CN111641050A - 共口径多极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共口径多极化天线，属于多极化天线技术领域解决现有极化天线端口间的隔离度偏小，导致天线辐射效率降低的问题。共口径多极化天线包括：第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元、第四天线单元和PIN开关；第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元均为偶极子无源天线单元，且旋转对称；第一天线单元和第三天线单元正交，第二天线单元和第四天线单元正交；PIN开关与第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元的端口连接。本发明采用多极化振子天线及PIN开关的方式，通过控制开关切换状态，令非工作通道高阻负载，以提高端口间隔离度，实现高效率的共口径多极化天线。

Description

共口径多极化天线

技术领域

本发明涉及多极化天线技术领域，尤其涉及一种共口径多极化天线。

背景技术

多极化天线是现代通信系统中常用的天线之一。诸如移动通信、散射通信等民用领域，采用多极化天线可实现空间电磁波的接收/发射分集，以提高通信的频谱利用率。

通常，由于天线各极化端口间的互耦作用，使得在同一口径下，天线往往只能实现一对正交极化的设计，当需要更多极化时，则通过将天线布置在不同的位置以实现多个极化，即多口径天线。多口径的多极化天线方式，其口径尺寸相对较大，无法应用于对口径尺寸要求较高的平台，如星载、弹载平台等。

共口径的多极化天线，可减小天线口径尺寸，但非正交极化天线端口间的隔离度偏小，将导致天线辐射效率降低。为在不同极化状态工作时，仍保持高辐射效率，需提高天线端口间的隔离度。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种共口径多极化天线，用以解决现有极化天线端口间的隔离度偏小，导致天线辐射效率降低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种共口径多极化天线，共口径多极化天线包括：第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元、第四天线单元和PIN开关；

第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元均为偶极子无源天线单元，且旋转对称；第一天线单元和第三天线单元正交，第二天线单元和第四天线单元正交；PIN开关与第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元的端口连接。

本发明技术方案中，共口径多极化天线还包括反射板；反射板与第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元中的任一进行对应方向的极化电磁信号辐射。

本发明技术方案中，第一天线单元和第二天线单元之间的夹角为45°。

本发明技术方案中，偶极子无源天线单元包括：第一辐射臂、第二辐射臂、同轴馈电结构和短路结构；

第一辐射臂的固定端通过同轴馈电结构与反射板固定连接；第二辐射臂的固定端通过短路结构与反射板固定连接；第一辐射臂与第二辐射臂关于共口径多极化天线的轴线中心对称。

本发明技术方案中，所有偶极子无源天线单元第一辐射臂和第二辐射臂的长度相等，且均为共口径多极化天线的中心频率对应波长的25±5％。

本发明技术方案中，偶极子无源天线单元各自的同轴馈电结构和短路结构的高度分别相等，且均为共口径多极化天线的中心频率对应波长的25±2.5％；

所有偶极子无源天线单元中任意二者的同轴馈电结构的高度差不小于1mm。

本发明技术方案中，PIN开关为四入四出开关，包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关且具备第一工作状态和第二工作状态：

PIN开关处于第一工作状态时，第一开关和第三开关对应的端口处于导通状态，且第二开关和第四开关对应的端口处于高阻状态；

PIN开关处于第二工作状态时，第一开关和第三开关对应的端口处于高阻状态，且第二开关和第四开关对应的端口处于导通状态。

本发明技术方案中，PIN开关分别与每个偶极子无源天线单元的同轴馈电结构通过同轴电缆连接，且同轴电缆的长度为中心频率对应波长的25％的奇数倍与同轴馈电结构的调节补偿的差值。

本发明技术方案中，同轴馈电结构的调节补偿为同轴馈电结构的等效电长度减去中心频率对应波长的25％。

本发明技术方案中，一开关、第二开关、第三开关和第四开关对应的端口处于导通状态时，端口与高阻抗负载连接；高阻抗负载的阻抗大于5000Ω；

端口与高阻抗负载之间的等效电长度为共口径多极化天线的中心频率对应波长的50±2.5％。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明采用多极化振子天线及PIN开关的方式，通过控制开关切换状态，令非工作通道高阻负载，以提高端口间隔离度，实现高效率的共口径多极化天线；

2.本发明采用四个偶极子天线共轴45°旋转排布，结合反射板，可形成四个线极化的电磁波辐射，减小了非正交极化端口间的耦合，提高了天线辐射效率；

3.本发明在天线末端连接四入四出PIN开关，该开关有两种工作模式，模式1可使连接0°极化和90°极化的天线通道导通，使其呈工作状态，此时，45°极化与135°极化的通道呈高阻状态，无法谐振，以此来提高端口间的隔离度，减小应耦合引起的辐射损耗，使工作状态的0°极化和90°极化的天线通道可高效辐射电磁波；模式2则与模式1相反，使工作状态的45°极化和135°极化的天线通道可高效辐射电磁波。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的俯视图；

图3为本发明实施例的三维图。

附图标记：

1-第一天线单元；1a-第一辐射臂；1b-第二辐射臂；1c-短路结构；1d-同轴馈电结构；2-第二天线单元；3-第三天线单元；4-第四天线单元；5-反射板；6-PIN开关；7-同轴电缆。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明实施例提供了一种共口径多极化天线，如图1-3所示，包括：第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4和PIN开关6；第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3和第四天线单元4均为偶极子无源天线单元，且旋转对称；第一天线单元1和第三天线单元3正交，第二天线单元2和第四天线单元4正交；PIN开关6与第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3和第四天线单元4的端口连接。本发明实施例通过PIN开关6来分别控制第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4，使得同时间内第一天线单元1和第三天线单元3对应的极化通道处于导通状态、第二天线单元2和第四天线单元4对应的极化通道处于高阻状态，或，第一天线单元1和第三天线单元3对应的极化通道处于高阻状态、第二天线单元2和第四天线单元4对应的极化通道处于导通状态，从而有效降低非正交的天线单元之间的非正交极化通道的耦合。

本发明实施例的共口径多极化天线还包括反射板5；反射板5与第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3和第四天线单元4中的任一进行对应方向的极化电磁信号辐射，四个偶极子无源天线单元都能够与反射板5一起实现电磁波的高效定向辐射。

为了使任意相邻的2个天线单元之间的非正交关系相同，本发明实施例中，第一天线单元1和第二天线单元2之间的夹角为45°。为了方便说明，当俯视本发明实施例的共口径多极化天线时，规定，第一天线单元1对应为0°和180°，第二天线单元2对应45°和225°，第三天线单元3对应90°和270°，第四天线单元4对应135°和315°，每个天线单元用于进行对应方向的极化，并进行电磁波辐射。

本发明实施例中，第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3和第四天线单元4均为偶极子无源天线单元，四者结构相同，只有尺寸不同：

每个偶极子无源天线单元包括：第一辐射臂1a、第二辐射臂1b、同轴馈电结构1d和短路结构1c；第一辐射臂1a的固定端通过同轴馈电结构1d与反射板5固定连接；第二辐射臂1b的固定端通过短路结构1c与反射板5固定连接；第一辐射臂1a与第二辐射臂1b关于共口径多极化天线的轴线中心对称。即，第一天线单元1的第一辐射臂1a对应0°、第二辐射臂1b对应180°，第二天线单元2的第一辐射臂1a对应45°、第二辐射臂1b对应225°，第三天线单元3的第一辐射臂1a对应90°、第二辐射臂1b对应270°，第四天线单元4的第一辐射臂1a对应135°、第二辐射臂1b对应315°。同一偶极子无源天线单元内，第一辐射臂1a和第二辐射臂1b的固定端相互靠近、旋臂端相互远离，从而在本发明实施例的俯视图中，第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3和第四天线单元4形成周向均布的设置。

为了提高同一极化方向上，电磁波信号的稳定性，本发明实施例中，所有偶极子无源天线单元第一辐射臂1a和第二辐射臂1b的长度相等，且均为共口径多极化天线的中心频率对应波长的25±5％，即，无论第一辐射臂1a和第二辐射臂1b是否属于同一有偶极子无源天线单元，二者的长度均相等。

为了在保证电磁波信号的稳定性的前提下，削弱非正交极化之间的耦合，本发明实施例中，偶极子无源天线单元各自的同轴馈电结构1d和短路结构1c的高度分别相等，且均为共口径多极化天线的中心频率对应波长的25±2.5％；所有偶极子无源天线单元中任意二者的同轴馈电结构1d的高度差不小于1mm。即，同一偶极子无源天线单元的同轴馈电结构1d和短路结构1c的高度相等，而不同偶极子无源天线单元的同轴馈电结构1d和短路结构1c的高度不相等，两两之间至少相差1mm。

本发明实施例中，PIN开关6为四入四出开关，第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4均和PIN开关6其中一路连接，为了方便说明，第一开关控制第一天线单元1、第二开关控制第二天线单元2、第三开关控制第三天线单元3，第四开关控制第四天线单元4，每个开关采用类似单刀双掷开关的结构，两个支路，其一为导电线缆，另一为高阻负载。当开关连接导电线缆时，开关处于导通状态，使得对应的天线单元出于工作状态；当开关连接高阻负载时，开关处于高阻状态，使得对应的天线单元出于非工作状态，当四个开关交替处于导通状态或高阻状态时，本发明实施例即可实现非正交极化之间的隔离。需要说明的是，当开关处于导通状态时，阻抗为50Ω，当开关处于高阻状态时，阻抗大于5000Ω，端口与高阻抗负载之间的等效电长度为共口径多极化天线的中心频率对应波长的50±2.5％。

具体的，PIN开关6具备第一工作状态和第二工作状态：

PIN开关6处于第一工作状态时，第一开关和第三开关对应的端口处于导通状态，且第二开关和第四开关对应的端口处于高阻状态，此时第一天线单元1、第三天线单元3处于工作状态，第二天线单元2、第四天线单元4处于非工作状态；PIN开关6处于第二工作状态时，第一开关和第三开关对应的端口处于高阻状态，且第二开关和第四开关对应的端口处于导通状态，此时第一天线单元1、第三天线单元3处于非工作状态，第二天线单元2、第四天线单元4处于工作状态。

本发明实施例中，PIN开关6分别与每个偶极子无源天线单元的同轴馈电结构1d通过同轴电缆7连接，且同轴电缆7的长度为中心频率对应波长的25％的奇数倍与同轴馈电结构1d的调节补偿的差值。即使，得PIN开关6到辐射臂之间的电长度为中心频率对应波长的25％的偶数倍。需要说明的是，同轴馈电结构1d的调节补偿为同轴馈电结构1d的等效电长度减去中心频率对应波长的25％。

下面结合实例来对本发明实施例进行说明，天线工作于1.555GHz-1.595GHz，中心频率为1.575GHz：

本发明实施例的核心在于：采用共轴依次45°旋转排布的四个偶极子无源天线单元及一个反射板5共同作用，实现四个线极化电磁信号的高效定向辐射。四个线极化偶极子天线单元的端口和一个四入四出PIN开关6端口通过特定长度的同轴线缆依次相连。四入四出PIN开关6可切换两种高效正交辐射状态：第一工作状态为0°线极化及90°线极化通道导通，45°线极化及135°线极化通道呈高阻状态；第二工作状态为45°线极化及135°线极化通道导通，0°线极化及90°线极化通道呈高阻状态。四入四出PIN开关6非工作状态通道的高阻设计，内阻≥5000Ω，可以有效降低非正交极化通道间的耦合，使天线在共口径下具有高效辐射特性。

四个偶极子天线单元其输出端口通过同轴电缆7与四入四出PIN开关6相连；四入四出PIN开关6呈两种状态：第一工作状态，为0°线极化及90°线极化通道导通，45°线极化及135°线极化通道呈高阻状态，此时第一天线单元1和第三天线单元3处于谐振状态，第二天线单元2和第四天线单元4处于非谐振状态，各天线端口间呈高隔离状态，隔离度优于15dB，则第一天线单元1和第三天线单元3可高效辐射其对应极化的电磁波；第二工作状态，为45°线极化及135°线极化通道导通，0°线极化及90°线极化通道呈高阻状态，此时第二天线单元2和第四天线单元4处于谐振状态，第一天线单元1和第三天线单元3处于非谐振状态，各天线端口间呈高隔离状态，隔离度优于15dB，则第二天线单元2和第四天线单元4可高效辐射其对应极化的电磁波；四入四出PIN开关6非工作状态通道的高阻设计其负载阻抗大于5000Ω，其导通状态的特性阻抗为50Ω。

四个偶极子天线单元组成一致，高度上依次错开1mm，以天线单元为例，偶极子单元包含第一辐射臂1a和第二辐射臂1b，两者尺寸相同，相对轴线镜像放置；馈电同轴1b其外导体底部与反射板5相连，顶部与第一辐射臂1a相连，内芯伸出通过焊片与第二辐射臂1b相连；与馈电同轴1b相对轴线镜像位置为一短路结构1c，该短路结构1c使第二辐射臂1b与反射板5短路。

反射板5的作用为第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4辐射电磁波，优选实施例中，反射板5的形状为正方形，其边长尺寸通常取大于一个中心频率波长，即反射板5取边长为200mm，厚2mm。

第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4为半波振子，其单一辐射臂长度初始值取0.25中心频率波长，即47.6mm，优化值为43.7mm。

第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4到反射板5的高度决定偶极子与反射板5镜像间合成的方向图特性，为达到天线的定向辐射，偶极子到反射板55的初始距离取0.25中心频率波长，即48mm，第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4依次上下错开1mm，优化高度依次为46mm、47mm、48mm、49mm，此高度即馈电同轴结构和短路结构1c的高度。

四入四出PIN开关6的优选采用反射式开关，开关导通时内阻为50Ω，与天线端呈匹配状态；断开时内阻为5000Ω，可视为开路状态，根据四分之一波长阻抗开路、短路变换原理，该5000欧姆负载至开关对应端口电长度设计为近似0.5中心频率波长，对应1.575GHz，此时从该端口看高阻负载方向，仍可视为开路。

连接第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4和四入四出PIN开关6的同轴电缆7长度同样根据四分之一波长阻抗开路、短路变换原理，应取0.25中心频率波长的奇数倍，本发明优选实施例为72mm，对应中心频率1.575GHz，考虑同轴电缆7内介质相对介电常数为2.55，则一个波长的等效电长度为300mm/1.575/√2.55＝119.3mm；再考虑偶极子天线高度为47mm,对应同轴馈电结构1d的等效电长度约0.39中心频率波长，需通过同轴电缆77对其整体相位进行调节补偿，则同轴电缆7长度取0.25 3-0.39-0.25个中心频率等效电长度，即72mm。

综上所述，本申请的共口径多极化天线，采用四个偶极子天线共轴45°旋转排布，结合反射板5，可形成四个线极化的电磁波辐射，为减小非正交极化端口间的耦合，提高天线辐射效率，在天线末端连接四入四出PIN开关6，该开关有两种工作模式，第一工作状态可使连接0°极化和90°极化的天线通道导通，使其呈工作状态，此时，45°极化与135°极化的通道呈高阻状态，无法谐振，以此来提高端口间的隔离度，减小应耦合引起的辐射损耗，使工作状态的0°极化和90°极化的天线通道可高效辐射电磁波；第二工作状态则与第一工作状态相反，使工作状态的45°极化和135°极化的天线通道可高效辐射电磁波。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共口径多极化天线，其特征在于，所述共口径多极化天线包括：第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)和PIN开关(6)；

所述第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)和第四天线单元(4)均为偶极子无源天线单元，且旋转对称；第一天线单元(1)和第三天线单元(3)正交，第二天线单元(2)和第四天线单元(4)正交；所述PIN开关(6)与第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)和第四天线单元(4)的端口连接。

2.根据权利要求1所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述共口径多极化天线还包括反射板(5)；所述反射板(5)与第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)和第四天线单元(4)中的任一进行对应方向的极化电磁信号辐射。

3.根据权利要求2所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)之间的夹角为45°。

4.根据权利要求3所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述偶极子无源天线单元包括：第一辐射臂(1a)、第二辐射臂(1b)、同轴馈电结构(1d)和短路结构(1c)；

所述第一辐射臂(1a)的固定端通过同轴馈电结构(1d)与所述反射板(5)固定连接；所述第二辐射臂(1b)的固定端通过短路结构(1c)与所述反射板(5)固定连接；所述第一辐射臂(1a)与第二辐射臂(1b)关于所述共口径多极化天线的轴线中心对称。

5.根据权利要求4所述的共口径多极化天线，其特征在于，所有偶极子无源天线单元的所述第一辐射臂(1a)和第二辐射臂(1b)的长度相等，且均为所述共口径多极化天线的中心频率对应波长的25±5％。

6.根据权利要求5所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述偶极子无源天线单元各自的所述同轴馈电结构(1d)和短路结构(1c)的高度分别相等，且均为所述共口径多极化天线的中心频率对应波长的25±2.5％；

所有偶极子无源天线单元中任意二者的所述同轴馈电结构(1d)的高度差不小于1mm。

7.根据权利要求4至6所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述PIN开关(6)为四入四出开关，包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，且所述PIN开关(6)具备第一工作状态和第二工作状态：

所述PIN开关(6)处于第一工作状态时，第一开关和第三开关对应的端口处于导通状态，且第二开关和第四开关对应的端口处于高阻状态；

所述PIN开关(6)处于第二工作状态时，第一开关和第三开关对应的端口处于高阻状态，且第二开关和第四开关对应的端口处于导通状态。

8.根据权利要求7所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述PIN开关(6)分别与每个偶极子无源天线单元的同轴馈电结构(1d)通过同轴电缆(7)连接，且所述同轴电缆(7)的长度为中心频率对应波长的25％的奇数倍与所述同轴馈电结构(1d)的调节补偿的差值。

9.根据权利要求8所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述同轴馈电结构(1d)的调节补偿为所述同轴馈电结构(1d)的等效电长度减去中心频率对应波长的25％。

10.根据权利要求8或9所述的共口径多极化天线，其特征在于，所述一开关、第二开关、第三开关和第四开关对应的端口处于导通状态时，端口与高阻抗负载连接；所述高阻抗负载的阻抗大于5000Ω；

所述端口与高阻抗负载之间的等效电长度为所述共口径多极化天线的中心频率对应波长的50±2.5％。

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