CN111293424B - 一种高隔离度的双极化腔体辐射单元 - Google Patents

一种高隔离度的双极化腔体辐射单元 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高隔离度的双极化腔体辐射单元，属于通讯技术领域。改辐射单元包括内部设置有谐振腔体的谐振部件、均向所述谐振腔体馈电的第一波导和第二波导；所述谐振部件上分别设置有第一耦合窗口和第二耦合窗口，所述第一波导通过所述第一耦合窗口与所述谐振腔体连通，所述第二波导通过所述第二耦合窗口与所述谐振腔体连通；所述第一波导和所述第二波导均为矩形波导；所述第一波导的宽度边方向与所述第二波导的宽度边方向相互正交；所述谐振部件上还设置有用于所述谐振腔体向自由空间辐射极化波的镂空槽。该辐射单元具有高辐射效率、高功率容量、良好的机械强度和高增益特性，能够承受大功率传输，端口之间隔离度高。

Description

一种高隔离度的双极化腔体辐射单元
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其是指一种高隔离度的双极化腔体辐射单元。
背景技术
天线是无线通信系统中用于发射和接收电磁波的关键器件，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线进行工作。现代无线通信技术的迅速发展，一方面要求通信系统朝着小型化的趋势发展，另一方面又要进一步提升系统的通信容量。为了满足日益增长的通信需求和多样化的应用场景，天线技术也正在朝着宽频带、多极化及高增益的方向发展。在多天线实际应用中，包括用于分集实现和多输入多输出(MIMO)系统的应用，采用多根天线以增加信道容量的做法很常见，为了使通信系统简单化和小型化，一种有吸引力的解决方案是使用双极化天线。
一个双极化天线单元可以辐射两个极化相互正交的电磁波并且同时实现信号的收发双工模式，有效减少通信系统中工作天线的数量，有利于系统的小型化；在测试领域中可以避免对不同极化方向天线的切换；在移动通信领域可以实现极化分集和频率复用，抑制多径效应引起的干扰；在卫星通信领域可以实现信号收发的极化隔离以及提供两个相互正交的极化波。因此，双极化技术的发展符合现代无线通信技术的需求，具有重要的科学研究价值和实际应用价值。
现有的双极化天线主要采用偶极子天线、微带天线及平面缝隙天线等形式。然而，基于这几种类型的双极化天线具有以下先天性缺点：1、工作频率低，难以满足通信频段日益高频化的发展趋势；2、功率承受能力低，不能适用于大功率场景应用之中；3、增益低，传输距离受限；4、端口隔离度差，使得天线的辐射效率显著降低，从而影响整个通信系统的效率。以上缺点严重限制了基于这几种结构的双极化天线的实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服了现有双极化天线低增益、低功率承受能力以及端口隔离度差的缺点和现实情况，设计一种具有高辐射效率、高功率容量、良好的机械强度和高增益特性的双极化天线辐射单元，进而使纳入该辐射单元的天线能够具有高工作频率、高增益、能够承受大功率传输、端口之间隔离度高等特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高隔离度的双极化腔体辐射单元，包括内部设置有谐振腔体的谐振部件、均向所述谐振腔体馈电的第一波导和第二波导；所述谐振部件上分别设置有第一耦合窗口和第二耦合窗口，所述第一波导通过所述第一耦合窗口与所述谐振腔体连通，所述第二波导通过所述第二耦合窗口与所述谐振腔体连通；所述第一波导和所述第二波导均为矩形波导；所述第一波导的宽度边方向与所述第二波导的宽度边方向相互正交；所述谐振部件上还设置有用于所述谐振腔体向自由空间辐射极化波的镂空槽。
进一步地，所述第一耦合窗口和所述第二耦合窗口均为矩形窗口；所述第一耦合窗口的宽度小于等于所述第一波导的宽度，所述第二耦合窗口的宽度小于等于所述第二波导的宽度。
进一步地，所述镂空槽包括宽度边方向与所述第一波导的宽度边方向平行的第一弧形槽、宽度边方向与所述第二波导的宽度边方向平行的第二弧形槽。
进一步地，所述第一弧形槽的中心与所述第二弧形槽的中心重合。
进一步地，所述谐振部件上设置有用于调节谐振频率的柱形枝节；所述柱形枝节置于所述谐振腔体内。
进一步地，所述谐振部件与所述谐振腔体为同心的球体；所述谐振腔体直径为Φ，所述第一弧形槽的宽度为A，所述第二弧形槽的宽度为B，所述第一弧形槽对应的圆心角角度为C，所述第二弧形槽对应的圆心角角度为D，其中，3％Φ≤A≤20％Φ，3％Φ≤B≤20％Φ，20°≤C≤120°，20°≤D≤120°。
进一步地，所述柱形枝节为圆柱枝节；所述圆柱枝节的直径为R，高度为H，其中，2％Φ≤R≤20％Φ，4％Φ≤H≤40％Φ。
进一步地，所述第一耦合窗口的中心、所述第二耦合窗口的中心、所述圆柱枝节的中心、所述镂空槽的中心均位于过所述谐振腔体中心的同一平面上。
进一步地，所述第一耦合窗口的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体的同一直径方向上，所述第二耦合窗口的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体的另一直径方向上；或所述第一耦合窗口的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体的同一直径方向上，所述第二耦合窗口的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体的另一直径方向上。
本发明的有益效果在于：辐射单元的相互正交的两个波导，有效避免了两波导之间的电磁互耦，显著提升了两端口之间的隔离度，即经过耦合后在谐振腔体内形成相互正交的互不干扰的极化波，最终经过镂空槽发射。该辐射单元具有高辐射效率、高功率容量、良好的机械强度和高增益特性，能够承受大功率传输，端口之间隔离度高。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的立体图；
图2为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的另一视觉方向的立体图；
图3为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的正视图；
图4为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的左视图；
图5为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的后视图；
图6为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的俯视图；
图7为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的由仿真得到的S参数曲线图；
图8为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的由仿真得到的增益随频率变化的曲线图；
图9为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的工作于8.85GHz时，由第一波导馈电时的E面、H面的辐射方向图；
图10为本发明的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元的一实施例的工作于8.85GHz时，由第二波导馈电时的E面、H面的辐射方向图；
其中，1-第一波导，2-第二波导，3-谐振部件，31-谐振腔体，32-第一弧形槽，33-第二弧形槽，34-柱形枝节，35-第一耦合窗口，36-第二耦合窗口，4-第一法兰盘，5-第二法兰盘。
具体实施方式
本发明最关键的构思在于：在高隔离度的腔体内形成两个互不干扰的激发波，使两极化波之间的工作互不干扰，同时也屏蔽外界对其内所形成的极化波发生干扰。
为了进一步论述本发明构思的可行性，根据本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式并配合附图详予说明。
实施例1
请参阅图1至图6，一种高隔离度的双极化腔体辐射单元，包括内部设置有谐振腔体31的谐振部件3、均向所述谐振腔体31馈电的第一波导1和第二波导2；所述谐振部件3上分别设置有第一耦合窗口35和第二耦合窗口36，所述第一波导1通过所述第一耦合窗口35与所述谐振腔体31连通，所述第二波导2通过所述第二耦合窗口36与所述谐振腔体31连通；所述第一波导1和所述第二波导2均为矩形波导；所述第一波导1的宽度边方向与所述第二波导2的宽度边方向相互正交；所述谐振部件3上还设置有用于所述谐振腔体31向自由空间辐射极化波的镂空槽。所述第一波导1通过第一耦合窗口35耦合后在所述谐振腔体31内形成第一极化波；所述第二波导2通过第二耦合窗口36耦合后在所述谐振腔体31内形成第二极化波。由于所述第一波导1的宽度边方向与所述第二波导2的宽度边方向相互正交，即所述第一波导1与所述第二波导2的电场方向相互正交，且经过耦合后在所述谐振腔体31内形成相互正交的互不干扰的第一极化波和第二极化波。所述第一波导1和所述第二波导2可以同时馈电，也可分别单独馈电；当二者同时馈电时，其中一个极化波受到干扰时，另一个依然可以工作，保证信号的传输。谐振部件3由金属材质制成或者其表面均为金属，形成高隔离度的谐振腔体31，保证谐振腔体31内相互独立的两极化波不受干扰，且只能从镂空槽处向自由空间辐射。
总而言之，辐射单元的相互正交的两个波导，有效避免了两波导之间的电磁互耦，显著提升了两端口之间的隔离度，即经过耦合后在谐振腔体31内形成相互正交的互不干扰的极化波，最终经过镂空槽发射。该辐射单元具有高辐射效率、高功率容量、良好的机械强度和高增益特性，能够承受大功率传输，端口之间隔离度高。
实施例2
在实施例1结构基础上，所述第一耦合窗口35和所述第二耦合窗口36均为矩形窗口；所述第一耦合窗口35的宽度小于等于所述第一波导1的宽度，所述第二耦合窗口36的宽度小于等于所述第二波导2的宽度。第一耦合窗口35的大小比第一波导1的大小小，第二耦合窗口36的大小比第二波导2的大小小。
实施例3
在实施例2结构基础上，所述镂空槽包括宽度边方向与所述第一波导1的宽度边方向平行的第一弧形槽32、宽度边方向与所述第二波导2的宽度边方向平行的第二弧形槽33。第一弧形槽32用于辐射第一波导1耦合后产生的第一极化波，第二弧形槽33用于辐射第二波导2耦合后产生的第二极化波。
实施例4
在实施例3结构基础上，所述第一弧形槽32的中心与所述第二弧形槽33的中心重合。由于第一波导1的宽度边方向与第二波导2的宽度边方向相互正交，第一弧形槽32的宽度边方向与第一波导1的宽度边方向平行，第二弧形槽33的宽度边方向与第二波导2的宽度边方向平行，第一弧形槽32的中心与第二弧形槽33的中心重合时，相交的位置处为呈十字形的槽。
实施例5
在实施例3或实施例4结构基础上，所述谐振部件3上设置有用于调节谐振频率的柱形枝节34；所述柱形枝节34置于所述谐振腔体31内。加载于谐振腔体31内部的柱形枝节34，其主要作用在于：调节由两波导之一的馈电端口所激励谐振模式的谐振频率。
实施例6
在实施例5结构基础上，所述谐振部件3与所述谐振腔体31为同心的球体；所述谐振腔体31直径为Φ，所述第一弧形槽32的宽度为A，所述第二弧形槽33的宽度为B，所述第一弧形槽32对应的圆心角角度为C，所述第二弧形槽33对应的圆心角角度为D，其中，3％Φ≤A≤20％Φ，3％Φ≤B≤20％Φ，20°≤C≤120°，20°≤D≤120°。两弧形槽的槽宽和弧形槽两端与球形谐振腔体31球心连心所成的圆心角与应用本发明辐射单元的双极化天线的带宽内增益有关。在上述尺寸范围内，应用本发明辐射单元的双极化天线的带宽内增益高。
实施例7
在实施例6结构基础上，所述柱形枝节34为圆柱枝节；所述圆柱枝节的直径为R，高度为H，其中，2％Φ≤R≤20％Φ，4％Φ≤H≤40％Φ。圆柱枝节由金属材质制成。
实施例8
在实施例7结构基础上，所述第一耦合窗口35的中心、所述第二耦合窗口36的中心、所述圆柱枝节的中心、所述镂空槽的中心均位于过所述谐振腔体31中心的同一平面上。
实施例9
在实施例8结构基础上，所述第一耦合窗口35的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体31的同一直径方向上，所述第二耦合窗口36的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体31的另一直径方向上。圆柱枝节调节由第二波导2的馈电端口所激励谐振模式的谐振频率。
实施例10
在实施例8结构基础上，所述第一耦合窗口35的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体31的同一直径方向上，所述第二耦合窗口36的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体31的另一直径方向上。圆柱枝节调节由第一波导1的馈电端口所激励谐振模式的谐振频率。
实施例11
在实施例9或10的基础上，所述第一波导1与所述第一耦合窗口35连接端的另一端设置有用于固定馈电装置的第一法兰盘4，所述第二波导2与所述第二耦合窗口36连接端的另一端设置有用于固定馈电装置的第二法兰盘5。所述第一波导1与所述第一耦合窗口35连接端的另一端为第一波导馈电口，所述第二波导2与所述第二耦合窗口36连接端的另一端为第二波导馈电口。
为了进一步说明本发明构思的可行性，设定一高隔离度的双极化腔体辐射单元的仿真参数。该高隔离度的双极化腔体辐射单元包括内部设置有球形谐振腔体的球形谐振部件、向所述谐振腔体馈电的矩形波导。所述矩形波导的长度为22.86mm，宽度为10.16mm。所述矩形波导包括第一波导1和第二波导2；所述第一波导1的宽度边方向与所述第二波导2的宽度边方向相互正交。所述谐振部件3上设置有矩形窗口，所述矩形窗口包括第一耦合窗口35和第二耦合窗口36；所述第一耦合窗口35的宽度为10.16mm，长度为14.0mm；第二耦合窗口36的宽度为10.16mm，长度为12.9mm。所述第一波导1通过所述第一耦合窗口35与所述谐振腔体31连通，所述第二波导2通过所述第二耦合窗口36与所述谐振腔体31连通。所述谐振部件3上还设置有用于所述谐振腔体31向自由空间辐射极化波的镂空槽；所述镂空槽包括宽度边方向与所述第一波导1的宽度边方向平行的第一弧形槽32、宽度边方向与所述第二波导2的宽度边方向平行的第二弧形槽33；所述第一弧形槽32的中心与所述第二弧形槽33的中心重合。所述谐振部件3与所述谐振腔体31为同心的球体；所述谐振腔体31直径为29.2mm，所述第一弧形槽32的宽度为4mm，所述第二弧形槽33的宽度为4mm，所述第一弧形槽32对应的圆心角角度为100°，所述第二弧形槽33对应的圆心角角度为100°。所述谐振部件3上设置有用于调节谐振频率的置于所述谐振腔体31内的圆柱枝节；所述圆柱枝节直径为3.0mm，高度为4.5mm。所述第一耦合窗口35的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体31的同一直径方向上，所述第二耦合窗口36的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体31的另一直径方向上。根据上述条件进行仿真测试，测试结果请参阅图7至图10：
1)图7为由仿真得到的S参数曲线图，包含反射系数(S11、S22)和馈电端口隔离度(S12、S21)。从图7中可以看出，辐射单元的S11和S22的中心工作频率都为8.85GHz，这证明天线具有良好的双极化性能。S11的-10dB绝对带宽为0.14GHz(从8.78GHz-8.92GHz)，S22的-10dB绝对带宽为0.8GHz(从8.81GHz-8.89GHz)。此外，两馈电端口之间的隔离度(S12、S21)均优于-48dB，优于已报道的常规双极化天线馈电端口之间-30dB左右的隔离度。
2)图8为由仿真得到的由第一波导1和第二波导2分别馈电时辐射单元的增益随频率变化的曲线图。从图8中可以看出，由第一波导端口馈电时，带宽内增益范围为7.4–7.9dBi；由第二波导端口馈电时，带宽内增益范围为增益起伏为7.08–7.2dBi。该增益值表明所设计的双极化腔体辐射单元在一定的输入功率下可以获得较高的发射或者接收信号强度。另外，带宽内增益起伏均低于0.5dBi，这表明所发明的辐射单元的增益在工作频带内平坦且稳定，证明所发明的辐射单元具有良好的工作稳定性。
3)图9为工作于8.85GHz时，由第一波导馈电时的E面、H面的辐射方向图；图10为工作于8.85GHz时，由第二波导馈电时的E面、H面的辐射方向图。从图9和图10中可以看出，所发明辐射单元在保证高增益特性的同时，兼顾定向辐射的特性，而且辐射单元的辐射方向图只有主瓣，没有副瓣，这表明所发明辐射单元具有较理想的定向辐射特性。
总而言之，所发明双极化腔体辐射单元能基于简单的结构实现双极化、高增益、高端口隔离度及定向辐射的优良性能，有利于提升无线通信系统的性能。
综上所述，本发明提供的一种高隔离度的双极化腔体辐射单元，利用相互正交的两个波导，有效避免了两波导之间的电磁互耦，显著提升了两端口之间的隔离度，即经过耦合后在高隔离度的谐振腔体内形成相互正交的互不干扰的极化波，其中一极化波受柱形枝节调节频率，最终两极化波经过两呈十字形交叉的两个弧形槽发射。该辐射单元的两馈电端口之间的隔离度(S12、S21)均优于-48dB，由第一波导端口馈电时，带宽内增益范围为7.4–7.9dBi，由第二波导端口馈电时，带宽内增益范围为增益起伏为7.08–7.2dBi。辐射单元的辐射方向图只有主瓣，没有副瓣，即该辐射单元具有高辐射效率、高功率容量、良好的机械强度和高增益特性，能够承受大功率传输，端口之间隔离度高。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，包括内部设置有谐振腔体的谐振部件、均向所述谐振腔体馈电的第一波导和第二波导；所述谐振部件上分别设置有第一耦合窗口和第二耦合窗口，所述第一波导通过所述第一耦合窗口与所述谐振腔体连通，所述第二波导通过所述第二耦合窗口与所述谐振腔体连通；所述第一波导和所述第二波导均为矩形波导；所述第一波导的宽度边方向与所述第二波导的宽度边方向相互正交；所述谐振部件上还设置有用于所述谐振腔体向自由空间辐射极化波的镂空槽；
所述第一耦合窗口和所述第二耦合窗口均为矩形窗口；所述第一耦合窗口的宽度小于等于所述第一波导的宽度，所述第二耦合窗口的宽度小于等于所述第二波导的宽度；
所述镂空槽包括宽度边方向与所述第一波导的宽度边方向平行的第一弧形槽、宽度边方向与所述第二波导的宽度边方向平行的第二弧形槽。
2.如权利要求1所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述第一弧形槽的中心与所述第二弧形槽的中心重合。
3.如权利要求1或2任一所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述谐振部件上设置有用于调节谐振频率的柱形枝节；所述柱形枝节置于所述谐振腔体内。
4.如权利要求3所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述谐振部件与所述谐振腔体为同心的球体；所述谐振腔体直径为Φ，所述第一弧形槽的宽度为A，所述第二弧形槽的宽度为B，所述第一弧形槽对应的圆心角角度为C，所述第二弧形槽对应的圆心角角度为D，其中，3％Φ≤A≤20％Φ，3％Φ≤B≤20％Φ，20°≤C≤120°，20°≤D≤120°。
5.如权利要求4所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述柱形枝节为圆柱枝节；所述圆柱枝节的直径为R，高度为H，其中，2％Φ≤R≤20％Φ，4％Φ≤H≤40％Φ。
6.如权利要求5所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述第一耦合窗口的中心、所述第二耦合窗口的中心、所述圆柱枝节的中心、所述镂空槽的中心均位于过所述谐振腔体中心的同一平面上。
7.如权利要求6所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述第一耦合窗口的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体的同一直径方向上，所述第二耦合窗口的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体的另一直径方向上。
8.如权利要求7所述的高隔离度的双极化腔体辐射单元，其特征在于，所述第一耦合窗口的中心与所述圆柱枝节的中心位于所述谐振腔体的同一直径方向上，所述第二耦合窗口的中心与所述镂空槽的中心位于所述谐振腔体的另一直径方向上。
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