CN109361061B - 天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线，包括信号发射与接收单元、移相馈电单元、信号发射器和信号接收器，信号发射与接收单元包括垂直设置的两个辐射组，移相馈电单元包括信号发射端口、信号接收端口以及与多个连接端口，信号发射器的发射信号经移相馈电单元后产生相位差为90°的两路发射信号，并分别对应送至两个辐射组后辐射合成发射圆极化波；两个辐射组还用于接收与发射圆极化波的旋向相反的接收圆极化波，并分别对应感应出一路感应信号，且两路感应信号之间的相位差为90°，两路感应信号经移相馈电单元作用后在信号接收端口合成为接收信号。本发明的天线在收发同频时，仍然可以实现实时收发，能够减少频率对带宽的占用，使得天线占用更少的频谱资源。

Description

天线

技术领域

本发明涉及无线电测距技术领域，尤其涉及一种天线。

背景技术

在小功率超宽带无线电测距设备中，一般要求天线可以同时发射和接收无线电信号。接收天线接收到的无线电信号包括自身发射的自干扰信号和远处目标反射信号。自身发射的信号强度往往会远大于反射信号，有可能会烧毁接收机的低噪声放大器等电子电路，因此必须尽可能减少接收天线收到自身发射信号。另外，为了提高探测距离，提高回波信号的信噪比，也需要减少自干扰信号强度。以上两个需求，均需要提高天线的收发隔离度。

为了减少发射信号对接收的影响，传统的解决方案包括三种，一是将接收天线和发射天线分开，为两个独立的天线，进行空间收发隔离。二是如果发射和接收频率采用不同的工作频率，则接收和发射天线采用一个天线，进行频率隔离。该方案需要收发采用不同的频率，仅仅适合通信，不适合无线电测距，因为测距信号一定是收发同频率。三是采用时分方式，发射信号时，关闭接收机，发射信号为占空比为小于10％以下的测距脉冲信号，从而减少大功率的发射信号对接收机的影响。该方式的信号能量利用效率比较差，抗干扰能力比较差。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种天线，旨在解决现有技术中用于小功率超宽带无线电测距的小型天线同频实时收发时隔离度差的问题。

为实现上述目的，本发明提出的天线，包括信号发射与接收单元、移相馈电单元、信号发射器和信号接收器，所述信号发射与接收单元包括垂直设置的两个辐射组，所述移相馈电单元包括与所述信号发射器连接的信号发射端口、与所述信号接收器连接的信号接收端口以及与所述辐射组一一对应连接的多个连接端口；

所述信号发射器的发射信号经所述移相馈电单元作用后产生两路发射信号，且每路发射信号之间的相位差为90°，两路发射信号分别对应送至两个辐射组后辐射合成发射圆极化波；所述两个辐射组还用于接收与所述发射圆极化波的旋向相反的接收圆极化波，并分别对应感应出一路感应信号，且两路感应信号之间的相位差为90°，两路感应信号经所述移相馈电单元作用后在所述信号接收端口合成为接收信号并传送至所述接收信号连接器。

优选地，所述移相馈电单元包括3dB电桥。

优选地，所述辐射组包括第一辐射组和第二辐射组，所述第一辐射组和所述第二辐射组均包括两个辐射体，且所述第一辐射组的两个辐射体之间的中心连线与所述第二辐射组的两个辐射体之间的中心连线垂直。

优选地，所述第一辐射组的辐射体和所述第二辐射组的辐射体在所述天线的横截面上沿所述天线的中心呈圆周阵列布置，且所述第一辐射组的辐射体和所述第二辐射组的辐射体依次相邻间隔设置。

优选地，所述辐射体包括以一定夹角依次连接的径向贴片和轴向贴片，且相邻所述轴向贴片分别连接于所述径向贴片的相对的两侧边上。

优选地，所述径向贴片包括依次首尾连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，所述第一侧边与所述第三侧边相对，所述第二侧边与所述第四侧边相对，所述第四侧边靠近所述天线的轴线设置，所述第二侧边远离所述天线的轴线设置，所述第四侧边和所述第二侧边上均为锯齿状。

优选地，多层所述径向贴片和多个所述轴向贴片的连接方向形成所述辐射体的绕向，第一辐射组和第二辐射组的所述辐射体的绕向相反。

优选地，所述辐射体的横截面为圆形、方形、三角形、梯形或异形。

优选地，所述天线的外径为25-30mm。

优选地，所述天线适用的信号波段为L波段。

在本技术方案中，在发射信号时，移相馈电单元通过信号发射端口接收信号发射器发出的发射信号后，将发射信号移相形成两路相位差为90°的等幅信号，并对应送至两个辐射组后辐射形成两路相互垂直且相位差90°的电磁场，且在空间合成形成左旋圆极化信号(或右旋圆极化信号)发射出去，此时由于两个辐射组在物理空间上相互垂直，因此，第一辐射组产生的电磁场耦合到第二辐射组上时，其耦合电磁场在信号接收端口形成的综合效果为零，从而实现了信号发射时信号发射端口与信号接收端口的隔离。另外，当接收到接收圆极化波时，接收圆极化波的旋向与发射圆极化波的旋向相反，两个辐射组分别产生对应产生两路相位差为90°的接收信号中的一路，两路接收信号经过连接端口进入移相馈电单元，在移相馈电单元的作用下，两路接收信号在信号接收端口的相位相等从而使得接收信号得到加强，并传递给信号接收器，同时，两路接收信号在信号发射端口的相位相反而相互抵消，从而在信号发射端口无法形成接收信号，实现接收信号时的收发隔离。本发明的天线在收发同频时，仍然可以实现实时收发，能够减少频率对带宽的占用，使得天线占用更少的频谱资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中天线的系统结构示意图；

图2为本发明实施例中天线的连接示意图；

图3为本发明实施例中天线的信号发射与接收单元的结构示意图；

图4为图3的信号发射与接收单元其一视角的结构示意图；

图5为图3的信号发射与接收单元的其二视角的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种天线，旨在解决现有技术中用于小功率超宽带无线电测距的小型天线同频实时收发时隔离度差的问题。

参照图1，本发明的一种实施例中，天线10包括信号发射与接收单元11、移相馈电单元12、信号发射器13和信号接收器14，信号发射与接收单元11包括垂直设置的两个辐射组，即第一辐射组111和第二辐射组112，移相馈电单元12包括与信号发射器13连接的信号发射端口121、与信号接收器14连接的信号接收端口122以及与辐射组一一对应连接的多个连接端口123。信号发射器13发出的发射信号经移相馈电单元12作用后产生两路发射信号，且两路发射信号之间的相位差为90°，两路发射信号分别对应送至两个辐射组后，两个辐射组辐射的电磁波在空间上合成形成发射圆极化波。此外，两个辐射组还用于接收与发射圆极化波的旋向相反的接收圆极化波，并分别对应感应出一路感应信号，且每路感应信号之间的相位差为90°，两路感应信号经移相馈电单元12作用后在信号接收端口122合成为接收信号并传送至接收信号连接器，同时，两路感应信号经移相馈电单元12作用后在信号发射端口121相位差为180°从而相互抵消。可以理解的是，信号发射与接收单元11、信号发射器13、信号接收器14与移相馈电单元12的端口之间通过微带线16连接。

在本实施例中，当发射信号时，移相馈电单元12通过信号发射端口121接收信号发射器13发出的发射信号后，将发射信号移相形成两路相位差为90°的等幅信号，并对应送至两个辐射组后辐射形成两路相互垂直且相位差90°的电磁场，且两个电磁场空间合成正好形成左旋圆极化信号(或右旋圆极化波)发射出去，此时由于两个辐射组在物理空间上相互垂直，因此，第一辐射组111产生的电磁场耦合到第二辐射组112上时，其耦合电磁场在信号接收端口122形成的综合效果为零，从而在信号发射时实现了信号发射端口121与信号接收端口122的隔离。另外，当接收到接收圆极化波时，两个辐射组分别对应产生两路相位差为90°的感应信号中的一路，两路感应信号经过连接端口123进入移相馈电单元12，在移相馈电单元12的移相作用下，两路感应信号在信号接收端口122的相位相等从而使得接收信号得到加强，并传递给信号接收器14，相反，两路接收信号在信号发射端口121的相位相反而相互抵消，使得在信号发射端口121处无法形成接收信号，实现接收信号时的收发隔离。本发明的天线10在收发同频时，仍然可以实现实时收发，能够减少频率对带宽的占用，使得天线10占用更少的频谱资源。

在本实施例中，参见图2，移相馈电单元12包括3dB电桥。可以理解的是，3dB电桥具有四个端口，分别是1号端口、2号端口、3号端口和4号端口，其中3号端口和4号端口靠近信号接收与发射单元设置，1号端口和2号端口靠近信号发射器13和信号接收器14设置。在本实施例中，1号端口为与信号发射器13连接的信号发射端口121，2号端口为与信号接收器14连接的信号接收端口122，4号端口为与第一辐射组111连接的连接端口123，3号端口为与第二辐射组112连接的连接端口123。

在本实施例中，发射信号时，发射信号送入到3dB电桥的1号端口后，会在4号端口和3号端口形成相位差为90°的信号，分别是在4号端口形成衰减为3dB的0°相位信号，和在3号端口形成衰减为3dB的90°移相信号。这两路信号，通过微带线16分别送入到第一辐射组111和第二辐射组112并辐射到空间中去，两路相互垂直且相位差为90°的电磁场在空间合成，正好形成左旋圆极化信号发射出去。需要说明的是，相位差为90°包括相位差为+90°和相位差为-90°的两种情况，本发明的天线10既可以发射左旋圆极化波也可以发射右旋圆极化波，在此不限定。

需要强调的是，3dB电桥的1号端口和2号端口的隔离度很高，一般指标是20dB的隔离度，发射信号通过3dB电桥的1号端口泄露到2号端口的信号大致会衰减20dB。另外，3号端口在输出发射信号时其反射信号进入到2号端口的信号也很小，大致会衰减－15dB左右。因此，在3dB电桥处信号发射端口121和信号接收端口122的隔离度很高。

另一方面，由于发射信号经过3dB电桥、微带线16直接连接到第一辐射组111，而接收信号连接在第二辐射组112上。此处是指3dB电桥的1号端口与4号端口直连，2号端口与3号端口直连。第一辐射组111和第二辐射组112相互垂直，使得第一辐射组111产生的电磁场耦合到第二辐射组112上时，其耦合电磁场在端口上形成的综合效果理论为零。仿真分析结果表明，至少可以达到35dB以上。考虑到加工的精度，一般可以达到20dB。采用这种拓扑结构，从根本上大大降低了发射信号耦合、泄露到信号接收端口122的信号强度，通过实验数据分析表明，至少可以形成15dB以上的隔离度。通过本方案，使得信号接收端口122处无法产生发射信号，实现收发隔离。

在本实施例中，接收发射圆极化波遇障碍物15反射回来时形成接收圆极化波时，接收圆极化波进入信号发射与接收单元11，且在相互垂直的第一辐射组111和第二辐射组112感应出等效“圆极化信号”，其等效感应电流从第一辐射组111和第二辐射组112流出后，分别进入3dB电桥的4号端口和3号端口，且这两路感应信号相位差为90°。在本实施例中，第一辐射组111的感应信号在4号端口处的相位为0°，第二辐射组112的感应信号在3号端口处相位为90°。其中，4号端口的感应信号经过3dB电桥后在2号端口形成90°相位信号，3号端口的感应信号经3dB电桥后在2号端口上相位无变化仍为90°，因此3号端口和4号端口的感应信号经3dB电桥后在2号端口处的信号相位均是90°，两个90°相位信号合成形成接收信号。另外，4号端口的感应信号经过3dB电桥后在1号端口的相位无变化仍为0°，3号端口的感应信号经3dB电桥后在1号端口上相位为180°，信号相位差为180°的两个信号正好相互抵消，从而无法在1号端口上形成接收信号，避免接受信号时在信号发射端口产生接收信号，实现收发隔离。

本实施例中，通过设计巧妙的拓扑网络，一举多得，不仅从根本上解决了收发隔离问题，而且还形成了圆极化信号，从而对无线电测距仪的姿态不再敏感。

值得注意的是，本发明实施例的天线10的中心频率不小于1.2GHz，能实现的带宽至少为400MHz，具有超宽带的特性，隔离度为15dB至30dB。需要说明的是，越高的中心频率需要的空间尺寸越小。本实施例的天线10能够应用于雷达，特别是应用于雷达测距。本发明的天线10适合5GHZ以下的低频信号，如L波段的信号。

进一步地，参见图3，第一辐射组111和第二辐射组112均包括两个辐射体，且第一辐射组111的两个辐射体之间的中心连线与第二辐射组112的两个辐射体之间的中心连线相互垂直。需要说明的是，本实施例中，中心连线是指天线10的横截面上，两个辐射体的中线之间的连线。第一辐射组111和第二辐射组112采用由两个辐射体组合而成的形式，能够在兼顾体积、成本的前提下提高作用距离。优选地，第一辐射组111的中心连线水平设置，第二辐射组112的中心连线垂直设置。在其他实施中，第一辐射组111的辐射体和第二辐射组112的辐射体的数量还可以为多个。

优选地，第一辐射组111的辐射体和第二辐射组112的辐射体在天线10的横截面上沿天线10的中心呈圆周阵列布置，且第一辐射组111的辐射体与第二辐射组112的辐射体依次间隔设置。即说明，第一辐射组111的辐射体、第二辐射组112的辐射体、第一辐射组111的辐射体依次沿圆周间隔设置。第一辐射组111的辐射体与第二辐射组112的辐射体依次间隔设置使得第一辐射组111和第二辐射组112形成场型互补，有利于减少天线10的尺寸，符合小型化集成化的技术趋势。

需要说明的是，辐射体可以为块状、片状等，且辐射体的横截面形状可以为圆形、方形、三角形、梯形或异形等。参见图2和图3，作为本发明一具体实施例中，见图3和图4，辐射体均包括以一定夹角依次连接的径向贴片113和轴向贴片114，且相邻的轴向贴片114分别连接于同一径向贴片113的相对的两个侧边上。优选地，径向贴片113沿天线10的轴线方向布置有多层。径向贴片113为辐射面，多层径向贴片113的设置不仅能够满足电长度要求，发射和接收低频信号，还能够满足小型天线的尺寸要求，有利于降低天线信号能量损耗。

进一步地，径向贴片113和轴向贴片114的连接方向形成所述辐射体的绕向，不属于同一辐射组的辐射体的绕向相反，属于同一辐射组的辐射体的绕向相同，造成辐射组的极化方向不同形成极化隔离，实现辐射组之间的信号收发实现隔离。

进一步地，参见图4和图5，径向贴包括依次首尾连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，第一侧边与第三侧边相对，第二侧边与第四侧边相对，第四侧边靠近天线10的轴线设置，第二侧边远离天线10的轴线设置，且第四侧边和第二侧边上均设为锯齿状。优选地，锯齿状为矩形锯齿状。在其他实施例中，还可以为三角形锯齿状。锯齿状的设计有利于加长辐射波长，从而适应低频信号的发射。

此外，本发明实施例中的天线10包括支撑结构体115，第一辐射组111和第二辐射组112设置于支撑结构体115内，且支撑结构体115的外径优选为25-30mm，即天线10的优选外径为25-30mm，说明本技术方案能够使得小型天线具有收发隔离效果好，且能够收发同时，能够克服现有的双功能小型天线不能具有很好隔离效果的问题。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种天线，其特征在于，包括信号发射与接收单元、移相馈电单元、信号发射器和信号接收器，所述信号发射与接收单元包括垂直设置的两个辐射组，所述移相馈电单元包括与所述信号发射器连接的信号发射端口、与所述信号接收器连接的信号接收端口以及与所述辐射组一一对应连接的多个连接端口；

所述信号发射器的发射信号经所述移相馈电单元作用后产生两路发射信号，且每路发射信号之间的相位差为90°，两路发射信号分别对应送至两个辐射组后辐射合成发射圆极化波；所述两个辐射组还用于接收与所述发射圆极化波的旋向相反的接收圆极化波，并分别对应感应出一路感应信号，且两路感应信号之间的相位差为90°，两路感应信号经所述移相馈电单元作用后在所述信号接收端口合成为接收信号并传送至所述接收信号连接器；

其中，所述辐射组包括第一辐射组和第二辐射组，所述第一辐射组和所述第二辐射组均包括两个辐射体，所述辐射体包括以一定夹角依次连接的径向贴片和轴向贴片，且相邻所述轴向贴片分别连接于所述径向贴片的相对的两侧边上,所述第一辐射组的两个辐射体之间的中心连线与所述第二辐射组的两个辐射体之间的中心连线垂直,所述第一辐射组的辐射体和所述第二辐射组的辐射体在所述天线的横截面上沿所述天线的中心呈圆周阵列布置，且所述第一辐射组的辐射体和所述第二辐射组的辐射体依次相邻间隔设置,所述径向贴片包括依次首尾连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，所述第一侧边与所述第三侧边相对，所述第二侧边与所述第四侧边相对，所述第四侧边靠近所述天线的轴线设置，所述第二侧边远离所述天线的轴线设置，所述第四侧边和所述第二侧边上均为锯齿状,多层所述径向贴片和多个所述轴向贴片的连接方向形成所述辐射体的绕向，第一辐射组和第二辐射组的所述辐射体的绕向相反。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述移相馈电单元包括3dB电桥。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射体的横截面为圆形、方形、三角形或梯形。

4.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述天线的外径为25-30mm。

5.如权利要求1或2中所述的天线，其特征在于，所述天线适用的信号波段为L波段。

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