CN107611574A - 一种高前后比的低剖面宽带双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于双极化天线技术领域，公开了一种高前后比的低剖面宽带双极化天线，设置有辐射贴片、阻抗变换微带线和反射地板；辐射贴片采用四个梯形的辐射元；辐射贴片对角线方向的一对辐射元构成一个线极化工作状态，另一对辐射元构成另一个正交的线极化工作状态；微带线采用交叉型的馈电方式，一对辐射元分别通过一条微带传输线进行耦合馈电和直接馈电，另一对辐射元也通过相同形式的微带传输线连接并馈电，两条微带传输线交叉的部分通过对其中一个微带线的弯折进行隔离。本发明天线厚度0.1λ，天线阻抗带宽36.6％，阻抗带宽内端口隔离度大于25dB，前后比最大可达31dB，实现了高隔离度和宽阻抗带宽特性。

Description

一种高前后比的低剖面宽带双极化天线

技术领域

本发明属于双极化天线技术领域，尤其涉及一种高前后比的低剖面宽带双极化天线。

背景技术

双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，因此在同一频带内，天线可以同时发射或接收两路信号。双极化天线可以实现两幅天线的作用，可缩减天线成本和安装空间；同时，收发天线采用正交极化可以减小收发天线间的互耦影响，改善通信质量；收发天线同时工作时还可以扩展通信链路，增加通信容量。目前，双极化天线被广泛的应用于无线通信以及雷达成像领域。常用的双极化天线形式有正交的半波振子天线和双极化微带天线。正交的半波振子采用两个半波振子天线正交放置，在中心处分别对两振子馈电，可获得双向辐射，增益较低，为得到单向辐射，需在天线一侧0.25λ～0.5λ的位置放置金属反射板，但是其前后比无法满足要求。在移动载体通信应用中，通常要求天线具有具有低剖面和高前后比特性，这在高速移动平台的应用中尤其明显。双极化微带天线具有微带天线低剖面的特点，但随着微带天线横向尺寸减小，定向性会变差，前后比较低且带宽较窄，为了增加前后比和阻抗带宽，常用方法包括在天线顶端增加偶极子天线来增加前后比等，但同时会造成天线高度的明显增加。在移动通信中，天线的工作带宽是很重要的技术指标，为适应当前高速大容量通信的需求，天线具有宽频带是发展趋势。对于双极化天线，天线尺寸和带宽之间存在着矛盾，尤其在天线高度受到限制时，天线带宽很难增加。根据现有的双极化天线技术，当天线高度小于0.1λ时，受到天线高度的限制，天线带宽仅能达到20％左右。因此，在低剖面结构下，如何实现双极化定向天线的宽频带和高前后比特性是无线通信领域急需解决的难题。天线在小尺寸时，其输入阻抗表现为明显的谐振特性，电阻和电抗均变化剧烈，这使得天线与50欧姆标准馈线连接时表现为窄带特性。天线在低剖面情况下，输入电阻会明显减小，使得阻抗匹配变得更加困难，同时天线的前后比只能在10dB以下。因此，对于双极化定向天线，在低剖面下获得宽频带和高前后比特性一直都没有解决。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的双极化天线技术，当天线高度小于0.1λ时，天线带宽仅能达到20％左右；天线在小尺寸时，其输入阻抗表现为明显的谐振特性，电阻和电抗均变化剧烈，使得天线与50欧姆标准馈线连接时表现为窄带特性；天线在低剖面情况下，输入电阻会明显减小，使得阻抗匹配变得更加困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高前后比的低剖面宽带双极化天线。

本发明是这样实现的，一种高前后比的低剖面宽带双极化天线，所述高前后比的低剖面宽带双极化天线设置有辐射贴片，微带传输线和反射地板；

所述辐射贴片位于低剖面宽带双极化天线的最上层，并在最外侧通过短路墙与所述反射地板相连；所述微带传输线位于所述辐射片的下面；所述反射板位于低剖面宽带双极化天线的最下层；

所述辐射贴片采用四个中心对称分布的辐射元组成；所述辐射贴片对角线方向的一对辐射元构成一个线极化工作状态，另一对辐射元构成正交的线极化工作状态；

微带线采用交叉型的馈电方式，一对辐射元分别通过一条微带传输线进行耦合馈电和直接馈电，另一对辐射元也通过相同形式的微带传输线连接并馈电，两条微带传输线交叉的部分通过对其中一个微带线的弯折进行隔离。

进一步，所述辐射元是四个对称式的梯型辐射片，每对辐射元通过微带传输线馈电。

进一步，所述微带传输线采用了交叉的双馈电线结构，一条馈电线分别对一对梯形贴片进行耦合馈电和直接馈电。

进一步，所述微带传输线分别有水平和垂直部分，通过设置微带线与贴片和短路墙的距离，可以用于阻抗变换。

进一步，所述梯形贴片通过短路墙和地板相连接。

进一步，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的内芯穿过金属地板与微带传输线连接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述高前后比的低剖面宽带双极化天线的可穿戴医疗保健和生物医学设备。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述高前后比的低剖面宽带双极化天线的雷达阵列天线。

本发明的优点及积极效果为：辐射元采用四个对称的辐射贴片组成，采用微带传输线进行分别馈电；所述辐射贴片对角线方向的一对辐射元构成一个线极化工作状态，另一对辐射元构成正交的线极化工作状态；每一对辐射贴片近似于全向辐射，当一对辐射元被等幅反相的电流激励时，在天线的正上方可以得到定向方向图；由于四个辐射元结构简单、紧凑，天线厚度小于0.1λ，这一天线高度明显小于传统微带天线；同时，天线阻抗带宽达到36.6％，在整个带宽内端口隔离度大于25dB；使得在相同的外形尺寸下，双极化天线可以实现更宽的工作频带，和更高的隔离度。这些指标的提升可使通信系统容量增大、抗干扰性增强、通信功能增加。

综上所述，由于采用了对称式短路辐射元，四分之一阻抗变换器和反射地板，本发明天线同时实现了天线的高前后比、低剖面、宽频带、双极化和高隔离度特性，解决了传统双极化微带天线的技术难题。本发明可应用于身体通信，生物识别应用，可穿戴医疗保健和生物医学设备。此外，本发明天线技术也可用于星载和机载的雷达阵列单元，有助于获得高性能的雷达阵列天线。解决现有技术存在的问题后，可以突破目前天线的带宽和前后比受天线尺寸的限制，在低剖面和紧凑外形下解决天线的宽带和高前后比，实现可以提升移动载体上共形天线的技术性能，改善移动通信质量，减小安转平台对天线性能的不良影响，提高了系统稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线结构示意图。

图2是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线微带传输线结构图。

图3是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线正视图。

图4是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线两端口的电压驻波比曲线图。

图5是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线的前后比曲线图。

图6是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线的S21曲线图。

图7是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线的增益曲线图。

图8是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线在2.4GHz的E面方向图和H面方向图。

图9是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线在3GHz的E面方向图和H面方向图。

图10是本发明实施例提供的高前后比的低剖面宽带双极化天线在3.5GHz的E面方向图和H面方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1-图3所示，本发明实施例的高前后比的低剖面宽带双极化天线包括辐射贴片1，辐射贴片1位于天线的最上层，辐射贴片1采用纯铜制造，辐射贴片分为四个完全相同的辐射元，其形状如图所示为等腰梯形；短路墙2，短路墙2位于天线的中间，短路墙2同样采用纯铜制造，他是用来支撑天线，连接辐射元和接地板的；微带传输线3，微带传输线3也是位于辐射贴片和地板中间位置的，采用具有垂直和水平部分的四分之一微带阻抗变换器，用来将天线的高阻抗匹配到50欧姆，在接近地板部分与同轴线内芯相连；微带线301部分向下弯折，其目的是增加天线两个端口之间的隔离。两射频接头4，射频接头4置于金属地板5的下侧，射频接头4的内芯穿过金属地板，内芯和垂直的传输线进行焊接，射频接头4的外皮与金属地板5连接。

辐射元1是四个对称式的梯形辐射贴片，每对辐射元通过微带线馈电并通过短路墙接地，这样每对辐射元都可以得到类似对称阵子的方向图。当增加接地板和短路墙时，就可以在天线的上半空间得到定向方向图。同时由于短路墙高度低，并且结构紧凑，因此天线能够实现低剖面的特性。

四个辐射元1都是梯形辐射贴片，这一属性可以显著增加天线带宽。同时，由于天线结构的对称性，以及辐射元之间的缝隙，同时产生磁流元和电流元，这时两个等效辐射元叠加会产生定向的效果，使得天线的前后比相对其他天线要优越的多，使辐射元保持高前后比特性。

微带传输线3用来解决辐射元1在宽频带内的阻抗匹配问题。由于天线的输入阻抗不是标准的50欧姆，所以需要进行阻抗匹配，并且低剖面特性，辐射元距离金属底板很近，这使得辐射元的输入阻抗较大，难以与50欧姆同轴线进行匹配。

多项技术共同实施，使得本发明天线的厚度小于0.1λ，同时天线还具有高前后比，宽频带、双极化和高隔离度的优点。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真内容

如图4-图10所示，利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、前后比、隔离度、增益及方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图4是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。实线和虚线分别代表两个端口(端口1、端口2)的电压驻波比。可以看到，两个端口都表现出良好的宽带特性，并且曲线的一致性良好。在2.4Ghz到3.5Ghz范围内，电压驻波比都小于2，相对带宽为36.6％。该结果表明本发明天线在低剖面下获得了显著的宽带特性，同时天线的两端口具有良好对称性，该频带可满足移动通信对带宽需求。

图5是对实施例天线仿真得到的前后比参数随工作频率变化的曲线，表明天线低背辐射特性。可以看出，本发明的天线获得了较高的前后比，较低的背辐射。其中，前后比大于17dB的频带可覆盖2.4～3.5GHz，相对带宽达到36％。在中心频率处其前后比达到31dB。

图6是对实施例天线仿真得到的S21参数随工作频率变化的曲线，表明两端口的隔离特性。可以看出，本发明的天线获得了良好的宽带隔离度。其中，隔离度大于25dB的频带可覆盖2.4～3.5GHz，相对带宽达到36.7％，覆盖了整个阻抗带宽，该隔离度指标可满足大部分移动通信需求。这样良好的宽带隔离度可以确保天线在宽频带内双极化工作的稳定性，最大程度的减小天线双极化状态的相互影响。

图7是对实施例天线仿真得到的增益随工作频率变化的曲线。如图7所示，在工作频带内(2.4～3.5GHz)，天线增益在5dB到6.5dB之间，对于低剖面天线，这样的增益是可观的。

图8～图10是对实施例天线仿真得到的宽频带内E面方向图和H面方向图，分别在2.4GHz、3GHz和3.5GHz获得。其中实线为主极化，虚线为交叉极化，从图中可以看出天线的最大辐射方向基本都在轴向，方向比较稳定，中频方向图后瓣较小，低频、高频方向图开始恶化，尤其是低频，相对于中频后瓣电平明显增大。但总体前后比大于17dB，后瓣抑制相对较好。并且天线在不同的材料表面时性能稳定，抗干扰能力强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高前后比的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述高前后比的低剖面宽带双极化天线设置有辐射贴片，微带传输线和反射地板；

所述辐射贴片位于低剖面宽带双极化天线的最上层，并在最外侧通过短路墙与所述反射地板相连；所述微带传输线位于所述辐射片的下面；所述反射板位于低剖面宽带双极化天线的最下层；

所述辐射贴片采用四个中心对称分布的辐射元组成；所述辐射贴片对角线方向的一对辐射元构成一个线极化工作状态，另一对辐射元构成正交的线极化工作状态；

微带线采用交叉型的馈电方式，一对辐射元分别通过一条微带传输线进行耦合馈电和直接馈电，另一对辐射元也通过相同形式的微带传输线连接并馈电，两条微带传输线交叉的部分通过对其中一个微带线的弯折进行隔离。

2.如权利要求1所述的高前后比的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述辐射元是四个对称式的梯型辐射片，每对辐射元通过微带传输线馈电。

3.如权利要求1所述的高前后比的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述微带传输线采用了交叉的双馈电线结构，一条馈电线分别对一对梯形贴片进行耦合馈电和直接馈电。

4.如权利要求3所述的高前后比的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述微带传输线分别有水平和垂直部分，通过设置微带线与贴片和短路墙的距离，可以用于阻抗变换。

5.如权利要求1所述的高前后比的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述梯形贴片通过短路墙和地板相连接。

6.如权利要求1所述的高前后比的低剖面宽带双极化天线，其特征在于，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的内芯穿过金属地板与微带传输线连接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。

7.一种使用权利要求1～6任意一项所述高前后比的低剖面宽带双极化天线的可穿戴医疗保健和生物医学设备。

8.一种使用权利要求1～6任意一项所述高前后比的低剖面宽带双极化天线的雷达阵列天线。