CN109390669B - 一种双频天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频天线，该双频天线包括彼此组合安装的缝隙振子天线和微带天线，其中，缝隙振子天线为具有空气背腔的背腔壳体组成且以支撑杆为中心的的圆柱形对称结构，背腔壳体的上部围绕其中心点设置有圆环状的辐射缝隙，微带天线为带有支撑杆的结构，支撑杆的上部设置有安装板和辐射口面，支撑杆的中空腔体设置填充有同轴馈电介质，通过对该双频天线的关键组件如辐射缝隙、辐射口面、馈电等结构及设置方式的研究和设计，使得微带天线与缝隙振子天线相结合的双频天线结构对称，从而实现双频天线的方向图对称、波束不产生畸变且隔离度高。

Description

一种双频天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双频天线。

背景技术

通信、雷达电子系统原理上都是电磁波的发射和接收过程，结构上都包含了天线、发射机、接收机、信号处理器等。其中，收发天线的工作原理是：当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上设置对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感应电动势。此时天线与接收设备相连，则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流，也就是说此时天线起着接收天线的作用。

受系统集成要求，用于通信、雷达系统的收发天线在设计上要求一体化、收发分频同时工作，为保证通信系统的正常工作，要求收发天线间隔离度高、收发天线的波束对称，常规形式较难同时兼备上述要求。

目前，组合型的收发天线可以采用叠层耦合馈电形式，该天线多个谐振频点的方向图波束基本对称并满足要求，然而，由于叠层形式的天线的工作模式是上层辐射贴片选用下层辐射贴片作为上层辐射贴片的接地端来实现工作，若选择双端口设计由于上层辐射贴片和下层辐射贴片的两谐振频率的间隔不够宽，导致该天线的隔离度较低，容易相互影响，不能满足收发天线的隔离度要求；若选择单端口设计，由于需要收发同时工作其收发电路设计将更加复杂、困难，同时，叠层形式的天线的上下层辐射贴片受到工作频率限制实现比较困难；采用在局部口面下将收发阵元分开布局的方式，设定合适的阵元间距并采用双端口馈电能够满足收发天线隔离度要求，但由于通常口面有限，收发天线分开布局口会导致安装位置相对不对称，导致收发天线的方向图波束畸变、不对称等现象，从而使得天线的性能下降。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双频天线，其通过对该双频天线的关键组件如辐射缝隙、辐射口面、馈电等结构及设置方式的研究和设计，使得微带天线与缝隙振子天线相结合的双频天线结构对称，从而实现该双频天线的方向图对称、波束不产生畸变且隔离度高。

为实现上述目的，按照本发明，提供了种双频天线，该天线包括背腔壳体、支撑杆、安装板、空气背腔、辐射缝隙、第一馈电端口、第一馈电印制板、辐射基板、辐射口面、第二馈电端口和同轴馈电介质，

背腔壳体为中空筒体结构，筒体内部中轴线上设置有连接筒体上下两端面的中空的支撑杆，筒体内部中空腔体形成所述空气背腔，筒体上端面上开设有同心的环形槽作为辐射缝隙，筒体上端面的位于环形缝隙内的部分形成安装板，第一馈电印制板沿径向敷设在筒体上端面上且跨越辐射缝隙，使得第一馈电印制板两端分别搭设在辐射缝隙两侧的上端面上，该第一馈电印制板的一个端部设置有用于连接外接射频设备的第一馈电端口；

安装板上设置有辐射基板，该辐射基板中部对应支撑杆中空孔位置开有通孔，辐射基板上设置有辐射口面，一杆状导体设置在支撑杆的中空通孔内且一端连接辐射口面另一端电连接设置在背腔壳体下端面的用于连接外接射频设备的第二馈电端口，支撑杆的中空腔体设置填充有同轴馈电介质，以此方式形成由缝隙振子天线与微带天线组合而成的、并具有在双工作频段的方向图对称结构的双频天线。

作为本发明的进一步改进，辐射基板设置为圆形结构，辐射口面设置为矩形结构，辐射口面上端设置有凹形槽隙，以确保同轴馈电介质同时在辐射口面和辐射缝隙的中心位置时微带天线可实现最佳阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，辐射口面设置为中心加载凹型缝隙的矩形的微带金属贴片，微带金属贴片的长宽尺寸规格设置为22.5mm×20.2mm，凹型缝隙长宽高尺寸规格设置为15mm×8mm×4mm。

作为本发明的进一步改进，第一馈电印制板为T形板状结构且上端部设置有金属印制线，通过调整辐射缝隙的内外半径尺寸及第一馈电印制线结构以实现缝隙振子天线的最佳阻抗匹配。

作为本发明的进一步改进，调整辐射缝隙的内外半径尺寸以改变缝隙振子天线工作频率。

作为本发明的进一步改进，辐射缝隙的内外半径尺寸r₁×r₂依次设置为30.5mm×36mm。

作为本发明的进一步改进，空气背腔的高度为缝隙振子天线的工作波长的四分之一。

作为本发明的进一步改进，空气背腔的高度h设置为5mm。

作为本发明的进一步改进，第一馈电印制线设置为50Ω匹配微带线，线宽为3mm；第一馈电印制板的介电常数设置为2.55，厚度为1mm；辐射基板的半径×厚度尺寸为18mm×3mm，辐射基板介电常数设置为3.0。

作为本发明的进一步改进，双频天线正常工作时的双工作频率为2.6GHz和3.2GHz。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的一种双频天线通过对该天线的关键组件如辐射缝隙、辐射口面、馈电等结构及设置方式的研究和设计，如使安装板位于耦合缝隙背腔天线口面中心，使得微带天线与缝隙振子天线相结合的双频天线结构对称，从而实现该双频天线的方向图对称、波束不产生畸变且隔离度高。

2、本发明的一种双频天线通过将微带天线的辐射口面设置为中心加载“凹”型缝隙的矩形的微带金属贴片，以确保同轴馈电介质同时在辐射口面和辐射缝隙的中心位置时微带天线可实现最佳阻抗匹配，进一步保证耦合缝隙背腔天线与安装板上的微带天线均具有较好方向图对称性的优点，尤其适用于弹上收发一体通信系统的应用场合。

3、本发明的一种双频天线可通过调整辐射缝隙的内外半径尺寸及第一馈电印制线结构以实现缝隙振子天线的最佳阻抗匹配，还可以调整辐射缝隙的内外半径尺寸以改变缝隙振子天线工作频率，仿真结果说明该天线在双工作频率f₁＝2.6GHz、f₂＝3.2GHz处E面方向图主瓣指向为-2°，H面方向图主瓣指向为0°，主瓣指向与天线轴线近似重合，该双频天线在双工作频率时E面及H面的增益并不会因为受到双天线工作而相互影响，工作性能优良。

附图说明

图1是本发明优选实施例的双频天线的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的双频天线的结构俯视图；

图3是本发明优选实施例的双频天线的S11参数示意图；

图4是本发明优选实施例的双频天线的S21参数示意图；

图5是本发明优选实施例的双频天线的工作频率为2.6GHz时的E面增益方向图；

图6是本发明优选实施例的双频天线的工作频率为2.6GHz时的H面增益方向图；

图7是本发明优选实施例的双频天线的工作频率为3.2GHz时的E面增益方向图；

图8是本发明优选实施例的双频天线的工作频率为3.2GHz时的H面增益方向图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-背腔壳体、2-支撑杆、3-安装板、4-空气背腔、5-辐射缝隙、6-第一馈电端口、7-第一馈电印制板、8-辐射基板、9-辐射口面、10-第二馈电端口及11-同轴馈电介质。

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，以下结合附图及实施例，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。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明优选实施例的双频天线的结构示意图。如图1中所示，该双频天线包括背腔壳体1、支撑杆2、安装板3、空气背腔4、辐射缝隙5、第一馈电端口6、馈电印制线7、辐射基板8、辐射口面9、第二馈电端口10和FR4同轴馈电介质11，本发明的双频天线包括彼此组合安装的缝隙振子天线和微带天线，缝隙振子天线包括背腔壳体1、支撑杆2、安装板3、空气背腔4、辐射缝隙5、第一馈电端口6及第一馈电印制板7，背腔壳体1为圆柱形的中空结构，背腔壳体1的上部围绕其中心点设置有圆环状的辐射缝隙5，背腔壳体1的中轴线位置还对应设置有杆状结构的支撑杆2，背腔壳体1的中空腔体与支撑杆2及安装板3组合形成空气背腔4。图2是本发明优选实施例的双频天线的结构俯视图。如图2所示，沿辐射缝隙5径向在背腔壳体1的上部和安装板3的上部设置有横穿辐射缝隙5的第一馈电印制板7，第一馈电印制板7为T形板状结构且上部设置有金属印制线，第一馈电印制板7的端部同时也是背腔壳体1的端部设置有第一馈电端口6，第一馈电端口用于连接外接射频设备，空气背腔4、辐射缝隙5、第一馈电印制板7及第一馈电端口6构成了缝隙天线，其工作原理为：发送信号时，外接射频设备的射频信号通过第一馈电端口6并沿第一馈电印制线传输到对应的辐射缝隙5处产生共振从而传播出所需的电磁波信号，同时印制线位于辐射缝隙5上的部位即为天线的匹配阻抗，调整第一馈电印制板7与辐射缝隙5的偏置距离以达到最佳匹配阻抗，从而射频信号可以最大的转化为所需的电磁波信号；接收信号时，电磁波信号通过辐射缝隙的共振转换为射频信号并沿着第一馈电印制线传输到第一馈电端口被外接射频设备接收。

本发明优选实施例的双频天线的微带天线部分是在缝隙天线结构基础上形成的，微带天线包括支撑杆2、安装板3、辐射基板8、辐射口面9、第二馈电端口10和同轴馈电介质11，支撑杆2的上部设置有开口且内部中空，支撑杆2的开口处设置有圆形板状结构的安装板3，安装板3的中心位置设置有与支撑杆2上部相对应的开孔，安装板3的上端设置有板体结构的辐射基板8，辐射基板8优选为圆形结构，辐射基板8及支撑杆2底部的中心位置对应设置有开孔以供微带天线的内导体穿过，微带天线的内导体的一端电连接设置在背腔壳体1的下端的第二馈电端口10，第二馈电端口10用于连接外接设备，微带天线的内导体的另一端设置连接有位于辐射基板8上端的板体结构的辐射口面9，该辐射口面9优选为矩形结构，辐射口面9上端设置有“凹”形槽隙，支撑杆2的中空腔设置填充有FR4同轴馈电介质11，确保FR4同轴馈电介质11同时在辐射口面9和辐射缝隙5的中心位置时微带天线可以实现最佳阻抗匹配，从而进一步保证实现天线的微带和缝隙两部分的方向图均对称。微带天线的工作原理为：发送信号时，外接射频设备发送的射频信号由第二馈电端口10馈入并沿微带天线的内导体传输到辐射口面9的矩形贴片向外空间进行电磁辐射；接收信号时，辐射口面9的矩形贴片接收外空间的电磁辐射并经由内导体和第二馈电端口10转换为射频信号发送给外接射频设备。支撑杆2优选为金属圆柱结构，其有三部分作用：对安装板3进行结构支撑；将安装板3与背腔壳体1的底端相连，与辐射缝隙5形成感应电流回路；作为同轴馈电介质11的屏蔽层。

作为本发明的一个优选的实施例，双频天线的缝隙振子天线的工作频率为f₁和微带天线的工作频率为f₂，该双频天线可以依据其需求组合其收发频率，例如，发送频率为f₁、接收频段为f₂，也可以发送频率为f₂、接收频段为f₁，也可以发送频率为f₁和f₂、接收频段为f₁和f₂。

作为本发明的一个优选的实施例，双频天线的关键组件如缝隙振子天线的辐射缝隙子5、第一馈电印制线、空气背腔1和微带天线的同轴馈电介质11的结构设计及其设置方式决定了该双频天线的性能，具体为：

由于缝隙振子天线的工作频率f₁所对应的工作波长λ₁由π(r₁+r₂)≈λ₁来决定,其中，r₁和r₂分别为辐射缝隙5的内径和外径，r₁略小于r₂，因而，可以通过调整辐射缝隙5的内外半径改变缝隙振子天线工作频率f₁；在一定频率范围内可以通过选择合适的辐射缝隙5的内半径r₁和辐射基板8的半径r_x并使得r_x＜r₁,实现任意需求的工作频率组合(f₁，f₂)，从而显著提高双频天线波束对称性。

通过调整(r₂-r₁)/(r₁+r₂)的值及第一馈电印制线结构以实现缝隙振子天线的最佳阻抗匹配，具体为：宽度为r₂-r₁的辐射缝隙在自由空间环境下具有其固有的特性阻抗，而天线的馈电端口工程设计通常为50Ω匹配阻抗，为使从第一馈电端口馈入辐射缝隙的能量最大，通过调整(r₂-r₁)/(r₁+r₂)及第一馈电印制线结构实现天线第一馈电端口与辐射缝隙最佳的阻抗匹配。

通过调整空气背腔4的高度可以调节增益值，空气背腔4的高度为缝隙振子天线的工作波长λ₁的四分之一时，这是由于此时空气背腔4反射的电磁波与缝隙振子天线直接辐射的电磁波矢量迭加为最强，能量最大，此时缝隙振子天线的增益最大，同时还需要注意的是，空气背腔4的高度要适应空间安装高度要求。

由于本发明的优选实施例中的双频天线的微带天线与缝隙振子天线在安装结构上对称，测试表明在微带天线工作频率f₁、缝隙振子天线工作频率f₂处天线E面和H面方向图可具有较好的对称性和较高的隔离度。图3和图4分别是本发明优选实施例的双频天线的S11参数示意图和S21参数示意图。如图3和4所示，该双频天线在f₁＝2.6GHz、f₂＝3.2GHz时发射参数S11小于-20dB且耦合参数S21(隔离度)小于-50dB。图5和图6分别为本发明优选实施例的双频天线的工作频率为2.6GHz时为E面和H面增益方向图仿真情况，图7和图8分别为本发明优选实施例的双频天线的工作频率为3.2GHz时为E面和H面增益方向图。如图5-8所示，本发明优选实施例的双频天线在双工作频率f₁＝2.6GHz、f₂＝3.2GHz处的E面及H面的增益方向图均沿轴向对称，在双工作频率f₁＝2.6GHz、f₂＝3.2GHz处E面方向图主瓣指向为-2°，H面方向图主瓣指向为0°，主瓣指向与天线轴线近似重合，说明该双频天线在双工作频率时E面及H面的增益并不会因为受到双天线工作而相互影响，该双频天线工作性能优良。

作为本发明的一个优选的实施例，考虑到弹上数据链系统的特殊应用要求和工作环境，对双频天线的一些重要工作参数和规格尺寸进行了进一步的研究，如辐射缝隙5的内外半径尺寸r₁×r₂依次设置为30.5mm×36mm；空气背腔4的高度h设置为5mm；辐射口面9设置为中心加载“凹”型缝隙的矩形的微带金属贴片，带金属贴片的长宽尺寸规格设置为22.5mm×20.2mm，“凹”型缝隙长宽高尺寸规格设置为为15mm×8mm×4mm；第一馈电印制线设置为50Ω匹配微带线，线宽为3mm；第一馈电印制板7的介电常数设置为2.55，厚度为1mm；辐射基板8的半径×厚度尺寸为18mm×3mm，辐射基板8介电常数被设定为3.0，经实际测试了表明该双频天线具备明显的工作优势。

综上所述，本发明的双频天线可以实现在双工作频率f₁(2.6GHz)、f₂(3.2GHz)两端口隔离度大于-50dB，双工作频率f₁(2.6GHz)、f₂(3.2GHz)处E面及H面方向图均沿轴向对称,因此本发明除了适用于数据链收发系统之外，还可适用于安控、数传等通信系统，并具备广阔的运用前景。

本领域的技术人员容易理解，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 (10)

1.一种双频天线，该天线包括背腔壳体(1)、支撑杆(2)、安装板(3)、空气背腔(4)、辐射缝隙(5)、第一馈电端口(6)、第一馈电印制板(7)、辐射基板(8)、辐射口面(9)、第二馈电端口(10)和同轴馈电介质(11)，其特征在于，

所述背腔壳体(1)为中空筒体结构，筒体内部中轴线上设置有连接筒体上下两端面的中空的支撑杆(2)，筒体内部中空腔体形成所述空气背腔(4)，所述筒体上端面上开设有同心的环形槽作为辐射缝隙(5)，所述筒体上端面的位于所述环形缝隙(5)内的部分形成所述安装板(3)，所述第一馈电印制板(7)沿径向敷设在所述筒体上端面上且跨越所述辐射缝隙(5)，使得所述第一馈电印制板(7)两端分别搭设在辐射缝隙(5)两侧的上端面上，该第一馈电印制板(7)的一个端部设置有用于连接外接射频设备的第一馈电端口(6)；

所述安装板(3)上设置有辐射基板(8)，该辐射基板(8)中部对应所述支撑杆(2)中空孔位置开有通孔，所述辐射基板(8)上设置有辐射口面(9)，一杆状导体设置在所述支撑杆(2)的中空通孔内且一端连接所述辐射口面(9)另一端电连接设置在背腔壳体(1)下端面的用于连接外接射频设备的第二馈电端口(10)，所述支撑杆(2)的中空腔体设置填充有同轴馈电介质(11)，以此方式形成由缝隙振子天线与微带天线组合而成的、并具有在双工作频段的方向图对称结构的双频天线；所述辐射口面(9)设置为中心加载凹型缝隙的矩形的微带金属贴片，以确保同轴馈电介质(11)同时在所述辐射口面(9)和辐射缝隙(5)的中心位置时微带天线可实现最佳阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的一种双频天线，其特征在于，所述辐射基板(8)设置为圆形结构。

3.根据权利要求1所述的一种双频天线，其特征在于，所述微带金属贴片的长宽尺寸规格设置为22.5mm×20.2mm，凹型缝隙长宽高尺寸规格设置为15mm×8mm×4mm。

4.根据权利要求1所述的一种双频天线，其特征在于，所述第一馈电印制板(7)为T形板状结构且上端部设置有金属印制线，通过调整辐射缝隙(5)的内外半径尺寸及第一馈电印制线结构以实现缝隙振子天线的最佳阻抗匹配。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双频天线，其特征在于，调整所述辐射缝隙(5)的内外半径尺寸以改变缝隙振子天线工作频率。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双频天线，其特征在于，所述辐射缝隙(5)的内外半径尺寸r₁×r₂依次设置为30.5mm×36mm。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双频天线，其特征在于，所述空气背腔(4)的高度为缝隙振子天线的工作波长的四分之一。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双频天线，其特征在于，所述空气背腔(4)的高度h设置为5mm。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双频天线，其特征在于，所述第一馈电印制线设置为50Ω匹配微带线，线宽为3mm；所述第一馈电印制板(7)的介电常数设置为2.55，厚度为1mm；所述辐射基板(8)的半径×厚度尺寸为18mm×3mm，辐射基板(8)介电常数设置为3.0。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双频天线，其特征在于，所述双频天线正常工作时的双工作频率为2.6GHz和3.2GHz。

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