CN109768396B - 一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，是由2个微带天线单元和数个短路探针构成；所述微带天线单元由金属地板、介质板和微带天线贴片组成；在介质板内设计有穿孔；在穿孔内安装了短路探针，短路探针为圆柱形，短路探针两端分别与微带天线贴片和金属地板连接；在介质板和金属地板上设计有穿孔，所述穿孔为馈电端口，用于天线工作时的同轴馈电。本发明能够有效抑制微带天线组合在工作频带外的杂散发射，增强了微带天线组合的电磁兼容性。本发明能够改善两个微带天线的隔离度，使得耦合得到有效抑制。为了调整天线的工作频率，适应天线的不同应用场景，天线尺寸可以灵活变化，不需要大幅更改天线结构，制作简单，实现方便。

Description

一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构

技术领域

本发明涉及一种天线组合，更特别的说，是一种具有耦合抑制效果的由两个异频微带天线组成的天线组合。本发明涉及的天线组合适用于机载共口径天线等系统,是一种有电磁兼容性的天线组合。

背景技术

机载天线的数量，种类，布局等受到多方面因素的限制。为了满足飞行器空气动力性能及重量分配的要求，机载天线通常选择低剖面，轻型化的天线种类，例如微带天线，渐变开缝天线等。而为了满足飞行器有限的空间限制要求，天线经常设计在同一口径上。类似于共口径的微带天线组合被广泛应用于新型号的飞行器上。

然而共口径的天线设计就带来了天线之间的互相干扰。由于天线放置在同一口径上，天线之间的距离又相对较近，天线之间的带内及带外干扰比较严重。这将导致天线的性能降级，严重时还会导致天线无法正常工作。因此如何减少共口径天线之间的耦合强度，提高天线的隔离度，是一个亟待解决的电磁兼容性问题。由于机载天线及共口径天线对于天线的要求，天线之间的耦合抑制受到了很多限制。首先受制于机身的空间限制，天线之间的距离不能变得太长，而且在远场条件下天线之间距离增长并不能有效提升隔离度。除此之外，天线的种类及主要结构不能发生太大变化。改变天线种类将会对天线原有的工作性能产生较大影响，而且日渐成熟的航空综合电子系统使得天线的位置及工作性能相对固定，如果要改变天线的种类，将会对其他电子系统产生影响，适用性较低。因此，如何在尽量少地影响天线结构及位置的条件下减少天线的隔离度成为一个值得关注的问题。

发明内容

为了抑制两个异频微带天线的电磁干扰问题，本发明设计了一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构。该组合通过在微带天线上增加短路探针，提高了微带天线组合的隔离度。

本发明的另一目的在于，对于应用中的天线系统，应用本发明天线组合在未更改天线的尺寸及距离下，通过加载探针的方式实现了应用中的天线整改。

本发明以特征模分析为理论基础，通过分析天线贴片上的模式电流分布，从而得到了本发明中的设计。根据特征模理论的内容，天线贴片上的电流通过特征方程的形式可以转换为不同的模式电流的叠加。这种模式电流有本身的物理意义，不同的模式电流对天线之间耦合的贡献不同。本发明通过分析模式互阻抗的方式，找出了对于天线耦合贡献较大的模式电流所产生的电场在微带天线内部的分布，然后通过分析探针对贴片天线的作用机理，得出本发明，将探针加载到模式电场较大的位置可以抑制该模式电流。

本发明设计了一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其是由两个微带天线单元和数个短路探针构成；

所述微带天线单元由金属地板、介质板和微带天线贴片组成，覆铜厚度0.018～0.035mm，在介质板内设计有穿孔。在所述穿孔内安装了短路探针，短路探针为圆柱形，其半径为0.7mm，短路探针两端分别与微带天线贴片和金属地板连接。在介质板和金属地板上设计有穿孔，所述穿孔为馈电端口，用于天线工作时的同轴馈电。

在本发明中，所述微带天线单元A选用的波长为150mm～300mm，微带天线单元B选用的波长为50mm～150mm。

本发明中，找到微带天线组合中，对于天线耦合贡献最大的三个模式电流的分布分别如图7A，图7B和图7C所示。本发明所选取的探针加载位置为从图中模式电流较大的位置。

本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构的优点在于：

①通过在微带天线的适当位置上加载短路探针，能够有效抑制微带天线组合在工作频带外的杂散发射，增强了微带天线组合的电磁兼容性。

②本发明天线组合将两个微带天线进行组合，能够改善两个微带天线的隔离度，使得耦合得到有效抑制。

③为了调整天线的工作频率，适应天线的不同应用场景，天线尺寸可以灵活变化，不需要大幅更改天线结构，制作简单，实现方便。

附图说明

图1是本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构的结构图。

图1A是本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构的分解图。

图1B是本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构的正视图。

图2A是实施例1中天线组合的S11参数图。

图2B是实施例1中天线组合的S22参数图。

图2C是实施例1中天线组合的S21参数图。

图3A是实施例1中微带天线单元A在1.575GHz下的E面方向图。

图3B是实施例1中微带天线单元A在1.575GHz下的H面方向图。

图3C是实施例1中微带天线单元B在2.45GHz下的E面方向图。

图3D是实施例1中微带天线单元B在2.45GHz下的H面方向图。

图4是本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构实施例2的结构图。

图4A是本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构实施例2的分解图。

图4B是本发明设计的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构实施例2的正视图。

图5A是实施例2中天线组合的S11参数图。

图5B是实施例2中天线组合的S22参数图。

图5C是实施例2中天线组合的S21参数图。

图6A是实施例2中微带天线单元A在1.575GHz下的E面方向图。

图6B是实施例2中微带天线单元A在1.575GHz下的H面方向图。

图6C是实施例2中微带天线单元B在2.45GHz下的E面方向图。

图6D是实施例2中微带天线单元B在2.45GHz下的H面方向图。

图7A是传统的微带天线组合模式电流44的分布图。

图7B是传统的微带天线组合模式电流47的分布图。

图7C是传统的微带天线组合模式电流49的分布图。

图中标号说明如下：

1.微带天线实施例1组合结构图， 11A.微带天线贴片，

11B.微带天线贴片， 12.金属地板，

13.介质板， 13A.介质板面板，

14.短路探针， 15A.介质板馈电穿孔，

15B.金属地板馈电穿孔，

2.微带天线实施例2组合结构图， 21A.微带天线贴片，

21B.微带天线贴片， 22.金属地板，

23.介质板， 23A.介质板面板，

31～39.短路探针加载候选位置

具体实施方式

下面将结合附图和实施例1对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明设计了一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其由微带天线贴片11A、微带天线贴片11B、金属地板12、介质板13和三枚金属短路探针14构成。所述微带天线贴片11A和微带天线贴片11B采用覆铜工艺制作在介质板13的介质板面板13A上，金属地板12采用覆铜工艺制作在介质板13的介质板面板13A另一面的面板上(图中未示出)。微带天线贴片11A、微带天线贴片11B和金属地板12的覆铜厚度均为0.018～0.035mm。短路探针14采用金属化过孔的方式制作在介质板13内,短路探针两端分别与微带天线贴片11A和金属地板12连接。介质板馈电穿孔15A采用非金属化过孔的方式制作在介质板13内,金属地板馈电穿孔15B为在金属板12上直接穿孔，用来连接同轴线进行天线馈电。

参见图1A所示，微带天线贴片11A，微带天线贴片11B，金属地板12和介质板13均为矩形形状。微带天线贴片11A的长度和宽度分别记为a₁₁、b₁₁，微带天线贴片11B的长度和宽度分别记为a₁₂、b₁₂，金属地板12和介质板13的长度和宽度均相同，分别记为a₁₃，b₁₃，介质板长度a₁₃一般为200～250mm，宽度b₁₃一般为80～120mm。介质板13的厚度记为h₁₃，h₁₃一般为1～3mm。短路探针4的直径记为d₄，d₄一般为1～1.6mm。介质板13内有用于馈电的介质板馈电穿孔15A,金属地板12上有金属地板馈电穿孔15B。介质板馈电穿孔15A的直径记为d₅，金属地板馈电穿孔15B的直径记为d₆，d₅和d₆可根据馈电使用的转接头进行确定，d₆要稍大于d₅，d₅和d₆取值均一般在0.5～1.4mm。

参见图1B所示，微带天线贴片11A与微带天线贴片11B的中心连线平行于介质板的宽边，且在介质板的短边的中间。微带天线贴片11A与微带天线贴片11B之间的距离记为d_1-2，d_1-2要大于两个贴片长度之和的一半，以保证两个天线不会重合。

微带天线贴片的尺寸约束：

在本发明中，考虑到天线实际应用场景，以波长λ₁150mm～300mm作为微带天线单元A约束尺寸设计，以波长λ₂50mm～150mm作为微带天线单元B约束尺寸设计：

a₁₁＝(0.3～0.4)λ₁、b₁₁＝(0.25～0.35)λ₁；

a₁₂＝(0.3～0.4)λ₂、b₁₂＝(0.25～0.35)λ₂；

短路探针放置位置约束：

在发明内容中已提到，本发明以特征模理论为基础，选取短路探针的位置须是在对耦合贡献较大的模式电流在微带天线内产生的模式电场的最大值处。在本发明中，对天线耦合贡献较大的模式为模式44，模式47及模式49，其在微带天线内产生的模式电场分布分别如图5A，5B及5C所示。因此短路探针放置应有约束设计，短路探针应放置在如图7A、图7B和图7C所示的32、34、35、36、37、38、39等处，若在其他位置放置短路探针则效果并不明显，甚至有可能会影响到天线的正常工作。

微带贴片11A、微带贴片11B和金属地板12的覆铜厚度为0.035mm。实施例1选用的微带天线组合如图1所示，微带天线组合的尺寸如下：

a₁₁＝72mm，b₁₁＝55.6mm；

a₁₂＝43.5mm，b₁₂＝34.9mm；

a₁₄＝221.5mm，b₁₄＝100mm；

h₁₄＝3mm；

d₅＝1.4mm；

d₆＝0.88mm；

d_1-2＝120mm。

对实施例1采用S参数进行性能评价：图中虚线表示传统天线，实线表示设计的实施例1天线。

参见图2A所示，S11参数表示微带天线单元A的工作性能，在优化前后其工作性能基本不变。

参见图2B所示，S22参数表示微带天线单元B的工作性能，在优化前后其工作性能基本不变。

参见图2C所示，本发明使用S12评价优化前后微带天线之间的隔离度，如图2C所示，在微带天线单元B工作频率2.45GHz处的耦合度传统天线为－38.8dB。而实施例1天线降低到－42.0dB，下降了3.2dB。

对实施例1采用方向图进行电感加载前后性能评价：图中虚线表示传统天线，实线表示设计的实施例1天线。从图3A、图3B的E面、H面方向图中可以看出，工作频率为1.575GHz时，微带天线单元A的辐射性能基本不受影响。从图3C、图3D的E面、H面方向图中可以看出，工作频率为2.45GHz时，微带天线单元B的辐射性能也基本不受影响。

下面将结合附图和实施例2对本发明做进一步的详细说明。

参见图4、图4A所示，本发明设计了一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其由微带天线贴片21A、微带天线贴片21B、金属地板22、介质板23和七枚金属短路探针14构成。所述微带天线贴片21A和微带天线贴片21B采用覆铜工艺制作在介质板23的介质板面板23A上，金属地板22采用覆铜工艺制作在介质板23的介质板面板23A另一面的面板上(图中未示出)。微带天线贴片21A、微带天线贴片21B和金属地板22的覆铜厚度均为0.018～0.035mm。短路探针14采用金属化过孔的方式制作在介质板23内,短路探针两端分别与微带天线贴片21A和金属地板22连接。介质板馈电穿孔15A采用非金属化过孔的方式制作在介质板23内,金属地板馈电穿孔15B为在金属板22上直接穿孔，用来连接同轴线进行天线馈电。

参见图4A所示，微带天线贴片21A，微带天线贴片21B，金属地板22和介质板23均为矩形形状。微带天线贴片21A的长度和宽度分别记为a₂₁、b₂₁，微带天线贴片21B的长度和宽度分别记为a₂₂、b₁₂，金属地板22和介质板23的长度和宽度均相同，分别记为a₂₃，b₂₃，介质板长度a₂₃一般为200～250mm，宽度b₂₃一般为80～120mm。介质板23的厚度记为h₂₃，h₂₃一般为1～3mm。短路探针4的直径记为d₄，d₄一般为1～1.6mm。介质板23内有用于馈电的介质板馈电穿孔15A,金属地板22上有金属地板馈电穿孔15B。介质板馈电穿孔15A的直径记为d₅，金属地板馈电穿孔15B的直径记为d₆，d₅和d₆可根据馈电使用的转接头进行确定，d₆要稍大于d₅，d₅和d₆取值均一般在0.5～1.4mm。

参见图4B所示，微带天线贴片21A与微带天线贴片21B的中心连线平行于介质板的宽边，且在介质板的短边的中间。微带天线贴片21A与微带天线贴片21B之间的距离记为d_1-2，d_1-2要大于两个贴片长度之和的一半，以保证两个天线不会重合。

微带天线贴片的尺寸约束：

在本发明中，考虑到天线实际应用场景，以波长λ₁150mm～300mm作为微带天线单元A约束尺寸设计，以波长λ₂50mm～150mm作为微带天线单元B约束尺寸设计：

a₂₂＝(0.3～0.4)λ₁、b₂₁＝(0.25～0.35)λ₁；

a₂₂＝(0.3～0.4)λ₂、b₂₂＝(0.25～0.35)λ₂；

短路探针放置位置约束：

在发明内容中已提到，本发明以特征模理论为基础，选取短路探针的位置须是在对耦合贡献较大的模式电流在微带天线内产生的模式电场的最大值处。在本发明中，对天线耦合贡献较大的模式为模式44，模式47及模式49，其在微带天线内产生的模式电场分布分别如图5A，5B及5C所示。因此短路探针放置应有约束设计，短路探针应放置在如图7A、图7B和图7C所示的32、34、35、36、37、38、39等处，若在其他位置放置短路探针则效果并不明显，甚至有可能会影响到天线的正常工作。

微带贴片21A、微带贴片21B和金属地板22的覆铜厚度为0.035mm。实施例2选用的微带天线组合如图4所示，微带天线组合的尺寸如下：

a₂₁＝88mm，b₂₁＝68mm；

a₂₂＝43.5mm，b₂₂＝34.9mm；

a₂₄＝221.5mm，b₂₄＝100mm；

h₂₄＝3mm；

d₅＝1.4mm；

d₆＝0.5mm；

d_1-2＝120mm。

对实施例2采用S参数进行性能评价：图中虚线表示传统天线，实线表示设计的实施例1天线。

参见图5A所示，S11参数表示微带天线单元A的工作性能，在优化前后其工作性能基本不变。

参见图5B所示，S22参数表示微带天线单元B的工作性能，在优化前后其工作性能基本不变。

参见图5C所示，本发明使用S21评价优化前后微带天线之间的隔离度，如图5C所示，在微带天线单元B工作频率2.45GHz处的耦合度传统天线为－38.8dB。而实施例1天线降低到－51.3dB，下降了12.5dB。

对实施例2采用方向图进行电感加载前后性能评价：图中虚线表示传统天线，实线表示设计的实施例2天线。从图6A、图6B的E面、H面方向图中可以看出，工作频率为1.575GHz时，微带天线单元A的辐射性能基本不受影响。从图6C、图6D的E面、H面方向图中可以看出，工作频率为2.45GHz时，微带天线单元B的辐射性能也基本不受影响。

Claims (7)

1.一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：是由2个微带天线单元和数个短路探针构成；

所述微带天线单元由金属地板、介质板和微带天线贴片组成；在介质板内设计有穿孔；在穿孔内安装了短路探针，短路探针为圆柱形，短路探针两端分别与微带天线贴片和金属地板连接；在介质板和金属地板上设计有穿孔，所述穿孔为馈电端口，用于天线工作时的同轴馈电；

短路探针采用金属化过孔的方式制作在介质板内,短路探针的直径为1～1.6mm；短路探针的位置是在对耦合贡献大的模式电流在微带天线内产生的模式电场的最大值处；

所述微带天线贴片采用覆铜工艺制作在介质板的正面上；所述金属地板采用覆铜工艺制作在介质板的反面上；金属地板和介质板的长度和宽度均相同；短路探针两端分别与微带天线贴片和金属地板连接；

在介质板上设计的穿孔为介质板馈电穿孔，采用非金属化过孔的方式制作在介质板内；在金属地板上设计的穿孔为金属地板馈电穿孔，为在金属板上直接穿孔；用来连接同轴线进行天线馈电。

2.根据权利要求1所述的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：微带天线贴片，金属地板和介质板均为矩形形状。

3.根据权利要求1所述的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：微带天线贴片和金属地板的覆铜厚度均为0.018～0.035mm。

4.根据权利要求3所述的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：以波长λ₁150mm～300mm作为微带天线贴片A约束尺寸设计，以波长λ₂50mm～150mm作为微带天线贴片B约束尺寸设计：a₁₁＝(0.3～0.4)λ₁、b₁₁＝(0.25～0.35)λ₁；a₁₂＝(0.3～0.4)λ₂、b₁₂＝(0.25～0.35)λ₂；其中，微带天线贴片A的长度和宽度分别记为a₁₁、b₁₁；微带天线贴片B的长度和宽度分别记为a₁₂、b₁₂。

5.根据权利要求1所述的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：介质板馈电穿孔和金属地板馈电穿孔取值均在0.5～1.4mm。

6.根据权利要求1所述的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：介质板长度为200～250mm，宽度为80～120mm，厚度为1～3mm。

7.根据权利要求1所述的一种具有耦合抑制作用的微带天线组合结构，其特征在于：2个微带天线贴片中心连线平行于介质板的长边，且在介质板的短边的中间；2个微带天线贴片之间的距离要大于2个微带天线贴片长度之和的一半，以保证2微带天线贴片不会重合。

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