CN113224531A - 一种基于背腔技术的多频带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于背腔技术的多频带天线，包括至少一个低频天线和至少一个高频天线；所述低频天线和高频天线共用一块反射板，所述高频天线的下部套装有一个金属背腔作为独立的反射边界条件，金属背腔将高频天线托起并安装于低频天线的辐射体中部的镂空区域内，形成和低频天线共平面的天线阵列排布，所述低频天线产生的电磁场经由反射板反射后形成单向辐射，所述高频天线产生的电磁场经由金属背腔反射后形成单向辐射，通过引入金属背腔，能够形成高频天线和低频天线相互独立的辐射环境，实现高频天线和低频天线的方向图保形。

Description

一种基于背腔技术的多频带天线
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种基于背腔技术的多频带天线。
背景技术
近年来，无线通信和移动通信技术的飞速发展不断释放出新的频谱资源。因此，多频带天线得到了广泛关注。多频带天线可在提供高速、多制式、多功能服务的同时降低设备的安装空间和成本。
多频带天线通常是由子天线构成的天线阵列，这些子天线应至少包括低频天线与高频天线，低频天线与高频天线工作在不同的频带范围。每个多频带天线包括至少一个低频天线以及一个或者多个高频天线。
多频带天线中的低频天线与高频天线被放置在一个无线通信设备的有限的空间内，因此低频天线与高频天线之间存在电磁耦合干扰。耦合干扰将严重恶化多频带天线的性能，尤其是天线的隔离度和方向图。
多频带天线的实现有多种布局方式。图1a为多频带天线的反射板-高频-低频布局，该布局方式为多频带天线组阵的最常见布局之一。高频天线和低频天线共用同一反射板，天线辐射体与反射板之间的垂直间距为各自工作频带的四分之一波长。由于低频天线辐射体位于高频天线辐射体上方，在高频天线激励时，低频天线辐射体表面会产生感应电流，感应电流的二次辐射会恶化高频天线的方向图。消除这一耦合的基本技术为将低频振子分段，并在分段处加载去耦合结构以阻挡高频感应电流流过，或形成两个等大反相、可以相互抵消的感应电流。图1b为多频带天线的反射板-低频-频率选择表面-高频布局。此布局将高频天线放置于低频天线上方。高、低频天线之间插入一频率选择表面，频率选择表面使高频电磁波不通过，而使低频电磁波通过。因此频率选择表面可作为高频天线的反射板，而低频天线受其影响较小。
以上两种多频天线的排布方案有一些缺陷。究其本质，反射板-高频-低频布局中加载于低频天线辐射体上的去耦合结构和反射板-低频-频率选择表面-高频布局中的频率选择表面的传输特性都并非完美，也即在不工作的频段不能使电流或电磁场完全通过。对于反射板-高频-低频布局，去耦合结构使低频天线阻抗匹配变得困难，可能需要增加低频天线剖面高度来获得更好的阻抗匹配以拓展天线的阻抗带宽，这是工程上所不希望的。对于反射板-低频-频率选择表面-高频布局，低频天线产生的电磁波在穿透频率选择表面时会产生损耗，因而低频天线的增益可能恶化。同时，频率选择表面的感应电流可能使高频天线波束宽度波动较大。此外，由于频率选择表面的加入，高频天线的馈线需要穿过太多层(反射板、低频天线介质板、频率选择表面、高频天线介质板)才可为高频天线正常馈电，这增加了天线制造和组装的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有多频天线布局方案的缺点与不足，提出了一种简单可靠且性能稳定的基于背腔技术的多频带天线，通过引入金属背腔，可为高频天线创造独立的辐射环境以实现高频天线的方向图保形，同时金属背腔对于低频天线而言为电小结构，不会对低频天线的辐射性能造成负面影响，从而有效实现高、低频天线间的去耦，以及实现高、低频天线在各自工作频带内稳定的方向图。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于背腔技术的多频带天线，包括至少一个低频天线和至少一个高频天线；所述低频天线和高频天线共用一块反射板，所述高频天线的下部套装有一个金属背腔作为独立的反射边界条件，金属背腔将高频天线托起并安装于低频天线的辐射体中部的镂空区域内，形成和低频天线共平面的天线阵列排布，所述低频天线产生的电磁场经由反射板反射后形成单向辐射，所述高频天线产生的电磁场经由金属背腔反射后形成单向辐射，通过引入金属背腔，能够形成高频天线和低频天线相互独立的辐射环境，实现高频天线和低频天线的方向图保形。
进一步，所述金属背腔不接触印刷天线辐射体的介质板。
进一步，所述金属背腔接触印刷天线辐射体的介质板。
进一步，所述高频天线连同其下部安装的金属背腔一同被抬高，使高频天线的辐射体位于低频天线的辐射体上方一段距离。
进一步，所述高频天线连同其下部安装的金属背腔一同被降低，使高频天线的辐射体位于低频天线的辐射体下方一段距离。
进一步，所述高频天线和低频天线用同轴电缆或微带巴伦馈电，且它们的所有馈电结构共同接于同一反射板以实现共地。
与现有技术相比，本发明中涉及的技术具有如下优点：
1、与已有的多频带天线相比，本发明天线的高频天线下部套有金属背腔，背腔可有效隔离高频和低频天线的辐射环境，高频天线借助背腔可实现稳定的单向辐射方向图。
2、与已有的多频带天线相比，本发明天线中套于高频天线下部的金属背腔对于低频天线而言为电小结构，因此不会对低频天线的辐射性能造成负面影响。
3、与已有的多频带天线相比，本发明天线利用金属背腔，可进一步实现高频和低频天线的同平面设计。在同平面设计中，高、低频天线可印刷在同一介质板上，与高、低频天线不共面的方案相比，本发明的方案无需将高频天线印制在单独的介质板上，可有效降低制造成本。
4、与已有的多频带天线相比，本发明天线可利用低频天线的一个振子臂作为高频天线的引向器，振子臂具有削弱高频天线的侧向和后向辐射的功能，可有效地汇聚高频天线的波束，以防其波束宽度过大。
5、与已有的多频带天线相比，本发明天线通过抬高高频天线，可有效避免低频天线激励时高频天线产生的共模谐振问题。
6、与已有的多频带天线相比，本发明采用共面设计，无需在低频天线臂上加载额外的去耦合结构，从而降低低频天线的制造难度。
7、与已有的多频带天线相比，本发明天线所使用的反射背腔易于加工且价格低廉，其不会对产品的成本控制造成不利影响。
附图说明
图1a为背景技术中多频带天线的反射板-高频-低频排布方式。
图1b为背景技术中多频带天线的反射板-低频-频率选择表面-高频排布方式。
图2为实施例1中多频带天线的排布方式示意图。
图3为实施例1中多频带天线的结构示意图(总体视图)。
图4为实施例1中多频带天线的结构示意图(侧视图)。
图5为实施例1中多频带天线的低频天线结构示意图。
图6为实施例1中多频带天线的高频天线结构示意图。
图7为实施例1中多频带天线的低频天线两正交极化端口的反射系数以及它们之间的传输系数。
图8为实施例1中多频带天线的低频天线的辐射方向图。
图9为实施例1中多频带天线的高频天线两正交极化端口的反射系数以及它们之间的传输系数。
图10为实施例1中多频带天线的高频天线的+45°极化端口的辐射方向图。
图11为实施例1中多频带天线的高频天线的-45°极化端口的辐射方向图。
图12为实施例1中多频带天线的高频天线在三种情况下的辐射方向图对比。其中，情况1为高频天线(无低频振子臂，无腔体的四个竖直挡板)，情况2为高频天线(无低频振子臂，有腔体的四个竖直挡板)，情况3为高频天线(有低频振子臂，有腔体的四个竖直挡板)。
图13为实施例2中多频带天线的结构示意图。
图14为实施例3中多频带天线的结构示意图。
图15为实施例4中多频带天线的结构示意图。
图16为实施例5中多频带天线的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图2和图3所示，本实施例所提供的基于背腔技术的多频带天线，包括一个低频天线301和四个结构相同的高频天线302a-302d。高频天线和低频天线的辐射体位于同一平面，印刷于同一个介质板上。低频天线由两个正交的微带巴伦303a、303b耦合馈电，高频天线由同轴电缆馈电。为实现高频天线的辐射方向图保形，每个高频天线下部套有一个金属背腔，四个金属背腔分别为304a-304d。高频天线和低频天线经由各自的馈电结构共同连接到底部的反射板305，反射板305可使低频天线的方向图呈现典型的单向辐射特性。
参见图4所示，在实施例1中，金属背腔的上边缘并未接触印刷天线辐射体的介质板。
参见图5所示，低频天线包含501a-501d四个金属振子臂。低频天线的振子臂中部镂空，高频天线的辐射体放置于镂空区域502a-502d内部。四个金属背腔分别为503a-503d。
参见图6所示，高频天线包含601a-601d四个金属振子臂。高频天线由一对正交的Y形馈线602a、602b耦合馈电，Y形馈线602a、602b的始端连接同轴电缆603a、603b。因此，输入电磁信号经由同轴电缆传输到Y形馈线上，再耦合到高频天线的振子臂上以形成辐射。每个金属背腔由四个竖直的金属挡板604a-604d和一个水平的小反射板605组合形成。金属背腔的加入等同于为高频天线创造了独立的辐射环境，高频天线产生的电磁场经由金属背腔反射，呈现典型的单向辐射特性。同时，高频天线和低频天线的馈线均接到反射板，将其作为共同的参考地。
参见图7所示，低频天线的两个正交端口的回波损耗可在0.69-0.96GHz满足电压驻波比小于1.5的要求(回波损耗>14dB)。两个正交端口之间的隔离度在工作频带大于38dB。
参加图8所示，低频天线的方向图在工作频带体现出典型的单向辐射特性，方向图形状在频带内稳定。在0°方向上，方向图的交叉极化鉴别率大于35dB。
参见图9所示，高频天线的两个正交端口的回波损耗可在3.3-3.8GHz满足电压驻波比小于1.5的要求(回波损耗>14dB)。两个正交端口之间的隔离度在工作频带大于24dB。
参加图10所示，高频天线的+45°极化端口的方向图在工作频带体现出典型的单向辐射特性，方向图形状在频带内稳定。在0°方向上，方向图的交叉极化鉴别率大于32dB。
参加图11所示，高频天线的-45°极化端口的方向图在工作频带体现出典型的单向辐射特性，方向图形状在频带内稳定。在0°方向上，方向图的交叉极化鉴别率大于36dB。
参加图12所示，在未引入低频振子臂和四个竖直挡板时(情况1)，高频天线的主极化畸变较严重，在30°和330°两个方向上出现了两个下陷点，且方向图的交叉极化较大。引入四个竖直挡板后(情况2)，方向图的形状在很大程度上得到了恢复。但是，高频天线的侧向和后向辐射(60°<theta<120°及240°<theta<330°的部分)仍然偏大，波束不够集中。最后，引入低频天线的振子臂(情况3)，可见高频天线的侧向和后向辐射得到抑制，波束更集中于0°方向。此图表明，低频天线振子臂可充当高频天线的引向器，同时金属背腔比平面金属反射板在方向图保形方面更有优势。
实施例2
参见图13所示，与实施例1不同的是本实施例的低频天线改为由同轴电缆馈电。
实施例3
参见图14所示，与实施例1不同的是本实施例的金属背腔直接接触高频和低频天线共用的介质板。
实施例4
参见图15所示，与实施例1不同的是本实施例的高频天线印刷于一小介质板上，高频天线位于低频天线上方。为保证背腔底部和高频天线之间的距离相同，背腔需连同高频振子一起上移。同时为保证背腔上边缘和低频天线的辐射体之间的距离不变，减小了背腔竖直挡板的高度。
实施例5
参见图16所示，与实施例1不同的是本实施例的高频天线印刷于一小介质板上，高频天线位于低频振子下方。为保证背腔底部和高频天线之间的距离相同，背腔需连同高频振子一起下移。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于背腔技术的多频带天线，其特征在于：包括至少一个低频天线和至少一个高频天线；所述低频天线和高频天线共用一块反射板，所述高频天线的下部套装有一个金属背腔作为独立的反射边界条件，金属背腔将高频天线托起并安装于低频天线的辐射体中部的镂空区域内，形成和低频天线共平面的天线阵列排布，所述低频天线产生的电磁场经由反射板反射后形成单向辐射，所述高频天线产生的电磁场经由金属背腔反射后形成单向辐射，通过引入金属背腔，能够形成高频天线和低频天线相互独立的辐射环境，实现高频天线和低频天线的方向图保形。
2.根据权利要求1所述的一种基于背腔技术的多频带天线，其特征在于：所述金属背腔不接触印刷天线辐射体的介质板。
3.根据权利要求1所述的一种基于背腔技术的多频带天线，其特征在于：所述金属背腔接触印刷天线辐射体的介质板。
4.根据权利要求1所述的一种基于背腔技术的多频带天线，其特征在于：所述高频天线连同其下部安装的金属背腔一同被抬高，使高频天线的辐射体位于低频天线的辐射体上方一段距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于背腔技术的多频带天线，其特征在于：所述高频天线连同其下部安装的金属背腔一同被降低，使高频天线的辐射体位于低频天线的辐射体下方一段距离。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种基于背腔技术的多频带天线，其特征在于：所述高频天线和低频天线用同轴电缆或微带巴伦馈电，且它们的所有馈电结构共同接于同一反射板以实现共地。
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