隙3的中心与金属腔体正面的中心重合，反面十字缝隙4的中心与金属腔体反面的中心重合，正面十字型缝隙3由两条长度不同、相互垂直、中心连接的矩形窄带缝隙一31和矩形窄带缝隙二32组成，反面十字型缝隙4由两条长度不同、相互垂直、中心连接的矩形窄带缝隙三41和矩形窄带缝隙四42组成，正面十字型缝隙3中长度较长的矩形窄带缝隙一31和反面十字缝隙4中长度较长的矩形窄带缝隙四42长度相同，正面十字型缝隙3中长度较短的矩形窄带缝隙二32和反面十字缝隙4中长度较短的矩形窄带缝隙三41长度相同，且矩形窄带缝隙一31和矩形窄带缝隙三41相互平行，矩形窄带缝隙二32和矩形窄带缝隙四42相互平行。
所述同轴馈电端口5的内导体连接覆盖介质基板1正面的金属，同轴馈电端口5的外导体连接覆盖介质基板1反面的金属。
所述介质基板1反面的金属与同轴馈电端口5的连接处，设置有与同轴馈电端口5内导体相连的金属圆环和位于金属圆环外的用于隔离同轴馈电端口5内、外导体的圆环缝隙。
本发明的天线可以覆盖多个频段，实现了仅使用一层介质基板的具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，阻抗带宽、轴比带宽、方向图和增益性能良好，同时具有低剖面、低成本、易加工的特点，适用于巷道环境中各类无线通信设备的使用。
附图说明
图1为本发明中天线的三维结构示意图。
图2为本发明中天线的实施实例，其中包括2(a)正面，2(b)侧面和2(c)反面视角的具体尺寸；图上标注的尺寸单位均为毫米(mm)；该具体实施实例应用于工作在2.4GHz的双向同旋圆极化天线。
图3为本发明中天线实施实例的反射系数仿真图。
图4为本发明中天线实施实例的轴比仿真图。
图5为本发明中天线实施实例的主极化和交叉极化在不同平面的辐射特性仿真图，其中包括5(a)XOZ平面，5(b)YOZ平面。
图6为本发明中天线实施实例的增益仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的技术方案实现方式为：覆盖在介质基板1正反两面的金属，与介质基板1四周的金属通孔阵列2共同组成金属腔体结构。同轴馈电端口5位于介质基板1某侧边缘的中心处，作为信号输入端。通过同轴馈电端口5输入激励信号，金属腔体的内部产生两个相互正交的模式。刻蚀在介质基板1正面金属上的正面十字型缝隙3和刻蚀在介质基板1反面金属上的反面十字型缝隙4组成的辐射结构使天线具有双向辐射的特点。调整组成正面十字型缝隙3和反面十字型缝隙4的矩形窄带缝隙一31、矩形窄带缝隙二32、矩形窄带缝隙三41和矩形窄带缝隙四42分别具有不同的长度，使正面十字型缝隙3和反面十字型缝隙4辐射出圆极化电磁波。改变正面十字型缝隙3和反面十字型缝隙4的摆放角度，使天线具有产生双向同旋圆极化电磁波的特性。
该发明的实施例的结构具体说明如下：
具体实施尺寸如图2所示；介质基板1的尺寸为63mm×63mm×2.54mm，材料为Taconic TLX-8，介电常数为2.55，介质正切角损耗为0.0019。金属通孔阵列2中，所有金属通孔的中心距离介质基板1的边缘均为1mm，金属通孔高度与介质基板1的厚度一致，通孔直径为1mm，通孔中心之间距离为2mm。覆盖介质基板1正反面的金属与金属通孔阵列2共同组成的金属腔的尺寸为60mm×60mm×2.54mm。正面十字型缝隙3中长度较长的矩形窄带缝隙一31和反面十字缝隙4中长度较长的矩形窄带缝隙四42长度相同，均为53.2mm；正面十字型缝隙3中长度较短的矩形窄带缝隙二32和反面十字缝隙4中长度较短的矩形窄带缝隙三41长度相同，均为49.6mm；矩形窄带缝隙一31、32、41、42的宽度均为1.8mm。同轴馈电端口5的内导体中心，距离介质基板1边缘的距离为7.5mm；介质基板1反面与同轴馈电端口5的连接处，有与同轴馈电端口5内导体相连的宽度为0.5mm的金属圆环，和用于隔离同轴馈电端口5内、外导体的宽度为1mm的圆环缝隙。
根据以上尺寸设计的天线，其反射系数仿真结果如图3所示，低于-10dB的阻抗带宽为2.368-2.411GHz(43MHz)；天线的轴比仿真结果如图4所示，低于-3dB的带宽为2.34-2.44GHz(100MHz)；在中心频点2.39GHz处，天线在XOZ截面和YOZ截面的主极化和交叉极化的方向图，分别如图5(a)和5(b)所示；天线的±Z平面的最大增益值的仿真结果相同，如图6所示。
综上，本发明实现了仅使用一层介质基板的具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，阻抗带宽、轴比带宽、方向图和增益性能良好，同时具有低剖面、低成本、易加工的特点，适用于巷道环境下的无线通信设备。

Claims (4)

1.具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，其特征在于，包括单层介质基板(1)、金属通孔阵列(2)、正面十字型缝隙(3)、反面十字型缝隙(4)和同轴馈电端口(5)，其中：
单层介质基板(1)正反两面均覆盖金属，边缘均被金属通孔阵列(2)包围，形成金属腔体结构；
正面十字型缝隙(3)刻蚀在介质基板(1)正面金属上，反面十字型缝隙(4)刻蚀在介质基板(1)反面金属上，作为辐射结构；
同轴馈电端口(5)位于介质基板(1)边缘的中心处，作为信号输入端，所述同轴馈电端口(5)的内导体连接介质基板(1)正面的金属，同轴馈电端口(5)的外导体连接介质基板(1)反面的金属。
2.根据权利要求1所述具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，其特征在于，所述金属通孔阵列(2)由若干高度相同的金属通孔组成，相邻金属通孔之间的间距均相同，金属通孔阵列(2)与覆盖介质基板(1)正反两面的金属共同构成金属腔体，金属腔体的正反两面为正方形，侧面为矩形。
3.根据权利要求1所述具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，其特征在于，所述正面十字型缝隙(3)的中心与金属腔体正面的中心重合，反面十字型缝隙(4)的中心与金属腔体反面的中心重合，正面十字型缝隙(3)由两条长度不同、相互垂直、中心连接的矩形窄带缝隙一(31)和矩形窄带缝隙二(32)组成，反面十字型缝隙(4)由两条长度不同、相互垂直、中心连接的矩形窄带缝隙三(41)和矩形窄带缝隙四(42)组成，正面十字型缝隙(3)中长度较长的矩形窄带缝隙一(31)和反面十字型缝隙(4)中长度较长的矩形窄带缝隙三(41)长度相同，正面十字型缝隙(3)中长度较短的矩形窄带缝隙二(32)和反面十字型缝隙(4)中长度较短的矩形窄带缝隙四(42)长度相同，且矩形窄带缝隙一(31)和矩形窄带缝隙三(41)相互平行，矩形窄带缝隙二(32)和矩形窄带缝隙四(42)相互平行。
4.根据权利要求1所述具有双向同旋圆极化特性的双十字缝隙腔体天线，其特征在于，所述介质基板(1)反面的金属与同轴馈电端口(5)的连接处，设置有与同轴馈电端口(5)内导体相连的金属圆环和位于金属圆环外的用于隔离同轴馈电端口(5)内、外导体的圆环缝隙。
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