CN108448242A - 一种高隔离度三频双极化全向天线 - Google Patents

一种高隔离度三频双极化全向天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高隔离度三频双极化全向天线，包括天线辐射单元、水平极化馈电单元及垂直极化馈电单元，天线辐射单元由一个口径面开口的长方体及三面开缝的矩形背腔构成；水平极化馈电单元包括矩形金属贴片、渐变形式金属贴片及L形金属贴片，L形金属贴片和渐变形式金属贴片开有两条长度宽度均相等的水平缝隙；垂直极化馈电单元包括两条分支长短不一的Y形金属贴片、三个大小不一的矩形金属贴片和L形金属贴片，Y形金属贴片的两个分支开路、中号矩形金属贴片、大号矩形金属贴片、L形金属贴片、小号矩形金属依次端到端连接。本发明天线辐射体结构简单新颖，可完全覆盖国内无人驾驶航空器飞行频段，并具有较好的水平垂直双极化全向覆盖特性。

Description

一种高隔离度三频双极化全向天线
技术领域
本发明涉及无人驾驶航空器使用的天线技术领域，具体涉及一种高隔离度三频双极化全向天线。
背景技术
随着科学技术的进步，无线通信在人们生活中越来越发挥着不可替代的作用，天线作为移动通信中必不可少的部分也得到了飞速发展。为满足应急救灾、森林防火、环境监测、科研试验等，工信部于2015年3月10号将840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段划分为无人驾驶航空器系统使用频段。因此研究覆盖上述频段的三频双极化全向天线变得极其必要与有意义。
双极化天线是极化分集技术的一种应用，它是利用互不相关的两个极化正交电磁信号来获取一定的分集增益，与其他的分集技术相比，双极化天线具有天线数目少、体积小等优点。除此之外，双极化天线还可以保持设备输出功率和带宽不变的情况下，有效提高系统容量和无线频谱资源的利用率。
全向天线是指在水平面360°均匀辐射，垂直面内有一定波束宽度的天线，故其发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收，同时可接收水平面各个方向的信号，在广播电视、移动通信基站、WLAN、卫星通信、高速飞行器等无线通信领域有着广泛应用。
目前在无线通信相关天线领域中，对三频双极化全向天线的研究少之又少。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种高隔离度三频双极化全向天线。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高隔离度三频双极化全向天线，包括天线辐射单元、水平极化馈电单元及垂直极化馈电单元，所述的天线辐射单元由一个口径面开口的长方体及三面开缝的矩形背腔构成，长方体的开口面与开缝的矩形背腔所开缝隙背向相互垂直，长方体右侧面与矩形背腔的左侧面相贴，其中，矩形背腔的左侧面为未开缝隙的一面。
所述的水平极化馈电单元包括矩形金属贴片、渐变形式金属贴片及第一L形金属贴片，所述的第一L形金属贴片包括长边矩形面及短边矩形面，所述的长边矩形面的一端与所述的短边矩形面的一端空间正交相接，另一端则开路；所述的短边矩形面的另一端与所述的渐变形式金属贴片的一端相接，所述的渐变形式金属贴片的另一端与矩形金属贴片连接，矩形金属贴片的另一端开路，所述的第一L形金属贴片和所述的渐变形式金属贴片开有两条长度相等、宽度相等的水平缝隙；
所述的垂直极化馈电单元包括两条分支长短不一的Y形金属贴片、三个大小不一的矩形金属贴片和第二L形金属贴片，所述的Y形金属贴片的两个分支开路，另一端与中号矩形金属贴片相连，中号矩形金属贴片的另一端与大号矩形金属贴片相连，大号矩形金属贴片的另一端与第二L形金属贴片的一端相连，第二L形金属贴片的另一端与小号矩形金属贴片，小号矩形金属贴片的另一端开路。本发明天线辐射体结构简单新颖，可完全覆盖国内无人驾驶航空器飞行频段，并具有较好的水平垂直双极化全向覆盖特性。
所述的渐变形式金属贴片为椭圆形渐变、圆形渐变或抛物线渐变。
进一步地，所述的第一L形金属贴片中长边矩形面与长方体的侧面平行，所述短边矩形面与长方体的背面平行，所述的矩形金属贴片与长方体的侧面平行。
进一步地，所述的第一L形金属贴片和所述的渐变形式金属贴片上的两条水平缝隙中心线对称，缝隙宽0.6-1.2mm，两缝隙之间的距离与两缝隙之间的总长度之和为0.2λL-0.3λL，其中λL为该天线低频段中心谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述的渐变形式金属贴片在靠近第一L形金属贴片中短边矩形面的一端中心为水平馈电单元的馈电点，所述的Y形金属贴片的主干与两分支的交点处为垂直馈电单元的馈电点，上述馈电点分别与同轴线相连接。
进一步地，所述的Y形金属贴片距离开缝的矩形背腔的右侧面3mm，所述的中号矩形金属贴片距离开缝的矩形背腔的上侧面4mm，所述的大号矩形金属贴片距离开缝的矩形背腔的左侧面2.7mm，所述的第二L形金属贴片距离开缝的矩形背腔的底面4mm，所述的小号矩形金属贴片距离开缝的矩形背腔的右侧面8.7mm。
进一步地，所述的长方体的长为0.1λL-0.25λL，宽为0.05λL-0.1λL、高为0.26λL-0.36λL；
所述的矩形背腔的长为0.1λL-0.2λL，宽为0.05λL-0.15λL，高为0.25λL-0.4λL，其中，λL为该天线低频段中心谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述的矩形背腔的三面开有两条长短不一的缝隙，短缝隙宽度为5mm，短缝隙总长度为0.39λM，长缝隙宽度为5mm，长缝隙总长度为0.31λL，其中，λM为该天线中频段中心谐振频率fM在自由空间中所对应的波长，λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述的Y形金属贴片中两条长短不一的分支开路分别给长缝隙和短缝隙馈电，其中，给短缝隙馈电的枝节宽度为0.01λM-0.03λM，给长缝隙馈电的枝节宽度为0.01λL-0.03λL，其中λM为该天线中频段中心谐振频率f M在自由空间中所对应的波长，λL为该天线低频段中心谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明由两个辐射单元构成，水平极化辐射单元为口径面开口的长方体，通过口径面开口形成全向辐射，垂直极化辐射单元为矩形背腔，通过开有两条水平弯折缝隙及垂直极化馈电单元实现三频垂直全向极化，该天线结构简单，仅由金属组成，加工成本低。
2)该天线结构简单新颖，可完全覆盖国内无人驾驶航空器系统的三个频段，且各频段分别可控，且三个频段都能获得良好的全向性能，且三个频段处的交叉极化均较小。
3)该天线的隔离度较高，在840.5-845MHz频段内的极化隔离度优于40.5dB，在1430-1444MHz频段内的极化隔离度优于42.6dB，在2408-2440MHz频段内的极化隔离度优于34.8dB。
附图说明
图1是本发明高隔离度三频双极化全向天线的立体图；
图2是本发明高隔离度三频双极化全向天线的俯视图；
图3本发明高隔离度三频双极化全向天线水平馈电单元的立体图；
图4本发明高隔离度三频双极化全向天线垂直馈电单元的立体图；
图5是本发明高隔离度三频双极化全向天线的带宽；
图6是本发明天线辐射单元中口径面开口的长方体在842MHz处的XOY平面的辐射方向图；
图7是本发明天线辐射单元中口径面开口的长方体在1437MHz处的XOY平面的辐射方向图；
图8是本发明天线辐射单元中口径面开口的长方体在2425MHz处的XOY平面的辐射方向图；
图9是本发明天线辐射单元中开有缝隙的矩形背腔在842MHz处的XOY平面的辐射方向图；
图10是本发明天线辐射单元中开有缝隙的矩形背腔在1437MHz处的XOY平面的辐射方向图；
图11是本发明天线辐射单元中开有缝隙的矩形背腔在2425MHz处的XOY平面的辐射方向图；
其中，附图标记说明如下：
R---天线辐射单元，HF---水平馈电单元，VF---垂直馈电单元，HF1---第一L形金属贴片，HF2---矩形金属贴片，HF3---渐变形式金属贴片，VF1---Y形金属贴片，VF2---中号矩形金属贴片，VF3---大号矩形金属贴片，VF4---第二L形金属贴片，VF5---小号矩形金属贴片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-图4所示，一种高隔离度三频双极化全向天线，包括天线辐射单元R、水平极化馈电单元HF及垂直极化馈电单元VF，所述的水平极化馈电单元与垂直极化馈电单元分别与50欧姆同轴线C相连接。
全向天线垂直放置，其中，天线辐射单元R由一个口径面开口的长方体及开缝的矩形背腔构成，所述的天线辐射单元R的板材为铜板，厚度为0.5mm。所述的水平极化馈电单元HF位于长方体内，且位于长方体垂直方向的中间位置，所述的垂直极化馈电单元VF竖直放置在矩形背腔内，两个馈电单元的板材均为铜板，厚度均为0.3mm。
在本实施例中，口径面开口的长方体实现水平极化，其口径面长H1＝0.33λL，宽AB＝0.08λL，长方体深度为BD＝0.16λL。水平极化馈电单元HF包括矩形金属贴片HF2、渐变形式金属贴片HF3及第一L形金属贴片HF1，第一L形金属贴片包括长边矩形面及短边矩形面，长边矩形面的一端与短边矩形面的一端空间正交相接，长边矩形面的另一端则开路；短边矩形面的另一端与渐变形式金属贴片的一端相接，渐变形式金属贴片的另一端与矩形金属贴片的一端连接，矩形金属贴片的另一端开路，所述的第一L形金属贴片和所述的渐变形式金属贴片开有两条宽度均为1mm的水平缝隙，两缝隙的总长度与两缝隙之间的距离的长度之和近似为0.25λL。渐变形式金属贴片HF3，具体为椭圆形渐变、圆形渐变或抛物线渐变，本实施例中采用椭圆形式的渐变，所在椭圆长轴为55.8mm，短轴为20mm，渐变形式金属贴片宽度为33mm。渐变形式金属贴片HF3与第一L形金属贴片HF1相连的一端在距离天线辐射单元相接面4.5mm的中点处与50欧姆同轴线C相连。其中，λL为该天线低频段中心谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
本实施例中矩形背腔用于实现垂直极化，矩形背腔长FG＝0.15λL，宽GH＝0.1λL，高H2＝0.33λL。矩形背腔除与长方体相接面外，其他三面开有缝隙，所开两条缝隙宽度均为W＝5mm，短缝隙总长度为0.39λM，长缝隙总长度为0.31λL。其中λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长，λM为该天线中频段中心谐振频率fM在自由空间中所对应的波长。垂直馈电单元VF包括两条分支长短不一的Y形金属贴片VF1，三个大中小不一的矩形金属贴片VF3、VF2、VF5(VF3为大号矩形金属贴片、VF2为中号矩形金属贴片、VF5为小号矩形金属贴片)和第二L形金属贴片VF4。
Y形金属贴片VF1的一端为两个分支开路，另一端与中号矩形金属贴片VF2的一端相连，中号矩形金属贴片VF2的另一端与大号矩形金属贴片VF1的一端相连，大号矩形金属贴片VF1的另一端与第二L形金属贴片VF4的一端相连，第二L形金属贴片VF4的另一端与小号矩形金属贴片VF5的一端相连，小号矩形金属贴片VF5的另一端开路。垂直极化馈电单元中VF1距离矩形背腔右侧面3mm，VF2距离矩形背腔上表面4mm，VF3距离矩形背腔左侧面2.7mm，VF4距离矩形背腔底面4mm，VF5距离矩形背腔右侧面8.7mm。Y形金属贴片VF1垂直于水平面放置，且两分支开路，给短缝隙馈电的分支宽度为4mm，给长缝隙馈电的主干宽度为8mm，中间枝节与50欧姆同轴线C相连接。
所述的水平馈电单元和垂直馈电单元除了与同轴线相连接外，不与其他物体连接。
如图5所示，是本实施例仿真所得天线带宽，由此图可得出结论，本发明高隔离度三频双极化全向天线具有835-846.9MHz，1426-1467MHz，2335-2504MHz的带宽，在该带宽上回波损耗达到-10dB，覆盖了无人驾驶航空器系统使用频段；并且在该带宽上，极化隔离度在34.8dB以上，隔离度较高。图6-图11是本实施例仿真所得天线在不同频率处的XOY平面辐射方向图，由图可得出结论，本发明高隔离度三频双极化全向天线有较好的水平全向辐射特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的天线包括天线辐射单元、水平极化馈电单元及垂直极化馈电单元，所述的天线辐射单元由一个口径面开口的长方体及三面开缝的矩形背腔构成，长方体的开口面与开缝的矩形背腔所开缝隙背向相互垂直，长方体右侧面与矩形背腔的左侧面相贴，其中，矩形背腔的左侧面为未开缝隙的一面；所述的水平极化馈电单元HF位于长方体内，且位于长方体垂直方向的中间位置，所述的垂直极化馈电单元VF竖直放置在矩形背腔内；所述的水平极化馈电单元与所述的垂直极化馈电单元分别与同轴线相连接；
所述的水平极化馈电单元包括矩形金属贴片、渐变形式金属贴片及第一L形金属贴片，所述的第一L形金属贴片包括长边矩形面及短边矩形面，所述的长边矩形面的一端与所述的短边矩形面的一端空间正交相接，所述的长边矩形面的另一端则开路；所述的短边矩形面的另一端与所述的渐变形式金属贴片的一端相接，所述的渐变形式金属贴片的另一端与所述的矩形金属贴片连接，所述的矩形金属贴片的另一端开路，所述的第一L形金属贴片和所述的渐变形式金属贴片开有两条长度相等、宽度相等的水平缝隙；
所述的垂直极化馈电单元包括依次连接的Y形金属贴片、中号矩形金属贴片、大号矩形金属贴片、第二L形金属贴片、小号矩形金属贴片，所述的Y形金属贴片包括两条长短不一的分支开路，所述的小号矩形金属贴片的一端为开路。
2.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的渐变形式金属贴片为椭圆形渐变、圆形渐变或抛物线渐变。
3.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的第一L形金属贴片中长边矩形面与长方体的侧面平行，所述短边矩形面与长方体的背面平行，所述的矩形金属贴片与长方体的侧面平行。
4.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的第一L形金属贴片和所述的渐变形式金属贴片上的两条水平缝隙中心线对称，缝隙宽0.6-1.2mm，两缝隙之间的距离与两缝隙之间的总长度之和为0.2λL-0.3λL，其中λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
5.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的渐变形式金属贴片在靠近第一L形金属贴片中短边矩形面的一端中心为水平馈电单元的馈电点，所述的Y形金属贴片的主干与两分支的交点处为垂直馈电单元的馈电点，上述馈电点分别与同轴线相连接。
6.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的Y形金属贴片距离开缝的矩形背腔的右侧面3mm，所述的中号矩形金属贴片距离开缝的矩形背腔的上侧面4mm，所述的大号矩形金属贴片距离开缝的矩形背腔的左侧面2.7mm，所述的第二L形金属贴片距离开缝的矩形背腔的底面4mm，所述的小号矩形金属贴片距离开缝的矩形背腔的右侧面8.7mm。
7.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的长方体的长为0.1λL-0.25λL，宽为0.05λL-0.1λL、高为0.26λL-0.36λL；
所述的矩形背腔的长为0.1λL-0.2λL，宽为0.05λL-0.15λL，高为0.25λL-0.4λL，其中，λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
8.根据权利要求1所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的矩形背腔的三面开有两条长短不一的缝隙，短缝隙宽度为5mm，短缝隙总长度为0.39λM，长缝隙宽度为5mm，长缝隙总长度为0.31λL，其中，λM为该天线中频段中心谐振频率fM在自由空间中所对应的波长，λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
9.根据权利要求8所述的一种高隔离度三频双极化全向天线，其特征在于，所述的Y形金属贴片中两条长短不一的分支开路分别给长缝隙和短缝隙馈电，其中，给短缝隙馈电的枝节宽度为0.01λM-0.03λM，给长缝隙馈电的枝节宽度为0.01λL-0.03λL，其中λM为该天线中频段中心谐振频率fM在自由空间中所对应的波长，λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
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