CN115377681A - 基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线制造技术领域，具体的说是一种可形成正交的辐射远场、实现双极化功能，结构简单，易于加工装配的基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置，其特征在于，包含分别由磁电偶极子天线辐射器和印刷振子天线辐射器构成的水平和垂直两个极化端口，所述磁电偶极子天线辐射器采用印刷电路板进行底部馈电，馈电方式为缝隙耦合；印刷振子天线辐射器的印刷电路位于磁电偶极子天线辐射器的缝隙中，印刷振子天线辐射器的场极化方向和磁电偶极子的极化方向正交，二者协同工作；磁电偶极子天线辐射器采用微带线边馈的方式馈电，输出端口位于天线的底部；印刷振子天线辐射器引入双线弯折方式，采用底馈的方式馈电。

Description

基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置

技术领域：

本发明涉及天线制造技术领域，具体的说是一种可形成正交的辐射远场、实现双极化功能，结构简单，易于加工装配的基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置。

背景技术：

随着电子信息技术的飞速发展，电磁波的极化信息越来越受到关注，并获得大量研究和应用。极化信息的引入可提升雷达、通信系统的工作性能，特别是在电子战领域，极化特征的使用为电子对抗提供了有效的技术手段。在极化电子系统中，极化信息的获取是通过极化敏感天线传感器装置，因此，极化敏感天线的设计与实现成为极化电子系统的关键技术。双极化天线是一种常用的极化敏感天线形式，双极化天线通常含有两个极化端口，两个极化端口辐射和接收极化正交的电磁分量信号，可实现极化分集的功能。在通信系统中，双极化天线是无线通信过程中增加信道容量和抵抗多路径衰减效应的行之有效的方案，因而被广泛应用。在雷达系统中，双极化天线可实现电磁波的全极化辐射和接收，有效提升雷达的探测距离和抗电磁干扰的能力，双极化天线是极化雷达进行极化信号处理的物理基础。

目前，双极化天线的形式很多，例如：双极化微带贴片天线、双极化缝隙天线、双极化偶极子天线等。贴片天线自身具有剖面低、加工成本低廉、质量轻以及易于批量生产等优点，贴片天线缺点是工作带宽较窄；近些年来，研究学者从天线馈电结构着手，设计出各式的馈电结构激励天线来实现宽频带性能。双极化缝隙天线是一类依靠缝隙激励起的电磁能量向自由空间辐射的天线，因其易于实现宽带特性而受到重点关注。双极化偶极子天线结构简单、易于展宽阻抗带宽、方向图稳定，因此，双极化偶极子天线受到天线工程师的关注，被应用于基站通信系统中。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了可形成正交的辐射远场、实现双极化功能，结构简单，易于加工装配的基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置。

本发明通过以下措施达到：

一种基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置，其特征在于，包含分别由磁电偶极子天线辐射器和印刷振子天线辐射器构成的水平和垂直两个极化端口，所述磁电偶极子天线辐射器采用印刷电路板进行底部馈电，馈电方式为缝隙耦合；印刷振子天线辐射器的印刷电路位于磁电偶极子天线辐射器的缝隙中，印刷振子天线辐射器的场极化方向和磁电偶极子的极化方向正交，二者协同工作；

磁电偶极子天线辐射器采用微带线边馈的方式馈电，输出端口位于天线的底部；印刷振子天线辐射器引入双线弯折方式，采用底馈的方式馈电，输出端口也位于天线的底部；

所述磁电偶极子天线辐射器使用一条Γ型馈线条带对水平贴片和竖直短路贴片同时进行激励，水平方向贴片充当一对电偶极子，与之相连的竖直短路贴片充当磁偶极子并同时与地板连接，磁电偶极子天线辐射器是由位于两竖直磁偶极子贴片之间的Γ型馈线进行激励；Γ型馈线分为三个部分：第一部分是底端与置于反射板下方的同轴线内芯相连的竖直部分，竖直部分与临近的竖直磁偶极子贴片组成以空气为介质的微带传输线，特性阻抗为50欧姆，将电信号传送到Γ型馈线的第二部分；第二部分是Γ型馈线的水平部分，水平部分与天线辐射器的水平电偶极子等高，通过耦合的方式将能量传送到水平电偶极子和竖直磁偶极子，水平部分呈感性；贴近另一竖直贴片的部分为Γ型馈线的第三部分，第三部分与竖直磁偶极子组成终端开路的传输线，第三部分呈容性，第三部分的容性与第二部分的感性相互抵消以达到良好的匹配。

本发明所述磁电偶极子天线辐射器中的电偶极子的E面为“8”字形样式的方向图，H面为“O”字形样式的方向图；磁偶极子刚好和电偶极子相反，其E面为“O”字形样式的方向图，H面为“8”字形样式的方向图，当同时给电偶极子和磁偶极子施加信号激励时，它们前向辐射场同相叠加，而后向辐射场反相抵消，在方位面内叠加而成的远场辐射方向图呈现心形状，因此，磁电偶极子天线可获得稳定辐射方向图。

本发明中，采用铝板作为磁偶极子的加工材料，由于磁偶极子是矩形结构，加工简单；电偶极子采用印刷电路结构实现，在介质基板上蚀刻出振子形状，将介质基板放置在磁偶极子的上方，电偶极子的金属图案和磁偶极子的金属臂直接接触；磁电偶极子的激励采用缝隙耦合的方式，金属地板采用印刷电路形式，介质基板的一面的铜箔作为金属地面，在上面蚀刻出矩形缝隙，在介质基板的另一面蚀刻出与之正交的微带线，形成电磁耦合激励的效果；为了实现天线阻抗匹配和谐振状态，在馈电的微带线的末端采用扇形枝节，调整扇形枝节的半径，获得阻抗匹配的效果，同时，在微带线的另一端，输出微带线的特性阻抗为50欧姆，在输出微带线和馈电微带线之间引入渐变线阻抗变换段，以实现宽带的阻抗匹配。

本发明所述印刷振子天线辐射器中，矩形印刷振子分别放置于印刷介质基板的上下两侧；由于微带线为非平衡结构，因此，在对平衡结构的印刷对称振子馈电时，引入Balun结构，采用微带线渐变巴伦；微带线印刷Balun的一端是特性阻抗为50欧姆微带线，另一端是双面平行双线，这样方便与异面印刷对称振子直接连接，在辐射器振子的馈电中心，采用三角形过渡结构，振子中心汇聚到同一位置，形成异面平行双线；为了减小两个极化端口的遮挡效应，对异面印刷双线进行弯折处理，实现印刷对称振子端口的底部输出，同时，本发明采用合理的异面印刷双线宽度，保证阻抗匹配的同时，减少印刷对称振子天线对磁电偶极子天线的遮挡和耦合影响，保证电磁隔离性能。

本发明提出了一种基于磁电偶极子和印刷振子组合式双极化天线的设计方案及天线装置，该天线装置采用混合式的结构实现水平和垂直双极化的工作模式，利用两种辐射的结构特点，实现两个极化结构的良好隔离，提高了极化隔离度，避免了的两个端口的电接触和交叉装配问题；两个极化辐射器辐射机理不同，它们在空间可形成正交的辐射远场，实现双极化的功能，二者可以相对独立设计，参数优化过程简化，降低了设计难度；整个天线结构简单、成本较低，易于加工和装配，适合于工程应用。本发明中的基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置适合应用于被动超宽带雷达系统、无源侦察测向系统、电子对抗系统和无线通信系统中，具有重要的应用价值。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图，图1(a)是立体图，图1(b)是另一角度示意图。

附图2是本发明中磁电偶极子天线辐射器的示意图，图2(a)是俯视图，图2(b)是侧面视图，图2(c)是底面图。

附图3是本发明中印刷振子天线辐射器的示意图，图3(a)是第一视角示意图，图3(b)是第二视角示意图，图3(c)是第三视角示意图。

附图4是本发明中天线工作原理示意图，图4(a)是三维辐射方向图，图4(b)是二维辐射方向图。

附图5是本发明中磁电偶极子天线的基本模型示意图。

附图6是本发明中天线端口的电路特性仿真结果图，图6(a)是端口1的VSWR；图6(b)是端口2的VSWR，图6(c)是端口间隔离度。

附图7是实施例中天线装置在频率为2.5HZ时端口1的辐射特性仿真结果，其中图7(a)为三维增益方向图，图7(b)为三维轴比方向图，图7(c)为在xoz面的增益方向图，图7(d)为在xoz面的轴比方向图，图7(e)为在yoz面的增益方向图，图7(f)为在yoz面的轴比方向图。

附图8是实施例中天线装置在频率为2.5GHz时的端口2的辐射特性仿真结果，其中图8(a)为三维增益方向图，图8(b)为三维轴比方向图，图8(c)为在xoz面的增益方向图，图8(d)为在xoz面的轴比方向图，图8(e)为在yoz面的增益方向图，图8(f)为在yoz面的轴比方向图。

附图9是实施例两个极化端口的增益随着频率的变化曲线，其中图9(a)为端口1，图9(b)为端口2。

附图10是实施例中两个极化端口的轴比随着频率的变化曲线，其中图10(a)为端口1，图10(b)为端口2。

附图标记：1为磁电偶极子天线辐射器，2为印刷振子天线辐射器，3为电振子臂，4为磁振子臂，5为激励缝隙，6为金属地板，7为扇形调谐枝节，8为电磁耦合段，9为阻抗变换段，10为印刷振子臂，11为平行双线传输线，12为渐变线阻抗变换段。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。

本发明针对极化敏感电子系统中对天线装置的技术需求，提出了一种基于磁电偶极子和印刷振子组合式双极化天线的设计方案及天线装置。该天线装置包含水平和垂直两个极化端口，它们分别由磁电偶极子天线辐射器和印刷振子辐射器构成，利用两种辐射的结构特点，实现两个极化结构的良好隔离，将两个馈电位置的距离拉远，整个天线结构便于安装，没有常规的双极化天线的交叉折叠现象，避免了的两个端口的电接触和交叉装配问题；两个极化辐射器辐射机理不同，它们在空间可形成正交的辐射远场，实现双极化的功能，二者可以相对独立设计，参数优化过程简化，降低了设计难度；整个天线结构简单、成本较低，易于加工和装配。整个天线主要由印刷电路技术加工实现，机械加工部分简单可靠，适合于工程应用。磁电偶极子天线辐射器采用印刷电路板对天线进行底部馈电，馈电方式为缝隙耦合，实现较宽的工作频带；电偶极子和磁偶极子采用机械加工方式实现，结构简单，精度易于控制。另一个极化端口为印刷振子天线结构，整个辐射器为印刷电路形式，印刷电路位于磁电偶极子的馈电缝隙中，振子的场极化方向和磁电偶极子的极化方向正交，二者之间可以协同工作。磁电偶极子采用微带线边馈的方式馈电，输出端口位于天线系统的底部；印刷振子天线引入双线弯折方式，采用了底馈的方式馈电，输出端口也位于天线系统的底部。本发明设计的基于磁电偶极子和印刷振子组合式天线模型如图1所示。图2为磁电偶极子天线辐射器(极化端口1)结构图，图3为印刷振子天线辐射器(极化端口2)结构图。在图1中，1为磁电偶极子天线辐射器，2为印刷振子天线辐射器

本发明设计了一种缝隙激励的磁电偶极子辐射器，在图2中，3为电振子臂，4为磁振子臂，5为激励缝隙，6为金属地板，7为扇形调谐枝节，8为电磁耦合段，9为阻抗变换段。图4中互补式天线的工作原理示意图，其中图4(a)给出了一对正交放置的电偶极子和磁偶极子的远场辐射方向图。电偶极子的E面为“8”字形样式的方向图，H面为“O”字形样式的方向图；磁偶极子刚好和电偶极子相反，其E面为“O”字形样式的方向图，H面为“8”字形样式的方向图。当同时给电偶极子和磁偶极子施加信号激励时，它们前向辐射场同相叠加，而后向辐射场反相抵消，在方位面内叠加而成的远场辐射方向图呈现心形状，因此，磁电偶极子天线可获得稳定辐射方向图。基本的磁电偶极子天线模型如图5所示。该天线结构紧凑，使用一条Γ型馈线条带对水平贴片和竖直短路贴片同时进行激励。天线的水平方向贴片充当一对电偶极子，与之相连的竖直短路贴片充当磁偶极子并同时与地板连接，这样就形成了新型的磁电偶极子天线。该天线是由位于两竖直磁偶极子贴片之间的Γ型馈线进行激励。Γ型馈线分为三个部分：第一部分是底端与置于反射板下方的同轴线内芯相连的竖直部分，它与临近的竖直磁偶极子贴片组成以空气为介质的微带传输线，特性阻抗为50欧姆，能将电信号传送到Γ型馈线的第二部分；第二部分是Γ型馈线的水平部分，它与天线水平电偶极子等高，通过耦合的方式将能量传送到水平电偶极子和竖直磁偶极子，该部分主要呈感性；贴近另一竖直贴片的部分为Γ型馈线的第三部分，它与竖直磁偶极子组成终端开路的传输线，这部分主要呈容性，通过优化该部分长度可以使这部分的容性与第二部分的感性相互抵消，从而达到良好的匹配。在本发明中，采用铝板作为磁偶极子的加工材料，由于磁偶极子是矩形结构，加工简单；电偶极子采用印刷电路结构实现，在介质基板上蚀刻出振子形状，将介质基板放置在磁偶极子的上方，电偶极子的金属图案和磁偶极子的金属臂直接接触；磁电偶极子的激励采用缝隙耦合的方式，金属地板采用印刷电路形式，介质基板的一面的铜箔作为金属地面，在上面蚀刻出矩形缝隙，在介质基板的另一面蚀刻出与之正交的微带线，形成电磁耦合激励的效果；为了实现天线阻抗匹配和谐振状态，在馈电的微带线的末端采用扇形枝节，调整扇形枝节的半径，获得阻抗匹配的效果，同时，在微带线的另一端，输出微带线的特性阻抗为50欧姆，在输出微带线和馈电微带线之间引入渐变线阻抗变换段，以实现宽带的阻抗匹配。

本发明提出了一种印刷振子天线辐射器，将其作为极化端口2，在图3中，10为印刷振子臂，11为平行双线传输线，12为渐变线阻抗变换段。本发明设计的垂直极化端口为平衡对称振子天线，采用印刷电路结构，矩形印刷振子分别放置于印刷介质基板的上下两侧；由于微带线为非平衡结构，因此，在对平衡结构的印刷对称振子馈电时，引入Balun结构，本发明采用了微带线渐变巴伦；微带线印刷Balun的一端是特性阻抗为50欧姆微带线，另一端是双面平行双线，这样方便与异面印刷对称振子直接连接，在辐射器振子的馈电中心，采用三角形过渡结构，振子中心汇聚到同一位置，形成异面平行双线；为了减小两个极化端口的遮挡效应，对异面印刷双线进行弯折处理，实现印刷对称振子端口的底部输出，同时，本发明采用合理的异面印刷双线宽度，保证阻抗匹配的同时，减少印刷对称振子天线对磁电偶极子天线的遮挡和耦合影响，保证电磁隔离性能。

实施例：

本例提出了一种基于磁电偶极子和印刷对称振子组合式双极化天线装置，采用全波电磁仿真软件对该天线进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的一种基于磁电偶极子和印刷对称振子组合式双极化天线装置的有效性。

本例设计的一种基于磁电偶极子和印刷对称振子组合式双极化天线的电路特性如图6所示，由图可见，在工作频点2.5GHz时，该天线两个极化端口的VSWR均小于2，端口隔离度约为23dB。

图7和图8分别给出了中心频点处的两个极化端口的辐射方向图仿真结果，两图中分别给出了三维增益方向图、三维轴比方向图、在xoz面的增益方向图、在xoz面的轴比方向图、在yoz面的增益方向图和在yoz面的轴比方向图。图9和图10分别给出了两个极化端口的增益和轴比随着频率的变化曲线。可以看出，端口1的增益高于端口2，轴比也是端口1高于端口2。

Claims (4)

1.一种基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置，其特征在于，包含分别由磁电偶极子天线辐射器和印刷振子天线辐射器构成的水平和垂直两个极化端口，所述磁电偶极子天线辐射器采用印刷电路板进行底部馈电，馈电方式为缝隙耦合；印刷振子天线辐射器的印刷电路位于磁电偶极子天线辐射器的缝隙中，印刷振子天线辐射器的场极化方向和磁电偶极子的极化方向正交，二者协同工作；

磁电偶极子天线辐射器采用微带线边馈的方式馈电，输出端口位于天线的底部；印刷振子天线辐射器引入双线弯折方式，采用底馈的方式馈电，输出端口也位于天线的底部；

所述磁电偶极子天线辐射器使用一条Γ型馈线条带对水平贴片和竖直短路贴片同时进行激励，水平方向贴片充当一对电偶极子，与之相连的竖直短路贴片充当磁偶极子并同时与地板连接，磁电偶极子天线辐射器是由位于两竖直磁偶极子贴片之间的Γ型馈线进行激励；Γ型馈线分为三个部分：第一部分是底端与置于反射板下方的同轴线内芯相连的竖直部分，竖直部分与临近的竖直磁偶极子贴片组成以空气为介质的微带传输线，特性阻抗为50欧姆，将电信号传送到Γ型馈线的第二部分；第二部分是Γ型馈线的水平部分，水平部分与天线辐射器的水平电偶极子等高，通过耦合的方式将能量传送到水平电偶极子和竖直磁偶极子，水平部分呈感性；贴近另一竖直贴片的部分为Γ型馈线的第三部分，第三部分与竖直磁偶极子组成终端开路的传输线，第三部分呈容性，第三部分的容性与第二部分的感性相互抵消以达到良好的匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置，其特征在于，所述磁电偶极子天线辐射器中的电偶极子的E面为“8”字形样式的方向图，H面为“O”字形样式的方向图；磁偶极子刚好和电偶极子相反，其E面为“O”字形样式的方向图，H面为“8”字形样式的方向图，当同时给电偶极子和磁偶极子施加信号激励时，它们前向辐射场同相叠加，而后向辐射场反相抵消，在方位面内叠加而成的远场辐射方向图呈现心形状，因此，磁电偶极子天线可获得稳定辐射方向图。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置，其特征在于，采用铝板作为磁偶极子的加工材料，由于磁偶极子是矩形结构，加工简单；电偶极子采用印刷电路结构实现，在介质基板上蚀刻出振子形状，将介质基板放置在磁偶极子的上方，电偶极子的金属图案和磁偶极子的金属臂直接接触；磁电偶极子的激励采用缝隙耦合的方式，金属地板采用印刷电路形式，介质基板的一面的铜箔作为金属地面，在上面蚀刻出矩形缝隙，在介质基板的另一面蚀刻出与之正交的微带线，形成电磁耦合激励的效果；为了实现天线阻抗匹配和谐振状态，在馈电的微带线的末端采用扇形枝节，调整扇形枝节的半径，获得阻抗匹配的效果，同时，在微带线的另一端，输出微带线的特性阻抗为50欧姆，在输出微带线和馈电微带线之间引入渐变线阻抗变换段，以实现宽带的阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁电偶极子和印刷振子的混合结构双极化天线装置，其特征在于，所述印刷振子天线辐射器中，矩形印刷振子分别放置于印刷介质基板的上下两侧；由于微带线为非平衡结构，因此，在对平衡结构的印刷对称振子馈电时，引入Balun结构，采用微带线渐变巴伦；微带线印刷Balun的一端是特性阻抗为50欧姆微带线，另一端是双面平行双线，这样方便与异面印刷对称振子直接连接，在辐射器振子的馈电中心，采用三角形过渡结构，振子中心汇聚到同一位置，形成异面平行双线；为了减小两个极化端口的遮挡效应，对异面印刷双线进行弯折处理，实现印刷对称振子端口的底部输出。

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