CN113964491A - 三极化天线及无线电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三极化天线及无线电设备，三极化天线包括地板、水介质辐射片、水介质谐振柱和馈电杆，地板和水介质辐射片间隔设置，水介质谐振柱连接于水介质辐射片背离地板的一侧，馈电杆贯穿水介质辐射片和地板，且馈电杆的一端与水介质谐振柱连接，馈电杆的另一端与外部馈电装置连接，地板与水介质辐射片之间设置有至少一对间隔设置的馈电探针，各馈电探针靠近水介质辐射片设置并穿过地板与外部馈电装置连接；三极化天线通过一对馈电探针激励水介质辐射片产生两个相互正交的水平极化模式、通过馈电杆激励水介质谐振柱产生垂直极化模式，使得三极化天线实现三种相互正交的线极化辐射方式，能接收多个角度入射的电磁波信号，信号传输性能好。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种三极化天线及无线电设备。
背景技术
天线作为无线通信系统的核心器件之一，随着无线通信技术的发展对天线的使用性能和功能的要求也越来越高；水介质是一种具有高介电常数的介质，因此近年来一些利用水介质制作贴片的天线被提出，而在现有的水介质贴片天线中，通常只具有一个极化方向，即现有的水介质贴片天线通常为单极化天线或双极化天线，当电磁波的入射方向与天线的极化方向之间互不垂直时，天线能有效接收到电磁波信号；而当入射电磁波方向与极化方向之间互相垂直时，现有的单极化天线和双极化天线的极化匹配效率均显著降低，天线无法准确接收到电磁波信号，天线信号传输性能差。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种三极化天线及无线电设备，旨在解决现有的采用水介质贴片的天线信号传输性能差的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种三极化天线，所述三极化天线包括地板、水介质辐射片、水介质谐振柱和馈电杆，所述地板和所述水介质辐射片间隔设置，所述水介质谐振柱连接于所述水介质辐射片背离所述地板的一侧，所述馈电杆贯穿所述水介质辐射片和所述地板，且所述馈电杆的一端与所述水介质谐振柱连接，所述馈电杆的另一端与外部馈电装置连接，所述地板与所述水介质辐射片之间设置有至少一对间隔设置的馈电探针，各所述馈电探针靠近所述水介质辐射片设置并穿过所述地板与所述外部馈电装置连接。
优选地，各所述馈电探针包括相互垂直设置的第一馈电段和第二馈电段，所述第一馈电段的一端穿过所述地板并与所述外部馈电装置连接，所述第一馈电段的另一端与所述第二馈电段连接，且所述第二馈电段自所述第一馈电段向靠近所述馈电杆的方向延伸。
优选地，所述第一馈电段远离所述第二馈电段的一端连接有馈电柱，所述馈电柱与所述外部馈电装置连接。
优选地，所述馈电探针的数量为两对，两对所述馈电探针对称设置。
优选地，所述水介质辐射片上朝向所述水介质谐振柱的一侧印刷有激励电路。
优选地，所述水介质辐射片内形成有第一容置腔，所述第一容置腔内填充有水介质。
优选地，所述水介质谐振柱内形成有第二容置腔，所述第二容置腔内填充有水介质。
优选地，所述水介质辐射片为有机玻璃制件；所述水介质谐振柱为有机玻璃制件。
优选地，所述地板呈圆形；和/或，所述水介质辐射片呈圆环形；和/或，所述水介质谐振柱呈圆柱形。
本发明还提出一种无线电设备，所述无线电设备包括如上所述的三极化天线。
本发明三极化天线中，外部馈电装置向馈电杆馈电，以使水介质谐振柱通过馈电杆接收外部馈电装置的馈电并产生电磁波辐射，馈电杆用于激励水介质谐振柱的全向基模以产生垂直极化模式，三极化天线的垂直极化模式为全向辐射；外部馈电装置向一对馈电探针馈电，以使水介质辐射片通过一对馈电探针接收外部馈电装置的馈电并产生电磁波辐射，一对馈电探针用于激励水介质辐射片的定向基模以产生两个相互正交的水平极化模式，三极化天线的两个相互正交的水平极化模式为定向辐射；本发明的三极化天线通过一对馈电探针激励水介质辐射片产生两个相互正交的水平极化模式、通过馈电杆激励水介质谐振柱产生垂直极化模式，使得三极化天线可以在较宽的频带上实现三种相互正交的线极化辐射方式，三极化天线能接收多个角度入射的电磁波信号，极化匹配效率高、信号传输性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例三极化天线的结构示意图；
图2为本发明一实施例三极化天线的主视示意图；
图3为本发明一实施例三极化天线的俯视示意图；
图4为本发明一实施例三极化天线的水平极化模式的回波损耗与增益图；
图5为本发明一实施例三极化天线的垂直极化模式的回波损耗与增益图；
图6为本发明一实施例第一馈电探针、第二馈电探针和馈电杆之间的隔离度的测试结果图；
图7为本发明一实施例三极化天线的水介质辐射片在2.4GHz处的E面和H面的辐射方向图；
图8为本发明一实施例三极化天线的水介质谐振柱在2.4GHz处的E面和H面的辐射方向图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 三极化天线 | 50 | 馈电探针 |
| 10 | 地板 | 50a | 第一馈电探针 |
| 20 | 水介质辐射片 | 50b | 第二馈电探针 |
| 21 | 第一容置腔 | 51 | 第一馈电段 |
| 30 | 水介质谐振柱 | 511 | 馈电柱 |
| 31 | 第二容置腔 | 52 | 第二馈电段 |
| 40 | 馈电杆 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中对“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等方位的描述以图1至图3所示的方位为基准，仅用于解释在图1至图3所示姿态下各部件之间的相对位置关系，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明提出一种三极化天线。
本实施例的一种三极化天线100，三极化天线100包括地板10、水介质辐射片20、水介质谐振柱30和馈电杆40，地板10和水介质辐射片20间隔设置，水介质谐振柱30连接于水介质辐射片20背离地板10的一侧，馈电杆40贯穿水介质辐射片20和地板10，且馈电杆40的一端与水介质谐振柱30连接，馈电杆40的另一端与外部馈电装置连接，地板10与水介质辐射片20之间设置有至少一对间隔设置的馈电探针50，各馈电探针50靠近水介质辐射片20设置并穿过地板10与外部馈电装置连接。
如图1至图3所示，水介质辐射片20和地板10沿上下方向间隔布置，水介质谐振柱30连接于水介质辐射片20的上侧，馈电杆40的上端与水介质谐振柱30连接，馈电杆40穿过水介质辐射片20和地板10，使得馈电杆40的下端与外部馈电装置连接，外部馈电装置向馈电杆40馈电，以使水介质谐振柱30通过馈电杆40接收外部馈电装置的馈电并产生电磁波辐射，馈电杆40用于激励水介质谐振柱30的全向基模以产生垂直极化模式，三极化天线100的垂直极化模式为全向辐射；
地板10和水介质辐射片20之间设置有至少一对馈电探针50，在一对馈电探针50中，其中一个馈电探针50为第一馈电探针50a，另一个馈电探针50为第二馈电探针50b，第一馈电探针50a和第二馈电探针50b间隔设置，第一馈电探针50a和第二馈电探针50b均靠近水介质辐射片20设置，且第一馈电探针50a和第二馈电探针50b均穿过地板10与外部馈电装置连接，外部馈电装置向第一馈电探针50a和第二馈电探针50b馈电，以使水介质辐射片20通过第一馈电探针50a和第二馈电探针50b接收外部馈电装置的馈电并产生电磁波辐射，第一馈电探针50a和第二馈电探针50b用于激励水介质辐射片20的定向基模以产生两个相互正交的水平极化模式，三极化天线100的两个相互正交的水平极化模式为定向辐射。
本实施例的三极化天线100通过第一馈电探针50a和第二馈电探针50b激励水介质辐射片20产生两个相互正交的水平极化模式、通过馈电杆40激励水介质谐振柱30产生垂直极化模式，使得三极化天线100可以在较宽的频带上实现三种相互正交的线极化辐射方式，三极化天线100能接收多个角度入射的电磁波信号，极化匹配效率高、信号传输性能好；并且，如图4和图5所示，三极化天线100在-10dB阻抗匹配带宽为22.04％(2.26GHz～2.82GHz)，且由于两个水平极化模式的对称性，因此两个水平极化模式的回波损耗与增益重合；如图6所示，第一馈电探针50a、第二馈电探针50b和馈电杆40之间的隔离度均在32dB以上，满足实际应用需求；如图7和图8所示，在水平极化模式和垂直极化模式的辐射方向图中，仿真结果与测试结果吻合，水平极化模式和垂直极化模式均具有良好地辐射特性。
本实施例中，各馈电探针50包括相互垂直设置的第一馈电段51和第二馈电段52，第一馈电段51的一端穿过地板10并与外部馈电装置连接，第一馈电段51的另一端与第二馈电段52连接，且第二馈电段52自第一馈电段51向靠近馈电杆40的方向延伸。如图1至图3所示，各馈电探针50的第一馈电段51竖直设置，第二馈电段52水平设置，第一馈电段51的下端穿过地板10并与外部馈电装置连接，第一馈电段51的上端与第二馈电段52的连接端连接，第二馈电段52的自由端靠近馈电杆40设置，即第二馈电段52位于水介质辐射片20的下方，且第二馈电段52自第一馈电段51向馈电杆40的方向延伸，外部馈电装置向各馈电探针50馈电，以使第一馈电段51和第二馈电段52激励水介质辐射片20产生水平极化模式，第一馈电段51和第二馈电段52具有有效提升三极化天线100的阻抗匹配带宽的优点。
并且，第一馈电段51远离第二馈电段52的一端连接有馈电柱511，馈电柱511与外部馈电装置连接。如图1至图3所示，各馈电探针50的第一馈电段51的下端均连接有一个馈电柱511，馈电柱511穿过地板10，馈电柱511用于与外部馈电装置连接并接收外部馈电装置的馈电，提高了三极化天线100馈电的稳定性及馈电效率。
本实施例中，馈电探针50的数量为两对，两对馈电探针50对称设置。如图1至图3所示，地板10和水介质辐射片20之间设置有两对馈电探针50，两对馈电探针50以馈电杆40为对称中心对称设置；并且，在一对馈电探针50中，其中一个馈电探针50为第一馈电探针50a，另一个馈电探针50为第二馈电探针50b，第一馈电探针50a和第二馈电探针50b间隔设置，即，两个第一馈电探针50a相对馈电杆40对称设置，两个第二馈电探针50b相对馈电杆40对称设置；外部馈电装置为差分馈电装置，两个第一馈电探针50a之间为差分馈电，两个第一馈电探针50a接收差分馈电装置的馈电并激励水介质辐射片20产生电磁波辐射；两个第二馈电探针50b之间也为差分馈电，两个第二馈电探针50b接收差分馈电装置的馈电并激励水介质辐射片20产生电磁波辐射，不仅提高了一对馈电探针50中第一馈电探针50a和第二馈电探针50b之间的隔离度，有利于水平极化模式的辐射方向、提高了水平极化模式的辐射特性，而且抑制了交叉极化，进一步加强了电磁波的辐射效果，提高了信号传输性能。
本实施例的三极化天线100中，水介质辐射片20为有机玻璃制件，水介质辐射片20内形成有第一容置腔21，第一容置腔21内填充有水介质；水介质谐振柱30为有机玻璃制件，水介质谐振柱30内形成有第二容置腔31，第二容置腔31内填充有水介质。具体地，水介质辐射片20和水介质谐振柱30均可采用现有技术中的有机玻璃(Polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)制件，有机玻璃的相对介电常数为4，有机玻璃具有高透光性，使得三极化天线100可适用于对透光度有较高要求的无线电设备中；水介质辐射片20内形成有用于填充水介质的第一容置腔21，水介质谐振柱30内形成有用于填充水介质的第二容置腔31，水介质为纯水，水介质的相对介电常数为81，采用水介质填充的水介质辐射片20和水介质谐振柱30不仅能有效减小三极化天线100的体积，而且利于水介质辐射片20和水介质谐振柱30根据实际使用需求造型，具有设计自由度高和透光度高的优点。
本实施例中，水介质辐射片20上朝向水介质谐振柱30的一侧印刷有激励电路(图未示)，即，水介质辐射片20的上侧印刷有激励电路，激励电路与馈电杆40连接，馈电杆40的下端接收外部馈电装置的馈电，馈电杆40的上端与水介质谐振柱30连接，激励电路用于与馈电杆40配合激励水介质谐振柱30产生垂直极化模式，进一步提高了垂直极化模式的辐射特性。
在优选的实施例中，地板10呈圆形；和/或，水介质辐射片20呈圆环形；和/或，水介质谐振柱30呈圆柱形。如图1至图3所示，地板10为圆形板，水介质辐射片20呈圆环状，水介质谐振柱30为圆柱，两个第一馈电探针50a和两个第二馈电探针50b环形间隔设置在地板10和水介质辐射片20之间，且两对馈电探针50均位于水介质辐射片20的下方，馈电杆40自水介质谐振柱30依次穿过水介质辐射片20和地板10并与外部馈电装置连接，水介质辐射片20上开设有供馈电杆40穿过的过孔，使得三极化天线100具有高增益以及好的阻抗匹配性等优点。在其他实施例中，地板10、水介质辐射片20以及水介质谐振柱30还可为其他形状，地板10、水介质辐射片20以及水介质谐振柱30的形状可根据实际使用需求灵活设置。另外，馈电柱511呈圆柱形，具有易于加工和阻抗匹配性能好的优点；地板10可为铜板、铝板或其他金属板。
进一步地，在优选的实施例中，如图1至图3所示，以2.26GHz～2.82GHz频率为例，地板10的半径Rg＝75mm，水介质辐射片20的半径Rp＝30mm，水介质辐射片20的壁厚t1＝2mm，第一容置腔21的高度t2＝2mm，水介质谐振柱30的半径Rw＝7mm，第二容置腔31的高度hd＝20mm，第二容置腔31与第一容置腔21之间的距离hm＝10mm，各馈电探针50的第一馈电段51的高度hf＝6mm，各馈电探针50的第二馈电段52的长度L0＝23mm，各馈电柱511与馈电杆40之间的距离s＝32mm，水介质辐射片20与地板10之间的距离h＝10.5mm。
本发明还提出一种无线电设备，无线电设备包括如上的三极化天线100，该三极化天线100的具体结构参照上述实施例，由于无线电设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种三极化天线，其特征在于，所述三极化天线包括地板、水介质辐射片、水介质谐振柱和馈电杆，所述地板和所述水介质辐射片间隔设置，所述水介质谐振柱连接于所述水介质辐射片背离所述地板的一侧，所述馈电杆贯穿所述水介质辐射片和所述地板，且所述馈电杆的一端与所述水介质谐振柱连接，所述馈电杆的另一端与外部馈电装置连接，所述地板与所述水介质辐射片之间设置有至少一对间隔设置的馈电探针，各所述馈电探针靠近所述水介质辐射片设置并穿过所述地板与所述外部馈电装置连接。
2.如权利要求1所述的三极化天线，其特征在于，各所述馈电探针包括相互垂直设置的第一馈电段和第二馈电段，所述第一馈电段的一端穿过所述地板并与所述外部馈电装置连接，所述第一馈电段的另一端与所述第二馈电段连接，且所述第二馈电段自所述第一馈电段向靠近所述馈电杆的方向延伸。
3.如权利要求2所述的三极化天线，其特征在于，所述第一馈电段远离所述第二馈电段的一端连接有馈电柱，所述馈电柱与所述外部馈电装置连接。
4.如权利要求3所述的三极化天线，其特征在于，所述馈电探针的数量为两对，两对所述馈电探针对称设置。
5.如权利要求1-4中任一项所述的三极化天线，其特征在于，所述水介质辐射片上朝向所述水介质谐振柱的一侧印刷有激励电路。
6.如权利要求1-4中任一项所述的三极化天线，其特征在于，所述水介质辐射片内形成有第一容置腔，所述第一容置腔内填充有水介质。
7.如权利要求1-4中任一项所述的三极化天线，其特征在于，所述水介质谐振柱内形成有第二容置腔，所述第二容置腔内填充有水介质。
8.如权利要求1-4中任一项所述的三极化天线，其特征在于，所述水介质辐射片为有机玻璃制件；所述水介质谐振柱为有机玻璃制件。
9.如权利要求1-4中任一项所述的三极化天线，其特征在于，所述地板呈圆形；和/或，所述水介质辐射片呈圆环形；和/或，所述水介质谐振柱呈圆柱形。
10.一种无线电设备，其特征在于，所述无线电设备包括如权利要求1-9中任一项所述的三极化天线。
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| CN (1) | CN113964491B (zh) |
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-
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| CN113036434A (zh) * | 2019-12-24 | 2021-06-25 | Tdk株式会社 | 天线 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| HONGJIA HUANG等: "A Wideband Water Patch Antenna With Polarization Diversity", 《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》, pages 1113 - 1117 * |
Also Published As
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|---|---|
| CN113964491B (zh) | 2024-03-19 |
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