CN113540779B - 一种小型x频段双端口双圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种小型X频段双端口双圆极化天线，其特征是：包括第一介质板(1)、第二介质板(2)、第一辐射金属片(3)、第二辐射金属片(4)、第一辐射枝节(5)、第二辐射枝节(6)、第一介质底板(7)、第一电桥微带线(8)、金属地板(9)、第二电桥微带线(10)、第二介质底板(11)。它以便在X频段内保证双圆极化宽带宽波束辐射的同时，保证天线的小型化。

Description

一种小型X频段双端口双圆极化天线
技术领域
发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种小型X频段双端口双圆极化天线。
背景技术
随着无线射频技术的发展，使用到高性能的圆极化天线的应用场景逐渐增多。圆极化天线可以用来接受任意的线极化波，同时圆极化波又可以被任意的线极化天线接收，因此其可与多种极化天线配合工作，能有效抑制多径干扰或多径衰落，且不要求发射和接收设备天线间的严格方位对准，具有较强的抗干扰性能。同时，圆极化波在雨雪中传播衰减小，能穿透电离层，能够实现远距离传输。旋向正交性是圆极化波的重要特性，圆极化波入射到对称目标时，反射波变为反旋向的圆极化波。双圆极化天线可通过切换不同馈电端口来辐射不同旋向的圆极化波，在雷达、卫星通信等领域有广阔的应用前景。
X频段广泛应用于跟踪制导、火控雷达等领域，是雷达干扰系统的主要工作频段。相比于线极化天线，圆极化天线在雷达防御系统中更具优势。而作为雷达干扰系统的一个组成部分，天线的设计要求是尺寸小、重量轻、剖面低、易于加工且便于组装。
发明内容
本发明提供了一种小型X频段双端口双圆极化天线，以便在X频段内保证双圆极化宽带宽波束辐射的同时，保证天线的小型化。
本发明采用如下技术方案：一种小型X频段双端口双圆极化天线，其特征是：包括第一介质板(1)、第二介质板(2)、第一辐射金属片(3)、第二辐射金属片(4)、第一辐射枝节(5)、第二辐射枝节(6)、第一介质底板(7)、第一电桥微带线(8)、金属地板(9)、第二电桥微带线(10)、第二介质底板(11)；
第一介质板(1)与第二介质板(2)用卡槽正交拼接后放置在第一介质底板(7)上部；
第一介质底板(7)和第二介质底板(11)叠层水平放置在整个天线的最下层；
第一介质板(1)和第二介质板(2)的正交连接体与第一介质底板(7)和第二介质底板(11)的叠层连接体呈相互垂直状态；
第一介质板(1)前后面分别印刷第一辐射金属片(3)和第一辐射枝节(5)；第二介质板(2)前后面分别印刷第二辐射金属片(4)和第二辐射枝节(6)；
第一介质底板(7)的上表面印刷有第一电桥微带线(8)，第二介质底板(11)的下表面印刷第二电桥微带线(10)；
所述的第一介质底板(7)和第二介质底板(11)为双面的PCB板，两个PCB板两侧分别有天线结构固定焊盘(14)和电缆固定焊盘(15)，第一介质底板(7)和第二介质底板(11)之间有金属地板(9)，金属地板(9)印刷于第二介质底板(11)的上表面；第一介质底板(7)和第二介质底板(11)之间的金属地板(9)通过金属短路通孔上下电导通。
所述的第一介质底板(7)和第二介质底板(11)分别有4个天线结构固定焊盘(14)和2个电缆固定焊盘(15)，4个天线结构固定焊盘(14)在正方形的介质底板对角线上，两条对角线各放有2个固定焊盘，一个角一个，对称分布；电缆固定焊盘(15)在正方形的介质底板两边，形成对称分布。
所述的第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)为刻蚀有相同指数型槽线的矩形金属片，两金属片正交放置，且经过焊接组成同一金属片；第一辐射枝节(5)与第二辐射枝节(6)围绕中心轴正交放置，第一辐射枝节(5)与印刷在第一介质底板(7)上表面的第一电桥微带线(8)短轴连接，第二辐射枝节(6)底部稍长，与印刷在第二介质底板(11)下表面的第二电桥微带线(10)短轴连接；第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)通过与对应位置的天线结构固定焊盘(14)连接，再通过第一介质底板(7)对应位置的金属化通孔与印刷在第二介质底板(11)上表面的金属地板(9)电连通。
所述的第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)均为一个长方形金属片，刻蚀有相同指数型槽线的矩形金属片在第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)长度方向中心轴线上左右展开。
所述的第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)分别与四个天线结构固定焊盘(14)相连接。
所述的第一介质板(1)和第二介质板(2)顶部到第一介质底板(7)上表面的高度差为19mm；第一介质底板(7)和第二介质底板(11)的尺寸均为18.4mm×18.4mm，厚度均为0.254mm。
所述的第二介质板(2)底部凸出部插在第一介质底板(7)和第二介质底板(11)预留槽位上，预留槽位为非金属化通孔，第二辐射枝节(6)底部在第二介质底板(11)下表面与第二电桥微带线(10)相连；所述的第一介质底板(7)和第二介质底板(11)间的金属地板(9)上刻蚀出第二介质板(2)通过的槽位和两电桥耦合所需的槽隙。
所述的第一介质板(1)底部、第二介质板(2)顶部、第一辐射金属片(3)有拼接预留的槽位；
第一介质板(1)底部、第二介质板(2)底部、第一辐射金属片(3)底部和第二辐射金属片(4)底部有第一电桥微带线(8)连接预留的槽位；
第二介质板(2)底部有与第一辐射金属片(3)底部焊接预留的金属化通孔。
所述的第一辐射枝节(5)与第二辐射枝节(6)的长度和宽度、第一介质板(1)与第二介质板(2)的长度和宽度、第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)的长度和宽度、第一电桥微带线(8)和第二电桥微带线(10)的线宽用于对天线的输入阻抗和带宽进行匹配；调节第一辐射金属片(3)和第二辐射金属片(4)的指数型槽线的曲率和两端宽度、第一辐射枝节(5)与第二辐射枝节(6)的通过指数型槽线的长度用于对天线的输入阻抗、带宽、工作的中心频率以及天线的波束宽度和增益进行调整。
所述的第一介质底板(7)和第二介质底板(11)上的第一电桥微带线(8)和第二电桥微带线(10)末端各有一个端口，当其中一个端口用激励源进行激励时，另一个端口接匹配负载，激励出第一种圆极化辐射方向；切换两端口状态，用等幅同相的激励源激励，激励出另一种圆极化辐射方向。
本发明的有益效果是：本发明所公开的天线，选用了Vivaldi天线作为辐射体，通过在其金属片上开指数型的渐变缝隙，可以有效提高天线在低频段工作时的波束宽度，有效减小天线辐射体尺寸，同时具有宽带、宽波束、稳定增益及方向图等优点。采用3dB 90度电桥对正交放置的两个Vivaldi天线单元耦合馈电，当其中一个端口激励时，使得本身相位相差90度的天线同时工作，从而实现良好的圆极化；通过端口切换，实现两种相互正交的圆极化。
本发明所公开的天线，天线辐射体为中心对称结构，两块辐射枝节也呈中心对称分布，两个相互对应的3dB电桥位于天线的中心，这种结构可以保证天线辐射方向图的对称性和稳定性。
本发明所公开的天线具有结构紧凑简单、天线辐射体尺寸小、宽频带、宽波束、双极化、稳定的增益和方向图等优点，适合应用于无线通信领域，所述的无线通信包括但不限于基站通信、卫星通信和无线局域网。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开天线的立体结构三维示意图；
图2是本发明实施例1所公开天线的天线结构侧视图；
图3是本发明实施例1所公开天线的天线结构俯视图；
图4是本发明实施例1所公开天线的底板剖视图；
图5是本发明实施例1所公开天线的底板结构俯视图；
图6是本发明实施例1所公开天线的Vivaldi天线结构图；
图7是本发明实施例1所公开天线的右旋圆极化驻波比和左旋圆极化驻波比数据图；
图8是本发明实施例1所公开天线的右旋圆极化轴比和右旋圆极化增益数据图；
图9是本发明实施例1所公开天线的左旋圆极化轴比和左旋圆极化增益数据图；
图10是本发明实施例1所公开天线的8GHz处的右旋圆极化方向图和左旋圆极化方向图；
图11是本发明实施例1所公开天线的10GHz处的右旋圆极化方向图和左旋圆极化方向图；
图12是本发明实施例1所公开天线的12GHz处的右旋圆极化方向图和左旋圆极化方向图。
图中，1、第一介质板；2、第二介质板；3、第一辐射金属片；4、第二辐射金属片；5、第一辐射枝节；6、第二辐射枝节；7、第一介质底板；8、第一电桥微带线；9、金属地板；10、第二电桥微带线；11、第二介质底板；12、左旋圆极化端口；13、右旋圆极化端口；14、天线结构固定焊盘；15、电缆固定焊盘。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种小型X频段双端口双圆极化天线，包括第一介质板1、第二介质板2、第一辐射金属片3、第二辐射金属片4、第一辐射枝节5、第二辐射枝节6、第一介质底板7、第一电桥微带线8、金属地板9、第二电桥微带线10、第二介质底板11；第一介质板1与第二介质板2用卡槽正交拼接后放置在第一介质底板7上部；第一介质底板7和第二介质底板11叠层水平放置在整个天线的最下层；第一介质板1和第二介质板2的正交连接体与第一介质底板7和第二介质底板11的叠层连接体呈相互垂直状态；第一介质板1前后面分别印刷第一辐射金属片3和第一辐射枝节5；第二介质板2前后面分别印刷第二辐射金属片4和第二辐射枝节6；第一介质底板7的上表面印刷有第一电桥微带线8，第二介质底板11的下表面印刷第二电桥微带线10；所述的第一介质底板7和第二介质底板11为双面的PCB板，两个PCB板两侧分别有天线结构固定焊盘14和电缆固定焊盘15，第一介质底板7和第二介质底板11之间有金属地板9，金属地板9印刷于第二介质底板11的上表面；第一介质底板7和第二介质底板11之间的金属地板9通过金属短路通孔上下电导通。
如图3所示，第一介质底板7和第二介质底板11分别有4个固定焊盘14和2个电缆固定焊盘15，4个固定焊盘14在正方形的介质底板对角线上，两条对角线各放有2个固定焊盘，一个角一个，对称分布。
电缆固定焊盘15在正方形的介质底板两边，图中的X方向上，形成对称分布。
第一辐射金属片3和第二辐射金属片4分别与天线结构固定焊盘14相连接；第一辐射枝节5与第一电桥微带线8相连接，第二辐射枝节6和第二电桥微带线10相连接；第一电桥微带线8与电缆固定焊盘15之间的空隙用左旋圆极化端口12相连，第二电桥微带线10与电缆固定焊盘之间的空隙用右旋圆极化端口13相连。
所述的第一辐射金属片3和第二辐射金属片4均为一个长方形金属片，在第一辐射金属片3和第二辐射金属片4长度方向中心轴线上进行指数曲线刻蚀开槽，在中心槽的两侧刻蚀一对对称的指数型缝隙。
第一辐射金属片3和第二辐射金属片4分别与四个天线结构固定焊盘14相连接。
所述的第一介质板1、第二介质板2、第一介质底板7和第二介质底板11是F4B板材。第一介质板1和第二介质板2顶部到第一介质底板7上表面的高度差为19mm。第一介质底板7和第二介质底板11的尺寸均为18.4mm×18.4mm，厚度均为0.254mm。
所述的第二介质板2底部凸出部插在第一介质底板7和第二介质底板11预留槽位上，预留槽位为非金属化通孔，第二辐射枝节6底部在第二介质底板11下表面与第二电桥微带线10相连。所述的第一介质底板7和第二介质底板11间的金属地板9上刻蚀出第二介质板2通过的槽位和两电桥耦合所需的槽隙。
如图6所示，第一辐射金属片3和第二辐射金属片4分别印刷在第一介质板1的反面和第二介质板2的反面，第一辐射枝节5和第二辐射枝节6分别印刷在第一介质板1的正面和第二介质板2的正面。第一介质板1的底部、第二介质板2的顶部和第一辐射金属片3为了天线辐射体的拼接预留出槽位，第一介质板1的底部、第二介质板2的底部、第一辐射金属片3的底部和第二辐射金属片的底部为第一电桥微带线预留出槽位，第二介质板2底部为第一辐射金属片3底部的焊接预留出金属化通孔。
所述的第一介质底板7和第二介质底板11上的第一电桥微带线8和第二电桥微带线10末端各有一个端口，当其中一个端口用激励源进行激励时，另一个端口接匹配负载，激励出第一种圆极化辐射方向；切换两端口状态，用等幅同相的激励源激励，激励出另一种圆极化辐射方向。如，本发明天线在左旋圆极化端口12接激励源，右旋圆极化端口13接匹配负载时，辐射出左旋圆极化；在左旋圆极化端口12接匹配负载，右旋圆极化端口13接激励源时，辐射出右旋圆极化。在仿真过程中，放置方形平面于端口处，用作激励源或匹配负载；在实物测试过程中，在端口处焊接同轴电缆，电缆另一端接激励源或匹配负载，电缆外皮焊接在电缆固定焊盘15上，电缆内芯焊接在电桥微带线的长轴上。天线达到的工作带宽为8-12GHz，其右旋圆极化的驻波比参数小于1.4，左旋圆极化的驻波比参数小于1.9，右旋圆极化的轴比参数低于2.1dB，增益在3.8dBi左右，增益波动小于1dB,左旋圆极化的轴比参数低于2.8dB,增益在3.5dBi左右，增益波动小于1.5dB，波束宽度约为130°。
本发明天线产生两个正交的圆极化辐射。该天线可以应用于无线通信领域，所述的无线通信包括但不限于基站通信、卫星通信和无线局域网，该天线可与其他频段天线搭配应用在共口径天线或其他多频段多极化天线阵中。
具体的说，本发明天线的第一辐射金属片3和第二辐射金属片4为刻蚀有相同指数型槽线的矩形金属片，两金属片正交放置，且经过焊接组成同一金属片。第一辐射枝节5与第二辐射枝节6围绕中心轴正交放置，第一辐射枝节5与印刷在第一介质底板7上表面的第一电桥微带线8短轴连接，第二辐射枝节6底部稍长，与印刷在第二介质底板11下表面的第二电桥微带线10短轴连接。第一辐射金属片3和第二辐射金属片4通过与对应位置的天线结构固定焊盘14连接，再通过第一介质底板7对应位置的金属化通孔与印刷在第二介质底板11上表面的金属地板9电连通。通过调节辐射枝节的长度和宽度、辐射金属片的长度和宽度、金属地板上的椭圆槽宽度、电桥微带线的线宽、辐射金属片上的指数型槽线的参数可对天线的输入阻抗和带宽进行匹配。
所述的第一辐射枝节5与第二辐射枝节6的长度和宽度、第一介质板1与第二介质板2的长度和宽度、第一辐射金属片3和第二辐射金属片4的长度和宽度、第一电桥微带线8和第二电桥微带线10的线宽用于对天线的输入阻抗和带宽进行匹配；调节第一辐射金属片3和第二辐射金属片4的指数型槽线的曲率和两端宽度、第一辐射枝节5与第二辐射枝节6的通过指数型槽线的长度用于对天线的输入阻抗、带宽、工作的中心频率以及天线的波束宽度和增益进行调整。
综上所述，对第一辐射金属片3尺寸、第二辐射金属片4尺寸、金属地板9上的椭圆槽宽度、第一辐射金属片3与第二辐射金属片4指数型槽线的两端宽度和曲率、第一电桥微带线8和第二电桥微带线10的宽度以及介质板材进行调整和优化配置，可使天线工作带宽增加、天线辐射体的尺寸减小、圆极化轴比降低，增益、波束宽度等远场辐射特性稳定。
图7是本发明所公开天线的右旋圆极化驻波比和左旋圆极化驻波比参数曲线，该天线可工作的带宽为8-12GHz，其右旋圆极化的驻波比参数小于1.4，左旋圆极化的驻波比参数小于1.9。
图8是本发明实施例1所公开天线在天顶方向的右旋圆极化轴比和右旋圆极化增益参数曲线。该天线在工作频段8-12GHz范围内右旋圆极化轴比低于2.1dB，平均增益为3.8dBi，且其对应的波束宽度在天顶方向为130°。
图9是本发明实施例1所公开天线在天顶方向的左旋圆极化轴比和左旋圆极化增益数据图。该天线在工作频段8-12GHz范围内右旋圆极化轴比低于2.8dB，平均增益为3.5dBi，且其对应的波束宽度在天顶方向为130°。
图10、图11、图12是本发明实施例1所公开天线在8GHz、10GHz、12GHz处的右旋圆极化方向图和左旋圆极化方向图。该天线的左旋圆极化和右旋圆极化在工作频段内均可以实现130°宽波束辐射，表现出良好的圆极化特性和宽波束特性。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (10)

1.一种小型X频段双端口双圆极化天线，其特征是：包括第一介质板（1）、第二介质板（2）、第一辐射金属片（3）、第二辐射金属片（4）、第一辐射枝节（5）、第二辐射枝节（6）、第一介质底板（7）、第一电桥微带线（8）、金属地板（9）、第二电桥微带线（10）、第二介质底板（11）；
第一介质板（1）与第二介质板（2)用卡槽正交拼接后放置在第一介质底板(7)上部；
第一介质底板(7)和第二介质底板(11)叠层水平放置在整个天线的最下层；
第一介质板(1)和第二介质板(2)的正交连接体与第一介质底板(7)和第二介质底板(11)的叠层连接体呈相互垂直状态；
第一介质板(1)前后面分别印刷第一辐射金属片(3)和第一辐射枝节(5)；第二介质板(2)前后面分别印刷第二辐射金属片(4)和第二辐射枝节(6)；
第一介质底板(7)的上表面印刷有第一电桥微带线(8)，第二介质底板(11)的下表面印刷第二电桥微带线(10)；
所述的第一介质底板(7)和第二介质底板(11)为双面的PCB板，两个PCB板两侧分别有天线结构固定焊盘(14)和电缆固定焊盘(15)，第一介质底板(7)和第二介质底板(11)之间有金属地板(9)，金属地板(9)印刷于第二介质底板(11)的上表面；第一介质底板(7)和第二介质底板(11)之间的金属地板(9)通过金属短路通孔上下电导通；
所述的第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）均为一个长方形金属片，在第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）长度方向中心轴线上进行指数曲线刻蚀开槽，在中心槽的两侧刻蚀一对对称的指数型缝隙。
2.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：所述的第一介质底板（7）和第二介质底板（11）分别有4个天线结构固定焊盘（14）和2个电缆固定焊盘（15），4个天线结构固定焊盘（14）在正方形的介质底板对角线上，两条对角线各放有2个固定焊盘，一个角一个，对称分布；电缆固定焊盘（15）在正方形的介质底板两边，形成对称分布。
3.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：所述的第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）为刻蚀有相同指数型槽线的矩形金属片，两金属片正交放置，且经过焊接组成同一金属片；第一辐射枝节（5）与第二辐射枝节（6）围绕中心轴正交放置，第一辐射枝节（5）与印刷在第一介质底板（7）上表面的第一电桥微带线（8）短轴连接，第二辐射枝节（6）底部稍长，与印刷在第二介质底板（11）下表面的第二电桥微带线（10）短轴连接；第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）通过与对应位置的天线结构固定焊盘（14）连接，再通过第一介质底板（7）对应位置的金属化通孔与印刷在第二介质底板（11）上表面的金属地板（9）电连通。
4.根据权利要求3所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：刻蚀有相同指数型槽线的矩形金属片在第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）长度方向中心轴线上左右展开。
5.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）分别与四个天线结构固定焊盘（14）相连接。
6.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：所述的第一介质板（1）和第二介质板（2）顶部到第一介质底板（7）上表面的高度差为19mm；第一介质底板（7）和第二介质底板（11）的尺寸均为18.4mm×18.4mm，厚度均为0.254mm。
7.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：所述的第二介质板（2）底部凸出部插在第一介质底板（7）和第二介质底板（11）预留槽位上，预留槽位为非金属化通孔，第二辐射枝节（6）底部在第二介质底板（11）下表面与第二电桥微带线（10）相连；所述的第一介质底板（7）和第二介质底板（11）间的金属地板（9）上刻蚀出第二介质板（2）通过的槽位和两电桥耦合所需的槽隙。
8.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：
所述的第一介质板（1）底部、第二介质板（2）顶部、第一辐射金属片（3）有拼接预留的槽位；
第一介质板（1）底部、第二介质板（2）底部、第一辐射金属片（3）底部和第二辐射金属片（4）底部有第一电桥微带线（8）连接预留的槽位；
第二介质板（2）底部有与第一辐射金属片（3）底部焊接预留的金属化通孔。
9.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：所述的第一辐射枝节（5）与第二辐射枝节（6）的长度和宽度、第一介质板（1）与第二介质板（2）的长度和宽度、第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）的长度和宽度、第一电桥微带线（8）和第二电桥微带线（10）的线宽用于对天线的输入阻抗和带宽进行匹配；调节第一辐射金属片（3）和第二辐射金属片（4）的指数型槽线的曲率和两端宽度、第一辐射枝节（5）与第二辐射枝节（6）的通过指数型槽线的长度用于对天线的输入阻抗、带宽、工作的中心频率以及天线的波束宽度和增益进行调整。
10.根据权利要求1所述小型X频段双端口双圆极化天线，其特征在于：所述的第一介质底板（7）和第二介质底板（11）上的第一电桥微带线（8）和第二电桥微带线（10）末端各有一个端口，当其中一个端口用激励源进行激励时，另一个端口接匹配负载，激励出第一种圆极化辐射方向；切换两端口状态，用等幅同相的激励源激励，激励出另一种圆极化辐射方向。
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