CN114284726A - 应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元及该单元构成的旋转天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线技术领域,具体涉及一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元及该单元构成的旋转天线阵列;包括:上层印刷电路板和下层印刷电路板之间设置有支撑结构;上层印刷电路板上设置有矩形贴片金属层,其上刻蚀有十字缝隙;下层印刷电路板上设置有金属层、低频端口和高频端口,金属层上设置有低频馈电缝隙、高频馈电缝隙、低频馈电网络和高频馈电网络;本发明诸多优点,如易于批量生产、能实现全双工性能、能够有效抑制低频与高频工作频段之间的互扰、能够提高顺序旋转阵列的圆极化纯度等,且天线单元在组成天线阵列时,具有良好的阵元去耦合效果,具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,具体涉及一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元及该单元构成的旋转天线阵列。
背景技术
目前卫星通信天线的研究工作主要集中于提升天线电气性能,如高增益天线设计、宽频带圆极化天线设计、高端口隔离度天线设计、滤波天线设计以及天线解耦等。
随着移动通信的快速发展,车辆通信也逐渐受到关注。车辆通信需要车辆与多个设备之间建立连接。一般情况下,车辆除了与基站和车辆之间进行通信以外,还会与卫星之间建立连接。对于车载卫星通信而言,为了实现上下链路之间的隔离,避免不同信道之间的干扰,减小极化失配和多径衰落,因此,双频双圆极化天线因其具备双频带双圆极化的辐射性能被高度推荐。双频双圆极化天线的设计有多种思路。其中,最典型的方法是采用顺序旋转馈电技术。这种方法需要四个相同的天线单元,并且天线单元需要具有双频特性。现有技术中的双频双圆极化天线有许多缺陷,比如采用单端口实现双频特性,采用顺序旋转馈电技术得到天线阵列,两个频段具有相同的圆极化特性;激励贴片不同模式实现双频特性,不同模式的辐射特性不同,不利于卫星通信;采用双端口馈电实现双频特性,端口之间隔离度差;因此,亟需一种端口之间隔离度好且顺序旋转阵列的圆极化纯度高的双频双圆极化天线。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提出了一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,该高端口隔离度滤波天线单元包括:上层印刷电路板1和下层印刷电路板3;上层印刷电路板1和下层印刷电路板3之间设置有支撑结构2,通过支撑结构2使上层印刷电路板1和下层印刷电路板3之间形成空气层;上层印刷电路板1上设置有矩形贴片金属层11,所述矩形贴片金属层11上刻蚀有十字缝隙;下层印刷电路板3上设置有金属层31、低频端口31和高频端口32;所述金属层上刻蚀有低频馈电缝隙311和高频馈电缝隙312,低频馈电缝隙311和高频馈电缝隙312相互垂直且不相交;在金属层31上设置有低频馈电网络以及高频馈电网络,低频馈电网络的一端与下层印刷电路板3上的低频端口32连接,另一端连接低频馈电缝隙311;高频馈电网络的一端连接高频端口33,另一端连接高频馈电缝隙312。
优选的,上层印刷电路板1和下层印刷电路板3均为矩形。
优选的,支撑结构2为塑胶柱,塑胶柱一端设置在上层印刷电路板1上,塑胶柱的另一端设置在下层印刷电路板3上。
优选的,上层印刷电路板1上的矩形贴片金属层11面积小于下层印刷电路板3上的金属层31面积。
优选的,低频馈电缝隙311的长度小于高频馈电缝隙312的长度。
优选的,低频馈电网络包括两条微带线和A圆环组,A圆环组包括内圆环和外圆环,内圆环为封闭的圆环,内圆环与外圆环之间留有间隙,外圆环两边设有开口,形成第一外半圆环和第二外半圆环;第一微带线一端连接A圆环组的第一外半圆环,另一端连接低频馈电缝隙311;第二微带线一端连接A圆环组的第二外半圆环,另一端连接低频端口32;高频馈电网络包括两条微带线和B圆环组,B圆环组的结构与A圆环的结构相同;第三微带线一端连接B圆环组的第一外半圆环,另一端连接高频馈电缝隙312;第四微带线一端连接B圆环组的第二外半圆环,另一端连接高频端口33。
进一步的,B圆环组的内外圆环尺寸均大于A圆环组内外圆环尺寸。
一种高端口隔离度滤波天线单元构成的顺序旋转天线阵列,包括:四个高端口隔离度滤波天线单元,四个高端口隔离度滤波天线单元采用顺序旋转技术进行组阵,并采用微带线将各个高端口隔离度滤波天线单元进行连接,构成双频双圆极化顺序旋转天线阵列。
优选的,顺序旋转技术为:将四个高端口隔离度滤波天线单元围绕一个中心点依次旋转90°。
本发明的有益效果为:本发明采用贴片天线设计一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,端口之间的隔离大于40dB,该天线可适用于X波段双频双圆极化顺序旋转天线阵列(阻抗带宽为7.26GHz-7.47GHz和8.11GHz-8.41GHz;本发明采用传统贴片天线实现,加工成本低且易于批量生产;天线单元端口隔离度高,能实现全双工性能;天线的低频馈电网络与高频馈电网络均具有滤波结构,能够有效抑制低频与高频工作频段之间的互扰;能够提高顺序旋转阵列的圆极化纯度;在组成天线阵列时,具有良好的阵元去耦合效果,具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明中的应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元结构示意图;
图2为本发明中的应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元侧视图;
图3为本发明中双频双圆极化顺序旋转天线阵列俯视图;
图4为本发明中一种优选实施例的应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元的S参数;
图5为本发明中一种优选实施例在工作频率为7.36GHz的方向图;
图6为本发明中一种优选实施例在工作频率为8.22GHz的方向图;
图7为本发明中一种优选实施例的顺序旋转天线阵列的S参数;
图8为本发明中一种优选实施例的顺序旋转天线阵列在XOZ面工作频率为7.36GHz的方向图;
图9为本发明中一种优选实施例的顺序旋转天线阵列在XOZ面工作频率为8.22GHz的方向图;
图中:1、上层印刷电路板;11、矩形贴片金属层;2、支撑结构;3、下层印刷电路板;31、金属层;311、低频馈电缝隙;312、高频馈电缝隙;32、低频端口;33、高频端口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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做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。
本发明提出了一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元;如图1所示,该高端口隔离度滤波天线单元包括:上层印刷电路板1和下层印刷电路板3;上层印刷电路板1和下层印刷电路板3之间设置有支撑结构2,通过支撑结构2使上层印刷电路板1和下层印刷电路板3之间形成空气层;上层印刷电路板1上设置有矩形贴片金属层11,所述矩形贴片金属层11上刻蚀有十字缝隙;下层印刷电路板3上设置有金属层31、低频端口31和高频端口32;所述金属层上刻蚀有低频馈电缝隙311和高频馈电缝隙312,低频馈电缝隙311和高频馈电缝隙312相互垂直且不相交;在金属层31上设置有低频馈电网络以及高频馈电网络,低频馈电网络的一端与下层印刷电路板3上的低频端口32连接,另一端连接低频馈电缝隙311;高频馈电网络的一端连接高频端口33,另一端连接高频馈电缝隙312。可选的,如图2所示,上层印刷电路板为0.505-0.51mm,下层印刷电路板厚度为0.29-0.31mm,空气层厚度为0.95-1.05mm;矩形贴片金属层的长为12.45-12.55mm,宽度为7.95-8.05mm;十字缝隙的长缝隙长度为9.95-10.05mm,宽度为0.95-1.05mm,十字缝隙的短缝隙长度为5.95-6.05mm,宽度为0.95-1.05mm;一种优选实施例,其相关尺寸为:上层印刷电路板为0.508mm,下层印刷电路板厚度为0.3mm,空气层厚度为1mm;矩形贴片金属层的长为12.5mm,宽度为8mm;十字缝隙的长缝隙长度为10mm,宽度为1mm,十字缝隙的短缝隙长为6mm,宽度为1mm;高频馈电缝隙的长度分为8mm,宽度为0.5mm;低频馈电缝隙的长度为9mm,宽度为0.5mm。
优选的,上层印刷电路板1和下层印刷电路板3均为矩形。
优选的,支撑结构2为塑胶柱,塑胶柱一端设置在上层印刷电路板1上,塑胶柱的另一端设置在下层印刷电路板3上;所述支撑结构不限于塑胶柱,可为其他使上层印刷电路板与下层印刷电路板分离的结构,优选的,支撑结构为泡沫板。
优选的,上层印刷电路板1上的矩形贴片金属层11面积小于下层印刷电路板3上的金属层31面积。
优选的,低频馈电缝隙311的长度小于高频馈电缝隙312的长度;可选的,高频馈电缝隙的长度分为7.95-8.05mm,宽度为0.48-0.52mm;低频馈电缝隙的长度为8.95-9.05mm,宽度为0.48-0.52mm;一种优选实施例,其相关尺寸为:高频馈电缝隙的长度分为8mm,宽度为0.5mm;低频馈电缝隙的长度为9mm,宽度为0.5mm。
优选的,低频馈电网络包括两条微带线和A圆环组,A圆环组包括内圆环和外圆环,内圆环为封闭的圆环,内圆环与外圆环之间留有间隙,外圆环两边设有开口,形成第一外半圆环和第二外半圆环;第一微带线一端连接A圆环组的第一外半圆环,另一端连接低频馈电缝隙311;第二微带线一端连接A圆环组的第二外半圆环,另一端连接低频端口32;高频馈电网络包括两条微带线和B圆环组,B圆环组的结构与A圆环的结构相同;第三微带线一端连接B圆环组的第一外半圆环,另一端连接高频馈电缝隙312;第四微带线一端连接B圆环组的第二外半圆环,另一端连接高频端口33;可选的,低频馈电网络的微带线和高频馈电网络的微带线宽度均为0.62-0.64mm,连接可以是耦合馈电连接也可以是微带强制馈电。
进一步的,B圆环组的内外圆环尺寸均大于A圆环组内外圆环尺寸。可选的,A圆环组的内圆环半径为2.88-2.92mm,B圆环组的内圆环半径为3.38-3.42mm,A圆环组与B圆环组的内外圆环间隙均为0.24-0.26mm;一种优选实施例,其相关尺寸为:A圆环组的内圆环半径为2.9mm,B圆环组的内圆环半径为3.4mm,A圆环组与B圆环组的内外圆环间隙均为0.25mm。
低频馈电缝隙311与矩形贴片金属层11电磁耦合连接,高频馈电缝隙312与上层印刷电路板1的上表面的矩形贴片金属层11电磁耦合连接,工作时,矩形贴片金属层将低频端口馈入的电磁能量向空间辐射,得到低频工作频段矩形贴片金属层将高频端口馈入的电磁能量向空间辐射,得到高频工作频段;低频工作频段与高频工作频段共用矩形贴片金属层作为辐射体。
一种高端口隔离度滤波天线单元构成的顺序旋转天线阵列,包括:四个高端口隔离度滤波天线单元,四个高端口隔离度滤波天线单元采用顺序旋转技术进行组阵,并采用微带线将各个高端口隔离度滤波天线单元进行连接,构成双频双圆极化顺序旋转天线阵列。
优选的,顺序旋转技术为:将四个高端口隔离度滤波天线单元围绕一个中心点依次旋转90°;四个高端口隔离度滤波天线单元的相位分别设置为0°、90°、180°和270°,当相位沿逆时针方向逐渐增加时,可以得到右旋圆极化,当相位沿顺时针方向逐渐增加时,可以得到左旋圆极化。采用低频功分馈电网络连接低频右旋圆极化顺序旋转天线阵列,采用高频功分馈电网络连接高频左旋圆极化顺序旋转天线阵列。低频功分馈电网络的四个输出端口的相位沿逆时针方向依次为0°、90°、180°和270°,高频功分馈电网络的四个输出端口的相位沿顺时针方向依次为0°、90°、180°和270°。优选的,一种由应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元组阵而成的2×2顺序旋转阵列如图3所示;可选的,组阵后的阵列边长为94.5-95.5mm;优选的,组阵后的阵列边长为95mm。图3中,馈电缝隙通过耦合实现能量传输,高频顺序旋转馈电网络为四个高端口隔离度滤波天线单元按顺时针依次提供90°相位差,实现左旋圆极化辐射,低频顺序旋转馈电网络为四个高端口隔离度滤波天线单元按逆时针依次提供90°相位差,实现右旋圆极化辐射,贴片上的缝隙通过改变矩形贴片的表面电流路径实现阵列去耦。
本发明有很好的性能,本发明中应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元的工作频带为7.26GHz-7.47GHz和8.11GHz-8.41GHz。在这两个波段,天线都表现出良好的频率选择性,这归因于两个圆环组滤波器不同的谐振特性。此外,本发明中一种优选实施例的应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元的S参数如图4所示,在两个频带内,两个端口之间的隔离度大于40dB,说明具有很好的双工性能。如图5、图6所示,天线单元在7.36GHz和8.22GHz的最大增益分别为8.7dBi和9.1dBi。
本发明中双频双圆极化顺序旋转天线阵列的阻抗带宽为7.26GHz-7.46GHz和8.07GHz-8.36GHz。一种优选实施例的双频双圆极化顺序旋转天线阵列的顺序旋转阵列S参数如图7所示,在两个操作频段内,阵列两端口之间的隔离大于30dB,实现了良好的双工性能。如图8、图9所示,一种优选实施例的双频双圆极化顺序旋转天线阵列在7.36GHz和8.2GHz的增益分别为11.2dBic和11.7dBic,天线阵的轴比带宽分别为360MHz(7.12GHz-7.48GHz)和360MHz(8GHz-8.36GHz)。
本发明采用贴片天线设计一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,端口之间的隔离大于40dB,该天线可适用于X波段双频双圆极化顺序旋转天线阵列(阻抗带宽为7.26GHz-7.47GHz和8.11GHz-8.41GHz;本发明采用传统贴片天线实现,加工成本低且易于批量生产;天线单元端口隔离度高,能实现全双工性能;天线的低频馈电网络与高频馈电网络均具有滤波结构,能够有效抑制低频与高频工作频段之间的互扰;能够提高顺序旋转阵列的圆极化纯度;在组成天线阵列时,具有良好的阵元去耦合效果,具有良好的经济效益。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解,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。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,包括:上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(3);上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(3)之间设置有支撑结构(2),通过支撑结构(2)使上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(3)之间形成空气层;上层印刷电路板(1)上设置有矩形贴片金属层(11),所述矩形贴片金属层(11)上刻蚀有十字缝隙;下层印刷电路板(3)上设置有金属层(31)、低频端口(32)和高频端口(33);所述金属层(31)上刻蚀有低频馈电缝隙(311)和高频馈电缝隙(312),低频馈电缝隙(311)和高频馈电缝隙(312)相互垂直且不相交;在金属层(31)上设置有低频馈电网络以及高频馈电网络,低频馈电网络的一端与下层印刷电路板(3)上的低频端口(32)连接,另一端连接低频馈电缝隙(311);高频馈电网络的一端连接高频端口(33),另一端连接高频馈电缝隙(312)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,上层印刷电路板(1)和下层印刷电路板(3)均为矩形。
3.根据权利要求1所述的一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,支撑结构(2)为塑胶柱,塑胶柱一端设置在上层印刷电路板(1)上,塑胶柱的另一端设置在下层印刷电路板(3)上。
4.根据权利要求1所述的一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,上层印刷电路板(1)上的矩形贴片金属层(11)面积小于下层印刷电路板(3)上的金属层(31)面积。
5.根据权利要求1所述的一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,低频馈电缝隙(311)的长度小于高频馈电缝隙(312)的长度。
6.根据权利要求1所述的一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,低频馈电网络包括两条微带线和A圆环组,A圆环组包括内圆环和外圆环,内圆环为封闭的圆环,内圆环与外圆环之间留有间隙,外圆环两边设有开口,形成第一外半圆环和第二外半圆环;第一微带线一端连接A圆环组的第一外半圆环,另一端连接低频馈电缝隙(311);第二微带线一端连接A圆环组的第二外半圆环,另一端连接低频端口(32);高频馈电网络包括两条微带线和B圆环组,B圆环组的结构与A圆环的结构相同;第三微带线一端连接B圆环组的第一外半圆环,另一端连接高频馈电缝隙(312);第四微带线一端连接B圆环组的第二外半圆环,另一端连接高频端口(33)。
7.根据权利要求6所述的一种应用于双频双圆极化的高端口隔离度滤波天线单元,其特征在于,B圆环组的内外圆环尺寸均大于A圆环组内外圆环尺寸。
8.一种基于权利要求1~7所述的任意一种高端口隔离度滤波天线单元构成的顺序旋转天线阵列,其特征在于,包括:四个高端口隔离度滤波天线单元,四个高端口隔离度滤波天线单元采用顺序旋转技术进行组阵,并采用微带线将各个高端口隔离度滤波天线单元进行连接,构成双频双圆极化顺序旋转天线阵列。
9.根据权利要求8所述的一种高端口隔离度滤波天线单元构成的顺序旋转天线阵列,其特征在于,顺序旋转技术为:将四个高端口隔离度滤波天线单元围绕一个中心点依次旋转90°。
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