CN116895941A - 一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，涉及无线通信天线技术领域，包括辐射金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、第二金属层、短路针以及阻抗匹配网络。第二介质基板、金属地板和第一介质基板为上下设置的叠层结构，第二金属层位于第二介质基板的顶部表面，辐射金属贴片位于第一介质基板的底部表面，阻抗匹配网络位于第二金属层上，短路针从辐射金属贴片层贯穿到第二金属层。本发明采用加载短路针和阻抗匹配网络的方式，获得了很好端口隔离度和较大的带宽，还具有占用空间小、设计难度低等优点。

Description

一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线。
背景技术
在雷达、通信技术快速发展的今天，电子系统对硬件系统提出了越来越高的要求，要求硬件系统同时具备低成本、高性能、小型化的特点。作为电子系统中的一种收发装置，天线的尺寸与波长强相关，隔离度与天线结构和加工误差强相关。即使天线在设计上具有优异隔离度，也可能因为加工误差而破坏结构特性，导致在实际工作中表现出较差的隔离度性能。双极化天线是指同时实现两个正交线极化或者两个正交圆极化的天线。目前，许多小型雷达或通信系统受限于安装空间、成本的制约，希望能够实现收发共口径，双极化天线的特性正好满足这样的需求，但是系统中发射信号的功率通常远大于接收通道允许的最大输入功率，因此，双极化天线还需要解决由于共口径带来的隔离度恶化等问题。因此，一款宽带高隔离度、小型化、结构简单的双极化天线就成为高集成度系统中的必要部件。
差的天线端口隔离度会导致发射机输出信号通过天线端口泄露到接收机，造成接收机噪声恶化、饱和，进而影响接收性能。因此提高天线隔离度能够提升系统的接收性能。随着天线技术发展，业界提出了各种各样的技术来提高双极化天线的端口隔离度。其中差分馈电结构具有优异的性能。差分馈电天线如图1所示，天线由金属地板、介质基板、辐射金属贴片、差分馈电结构构成，馈电结构包括馈电探针、威尔金森功分器、移相器。所述威尔金森功分器实现信号的等幅等相的分配，一路不经过移相器输出给馈电探针，另外一路经过180°移相输出给另一路探针，在金属地板上有两个尺寸大于馈电探针截面尺寸的圆形开口，防止馈电探针与金属地板短路。馈电探针的位置关于辐射金属贴片中心对称分布，因此在激励时，两个馈电探针处的射频信号存在180°的相位差，结构上的对称和差分馈电实现抵消了加工工艺带来的非对称性能恶化，从而提高了天线的端口隔离度。该结构可以实现很好的端口隔离度，代价是功分器和移相器带来的面积增加，这与高集成度的要求是相矛盾的。此外，功分器的幅相均衡性、移相器的准确性仍然收到工艺精度的影响，且在加工完成后没有调试的空间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，实现微带天线的小型化、宽隔离度带宽、高端口隔离度、后期可调试应对加工偏差。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，包括辐射金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、第二金属层、短路针以及阻抗匹配网络；
所述第二介质基板、金属地板和第一介质基板为上下设置的叠层结构，所述第二金属层位于所述第二介质基板的顶部表面，所述阻抗匹配网络位于第二金属层上，所述辐射金属贴片位于所述第一介质基板的底部表面，所述的辐射金属贴片为可旋转的中心对称形状；
所述辐射金属贴片上设有两个位于以辐射金属贴片的中心对称点为原点的垂直坐标系上的正交轴上的馈电端口；所述第一介质基板设有两个导电金属馈电过孔，其一端与辐射金属贴片上的馈电端口相连接，另一端穿过叠层结构到第二金属层连接到馈电网络，所述导电金属馈电过孔用于放置馈电探针；在两个导电金属馈电过孔与辐射金属贴片的中心形成的夹角的角平分线上，设置有两根短路针，从辐射金属贴片层贯穿到第二金属层，所述短路针用于连接辐射金属贴片和金属地板。
进一步地，所述的金属地板上设有两个尺寸大于导电金属馈电过孔截面尺寸的圆形开口，用于防止馈电探针与金属地板短路。
优选地，所述的阻抗匹配网络为T型网络，所述的T型网络包括两个电阻R1、R2和一个电容C1，所述电阻R1、R2和电容C1的一端使用微带线耦接，电阻R1、R2的另一端分别通过两个导电金属馈电过孔连接到馈电端口，电容C1的另一端通过短路针连接到金属地板。
优选地，所述的阻抗匹配网络为π型网络，所述的π型网络包括两个电阻R1、R2和一个电容C1，所述电阻R1的一端与电容C1的一端耦接并通过一个导电金属馈电过孔连接到馈电端口，所述电阻R2的一端与电容C1的另一端耦接并通过另一个导电金属馈电过孔连接到另一个馈电端口，电阻R1和R2的另一端通过微带线连接到金属地板。
优选地，所述的阻抗匹配网络为并联微带线结构，包括电阻R1和两段微带线，所述电阻的两端分别通过微带线连接到两个馈电端口。
本发明的有益效果是：
1）采用加载短路针和阻抗匹配网络的方式，双极性微带天线获得了很好端口隔离度和较大的带宽。
2）占用空间小、设计难度低，可以很好的实现天线的小型化，同时也降低了制作成本。
3）在批量制作时，通过实测原有双端口隔离度的幅相值，可以快速实现隔离度的优化调试，满足批量生产时工艺波动带来的隔离度波动，实现多批次之间的性能的高度一致性。
附图说明
图1为差分馈电天线结构示意图；
图2为小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线立体结构图；
图3为小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线侧视图；
图4为小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线仰视图；
图5为双极化微带天线未添加短路针后的仿真结果；
图6为双极化微带天线添加短路针后的仿真结果；
图7为实施例一中T型网络的几何结构及位置示意图；
图8为实施例一中添加T型网络后的仿真结果；
图9为实施例二中π型网络的几何结构及位置示意图；
图10为实施例三中并联微带线结构的几何结构及位置示意图；
图中，a-威尔金森功分器，b-馈电探针，c-移相器，1-第二介质基板，2-金属地板，3-第一介质基板，4-辐射金属贴片，5-第二金属层，6-短路针，7-馈电探针。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。
参阅图1-图10，本发明提供一种技术方案：
实施例一：
一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，如图2所示，包括辐射金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、第二金属层、短路针以及阻抗匹配网络；
所述第二介质基板、金属地板和第一介质基板为上下设置的叠层结构，所述第二金属层位于所述第二介质基板的顶部表面，所述阻抗匹配网络位于第二金属层上，所述辐射金属贴片位于所述第一介质基板的底部表面，所述的辐射金属贴片为可旋转的中心对称形状；
本实施例中，采用介电常数为4.4的FR4基板材料，厚度为1.6mm的叠层结构的PCB工艺制作微带天线。所述辐射金属贴片层的金属厚度为0.035mm，金属地板层的金属厚度为0.0152mm，第二金属层的金属厚度为0.035mm，第二介质基板的厚度为0.0994mm，第一介质基板的厚度为1.3644mm。辐射金属贴片为中心频率为5.8GHz，半径为6.5mm，厚度为0.035mm的圆形贴片。
如图3和图4所示，所述辐射金属贴片上设有两个位于以辐射金属贴片的中心对称点为原点的垂直坐标系上的正交轴上的馈电端口；所述第一介质基板设有两个导电金属馈电过孔，其一端与辐射金属贴片上的馈电端口相连接，另一端穿过叠层结构到第二金属层连接到馈电网络，所述导电金属馈电过孔用于放置馈电探针；在两个导电金属馈电过孔与辐射金属贴片的中心形成的夹角的角平分线上，设置有两根短路针，从辐射金属贴片层贯穿到第二金属层，所述短路针用于连接辐射金属贴片和金属地板。根据腔模原理，短路针是一个金属微扰，会引起两个馈电激励的模式之间的电磁耦合，调整短路针的位置就可以实现对电、磁耦合的强度，实现对隔离度的优化。
进一步地，所述的金属地板上设有两个尺寸大于导电金属馈电过孔截面尺寸的圆形开口，用于防止馈电探针与金属地板短路。
本实施例中，导电金属馈电过孔为半径0.15mm、距离贴片中心2.12mm的圆形金属过孔，金属地板上的圆形开口半径为0.35mm，短路针为半径0.15mm的金属过孔，分别位于辐射金属贴片圆心和距离圆心0.75mm处。
通过HFSS软件对短路针在辐射金属贴片上的位置进行仿真，以确定端口隔离度的最优解。图5和图6给出天线未加载短路针和加载短路针时天线在中心频率为5.8GHz的端口隔离度。由图可以看出，天线未加载短路针时，在中心频率为5.8GHz处的端口隔离度仅为-21dB；而天线加载短路针后，在中心频率为5.8GHz处的端口隔离度降低到-37dB，小于-30dB端口隔离度的带宽为260MHz。
本实施例中，所述的阻抗匹配网络为T型网络，所述的T型网络包括两个电阻R1、R2和一个电容C1，其结构如图7所示。所述电阻R1、R2和电容C1的一端使用微带线耦接，电阻R1、R2的另一端分别通过两个导电金属馈电过孔连接到馈电端口，电容C1的另一端通过短路针连接到金属地板。
T型网络形成了两个馈电端口之间的额外通道，通过调节T型网络中的阻容值，可以实现该通道的幅度和相位，当该通道的幅度、相位与天线双端口原有隔离度等幅度、反相时，可以实现对两端口之间的泄露的抵消，实现宽带的高隔离度。图8给出了当电阻R1=R2=100Ω，电容C=1pF时，在中心频率为5.8GHz处的端口隔离度为-37dB，并且小于-30dB端口隔离度的带宽达到了2GHz的宽度，与未加T型网络时相比较，连续带宽提高了1.7GHz。
实施例二：
本实施例中，所述的阻抗匹配网络为π型网络，所述的π型网络包括两个电阻R1、R2和一个电容C1，其结构如图9所示。所述电阻R1的一端与电容C1的一端耦接并通过一个导电金属馈电过孔连接到馈电端口，所述电阻R2的一端与电容C1的另一端耦接并通过另一个导电金属馈电过孔连接到另一个馈电端口，电阻R1和R2的另一端通过微带线连接到金属地板。电阻阻值和电容值可根据实际工程应用进行修改调整，实现对端口之间泄漏的抵消，实现宽带的高隔离度。其他结构与实施例一的结构一致，不再赘述。
实施例三：
本实施例中，所述的阻抗匹配网络为并联微带线结构，包括电阻R和两段微带线，其结构如图10所示。所述电阻的两端分别通过微带线连接到两个馈电端口。电阻阻值和微带线长度可根据实际工程应用进行修改调整，实现对端口之间泄漏的抵消，实现宽带的高隔离度。其他结构与实施例一的结构一致，不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，其特征在于：包括辐射金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、第二金属层、短路针以及阻抗匹配网络；
所述第二介质基板、金属地板和第一介质基板为上下设置的叠层结构，所述第二金属层位于所述第二介质基板的顶部表面，所述阻抗匹配网络位于第二金属层上，所述辐射金属贴片位于所述第一介质基板的底部表面，所述的辐射金属贴片为可旋转的中心对称形状；
所述辐射金属贴片上设有两个位于以辐射金属贴片的中心对称点为原点的垂直坐标系上的正交轴上的馈电端口；所述第一介质基板设有两个导电金属馈电过孔，其一端与辐射金属贴片上的馈电端口相连接，另一端穿过叠层结构到第二金属层连接到馈电网络，所述导电金属馈电过孔用于放置馈电探针；在两个导电金属馈电过孔与辐射金属贴片的中心形成的夹角的角平分线上，设置有两根短路针，从辐射金属贴片层贯穿到第二金属层，所述短路针用于连接辐射金属贴片和金属地板。
2.根据权利要求1所述的一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，其特征在于：所述的金属地板上设有两个尺寸大于导电金属馈电过孔截面尺寸的圆形开口，用于防止馈电探针与金属地板短路。
3.根据权利要求1所述的一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，其特征在于：所述的阻抗匹配网络为T型网络，所述的T型网络包括两个电阻R1、R2和一个电容C1，所述电阻R1、R2和电容C1的一端使用微带线耦接，电阻R1、R2的另一端分别通过两个导电金属馈电过孔连接到馈电端口，电容C1的另一端通过短路针连接到金属地板。
4.根据权利要求1所述的一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，其特征在于：所述的阻抗匹配网络为π型网络，所述的π型网络包括两个电阻R1、R2和一个电容C1，所述电阻R1的一端与电容C1的一端耦接并通过一个导电金属馈电过孔连接到馈电端口，所述电阻R2的一端与电容C1的另一端耦接并通过另一个导电金属馈电过孔连接到另一个馈电端口，电阻R1和R2的另一端通过微带线连接到金属地板。
5.根据权利要求1所述的一种小型化具有宽带隔离度的双极化微带天线，其特征在于：所述的阻抗匹配网络为并联微带线结构，包括电阻R和两段微带线，所述电阻的两端分别通过微带线连接到两个馈电端口。
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