CN116565527A - 一种集成馈电网络的双频双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成馈电网络的双频双极化天线，包括水平极化天线、垂直极化天线和安装底板；所述水平极化天线通过固定座垂直安装于安装底板的顶部，所述垂直极化天线平行于安装底板设置，且垂直极化天线底部的一侧通过固定座固定安装于安装底板上，且垂直极化天线底部的另一侧固定安装在水平极化天线上，本发明涉及微波天线技术领域。该集成馈电网络的双频双极化天线，具有尺寸小、重量轻、易加工集成和成本低的优点，并且还具有天线与馈电网络一体化集成和两个极化的工作频率比可以任意调整的优势。

Description

一种集成馈电网络的双频双极化天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体为一种集成馈电网络的双频双极化天线。

背景技术

在导航系统中，为了提高导航准确性，导航系统通常会工作在不同的波段。导航天线需要覆盖所需要接收的不同频段。不管是宽带天线或分频段多个天线，天线设备的体积和重量均较大，成本也较高。因此需要开发小型化、低成本的多频多极化导航天线。

而在雷达系统中，随着电磁环境越来越复杂，雷达系统对有源相控阵天线的要求也越来越高，雷达天线正朝着双频双极化、大角度波束覆盖、共口径等方向发展。双频双极化天线可以提高雷达对目标的探测和识别能力，极大地增强天线对环境的适应能力。但常见的双频双极化天线形式有贴片天线、振子天线、螺旋天线，振子天线与波导缝隙天线等等。这些共口径/嵌套结构的双频双极化天线性能优良，但结构复杂，加工成本高。

双频双极化天线的另一个研究热点是设计小频率比或大频率比的双频天线。在小频率比双频天线中，由于两组工作频段接近，提高天线隔离度是小频率比双频天线亟待解决的问题。在大频率比双频天线中，低频段的天线尺寸较大，容易遮挡高频段的天线，影响高频段天线的性能。

双频双极化天线的另一个缺点是结构复杂、加工成本高，常规设计中将振子天线和波导口天线嵌套设计，并在下方集成馈电网络，这种天线通常需要多层印制板和复杂的金属腔体结构，尽管能实现较好的性能，但加工成本较高。

基于对上述资料的检索，特提出一种集成馈电网络的双频双极化天线，天线两个频段分别辐射两种极化的电磁波，两个频段天线的馈电网络与天线一体化设计与加工，尺寸小，集成度高，可以根据具体应用需求任意调整两个极化的工作频段，且具有结构紧凑，易于加工组装、成本低的优点。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成馈电网络的双频双极化天线，解决了上述的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种集成馈电网络的双频双极化天线，包括水平极化天线、垂直极化天线和安装底板；

所述水平极化天线通过固定座垂直安装于安装底板的顶部，所述垂直极化天线平行于安装底板设置，且垂直极化天线底部的一侧通过固定座固定安装于安装底板上，且垂直极化天线底部的另一侧固定安装在水平极化天线上。

本发明进一步设置为：所述水平极化天线包括水平极化辐射臂、第一介质基板、第二介质基板和水平馈电网络，所述水平极化辐射臂印刷在第一介质基板靠近第二介质基板的一侧，所述水平馈电网络印刷在第一介质基板远离水平极化辐射臂的一侧；

所述垂直极化天线底部的另一侧固定安装在第二介质基板的顶部。

本发明进一步设置为：所述水平极化辐射臂包括金属连接片和设置在金属连接片上的四个T型金属片，四个所述T型金属片间隔均匀的设置在金属连接片上，且T型金属片顶部的中部蚀刻有耦合缝隙。

本发明进一步设置为：所述水平馈电网络包括第一馈电线、T型功分器、左侧传输线和右侧传输线，所述T型功分器的两端分别与左侧传输线和右侧传输线连接，所述左侧传输线和右侧传输线呈镜像对称设置，所述左侧传输线和右侧传输线的上方呈“Π”形状，且位于耦合缝隙的正下方。

本发明进一步设置为：所述垂直极化天线包括垂直馈电网络、承载金属板和三个探针，所述垂直馈电网络印刷在第二介质基板远离水平极化辐射臂的一侧，所述承载金属板的顶部开设有三个辐射缝隙，所述辐射缝隙设置为“H”形状，三个所述探针分别设置在三个辐射缝隙的下方，且探针贯穿水平极化天线设置。

本发明进一步设置为：所述垂直馈电网络包括第二馈电线和一分三微带线功分器，所述一分三微带线功分器的三个末端分别与三个探针的表面焊接固定。

本发明进一步设置为：所述第一馈电线和第二馈电线均包括外皮和设置在外皮中的内导体；

所述第一馈电线中的外皮焊接固定在金属连接片的底部，所述第一馈电线中的内导体焊接固定在T型功分器的底部；

所述第二馈电线中的内导体焊接固定在一分三微带线功分器的底部。

本发明进一步设置为：所述第一介质基板、第二介质基板和金属连接片的表面均开设有与探针相适配的第一避让孔，且金属连接片上开设的第一避让孔直径大于第一介质基板和第二介质基板上开设的第一避让孔直径，所述探针的一端固定连接有凸台底座；

所述安装底板的顶部开设有与第一馈电线和第二馈电线相适配的第二避让孔；

所述承载金属板的一侧开设有与第一馈电线相适配的第三避让孔；

所述固定座和水平极化天线的表面均开设有安装孔。

(三)有益效果

本发明提供了一种集成馈电网络的双频双极化天线。具备以下有益效果：

(1)尺寸小、重量轻：本发明的双频双极化天线结构紧凑，水平极化天线和垂直极化天线上的馈电网络与水平极化辐射臂分别印制在第一介质基板和第二介质基板上，垂直极化天线还充分利用了相邻水平极化天线之间的空隙，使天线具有尺寸小、重量轻的优点。

(2)易加工集成、成本低：本发明的天线采用模块化设计加工，非常适合排列组合成天线阵列，天线装配采用固定座来固定，装配简易、加工成品率高，天线零件的原材料、零件加工以及组装成本较低，即天线整体成本较低。

(3)天线与馈电网络一体化集成：本发明天线将两个频段/极化的馈电网络与天线一体化设计，两个馈电网络分别位于第一介质基板和第二介质基板上并夹在承载金属板之间，没有占据另外的空间，结构紧凑，降低了额外连接馈电网络的成本。

(4)两个极化的工作频率比可以任意调整：本发明双频双极化天线的两组工作频段可以根据具体应用需求设计，不仅可以实现小频率比工作，也可以实现大频率比双频段工作，同时双频段双极化之间的隔离度也较好。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的侧视剖面图；

图3为本发明水平极化天线和垂直馈电网络的结构示意图；

图4为本发明第一馈电线、水平馈电网络和第一介质基板结构的连接示意图；

图5为本发明垂直极化天线的结构示意图；

图6为本发明垂直极化天线的探针安装示意图；

图7为本发明垂直极化天线的探针安装后示意图；

图8为本发明安装底板和固定座结构的连接示意图；

图9为本发明两种极化端口反射系数和隔离度曲线图；

图10为本发明水平极化天线归一化增益方向图结果示意图；

图11为本发明垂直极化天线归一化增益方向图结果示意图；

图12为本发明实施例二中的外部结构示意图；

图13为本发明实施例二中的侧视剖面图；

图中，1、水平极化天线；11、水平极化辐射臂；111、耦合缝隙；112、金属连接片；113、T型金属片；121、第一介质基板；122、第二介质基板；123、单层介质板；13、水平馈电网络；131、T型功分器；132、左侧传输线；133、右侧传输线；134、第一馈电线；2、垂直极化天线；21、辐射缝隙；22、探针；23、第一避让孔；24、垂直馈电网络；241、第二馈电线；242、一分三微带线功分器；25、凸台底座；26、第三避让孔；27、承载金属板；3、安装底板；4、固定座；41、安装孔；42、上固定架；51、外皮；52、内导体；53、第二避让孔。

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。

请参阅图1-13，本发明实施例提供以下技术方案：

实施例一、

一种集成馈电网络的双频双极化天线，包括三组水平极化天线1，三组垂直极化天线2，一个安装底板3，若干个固定座4。

其中，水平极化天线1和垂直极化天线2不限于三组，可根据实际需要来调整数目。

安装底板3位于最下方，水平极化天线1垂直安装在安装底板3上，垂直极化天线2与安装底板3水平，一端通过固定座4与安装底板3固定，另一端固定在水平极化天线1的第二介质基板122上。

如附图3和4所示，水平极化天线1工作在频段f1，工作频率f1对应的电磁波波长为λ1，水平极化天线1由水平极化辐射臂11、第一介质基板121、第二介质基板122和水平馈电网络13组成。

第一介质基板121高度为H1+H2，第二介质基板122高度为H2。

水平馈电网络13印刷在第一介质基板121左侧，水平极化辐射臂11印刷在第一介质基板121右侧。

为了实现天线的紧凑构造，将水平馈电网络13、第一介质基板121、水平极化辐射臂11、第二介质基板122和垂直馈电网络24从左至右排布构成多层印制板。

作为详细说明，加工时，水平馈电网络13和水平极化辐射臂11加工在第一介质基板121的两侧，垂直馈电网络24加工在第二介质基板122的右侧，再通过印制板叠层工艺将第一介质基板121和第二介质基板122压合在一起，其中印制板图形加工和两层板压合工艺均为印制板加工中的常见工艺。

水平极化辐射臂11由上方的四个T型金属片113和金属连接片112组成。

T型金属片113高度为H1、长度为ls1，H1和ls1通常取0.25λ1。

T型金属片113中心刻蚀有垂直的耦合缝隙111。

如附图4所示，四个T型金属片113之间的间距为dx1，dx1通常为0.7λ1。

如附图2所示，相邻两个水平极化天线1的间距为dy。

水平馈电网络13由T型功分器131、左侧传输线132、右侧传输线133和第一馈电线134组成。

如附图4所示，左侧传输线132与右侧传输线133左右镜像对称，底部长度分别为lf1和lf2，lf2与lf1的差为0.5λ1，左侧传输线132与右侧传输线133上方为“Π”形状，并位于水平极化辐射臂耦合缝隙111的正下方，起到激励水平极化辐射臂11辐射的作用。

作为详细说明，通过调节水平馈电网络13末端的长度，可以使水平极化天线达到较好的阻抗匹配。

左侧传输线132与右侧传输线133、T型功分器131垂直部分图形宽度设置为微带线阻抗50Ω对应的宽度，T型功分器131的水平部分宽度设置为微带线阻抗70.7Ω对应的宽度，水平部分长度设置为0.5λ1。

第一馈电线134包括外皮51和设置在外皮51中的内导体52，第一馈电线134中的外皮51焊接固定在金属连接片112的底部，第一馈电线134中的内导体52焊接固定在T型功分器131的底部。

垂直馈电网络24印刷在第二介质基板122的右侧，多层印制板上开设有第一避让孔23。

多层印制板的两侧还加工有安装孔41，用于与固定座4的连接。

如附图5所示，垂直极化天线2工作在频段f2，工作频率f2对应的电磁波波长为λ2。

垂直极化天线2由刻蚀在承载金属板27上的辐射缝隙21，探针22和垂直馈电网络24组成。

每组垂直极化天线由三个辐射缝隙21组成，辐射缝隙21为“H”形状，辐射缝隙21的水平长度为ls2，两侧垂直长度为ls3，ls2+ls3通常为0.5λ2。

如附图5所示，相邻的辐射缝隙21的间距为dx2，dx2通常为0.7λ2，垂直极化天线2宽度为dy。

作为详细说明，探针22位于辐射缝隙21中心的正下方，起到激励辐射缝隙21辐射的作用，通过调节探针22的长度以及探针22与辐射缝隙21的距离，可以使垂直极化天线2获得较好的阻抗匹配。

作为优选方案，探针22为金属铜棒结构，底部为凸台结构，即凸台底座25，探针22安装时，探针22穿过第一避让孔23，凸台底座25压在第一介质基板121的左侧。

作为详细说明，第一介质基板121和第二介质基板122上的第一避让孔23直径与直极化天线馈电探针22的直径一致，其中金属连接片112上的第一避让孔23直径大于第一介质基板121和第二介质基板122上的第一避让孔23，避免探针22与金属连接片112相连。

进一步的，探针22穿过第一避让孔23后，需要与垂直馈电网络24的末端进行焊接，保证馈电探针22与垂直馈电网络24的电连接。

垂直馈电网络24垂直馈电网络24包括第二馈电线241和一分三微带线功分器242，一分三微带线功分器242的三个末端分别与三个探针22的表面焊接固定。

具体的，第二馈电线241均包括外皮51和设置在外皮51中的内导体52，第二馈电线241中的内导体52焊接固定在一分三微带线功分器242的底部。

作为优选方案，如附图8所示，是安装底板3的示意图，安装底板3加工有第二避让孔53，图中虚线的位置为安装多层印制板的位置。

天线组装时，先将固定座4固定在安装底板3上，再将多层印制板垂直安装在安装底板3上，与固定座4的侧面固定，再将垂直极化天线2安装在上侧，其中，垂直极化天线2的一侧通过安装孔41与固定座固定，另一侧架在第二介质基板122的上侧，并在接触面上涂固化胶水加固，加强结构强度。

作为优选方案，双极化端口反射系数和隔离度性能结果如附图9所示，其中水平极化工作在频率f1，垂直极化工作在频率f2，在所需要的工作带宽内，反射系数均小于-15dB，两个极化的隔离度小于-35dB，隔离度性能优异。

此外，可以根据具体应用的频带需求来设计f1和f2，f1和f2既可以是频带靠的很近的小频率比双频天线，也可以是大频率比的双频天线，并且在调整其中一个频带的时候，不影响另一个频带的排布和性能。

天线的方向图性能优异如附图10和附图11所示。

本实施例的双频双极化天线具有结构简洁、加工成本低的优点，可满足多功能雷达、无线通信等应用的需求。本实施例中，水平极化是一分二功分器驱动的天线，垂直极化是一分三驱动的天线，将一分二、一分三改进为其他一分多个端口来驱动天线，或由本发明提供的双频双极化天线构成的更大规模的阵列天线，也是在本发明的保护范围之内。

实施例二、

本实施例与上一实施例的不同点在于：实施例一中，每组水平极化天线和每组垂直极化天线的间距都为dy，本实施例中，每组水平极化天线的间距为dy，每组垂直极化天线的间距为2*dy。

如附图12和附图13所示，水平极化天线1在垂直极化天线2上方增加了一组水平极化天线，采用了单层介质板123，同样，水平馈电网络13和水平极化辐射臂11加工在单层介质板123的两侧，水平极化单层介质板123通过L形的上固定架42安装在垂直极化天线2的中心线上，辐射缝隙21不在位于中心线上，位于多层介质板和单层介质板123的中间。

实施例二的其余设计与实施例一相似，且实施例二适合双频天线频率比更大情况下，垂直极化频率更低的应用场景。

Claims (8)

1.一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：包括水平极化天线(1)、垂直极化天线(2)和安装底板(3)；

所述水平极化天线(1)通过固定座(4)垂直安装于安装底板(3)的顶部，所述垂直极化天线(2)平行于安装底板(3)设置，且垂直极化天线(2)底部的一侧通过固定座(4)固定安装于安装底板(3)上，且垂直极化天线(2)底部的另一侧固定安装在水平极化天线(1)上。

2.根据权利要求1所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述水平极化天线(1)包括水平极化辐射臂(11)、第一介质基板(121)、第二介质基板(122)和水平馈电网络(13)，所述水平极化辐射臂(11)印刷在第一介质基板(121)靠近第二介质基板(122)的一侧，所述水平馈电网络(13)印刷在第一介质基板(121)远离水平极化辐射臂(11)的一侧；

所述垂直极化天线(2)底部的另一侧固定安装在第二介质基板(122)的顶部。

3.根据权利要求2所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述水平极化辐射臂(11)包括金属连接片(112)和设置在金属连接片(112)上的四个T型金属片(113)，四个所述T型金属片(113)间隔均匀的设置在金属连接片(112)上，且T型金属片(113)顶部的中部蚀刻有耦合缝隙(111)。

4.根据权利要求3所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述水平馈电网络(13)包括第一馈电线(134)、T型功分器(131)、左侧传输线(132)和右侧传输线(133)，所述T型功分器(131)的两端分别与左侧传输线(132)和右侧传输线(133)连接，所述左侧传输线(132)和右侧传输线(133)呈镜像对称设置，所述左侧传输线(132)和右侧传输线(133)的上方呈“Π”形状，且位于耦合缝隙(111)的正下方。

5.根据权利要求4所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述垂直极化天线(2)包括垂直馈电网络(24)、承载金属板(27)和三个探针(22)，所述垂直馈电网络(24)印刷在第二介质基板(122)远离水平极化辐射臂(11)的一侧，所述承载金属板(27)的顶部开设有三个辐射缝隙(21)，所述辐射缝隙(21)设置为“H”形状，三个所述探针(22)分别设置在三个辐射缝隙(21)的下方，且探针(22)贯穿水平极化天线(1)设置。

6.根据权利要求5所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述垂直馈电网络(24)包括第二馈电线(241)和一分三微带线功分器(242)，所述一分三微带线功分器(242)的三个末端分别与三个探针(22)的表面焊接固定。

7.根据权利要求6所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述第一馈电线(134)和第二馈电线(241)均包括外皮(51)和设置在外皮(51)中的内导体(52)；

所述第一馈电线(134)中的外皮(51)焊接固定在金属连接片(112)的底部，所述第一馈电线(134)中的内导体(52)焊接固定在T型功分器(131)的底部；

所述第二馈电线(241)中的内导体(52)焊接固定在一分三微带线功分器(242)的底部。

8.根据权利要求5所述一种集成馈电网络的双频双极化天线，其特征在于：所述第一介质基板(121)、第二介质基板(122)和金属连接片(112)的表面均开设有与探针(22)相适配的第一避让孔(23)，且金属连接片(112)上开设的第一避让孔(23)直径大于第一介质基板(121)和第二介质基板(122)上开设的第一避让孔(23)直径，所述探针(22)的一端固定连接有凸台底座(25)；

所述安装底板(3)的顶部开设有与第一馈电线(134)和第二馈电线(241)相适配的第二避让孔(53)；

所述承载金属板(27)的一侧开设有与第一馈电线(134)相适配的第三避让孔(26)；

所述固定座(4)和水平极化天线(1)的表面均开设有安装孔(41)。