CN114914689A - 一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线,属于天线技术领域,其包括UHF频段天线、S频段天线、金属隔离腔,金属基座等组成,其中UHF频段天线包括UHF频段上层印制板,UHF频段下层印制板,4个L型探针异形金属辐射片,介质支撑柱,介质支撑片等部件组成,S频段天线包括S频段上层印制板,S频段下层印制板,介质圆环,介质圆环等部件组成。本发明通过在低剖面UHF频段圆极化天线中间开一个金属隔离腔,在金属隔离腔内部放置S频段圆极化天线的方式,实现低剖面双频段共口径设计。该天线结构紧凑,具有良好的宽带特性、高隔离度、成本低廉、重量轻,易于批量生产等特点,可应用于地面便携通信、测控和检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及到天线技术领域,特别涉及一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线。
背景技术
随着单频带天线技术的成熟和无线通讯网络的广泛应用,人们开始将研究热点转向双频带或多频带天线。无线市场迫切要求雷达、移动通信、卫星定位系统能够利用多频天线的频率复用解决日益拥挤的微波频谱带来的紧张局面。获得双频或者多频特性的方法有单层法和多层法。多层法常常采取堆叠结构形式,即低频波段贴片置于底层,高频贴片放在低频波段之上,低频波段的贴片也兼作高频单元的地板。由于实质上只是分置于不同高度的独立的两种贴片,因此可以采用各种形状贴片,如:方形贴片、圆型贴片、三角形贴片和分形结构;大多数馈电方式亦可应用,如:探针馈电、共面馈电、口径耦合和L形探针等。
圆极化天线具有抗衰减、抗多径干扰、抗多径反射等优点,在无线通信特别是卫星通信系统中的应用非常广泛。圆极化天线可以采用辐射贴片上的缝隙微扰、切口微扰、激发TM11,正交兼并模式与90°相位差正交馈电的方式产生圆极化辐射。
对于某些通信系统的天线而言,通常希望天线具有多频段工作、尺寸小、重量轻以及多天线之间相互影响小等优点,因此共口径天线以它独有的特点被使用。公开文献报道的成果有双频段和三频段共口径天线,这些成果大都是工作频段相近或者工作频段跨度比不大的共口径天线.然而对超高频UHF和S频段这种工作频段跨度大、方向图宽波束、重量轻,低剖面且具有圆极化工作方式的低剖面共口径天线鲜有公开报道。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线。该天线采用低剖面和共口径天线技术,同时工作于在UHF和S两个频段。
为了实现上述目的,本发明所采取的技术方案为:
一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线,包括UHF频段天线1、S频段天线2、金属隔离腔3和金属基座4,所述UHF频段天线1包括UHF频段上层印制板5、UHF频段下层印制板6、4个L型探针异形金属辐射片7、介质支撑柱8和介质支撑片9;
所述UHF频段上层印制板5为顶层,UHF频段下层印制板6为中间层,金属基座4为底层,各层之间通过介质支撑柱8固定连接;所述金属隔离腔3位于UHF频段天线1的正中心,且金属隔离腔3贯穿UHF频段上层印制板5和UHF频段下层印制板6,固定于金属基座4;所述金属隔离腔3和UHF频段上层印制板5无接触;
4个L型探针异形金属辐射片7位于UHF频段上层印制板5和UHF频段下层印制板6之间,并且以金属隔离腔3为中心,旋转对称,均匀分布;所述L型异形金属辐射片7为圆弧状,L型探针异形金属辐射片7的一端向下引伸出金属铝柱,其金属铝柱下端与UHF频段下层印制板6下表面的第一馈电网络线焊接在一起,并且金属铝柱不与UHF频段下层印制板6的上表面接触;
所述UHF频段上层印制板5为单面印制板,其上表面设有同心内环金属覆层15和同心外环金属覆层16,中心为一用于放置金属隔离腔3的圆孔,圆孔直径与金属隔离腔3外径相同;
所述UHF频段下层印制板为一双面印制板,上表面设有金属地,下表面设有第一馈电网络线;
所述S频段天线2与UHF频段天线1共用金属隔离腔3,S频段天线包括S频段上层印制板10、S频段下层印制板11、第一介质圆环12和第二介质圆环13;所述S频段上层印制板10为一单面印制板,其上表面为第一圆形金属覆层;所述S频段下层印制板11为双面印制板,其上表面设有第二圆形金属覆层,且在第二圆形金属覆层的中间位置设有两个相互垂直的工字型缝隙;S频段下层印制板11的下表面金属覆层设有第二馈电网络线;
所述第一介质圆环和第二介质圆环均紧贴于金属隔离腔的内壁,其中S频段上层印制板10固定于第一介质圆环顶部,S频段下层印制板11固定于第一介质圆环和第二介质圆环之间。
进一步的,所述第一馈电网络线和第二馈电网络线均采用威尔金森功分器形式。
进一步的,所述同心内环金属覆层和同心外环金属覆层之间无接触。
进一步的,所述同心内环金属覆层和金属隔离腔焊接在一起。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于:
本发明解决了在体积重量及剖面高度受限条件下,天线如何实现双频、低剖面、高增益、高隔离的技术问题,通过在低剖面UHF频段圆极化天线中间开一个金属隔离腔,在金属隔离腔内部放置S频段圆极化天线的方式,实现低剖面双频段共口径设计。该天线整体剖面高度为21mm,仅为0.483λmax,可同时工作于在UHF和S两个频段,并在两个工作频段内增益大于5dBi。该天线结构紧凑,具有良好的宽带特性、高隔离度、成本低廉、重量轻,易于批量生产等特点,可应用于地面便携通信、测控和检测领域。
附图说明
图1为本发明实施例的一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线结构图;
图2为本发明实施例的一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线剖面图;
图3为本发明实施例的UHF频段天线的结构图;
图4为本发明实施例的S频段天线的结构图;
图5为本发明实施例的UHF频段上层印制板上表面结构示意图。
图6为本发明实施例的UHF频段下层印制板上表面结构示意图。
图7为本发明实施例的s频段上层印制板上表面结构示意图。
图8为本发明实施例的S频段下层印制板上表面结构示意图。
图9为本发明实施例的S频段下层印制板下表面结构示意图。
图10为本发明实施例的UHF频段的电压驻波比曲线图。
图11为本发明实施例的UHF频段的增益方向图。
图12为本发明实施例的UHF频段增益随频率变化的曲线图。
图13为本发明实施例的UHF频段轴比随频率变化的曲线图。
图14为本发明实施例的S频段的电压驻波比曲线图。
图15为本发明实施例的S频段的增益方向图。
图16为本发明实施例的S频段增益随频率变化的曲线图。
图17为本发明实施例的S频段轴比随频率变化的曲线图。
图中:1-UHF频段天线、2-S频段天线、3-金属隔离腔、4-金属基座、5-UHF频段上层印制板、6-UHF频段下层印制板、7-L型探针异形金属辐射片、8-介质支撑柱、9-介质支撑片、10-S频段上层印制板、11-S频段下层印制板、12-第一介质圆环、13-第二介质圆环、14-介质螺钉。
具体实施方式
下面,结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例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获得其他的附图。
图1是本发明的一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线结构图,其包括UHF频段天线1、S频段天线2、金属隔离腔3和金属基座4。
在本实施例中,UHF频段天线1与S频段天线2的安装位置为:UHF频段天线1的正中心放置S频段天线2,且两者高度齐平,剖面高度为20mm,且两者共用一个金属隔离腔3,金属隔离腔3厚度为1mm,剖面高度比UHF频段天线1剖面高1mm,参见图2。
在本实施例中,所述UHF频段天线1,参见图3,其由3层结构组成,第一层为UHF频段上层印制板5,第二层为UHF频段下层印制板6,第三层为金属基座4。4个L型探针异形金属辐射片7位于第一层为UHF频段上层印制板5与第二层为UHF频段下层印制板6之间,4个介质支撑柱8用于支撑UHF频段上层印制板5和UHF频段下层印制板6,4个介质支撑片9用于起隔离和支撑作用,防止4个L型探针异形金属辐射片7的上表面与UHF频段上层印制板5的下表面接触。
在本实施例中,所述UHF频段上层印制板5,参见图5,印制板呈正方形,采用ArlonAD600(tm)板材,介电常数6.15,厚度为2mm,尺寸为250mm*250mm,单面印制板,正中间有一个直径为79mm的圆形镂空区域,参见图5中的斜线阴影部分。UHF频段上层印制板5的上表面有两个同心圆环金属覆层,分别为同心内环金属覆层15和同心外环金属覆层16。同心内环金属覆层15的外径为205mm,内径为79mm。同心外环金属覆层16的外径为250mm,内径为224mm。同心内环金属覆层15与同心外环金属覆层16之间的距离为9.5mm。表面有一些避让孔及四周4个介质支撑柱安装孔。
在本实施例中,所述UHF频段下层印制板6,参见图6,印制板呈正方形,采用NeltecNY9260(IM)(tm)板材,介电常数2.6,厚度为1mm,尺寸为250mm*250mm,双面印制板,正中间有一个直径为79mm的圆形镂空区域,参见图6中的斜线阴影部分。UHF频段下层印制板6的上表面为金属覆层地层,UHF频段下层印制板6的下表面金属覆层为馈电网络线,采用威尔金森功分器的形式,起到功分及移相作用。UHF频段下层印制板6的正中间有一个直径为79mm的圆孔,表面有一些避让孔及四周4个介质支撑柱安装孔。UHF频段下层印制板6上表面与UHF频段上层印制板5下表面的距离为9mm。
在本实施例中,所述L型探针异形金属辐射片7为金属铝材,呈一小段圆弧形状,厚度1mm,圆弧最大外径91.6mm,内径为29.6mm。4个L型探针异形金属辐射片7以金属隔离腔3为中心,旋转对称,均匀分布,4个L型探针异形金属辐射片7的相位依次相差90度。L型探针异形金属辐射片7的上表面与UHF频段上层印制板5的下表面并未接触,距离为1mm,可适当调节两者距离来进行驻波比的优化。L型探针异形金属辐射片7的一端向下引伸出一个直径为1.3mm的金属铝柱,其下端通过过孔与UHF频段下层印制板6下表面的馈电网络线焊接在一起,并未与UHF频段下层印制板6的上表面相接触,馈电网络线采用威尔金森功分器形式,起到功分及移相作用。另外一端通过1mm厚的介质支撑片9来保证其与UHF频段上层印制板5的下表面距离1mm。
在本实施例中,所述金属基座4为铝板,厚度为3mm,尺寸为250mm*250mm,金属基座4的上表面与UHF频段下层印制板6的下表面距离为5mm。金属基座4上设计有与其他组件安装的接口,四周边缘有介质支撑柱8的安装孔。
在本实施例中,所述介质支撑柱8为尼龙介质柱,用于在各层之间,起支撑作用。
在本实施例中,所述介质支撑片9为尼龙介质片,起隔离和支撑作用。
在本实施例中,所述S频段上层印制板10,参见图7。印制板呈圆形,采用TaconicRF-35(tm)板材,介电常数3.5,厚度为1mm,直径为77mm,单面印制板,S频段上层印制板10的下表面有圆形金属覆层,圆形金属覆层的直径为51.2mm。
在本实施例中,所述S频段下层印制板11,参见图8和图9。印制板呈圆形,采用Taconic RF-35(tm)板材,介电常数3.5,厚度为1mm,直径为77mm,双面印制板,S频段下层印制板11的上表面为圆形金属覆层,圆形金属覆层中间有两个“工”字型缝隙。可适当调节两个“工”字型缝隙的尺寸来进行驻波和轴比的优化。S频段下层印制板11的下表面金属覆层为馈电网络线,馈电网络线采用威尔金森功分器形式,起到功分及移相作用。
S频段上层印制板10的下表面与S频段下层印制板11的上表面距离为13.5mm。S频段下层印制板11的下表面距离金属隔离腔底部5mm。
在本实施例中,所述第一介质圆环12和第二介质圆环13,采用Rogers Ultralam1300(tm)材料,介电常数3.0,起支撑作用,用于支撑S频段上层印制板10和S频段下层印制板11,其中S频段下层印制板11置于第一介质圆环12和第二介质圆环13之间,三者紧密接触。第一介质圆环12和第二介质圆环13的最大外径与金属隔离腔3内径相同,均为77mm。第一介质圆环12和第二介质圆环13的内径均为67mm。第一介质圆环12的厚度为13.5mm,第二介质圆环13的厚度为5mm。S频段上层印制板通过介质螺钉14固定于第一介质圆环的顶部。
在本实施例中,所述金属隔离腔3穿过UHF频段上层印制板5和UHF频段下层印制板6,并且UHF频段上层印制板5的金属覆层与金属隔离腔3焊接在一起,金属隔离腔3的下端与金属基座4连接。
在本实施例中,图10为本发明实施例提供的UHF频段的电压驻波比曲线图,从图10可知,在UHF频段680MHz~830MHz带宽内,电压驻波比小于2.0,使得天线在UHF频段带内具有良好的阻抗特性。可通过调节L型探针异形金属辐射片7的位置及与UHF频段上层印制板5的距离来进行电压驻波比的优化,同时还可以调节同心内环金属覆层15和同心外环金属覆层16的尺寸来进行电压驻波比的优化。
在本实施例中,图12为本发明实施例提供的UHF频段增益随频率变化的曲线图,从图12可知,天线在UHF频段700MHz~830MHz内增益大于5.0dBi。
在本实施例中,图13为本发明实施例提供的UHF频段轴比随频率变化的曲线图,从图13可知,天线在UHF频段680MHz~830MHz内轴比小于2.0dB,说明天线在UHF频段带宽内具有良好的圆极化特性。
在本实施例中,图14为本发明实施例提供的S频段的电压驻波比曲线图,从图14可知,天线在S频段1.9GHz~2.4GHz内电压驻波比小于2.0,说明天线在S频段带内具有良好的阻抗特性。可通过调节S频段上层印制板上层圆形金属覆层尺寸,及S频段下层印制板11的上表面两个“工”字型缝隙的尺寸来进行电压驻波比的优化,同时还可以调节S频段上层印制板与S频段下层印制板11的距离来进行电压驻波比的优化。
在本实施例中,图16为本发明实施例提供的S频段增益随频率变化的曲线图,从图16可知,天线在S频段1.9GHz~2.4GHz内增益大于6.4dBi。
在本实施例中,图17为本发明实施例提供的S频段轴比随频率变化的曲线图,从图17可知,天线在S频段1.95GHz~2.25GHz内轴比小于2.0dB,说明天线在S频段带宽内具有良好的圆极化特性。通过调节S频段上层印制板上层圆形金属覆层尺寸,及S频段下层印制板11的上表面两个“工”字型缝隙的尺寸来进行轴比的优化。
以上,仅为本发明之较佳实施例,意在进一步说明本发明,而非对其进行限定。凡根据上述文字和附图所公开的内容进行的简单的替换,都在本专利的权利保护范围之内。
Claims (4)
1.一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线,包括UHF频段天线(1)、S频段天线(2)、金属隔离腔(3)和金属基座(4),其特征在于,所述UHF频段天线(1)包括UHF频段上层印制板(5)、UHF频段下层印制板(6)、4个L型探针异形金属辐射片(7)、介质支撑柱(8)和介质支撑片(9);
所述UHF频段上层印制板(5)为顶层,UHF频段下层印制板(6)为中间层,金属基座4为底层,各层之间通过介质支撑柱8固定连接;所述金属隔离腔(3)位于UHF频段天线(1)的正中心,且金属隔离腔(3)贯穿UHF频段上层印制板(5)和UHF频段下层印制板(6),固定于金属基座(4);所述金属隔离腔(3)和UHF频段上层印制板(5)无接触;
4个L型探针异形金属辐射片(7)位于UHF频段上层印制板(5)和UHF频段下层印制板(6)之间,并且以金属隔离腔3为中心,旋转对称,均匀分布;所述L型异形金属辐射片(7)为圆弧状,L型探针异形金属辐射片(7)的一端向下引伸出金属铝柱,其金属铝柱下端与UHF频段下层印制板(6)下表面的第一馈电网络线焊接在一起,并且金属铝柱不与UHF频段下层印制板(6)的上表面接触;
所述UHF频段上层印制板(5)为单面印制板,其上表面设有同心内环金属覆层(15)和同心外环金属覆层(16),中心为一用于放置金属隔离腔(3)的圆孔,圆孔直径与金属隔离腔(3)外径相同;
所述UHF频段下层印制板为一双面印制板,上表面设有金属地,下表面设有第一馈电网络线;
所述S频段天线(2)与UHF频段天线(1)共用金属隔离腔(3),S频段天线包括S频段上层印制板(10)、S频段下层印制板(11)、第一介质圆环(12)和第二介质圆环(13);所述S频段上层印制板(10)为一单面印制板,其上表面为第一圆形金属覆层;所述S频段下层印制板(11)为双面印制板,其上表面设有第二圆形金属覆层,且在第二圆形金属覆层的中间位置设有两个相互垂直的工字型缝隙;S频段下层印制板(11)的下表面金属覆层设有第二馈电网络线;
所述第一介质圆环和第二介质圆环均紧贴于金属隔离腔的内壁,其中S频段上层印制板(10)固定于第一介质圆环顶部,S频段下层印制板(11)固定于第一介质圆环和第二介质圆环之间。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线,其特征在于,所述第一馈电网络线和第二馈电网络线均采用威尔金森功分器形式。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线,其特征在于,所述同心内环金属覆层和同心外环金属覆层之间无接触。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面共口径双频段圆极化微带天线,其特征在于,所述同心内环金属覆层和金属隔离腔焊接在一起。
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