CN110767997A - 一种宽带高增益差分馈电多极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带高增益差分馈电多极化天线，属于雷达技术领域，主要解决的是现有多极化天线带宽窄、增益低的技术问题，所述天线包括金属地板，金属地板上方设有四组围绕其中心轴线均匀布置的耦合辐射组件，四组耦合辐射组件之间为两两对称的结构，耦合辐射组件包括间隔布置的金属辐射贴片、金属耦合贴片以及连接金属耦合贴片的准共面波导馈线，准共面波导馈线包括中心导体和位于中心导体两侧的侧导板，中心导体的上端连接金属耦合贴片，下端穿过金属地板，侧导板的底部连接金属地板，侧导板的顶部与金属耦合贴片之间设有间隙。本发明能够在3.14～5.58GHz，相对带宽为55.9％的范围内获得小于‑10dB的端口反射系数和9.5～12.5dB的带内增益。

Description

一种宽带高增益差分馈电多极化天线
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，更具体地说，它涉及一种宽带高增益差分馈电多极化天线。
背景技术
多极化天线广泛应用于无线通信领域和雷达探测等领域，多极化天线的性能直接影响到无线通信质量或雷达探测的性能。现有的多极化天线存在带宽窄、增益低的问题，制约了无线通信设备和雷达的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种带宽宽和增益高的宽带高增益差分馈电多极化天线。
本发明技术方案是：一种宽带高增益差分馈电多极化天线，包括金属地板，所述金属地板上方设有四组围绕其中心轴线均匀布置的耦合辐射组件，四组所述耦合辐射组件之间为两两对称的结构，所述耦合辐射组件包括间隔布置的金属辐射贴片、金属耦合贴片以及连接所述金属耦合贴片的准共面波导馈线，所述金属耦合贴片远离所述中心轴线的一端通过耦合方式与所述金属辐射贴片靠近所述中心轴线的一端发生耦合作用，所述准共面波导馈线包括中心导体和位于所述中心导体两侧的侧导板，所述中心导体的上端连接所述金属耦合贴片，下端穿过所述金属地板，所述侧导板的底部连接所述金属地板，所述侧导板的顶部与所述金属耦合贴片之间设有间隙。
进一步地，所述金属耦合贴片靠近所述中心轴线的一端连接所述中心导体的上端。
进一步地，两侧所述侧导板以所述中心导体对称布置且位于同一平面，两侧所述侧导板的连线穿过所述中心导体的轴心线。
进一步地，所述金属辐射贴片为扇形结构或三角形结构。
进一步地，所述金属耦合贴片为矩形结构。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
1.本发明通过在金属地板上方设置四片围绕其中心轴线均匀布置的金属辐射贴片，与各金属辐射贴片对应的金属耦合贴片及准共面波导馈线，金属辐射贴片之间为两两对称的结构，金属耦合贴片之间为两两对称的结构，准共面波导馈线之间为两两对称的结构，天线整体结构的高度对称，可以在50％以上的相对带宽内实现良好的阻抗匹配和高增益定向辐射，通过使用不同的馈电电路对天线的四个准共面波导馈线输入满足双极化和圆极化的信号可以实现双极化和圆极化辐射，能够在3.14～5.58GHz，相对带宽为55.9％的范围内获得小于-10dB的端口反射系数和9.5～12.5dB的带内增益。
2.本发明的金属辐射贴片采用扇形或三角形金属贴片，金属辐射贴片远离中心轴线的一边为辐射边，通过调节辐射边的长度以及辐射边与中心轴线之间的距离可方便调节天线的辐射性能。
3.本发明的金属耦合贴片采用矩形金属贴片，通过调节矩形金属贴片的宽度可以方便调节天线的耦合强度。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图；
图2为本发明的仰视结构示意图；
图3为本发明的主视结构示意图；
图4为本发明的立体结构示意图；
图5为图4中A处的放大图；
图6为本发明的双极化曲线图；
图7为本发明的线极化增益图。
其中：1-介质基板、2-金属地板、3-金属辐射贴片、4-金属耦合贴片、5-准共面波导馈线、51-中心导体、52-侧导板。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1-7，一种宽带高增益差分馈电多极化天线，包括金属地板2，金属地板2上方设有四组围绕其中心轴线均匀布置的耦合辐射组件，中心轴线即天线的中心轴线。四组耦合辐射组件之间为两两对称的结构，耦合辐射组件包括间隔布置的金属辐射贴片3、金属耦合贴片4以及连接金属耦合贴片4的准共面波导馈线5。金属辐射贴片3之间为两两对称的结构，即相邻的金属辐射贴片3之间为对称结构，相对的金属辐射贴片3之间也为对称结构，相应的，金属耦合贴片4之间为两两对称的结构，准共面波导馈线5之间为两两对称的结构。在本实施例中，金属辐射贴片3与金属耦合贴片4之间可以是上下间隔布置的结构或水平间隔布置的结构。当金属辐射贴片3与金属耦合贴片4之间为上下间隔布置的结构时，金属耦合贴片4可以位于金属辐射贴片3上方，也可以位于金属辐射贴片3下方。金属辐射贴片3与中心轴线的距离大于金属耦合贴片4与中心轴线的距离。金属耦合贴片4远离中心轴线的一端通过耦合方式与金属辐射贴片3靠近中心轴线的一端发生耦合作用。准共面波导馈线5包括中心导体51和位于中心导体51两侧的侧导板52，中心导体51的上端连接金属耦合贴片4，下端穿过金属地板2，侧导板52的底部连接金属地板2，侧导板52的顶部与金属耦合贴片4之间设有间隙。在本实施例中，可以通过设置介质基板1将金属辐射贴片3与金属耦合贴片4间隔开，如金属辐射贴片3设置在在介质基板1顶部，金属耦合贴片4设置在在介质基板1底部，如图4所示。当然也可以将金属辐射贴片3设置在介质基板1底部，将金属耦合贴片4设置在介质基板1顶部，或者将金属辐射贴片3和金属耦合贴片4设置在介质基板1的同一平面。
金属耦合贴片4靠近中心轴线的一端连接中心导体51的上端。两侧侧导板52以中心导体51对称布置且位于同一平面，两侧侧导板52的连线穿过中心导体51的轴心线。金属辐射贴片3为扇形结构或三角形结构，金属辐射贴片3远离中心轴线的一边为辐射边，通过调节辐射边的长度以及辐射边与中心轴线之间的距离可方便调节天线的辐射性能。金属耦合贴片4为矩形结构。金属耦合贴片4与金属辐射贴片3耦合的强度受金属耦合贴片4的宽度、介质基板1的厚度、介质基板1的介电常数影响，在本实例中，介质基板1的厚度小于0.8mm，介质基板1的介电常数小于3.5。当厚度和介电常数确定后，通过调节矩形金属贴片的宽度可以方便调节天线的耦合强度。
金属地板2上分别设有与各中心导体51对应的开孔，如图2中的开孔P1、开孔P2、开孔P3、开孔P4，中心导体51穿开孔后用于连接外部馈电线路，可以连接两种不同方式的外部馈电线路。
当外部馈电线路为差分馈电线路时，相对的两组开孔分别组成两个差分馈电端口以进行天线的双极化辐射，即天线的开孔P1、开孔P3端口组成一个差分馈电端口A，同时天线的开孔P2、开孔P4端口组成一个差分馈电端口B；在这两个差分馈电端口A、B分别进行差分馈电，可以实现天线的双极化辐射，此时天线的阻抗带宽位3.14GHz到5.58GHz，两个端口分别对应的增益均为9.5～12.5dBi。
当外部馈电线路为正交相位四端口馈电网络时，四个开孔分别馈入幅度相等、相位依次相差90度的信号以进行天线的圆极化辐射，即天线的开孔P1、开孔P2、开孔P3、开孔P4端口分别馈入幅度相等、相位依次相差90度的信号，可形成圆极化，其带宽为3.14Ghz到5.58GHz，增益为9.5～12.5dBic。
仿真结果，如图2所示，本发明所提出的天线工作在双极化状态时的阻抗带宽为3.14GHz到5.58GHz，图3显示带宽内的垂直极化和水平极化的增益为9.5～12.5dBi，在3.18GHz到5.46GHz，带宽内增益大于10dBi。当天线的四个端口P1、P2、P3、P4输入幅度相等，相位依次相差90度的信号时，天线工作在圆极化模式，天线的阻抗带宽为3.20GHz到5.84GHz，且在3.18GHz到5.46GHz，带宽内增益大于10dBi，由于天线具有高度对称的辐射结构和端口，因此它的轴比只受外部馈电网络的特性影响，与天线本身关系不大。
应用实例
1.无线通信
宽带天线可以为无线通信提供足够的带宽支撑高数据速率的通信。此外，无线通信中通常还采用双极化或圆极化模式以提高通信容量。本发明中的天线的相对带宽达到50％以上，实施例的天线带宽为3.14GHz到5.58GHz，对应的相对带宽超过55％，因此具有宽带特性。本发明中的天线在接入不同的馈电信号时分别能实现双极化、左旋圆极化和右旋圆极化，能满足不同通信系统的需求。
2.雷达探测
雷达探测中通常需要高增益的天线单元通过组成阵列的方式获得更好的性能。天线单元的特性对阵列的性能影响巨大，天线单元的带宽和增益与阵列的带宽和增益成正比。因此提高天线单元的带宽和增益就能有效提高天线阵列的带宽和增益。本发明中的宽带高增益天线可在50％以上的相对带宽内提供大于10dB的增益，且带内增益波动小于3dB，它可作为宽带高增益天线阵列的天线单元使用。
本发明通过在金属地板上方设置四片围绕其中心轴线均匀布置的金属辐射贴片，与各金属辐射贴片对应的金属耦合贴片及准共面波导馈线，金属辐射贴片之间为两两对称的结构，金属耦合贴片之间为两两对称的结构，准共面波导馈线之间为两两对称的结构，天线整体结构的高度对称，可以在50％以上的相对带宽内实现良好的阻抗匹配和高增益定向辐射，通过使用不同的馈电电路对天线的四个准共面波导馈线输入满足双极化和圆极化的信号可以实现双极化和圆极化辐射，能够在3.14～5.58GHz，相对带宽为55.9％的范围内获得小于-10dB的端口反射系数和9.5～12.5dB的带内增益。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (5)

1.一种宽带高增益差分馈电多极化天线，其特征在于，包括金属地板(2)，所述金属地板(2)上方设有四组围绕其中心轴线均匀布置的耦合辐射组件，四组所述耦合辐射组件之间为两两对称的结构，所述耦合辐射组件包括间隔布置的金属辐射贴片(3)、金属耦合贴片(4)以及连接所述金属耦合贴片(4)的准共面波导馈线(5)，所述金属耦合贴片(4)远离所述中心轴线的一端通过耦合方式与所述金属辐射贴片(3)靠近所述中心轴线的一端发生耦合作用，所述准共面波导馈线(5)包括中心导体(51)和位于所述中心导体(51)两侧的侧导板(52)，所述中心导体(51)的上端连接所述金属耦合贴片(4)，下端穿过所述金属地板(2)，所述侧导板(52)的底部连接所述金属地板(2)，所述侧导板(52)的顶部与所述金属耦合贴片(4)之间设有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高增益差分馈电多极化天线，其特征在于，所述金属耦合贴片(4)靠近所述中心轴线的一端连接所述中心导体(51)的上端。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高增益差分馈电多极化天线，其特征在于，两侧所述侧导板(52)以所述中心导体(51)对称布置且位于同一平面，两侧所述侧导板(52)的连线穿过所述中心导体(51)的轴心线。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高增益差分馈电多极化天线，其特征在于，所述金属辐射贴片(3)为扇形结构或三角形结构。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种宽带高增益差分馈电多极化天线，其特征在于，所述金属耦合贴片(4)为矩形结构。
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