CN109546323A - 一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线 - Google Patents

一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，所述天线包括以下部分：四个同轴馈电点a、b、c、d，其中P波段天线馈电点为a和b，S波段天线馈电点为c和d，并在四个同轴馈电点附近都设有一个圆环缝隙，四个同轴馈电点都是从接地面自下往上馈电；S波段天线f置于圆柱空腔g内；P波段天线采用矩形微带金属贴片，S波段天线采用圆形微带金属贴片，两个波段天线使用相同阻值的同轴馈电，最底部连接接地板。本发明天线结构简单、整体剖面高度较低、相对带宽较大、天线之间隔离度较高等优点。

Description

一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线
技术领域
本发明属于射频天线技术领域，通过合理的空间布局，将不同频段不同极化的多副天线在同一口径面内同时进行工作的共口径天线。
背景技术
1998年九月发布于《IEEE Transactions on Antennas&Propagation》第9期第1289-1296页上的“Dual-Frequency and Dual-Polarization Microstrip Antennas forSAR Applications”第一次使用了共口径天线的概念，将C波段的微带天线与X波段的印刷缝隙天线组合在一起，通过测量结果验证了双频双极化天线设计的可行性。近年来，随着各个波段在无线通信系统中的应用，形式越来越多样化的共口径天线一直在不断地研究并呈现在我们眼前。
2016年七月《IEEE Transactions on Antennas&Propagation》第7期第2805-2814页上的“Miniaturized Dual-Band and Dual-Polarized Antenna for MBANApplications”将S波段线极化天线和C波段圆极化贴片采用堆叠技术，低频天线位于底层，高频天线位于顶层，从而实现了双波段和双极化的特性，测量得到的相对带宽很窄，在S波段和C波段分别为2.8％和9.0％。2018年五月《IEEE Antennas&Wireless PropagationLetters》第5期第735-738页上的“A Dual-Wideband Dual-Polarized Aperture-SharedPatch Antenna With High Isolation”将S波段圆极化天线和X波段线极化天线采用四层堆叠技术，每一个波段天线分别都引入了一层寄生贴片，以此来扩展天线的相对带宽，最终测量得到的S波段和X波段分别为19.3％和22％，但由此造成了天线整体的剖面高度较高结构复杂等缺陷。因此，采用一种单层或者层数较少且天线带宽较大，隔离度较高的共口径天线具有非常重要的意义。
发明内容
本发明目的是提供一种可应用于无线通信系统中的双波段双极化共口径天线，以达到天线结构简单、整体剖面高度较低、相对带宽较大、天线之间隔离度较高等优点。
如图1所示，本发明可应用于无线通信系统中的双波段双极化共口径天线主要包括以下部分：四个同轴馈电点a、b、c、d，其中P波段天线馈电点为a和b，S波段天线馈电点为c和d，并在四个同轴馈电点附近都挖去了一个圆环缝隙(对应图中馈电点外围黑色圆部分)，俯视图对应的a、b、c、d为同轴馈线内芯顶端，正视图对应的a、b、c、d分别为内芯圆柱，都是从接地面自下往上馈电；其中P波段天线e距离接地面i高度为H2(0.1λ0)，S波段天线f距离接地面i高度为H1(0.1λ1)；S波段天线f置于圆柱空腔g内。
当P波段天线进行工作时，此时馈电点a和b给以幅度相同相位相差180度的激励，S波段天线馈电点c、d无激励输入；当S波段天线进行工作时，此时馈电点c和d给以幅度相同相位相差90度的激励，P波段天线馈电点a、b无激励输入；以此通过控制激励源的输入来控制不同波段天线的工作，并获得不同的极化方式。
本发明可应用于无线通信系统中的双波段双极化共口径天线，P波段天线采用矩形微带金属贴片，S波段天线采用圆形微带金属贴片，两个波段天线使用相同阻值的同轴馈电，例如：50Ω，70Ω，100Ω等都可，最底部连接接地板；两个波段天线都使用相同介电常数ε的亚龙板材，P波段工作中心频率记为f0，对应矩形贴片长度L约为λ0/2(其中λ0为自由空间中的波长，是光速c与P波段天线工作中心频率f0的比值)，宽度可根据公式计算得到；P采用两个幅度相同相位相差180度的同轴馈电，两个馈电点半径约为0.063λ0，两个馈电点左右对称分布；在两个同轴馈电点处挖去一个内径约为0.0135λ0，外径约为0.014λ0的圆环缝隙，接地面置于P波段天线底部0.1λ0处。
S波段工作中心频率记为f1，圆形贴片半径可根据公式计算得到，其中h为介质板厚度；采用两个幅度相同相位相差九十度的同轴馈电，两个馈电口中心位置与圆形贴片圆心位置三点连线刚好成九十度，两个馈电口距离圆形贴片中心距离相等；在两个馈电点处挖去一个内径约为0.016λ1，外径约为0.0176λ1的圆环缝隙，接地面置于S波段天线底部0.1λ1处，其中λ1为自由空间中的波长，是光速c与S波段工作中心频率f1的比值。
本发明的有益效果是：
在上述发明的平面微带贴片的基础上，P波段矩形贴片和矩形介质中间挖去了一个圆形和圆柱形部分比S波段天线贴片和介质尺寸大，所以将S波段天线能够置于P波段天线内；并将S波段天线置于一个圆柱形空腔内，以此来减少两个波段天线之间的相互耦合，从而提高天线之间的隔离度。
本发明提出的单层共口径天线就可实现双频段双极化操作。采用单层的微带贴片结构与现有的双层或者多层结构相比，克服了天线的整体高度较高的缺陷，使得制作成本和功耗大大降低；P波段天线采用两个幅度相同相位相差180度的两个馈电点进行馈电，可激励线极化模式，并降低交叉极化对主极化的影响；在S波段直接采用两个幅度相同相位相差九十度的两个馈电点就可实现圆极化操作；由于在两个波段天线之间增加了一个圆柱形空腔，克服了现有在不同频率下工作的共口径天线但相互之间耦合影响较大的缺陷，带来了两个天线之间相互独立互不影响工作的优点。综合以上的优点，本发明的共口径天线对无线通信系统具有非常重要的作用。
附图说明
图1是本发明可应用于无线通信系统中的双波段双极化共口径天线结构示意图(俯视图和正视图)；
图2是本发明只在P波段中心频率激励下P波段天线阻抗带宽图；
图3是本发明只在P波段中心频率激励下P波段天线与S波段天线之间的隔离度图；
图4是本发明只在P波段中心频率激励下P波段天线增益图；
图5是本发明只在P波段中心频率激励下P波段天线二维辐射方向图；
图6是本发明只在S波段中心频率激励下S波段天线阻抗带宽图；
图7是本发明只在S波段中心频率激励下S波段天线与P波段天线之间的隔离度图；
图8是本发明只在S波段中心频率激励下S波段天线增益图；
图9是本发明只在S波段中心频率激励下S波段天线二维辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明双波段双极化共口径天线的结构及其效果做进一步说明。
实施例1：
结合附图1详细介绍本发明P波段线线极化天线具体实施方式。
P波段天线工作的中心频率为450MHz，矩形贴片天线的物理尺寸为0.39λ0*0.42λ0，天线印刷在介电常数为3.0的亚龙AD300A(tm)上，给以幅度相同相位相差180度的激励，给以相位相差180度的目的是为了减小天线辐射出的交叉极化对主极化的影响；在贴片馈电点a、b附近分别挖去一个内径为9mm，外径为9.4mm的圆环缝隙，目的是通过对天线引入电容补偿来展宽天线的阻抗带宽；而在P波段天线中心处挖去一个半径为0.063λ0的圆形缝隙，目的是为了使P波段天线和S波段天线能够工作在同一个平面上，从而降低天线的整体剖面高度，此时挖去的圆形缝隙对天线的带宽也有一定影响；P波段天线距离地面i的高度为H2，为P波段天线工作中心频率的十分之一个波长，目的是改善天线方向图的前后比，提高天线的增益。
在仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中按照上面所给出的数据进行建模仿真。仿真得到的图2为本发明P波段天线的阻抗带宽图，可以看出天线的工作带宽范围为353MHz-501MHz，相对带宽为32.9％；图3给出的是在P波段激励源的激励下，P波段天线馈电口a、b与S波段天线馈电口c、d之间的隔离度图，可以看出Sac、Sad、Sbc和Sbd之间的隔离系数都在-30dB以下，能够达到良好的隔离效果；图4给出的是在P波段天线工作下，不同的工作频率下增益的变化情况，由图可以看出，在天线工作带宽范围内，增益的变化范围为2.50dBi-4.35dBi，最高增益为4.35dBi；图5为P波段天线在xoz面和yoz面的二维辐射方向图，因为P波段为矩形贴片，所以在不同方向上辐射出的方向图不一致。
实施例2：
结合附图1详细介绍本发明S波段圆极化天线具体实施方式。
S波段天线工作的中心频率为2.2GHz，圆形贴片天线的半径为0.198λ1，天线印刷在介电常数为3.0的亚龙AD300A(tm)上，给以幅度相同相位相差90度的激励，给以相位相差90度的激励目的是为了使天线产生的圆极化模式；在贴片馈电点c、d附近分别挖去一个内径为2.2mm，外径为2.4mm的圆环缝隙，目的是通过对天线引入电容补偿来展宽天线的阻抗带宽；而S波段天线尺寸比实施例1中P波段天线挖去的圆形缝隙小，所以能够将S波段天线置于P波段天线缝隙中，从而使两个波段天线工作在同一平面内，降低天线的整体剖面高度；S波段天线距离地面i的高度为H1，为S波段天线工作中心频率的十分之一个波长，目的是改善天线方向图的前后比，提高天线的增益。
在仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中按照上面所给出的数据进行建模仿真。仿真得到的图6为本发明S波段天线的阻抗带宽图，可以看出天线的工作带宽范围为2.04GHz-2.40GHz，相对带宽为16.3％；图7给出的是在S波段激励源的激励下，S波段天线馈电口c、d与P波段天线馈电口a、b之间的隔离度图，可以看出Sca、Scb、Sda和Sdb之间的隔离系数都在-20dB以下，能够达到良好的隔离效果；图8给出的是在S波段天线工作下，不同工作频率下增益的变化情况，由图可以看出，在天线工作带宽范围内，增益的变化范围为5.93dBi-6.46dBi，最高增益能达到7.79dBi；图9为S波段天线在xoz面和yoz面的二维辐射方向图，由于S波段天线置于P波段天线中间，所以S波段在工作时，P波段天线对其也会产生影响，因此两个面辐射的方向图没有完全达到一致，存在偏移情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：所述天线包括以下部分：四个同轴馈电点a、b、c、d，其中P波段天线馈电点为a和b，S波段天线馈电点为c和d，并在四个同轴馈电点附近都设有一个圆环缝隙，四个同轴馈电点都是从接地面自下往上馈电；S波段天线f置于圆柱空腔g内；P波段天线采用矩形微带金属贴片，S波段天线采用圆形微带金属贴片，两个波段天线使用相同阻值的同轴馈电，最底部连接接地板；P波段天线采用两个幅度相同相位相差180度的同轴馈电，两个馈电点左右对称分布；S波段天线采用两个幅度相同相位相差九十度的同轴馈电，两个馈电口中心位置与圆形贴片圆心位置三点连线刚好成九十度，两个馈电口距离圆形贴片中心距离相等。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：P波段天线e距离接地面i高度为H2，H2＝0.1λ0，λ0为自由空间中的波长，是光速c与P波段天线工作中心频率f0的比值。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：S波段天线f距离接地面i高度为H1，H1＝0.1λ1，其中λ1为自由空间中的波长，是光速c与S波段工作中心频率f1的比值。
4.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：两个波段天线使用相同阻值的同轴馈电，所述阻值为50Ω至100Ω。
5.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：两个波段天线都使用相同介电常数ε的亚龙板材。
6.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：S波段天线工作中心频率记为f1，圆形贴片半径根据公式计算得到，其中h为介质板厚度。
7.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：P波段天线工作中心频率记为f0，对应矩形贴片长度L为λ0/2，其中λ0为自由空间中的波长，是光速c与P波段天线工作中心频率f0的比值，宽度根据公式计算得到。
8.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：P波段天线的两个馈电点半径为0.063λ0，在两个同轴馈电点处设有一个内径为0.0135λ0，外径约为0.014λ0的圆环缝隙，λ0为自由空间中的波长，是光速c与P波段天线工作中心频率f0的比值。
9.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双波段双极化共口径天线，其特征在于：S波段天线的两个馈电点处设有一个内径为0.016λ1，外径为0.0176λ1的圆环缝隙，其中λ1为自由空间中的波长，是光速c与S波段工作中心频率f1的比值。
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