CN116979247A - 一种宽带天线及涡旋天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带天线及涡旋天线阵列；宽带天线包括天线辐射板和宽带巴伦；天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；在顶层通过金属走线形成正交的两个偶极子天线，每个偶极子天线包括位于一条直线上的两条辐射臂；两个偶极子天线的四条辐射臂呈十字交叉形状，交叉点位于天线辐射板的几何中心点；在底层通过金属走线形成短路枝节；在顶层和底层之间包括穿过介质基板的金属化过孔；金属化过孔将顶层的每个辐射臂与底层对应的短路枝节电连接，使短路枝节和偶极子天线并联；宽带巴伦用于给顶层的偶极子天线馈电；通过宽带巴伦的馈电，使每个偶极子天线的两个辐射臂的电流相等。本发明的天线工作带宽更宽，涡旋天线阵列无需馈电网络，结构简单。

Description

一种宽带天线及涡旋天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带天线及涡旋天线阵列。

背景技术

偶极子天线以结构简单，制作成本低以及性能良好而被广泛应用在移动通信装置及微波能量收集和传输领域中。传统的偶极子天线由两根导体组成，在中心位置馈电，总长度约为半波长，是大多数天线的基本单元。偶极子天线在增益方向图性能方面较单极子天线有了一定的提高，能获得较为满意的方向图特性，且偶极子天线有良好的辐射特性，波长缩短效应和谐振特性。通过控制偶极子上的电流幅度、相位以及空间位置之间的关系，偶极子天线可以广泛应用于基站天线、圆极化天线、多输入多输出(MIMO)天线中，但现有偶极子天线带宽一直受到来自金属地带来的电抗效应影响，无法实现大带宽。并且在形成涡旋天线阵列均需要包括功分器、移相器等馈电网络来实现，结构复杂，可靠性降低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种宽带天线及涡旋天线阵列，实现大带宽的偶极子天线和同相馈电的涡旋天线阵列。

本发明公开了一种宽带天线，包括：天线辐射板和宽带巴伦；

所述天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；

其中，在顶层中通过金属走线形成正交的两个偶极子天线，每个偶极子天线均包括位于一条直线上的两条辐射臂；两个偶极子天线的四条辐射臂呈十字交叉形状，且交叉点位于所述天线辐射板的几何中心点；

在底层通过金属走线形成短路枝节；在顶层和底层之间包括穿过介质基板的金属化过孔；所述金属化过孔将顶层的每个辐射臂与底层对应的短路枝节电连接，使短路枝节和偶极子天线并联；

所述宽带巴伦用于给顶层的偶极子天线馈电；通过宽带巴伦的馈电，使每个偶极子天线的两个辐射臂的电流相等。

进一步地，顶层上通过金属走线形成的两个偶极子天线的4条辐射臂的金属贴片形状相同；每个金属贴片为由一个等腰三角形和一个半圆形拼接而成的金属图形；等腰三角形的顶点指向天线辐射板的几何中心点，等腰三角形的底边与拼接的半圆形的直径边相等；每个金属贴片都具有用于连接宽带巴伦的金属开缝；金属开缝位于所在金属贴片的对称轴上靠近天线辐射板几何中心点一侧；金属开缝下的介质基板上有同样宽度的介质开缝，宽带巴伦穿过介质开缝和金属开缝，使宽带巴伦上的馈电线与辐射臂电连接。

进一步地，所述金属化过孔的数量与辐射臂的数量相同；在每条辐射臂下均有一个金属化过孔穿过介质基板连接到底层的短路枝节；所述短路枝节包括4条呈直线的微带线；每个金属化过孔作为微带线相互连接的拐角。

进一步地，每个金属化过孔位于对应辐射臂的开缝向外的延长线上；相对的两个金属化过孔的距离分别为Ld1和Ld2。

进一步地，所述宽带巴伦包括两片巴伦板；每一片巴伦板用于给对应的一个偶极子天线馈电；

两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起，并由所述天线辐射板的底层向顶层方向垂直穿过所述天线辐射板的几何中心，使每片巴伦板上的馈电线与对应的偶极子天线的两个辐射臂电连接。

进一步地，所述巴伦板为带状线馈电巴伦，通过双层金属走线的实现馈电，包括正面馈电层、基板和背面馈电层；

所述正面馈电层和背面馈电层设置对应阻抗的微带线，用于馈电接入；

所述基板，用于承载正、背面馈电层，并提供巴伦板与天线辐射板和天线底板连接的插接部件。

进一步地，呈十字交叉相互嵌入在一起的两片巴伦板中，每个巴伦板的基板包括第一插接端、第二插接端以及交叉嵌入缝隙；

所述第一插接端包括两个天线插接头；每个天线插接头的宽度与偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度相同，连接时，两个天线插接头从天线辐射板的底层向顶层方向插入对应的偶极子天线的两个辐射臂的金属开缝；

所述第二插接端与第一插接端的位置相对，包括两个接地插接头，连接时，每个接地插接头插接在天线金属地所在的天线底板上；

所述交叉嵌入缝隙，位于巴伦板的中间，用于将两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起；其中一片巴伦板从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，另一片巴伦板从所述第一插接端位置向第二插接端方向开缝；缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度。

进一步地，根据天线的工作频段确定所述金属图形的半圆形的半径R和等腰三角形底边对应的高L；根据天线辐射板的顶层到天线的金属地之间的距离确定Ld1和Ld2的长度。

进一步地，所述背面馈电层包括阻抗约等于200Ω的两条平行微带线；

所述背面馈电层的两条平行微带线分别从基板的第一插接端的两个天线插接头位置开始以线宽W4沿交叉嵌入缝隙向第二插接端方向引出，直到第二插接端所在的底边后，沿底边分别向第二插接端的两个接地插接头引出，直到覆盖到两个接地插接头；

所述每个巴伦板的正面馈电层包括顺序连接的50Ω微带线、70Ω微带线和20-45Ω微带线；

50Ω微带线从基板的底边上与天线插接头相对的位置开始向该天线插头方向引出长度l1后，转换为70Ω微带线继续引出长度l2后，转90°继续以70Ω微带线向另一个天线插接头方向引出，到另一个天线插接头位置后，转90°继续向底边方向引出长度为l3的20-45Ω微带线。

本发明还公开了一种涡旋天线阵列，包括N个如上所述的宽带天线；所述N个宽带天线以相同的间隔组成一个同心圆阵列；在同心圆阵列中，通过旋转每一个宽带天线使相邻宽带天线的远区辐射场产生相位差，使得天线阵列在同相位馈电时产生涡旋电磁波束。

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明公开的宽带天线，通过对辐射臂结构的设计使天线的工作带宽具有很大的提升，比传统的微带天线工作带宽5％提升了近13倍；相比传统偶极子天线的相对工作带宽25.6％提升了近2倍；并且，通过底层的短路枝节和顶层的偶极子天线并联，短路枝节可以引入感性电抗，补偿天线单元伴随着天线剖面(天线辐射层到金属地)高度的降低引入的容性电抗分量，克服由于电抗分量引起的阻抗失配，获得理想匹配，实现低剖面，降低损耗。

通过宽带巴伦的设计，将50Ω阻抗转换为120Ω阻抗的平衡电流，确保偶极子天线的两臂电流相等。

本发明公开的涡旋天线阵列通过旋转天线单元可以达到涡旋波束需要的相位差，无需馈电网络。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的宽带天线结构示意图；

图2为本发明实施例中的天线辐射板俯视图；

图3为本发明实施例中的天线辐射板仰视图；

图4为本发明实施例中的有无短路枝节下天线的回波损耗比较图；

图5为本发明实施例中的第一巴伦板的正面示意图；

图6为本发明实施例中的第一巴伦板的反面示意图；

图7为本发明实施例中的第二巴伦板的正面示意图

图8为本发明实施例中的第二巴伦板的反面示意图

图9为本发明实施例中的涡旋天线阵列示意图；

图10为本发明实施例中的涡旋天线阵列方向图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一种宽带天线，如图1所示，包括：天线辐射板和宽带巴伦；

所述天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；

其中，在顶层通过金属走线形成正交的两个偶极子天线，每个偶极子天线包括位于一条直线上的两条辐射臂；两个偶极子天线的四条辐射臂呈十字交叉形状，交叉点位于天线辐射板的几何中心点；

在底层通过金属走线形成短路枝节；在顶层和底层之间包括穿过介质基板的金属化过孔；所述金属化过孔将顶层的每个辐射臂与底层对应的短路枝节电连接，使短路枝节和偶极子天线并联；

所述宽带巴伦用于给顶层的偶极子天线馈电；通过宽带巴伦的馈电，使每个偶极子天线的两个辐射臂的电流相等。

具体的，为了保证天线强度，天线辐射板的介质基板采用较硬材质的罗杰斯4350，厚度为0.762mm，在介质基板上下分别印刷两层金属走线构成天线辐射板的顶层和底层。

如图2所示，顶层上通过金属走线形成的两个偶极子天线的4条辐射臂的金属贴片形状相同；每个金属贴片为由一个等腰三角形和一个半圆形拼接而成的金属图形；等腰三角形的顶点指向天线辐射板的几何中心点，等腰三角形的底边与拼接的半圆形的直径边相等；每个金属贴片都具有用于连接宽带巴伦的金属开缝；金属开缝位于所在金属贴片的对称轴上靠近天线辐射板几何中心点一侧；金属开缝下的介质基板上有同样宽度的介质开缝，宽带巴伦穿过介质开缝和金属开缝，使宽带巴伦上的馈电线与辐射臂电连接。

其中，根据天线的工作频段确定所述金属图形的半圆形的半径R和等腰三角形底边对应的高L；

优选的，当天线工作频段为1.6-3.1GHz时，金属图形的半圆形的半径R＝14mm和等腰三角形底边对应的高L＝15.5mm；对工作带宽为63.8％，相比传统的微带天线相对工作带宽5％提升了近13倍，相比传统偶极子天线的相对工作带宽25.6％提升了近2倍，本次申请中的R、L为该工作频段下的较好参数值，如果要将天线的工作频段往低频处移动，则只需要增加R、L的值即可。

具体的，所述金属化过孔的数量与辐射臂的数量相同；在每条辐射臂下均有一个金属化过孔穿过介质基板连接到底层的短路枝节；所述短路枝节包括4条呈直线的微带线；每个金属化过孔作为微带线相互连接的拐角。

如图3所示，天线辐射板的底层印刷一组短路枝节，通过4个金属化过孔对上下层进行连接；每个金属化过孔位于对应辐射臂的开缝向外的延长线上；相对的两个金属化过孔的距离分别为Ld1和Ld2。金属化过孔位于短路走线拐角处，短路走线通过金属化过孔与顶层天线臂连接。通过底层的短路枝节和顶层的偶极子天线并联，短路枝节可以引入感性电抗，补偿天线单元伴随着天线剖面(天线辐射层到金属地)高度的降低引入的容性电抗分量，克服由于电抗分量引起的阻抗失配，获得理想匹配，实现低剖面，降低损耗。

具体的，根据天线辐射板的顶层到天线的金属地之间的距离确定Ld1和Ld2的长度。优选Ld1＝Ld2，即，4个金属化过孔位于由4条直线短路枝节构成的正方形的4个角上。

如图4所示，给出了有无短路枝节下天线的回波损耗图，可见在带宽范围内，回波损耗大为降低。

具体的宽带巴伦结构中，所述宽带巴伦包括两片巴伦板；每一片巴伦板用于给对应的一个偶极子天线馈电；

两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起，并由所述天线辐射板的底层向顶层方向垂直穿过所述天线辐射板的几何中心，使每片巴伦板上的馈电线与对应的偶极子天线的两个辐射臂电连接。十字交叉的中心线与天线辐射板的几何中心对齐。

具体的，所述单片巴伦板为带状线馈电巴伦，通过双层金属走线的实现馈电，包括正面馈电层、基板和背面馈电层；

所述正面馈电层和背面馈电层设置对应阻抗的微带线，用于馈电接入；

所述基板，用于承载正、背面馈电层，并提供巴伦板与天线辐射板和天线底板连接的插接部件。

更具体的，呈十字交叉相互嵌入在一起的两片巴伦板中，每个巴伦板的基板包括第一插接端、第二插接端以及交叉嵌入缝隙；

所述第一插接端包括两个天线插接头；每个天线插接头的宽度与偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度相同，连接时，两个天线插接头从天线辐射板的底层向顶层方向插入对应的偶极子天线的两个辐射臂的金属开缝；

所述第二插接端与第一插接端的位置相对，包括两个接地插接头，连接时，每个接地插接头插接在天线金属地所在的天线底板上；

所述交叉嵌入缝隙，位于巴伦板的中间，用于将两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起；其中一片巴伦板从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，另一片巴伦板从所述第一插接端位置向第二插接端方向开缝；缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；两条开缝的长度满足将两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入的同时，保留足够的不开缝长度，进行微带走线。

进一步地，所述背面馈电层包括阻抗约等于200Ω的两条平行微带线；

所述背面馈电层的两条平行微带线分别从基板的第一插接端的两个天线插接头位置开始以线宽W4沿交叉嵌入缝隙向第二插接端方向引出，直到第二插接端所在的底边后，沿底边分别向第二插接端的两个接地插接头引出，直到覆盖到两个接地插接头；

所述每个巴伦板的正面馈电层包括顺序连接的50Ω微带线、70Ω微带线和20-45Ω微带线；

50Ω微带线从基板的底边上与天线插接头相对的位置开始向该天线插头方向引出长度l1后，转换为70Ω微带线继续引出长度l2后，转90°继续以70Ω微带线向另一个天线插接头方向引出，到另一个天线插接头位置后，转90°继续向底边方向引出长度为l3的20-45Ω微带线。

其中，

50Ω微带线的线宽条件下，长度l1约为中心频率对应波导波长的四分之一；

70Ω微带线的线宽条件下，长度l2约为中心频率对应波导波长的四分之一；

20-45Ω微带线的线宽条件下，长度l3约为中心频率对应波导波长的四分之一。

如图5、6、7、8所示，给出了两片巴伦板的正、背面结构图。

由于两片巴伦板的交叉嵌入缝隙的设置是互补的，因此，为避开缝隙在巴伦板正面的微带走线的长度上，作适当的加长和缩短，使其都接近波长的四分之一，实现馈电的匹配。

在一个优选的设计实例中，

图5中，第一巴伦板正面中，

50Ω微带线的线宽w1＝1.8mm，长度l1＝18mm；

70Ω微带线的线宽w2＝1mm，长度l2＝15mm；

20-45Ω微带线的线宽w3＝2mm；长度l3＝20mm。

图6中，第一巴伦板背面中，

200Ω微带线的线宽w4＝3mm；两条平行的微带线的间隔g1＝2.5mm。

即，巴伦板的两个天线插接头的宽度为w4＝3mm；两个天线插接头的间距为g1＝2.5mm。

巴伦板的两个接地插接头的宽度和间隔可根据具体情况设定，巴伦板的高度决定了金属地与天线辐射板的距离，该距离和天线辐射板底层的短路枝节的长度相匹配。

图7中，第二巴伦板正面中，

50Ω微带线的线宽w5＝w1，l5的长度略小于l1的长度，接近波导波长的四分之一；

70Ω微带线的线宽w6＝w2，l6的长度略小于l2的长度，接近波导波长的四分之一；

20-45Ω微带线的线宽w7＝w3；l7的长度略小于l3的长度，接近波导波长的四分之一。

图8中，第二巴伦板背面中，

200Ω微带线的线宽w8＝w4；两条平行的微带线的间隔g2＝g1。

综上所述，本发明的宽带天线，包括两个正交的偶极子天线，并采用宽带巴伦+短路耦合线的形式，宽带巴伦将50Ω阻抗转换为120Ω阻抗的平衡电流，确保偶极子天线的两臂电流相等，短路耦合线用来抵消来自地面的电抗效应，从而实现低剖面。通过对辐射臂结构的设计使天线的工作带宽具有很大的提升，比传统的微带天线工作带宽5％提升了近13倍；相比传统偶极子天线的相对工作带宽25.6％提升了近2倍；并且，通过底层的短路枝节和顶层的偶极子天线并联，短路枝节可以引入感性电抗，补偿天线单元伴随着天线剖面(天线辐射层到金属地)高度的降低引入的容性电抗分量，克服由于电抗分量引起的阻抗失配，获得理想匹配，实现低剖面，降低损耗。

本发明的一个实施例中还公开了一种涡旋天线阵列，包括N个如上一实施例中公开的所述的宽带天线；所述N个宽带天线以相同的间隔组成一个同心圆阵列；在同心圆阵列中，通过旋转每一个宽带天线使相邻宽带天线的远区辐射场产生相位差，使得天线阵列在同相位馈电时产生涡旋电磁波束。

具体的，如图9所示，一共由8个天线单元组成一同心圆阵列，天线单元中的代表天线单元绕其自身的中心轴旋转的角度，/>n为天线序号，N为天线总数量，l代表涡旋波束的模式数，本次设计采用±1模式的阵列，所以l＝1，图7中天线单元上方的数字1-8即代表天线序号，N＝8，可以分别计算出每一个天线单元对应的旋转角度/>

如图10所示，给出了涡旋天线阵列的天线方向图。

本实施例中的每个天线单元的技术细节及带来的技术效果，请参见上一实施例。

通过本实施例中的涡旋天线阵列可以通过天线单元旋转的方式达到涡旋波束需要的相位差，无需馈电网络，结构简单，稳定可靠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带天线，其特征在于，包括：天线辐射板和宽带巴伦；

所述天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；

其中，在顶层中通过金属走线形成正交的两个偶极子天线，每个偶极子天线均包括位于一条直线上的两条辐射臂；两个偶极子天线的四条辐射臂呈十字交叉形状，且交叉点位于所述天线辐射板的几何中心点；

在底层通过金属走线形成短路枝节；在顶层和底层之间包括穿过介质基板的金属化过孔；所述金属化过孔将顶层的每个辐射臂与底层对应的短路枝节电连接，使短路枝节和偶极子天线并联；

所述宽带巴伦用于给顶层的偶极子天线馈电；通过宽带巴伦的馈电，使每个偶极子天线的两个辐射臂的电流相等。

2.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，顶层上通过金属走线形成的两个偶极子天线的4条辐射臂的金属贴片形状相同；每个金属贴片为由一个等腰三角形和一个半圆形拼接而成的金属图形；等腰三角形的顶点指向天线辐射板的几何中心点，等腰三角形的底边与拼接的半圆形的直径边相等；每个金属贴片都具有用于连接宽带巴伦的金属开缝；金属开缝位于所在金属贴片的对称轴上靠近天线辐射板几何中心点一侧；金属开缝下的介质基板上有同样宽度的介质开缝，宽带巴伦穿过介质开缝和金属开缝，使宽带巴伦上的馈电线与辐射臂电连接。

3.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述金属化过孔的数量与辐射臂的数量相同；在每条辐射臂下均有一个金属化过孔穿过介质基板连接到底层的短路枝节；所述短路枝节包括4条呈直线的微带线；每个金属化过孔作为微带线相互连接的拐角。

4.根据权利要求3所述的宽带天线，其特征在于，每个金属化过孔位于对应辐射臂的开缝向外的延长线上；相对的两个金属化过孔的距离分别为Ld1和Ld2。

5.根据权利要求1-4任一项所述的宽带天线，其特征在于，所述宽带巴伦包括两片巴伦板；每一片巴伦板用于给对应的一个偶极子天线馈电；

两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起，并由所述天线辐射板的底层向顶层方向垂直穿过所述天线辐射板的几何中心，使每片巴伦板上的馈电线与对应的偶极子天线的两个辐射臂电连接。

6.根据权利要求5所述的宽带天线，其特征在于，所述巴伦板为带状线馈电巴伦，通过双层金属走线的实现馈电，包括正面馈电层、基板和背面馈电层；

所述正面馈电层和背面馈电层设置对应阻抗的微带线，用于馈电接入；

所述基板，用于承载正、背面馈电层，并提供巴伦板与天线辐射板和天线底板连接的插接部件。

7.根据权利要求6所述的宽带天线，其特征在于，呈十字交叉相互嵌入在一起的两片巴伦板中，每个巴伦板的基板包括第一插接端、第二插接端以及交叉嵌入缝隙；

所述第一插接端包括两个天线插接头；每个天线插接头的宽度与偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度相同，连接时，两个天线插接头从天线辐射板的底层向顶层方向插入对应的偶极子天线的两个辐射臂的金属开缝；

所述第二插接端与第一插接端的位置相对，包括两个接地插接头，连接时，每个接地插接头插接在天线金属地所在的天线底板上；

所述交叉嵌入缝隙，位于巴伦板的中间，用于将两片巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起；其中一片巴伦板从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，另一片巴伦板从所述第一插接端位置向第二插接端方向开缝；缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度。

8.根据权利要求7所述的宽带天线，其特征在于，根据天线的工作频段确定所述金属图形的半圆形的半径R和等腰三角形底边对应的高L；根据天线辐射板的顶层到天线的金属地之间的距离确定Ld1和Ld2的长度。

9.根据权利要求7所述的宽带天线，其特征在于，

所述背面馈电层包括阻抗约等于200Ω的两条平行微带线；

所述背面馈电层的两条平行微带线分别从基板的第一插接端的两个天线插接头位置开始以线宽W4沿交叉嵌入缝隙向第二插接端方向引出，直到第二插接端所在的底边后，沿底边分别向第二插接端的两个接地插接头引出，直到覆盖到两个接地插接头；

所述每个巴伦板的正面馈电层包括顺序连接的50Ω微带线、70Ω微带线和20-45Ω微带线；

50Ω微带线从基板的底边上与天线插接头相对的位置开始向该天线插头方向引出长度l1后，转换为70Ω微带线继续引出长度l2后，转90°继续以70Ω微带线向另一个天线插接头方向引出，到另一个天线插接头位置后，转90°继续向底边方向引出长度为l3的20-45Ω微带线。

10.一种涡旋天线阵列，其特征在于，包括N个如权利要求1-9任一项所述的宽带天线；所述N个宽带天线以相同的间隔组成一个同心圆阵列；在同心圆阵列中，通过旋转每一个宽带天线使相邻宽带天线的远区辐射场产生相位差，使得天线阵列在同相位馈电时产生涡旋电磁波束。