CN117254255A - 基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线 - Google Patents

基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，包括由下往上依次层叠设置的第二介质板、粘合层、金属地板和第一介质板，第一介质板的上表面印刷有四个共辐射体结构，第二介质板的下表面印刷有若干条毫米波馈电线和微波馈电线；在每个共辐射体结构中，两个矩形金属贴片的一端分别通过多个短路柱与金属地板连接，另一端分别通过第一馈电探针连接至第二介质板下表面的毫米波馈电线。本发明通过对共辐射体结构的复用，在实现微波和毫米波段的双频双极化特性的同时，使得天线的整体尺寸更加紧凑，提高了空间利用率。

Description

基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，具体涉及一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线。
背景技术
在无线通讯系统的实际工程应用中，常常会面临复杂多样的电磁环境。通讯信号在空间传播的过程中不可避免地会发生被植物、楼房以及车辆等物体遮挡的现象，经过多次反射折射后会产生多径效应，导致信号衰落。为了提高通信系统的抗衰落能力，可以采用多种分集技术来降低误码率，其中常用的分集方法之一是极化分集技术，同时利用极化正交信号进行传输可以实现多个独立信道，从而减少多径效应造成的损耗，最大限度地恢复初始信号，确保通信系统的有效性。随着通信技术的不断发展，双极化天线往往要能够同时工作在多个不同的频带，具有双频双极化特性的天线才能够更好地适应无线通信系统的需求。
为实现双频带特性，现有技术中常用的方法是通过不同的布置方式将微波天线和毫米波天线组合在一起，例如将工作在不同频带的阵列并排放置。然而，这种设置方式不可避免地造成了高频带和低频带阵列之间额外的空间浪费，增大了天线阵列的占用空间，降低了空间利用率。
此外，尽管上述方式实现了双频带特性，但是天线阵列的毫米波波束都是固定的，牺牲了毫米波天线的波束扫描能力。现有技术中，工作在sub-6GHz和毫米波段的双频天线普遍不具有波束扫描能力，并且对于这两个工作频带，也没有实现无线应用所需的边射性能，亟待改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，通过更加紧凑的结构实现天线在微波和毫米波段的双频双极化特性，同时，在毫米波段实现波束扫描特性，在微波和毫米波频段实现边射辐射特性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，包括由下往上依次层叠设置的第二介质板、粘合层、金属地板和第一介质板，第一介质板的上表面印刷有四个共辐射体结构，第二介质板的下表面印刷有若干条毫米波馈电线和微波馈电线；
所述四个共辐射体结构分别为第一共辐射体结构、第二共辐射体结构、第三共辐射体结构和第四共辐射体结构；其中，第一共辐射体结构设置于第一介质板中心的正X轴和正Y轴方向；第一共辐射体结构包括沿Y轴方向延伸且平行并排设置的两个矩形金属贴片，以及沿X轴方向延伸且连接于两个矩形金属贴片之间的两个连接微带线；
所述第二共辐射体结构、第三共辐射体和第四共辐射体分别由第一共辐射体结构绕第一介质板的中心，沿顺时针方向旋转90°、180°和270°得到；
在每个共辐射体结构中，两个矩形金属贴片靠近第一介质板中心的一端分别通过多个短路柱与金属地板连接，两个矩形金属贴片远离第一介质板中心的一端分别通过第一馈电探针连接至第二介质板下表面的毫米波馈电线，使得每个矩形金属贴片上形成一个三角腔体子阵列；每个三角腔体子阵列边缘的其中两个最小电场处分别连接一个连接微带线，每个连接微带线的两端分别连接于两个三角腔体子阵列的相对侧边的最小电场处，两个连接微带线之间间隔一个完整的三角腔，其中，靠近第一介质板中心的连接微带线的中部通过第二馈电探针连接至第二介质板下表面的微波馈电线。
进一步地，所述第二介质板的下表面印刷有八条毫米波馈电线；
所述八条毫米波馈电线与四个共辐射体结构中的八个矩形金属贴片一一对应，每条毫米波馈电线的输出端分别通过一个第一馈电探针与对应的矩形金属贴片连接，用于在毫米波段向矩形金属贴片馈电；其中，连接于同一个共辐射体结构上的两条毫米波馈电线以180°的相差馈电。
进一步地，所述第二介质板的下表面印刷有两条微波馈电线，用于在微波段向共辐射体结构馈电；
每条微波馈电线分别包括依次连接的主馈电线、一分二功分器和半波长的微带延迟线，所述一分二功分器的输入端与主馈电线连接，一分二功分器的一个输出端与微带延迟线连接；
其中一条微波馈电线中，一分二功分器的一个输出端通过微带延迟线和一个第二馈电探针向第一共辐射体结构馈电，另一个输出端通过一个第二馈电探针向第三共辐射体结构馈电；另一条微波馈电线中，一分二功分器的一个输出端通过微带延迟线和一个第二馈电探针向第二共辐射体结构馈电，另一个输出端通过一个第二馈电探针向第四共辐射体结构馈电。
进一步地，每个矩形金属贴片通过三个贯穿第一介质板的短路柱与金属地板连接，用于使矩形金属贴片产生谐振。
进一步地，所述第一馈电探针依次贯穿第一介质板、金属地板、粘合层和第二介质板，将矩形金属贴片与毫米波馈电线相连；所述第二馈电探针依次贯穿第一介质板、金属地板、粘合层和第二介质板，将连接微带线和微波馈电线相连；
所述金属地板上设有供第一馈电探针和第二馈电探针穿过的圆形槽，圆形槽的直径大于第一馈电探针和第二馈电探针，使得金属地板与第一馈电探针和第二馈电探针互不接触。
进一步地，每条毫米波馈电线上均加载有高通滤波器。
进一步地，所述微波馈电线的主馈电线上连接有匹配枝节，用于提高微波馈电线的匹配特性。
本发明中的共辐射体结构在毫米波频段作为腔体阵列，而在微波段作为短路的四分之一波长贴片。通过对共辐射体结构的复用，本发明在实现微波和毫米波段的双频双极化特性的同时，使得天线的整体尺寸更加紧凑，提高了空间利用率。此外，本发明不需要复杂的馈电网络，通过简单的结构在毫米波段实现了较好的波束扫描特性，并且在微波频段和毫米波频段都具有同样的边射辐射特性，能够更好地满足实际运用的需要。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线的结构爆炸图。
图2是本发明实施例提供的一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线的顶面结构图。
图3是本发明实施例提供的一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线的底面结构图。
图4是本发明实施例提供的一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线的顶面及底面结构投影对比图。
图5是本发明实施例中的共辐射体结构的电场分布分解原理图。
图6是本发明实施例在微波段的S参数图。
图7是本发明实施例在毫米波段的S参数图。
图8是本发明实施例在27GHz下仿真和计算得到的波束扫描特性图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，包括由下往上依次层叠设置的第二介质板22、粘合层4、金属地板3和第一介质板21，第一介质板21的上表面印刷有四个共辐射体结构1，第二介质板22的下表面印刷有若干条毫米波馈电线5和微波馈电线6。
具体地，如图2所示，所述四个共辐射体结构1分别为第一共辐射体结构11、第二共辐射体结构12、第三共辐射体结构13和第四共辐射体结构14。其中，第一共辐射体结构11设置于第一介质板21中心的正X轴和正Y轴方向；第一共辐射体结构11包括沿Y轴方向延伸且平行并排设置的两个矩形金属贴片，以及沿X轴方向延伸且连接于两个矩形金属贴片之间的两个连接微带线。所述第二共辐射体结构12、第三共辐射体13和第四共辐射体14分别由第一共辐射体结构11绕第一介质板21的中心，沿顺时针方向旋转90°、180°和270°得到。
结合图1至图4所示，在每个共辐射体结构1中，两个矩形金属贴片靠近第一介质板21中心的一端分别通过多个短路柱101与金属地板3连接，两个矩形金属贴片远离第一介质板中心21的一端分别通过第一馈电探针102连接至第二介质板22下表面的毫米波馈电线5，使得每个矩形金属贴片上形成一个三角腔体子阵列；每个三角腔体子阵列边缘的其中两个最小电场处分别连接一个连接微带线，每个连接微带线的两端分别连接于两个三角腔体子阵列的相对侧边的最小电场处，两个连接微带线之间间隔一个完整的三角腔，其中，靠近第一介质板21中心的连接微带线的中部通过第二馈电探针103连接至第二介质板22下表面的微波馈电线6。
在本实施例中，每个矩形金属贴片通过三个贯穿第一介质板21的短路柱101与金属地板3连接，用于使矩形金属贴片产生谐振。所述三个短路柱101均匀分布于矩形金属贴片的端部。
结合图3和图4所示，所述第二介质板22的下表面印刷有八条毫米波馈电线5。所述八条毫米波馈电线5与四个共辐射体结构1中的八个矩形金属贴片一一对应，每条毫米波馈电线5的输出端分别通过一个第一馈电探针102与对应的矩形金属贴片连接，用于在毫米波段向矩形金属贴片馈电；其中，连接于同一个共辐射体结构1上的两条毫米波馈电线5以180°的相差馈电。
进一步地，所述第二介质板22的下表面印刷有两条微波馈电线6，用于在微波段向共辐射体结构1馈电。每条微波馈电线6分别包括依次连接的主馈电线61、一分二功分器62和半波长(微波段的半波长)的微带延迟线63，所述一分二功分器62的输入端与主馈电线61连接，一分二功分器62的一个输出端与微带延迟线63连接。其中，所述主馈电线61上连接有匹配枝节64，用于提高微波馈电线6的匹配特性。
其中一条微波馈电线6中，一分二功分器62的一个输出端通过微带延迟线63和一个第二馈电探针103向第一共辐射体结构11馈电，另一个输出端通过一个第二馈电探针103向第三共辐射体结构13馈电；另一条微波馈电线6中，一分二功分器62的一个输出端通过微带延迟线63和一个第二馈电探针103向第二共辐射体结构12馈电，另一个输出端通过一个第二馈电探针103向第四共辐射体结构14馈电。
进一步地，所述第一馈电探针102依次贯穿第一介质板21、金属地板3、粘合层4和第二介质板22，将矩形金属贴片与毫米波馈电线5相连；所述第二馈电探针103依次贯穿第一介质板21、金属地板3、粘合层4和第二介质板22，将连接微带线和微波馈电线6相连；
所述金属地板3上设有供第一馈电探针102和第二馈电探针103穿过的圆形槽，圆形槽的直径大于第一馈电探针102和第二馈电探针103，使得金属地板3与第一馈电探针102和第二馈电探针103互不接触。
进一步地，每条毫米波馈电线5上均加载有高通滤波器50，用于提升毫米波馈电线的高通特性，改善隔离特性。
下面将结合图5详细说明本发明实施例的工作原理。如图5中的(a)所示，在每个矩形金属贴片中，一端通过短路柱101与金属地板3连接，以使矩形金属贴片产生谐振；另一端通过第一馈电探针102与毫米波馈电线5连接，以实现毫米波段的馈电；短路柱101和第一馈电探针102之间的电场分布在矩形金属贴片上形成三角腔体子阵列；在图5中，由电场最小处的区域(图中颜色最深的波浪形带状区域)在矩形金属贴片上分隔开的每一个三角形，即为一个三角腔。如图5中的(b)所示，在每个共辐射体结构1中，由于连接于两个矩形金属贴片上的两条毫米波馈电线5以180°的相差馈电，使得两个矩形金属贴片上的三角腔体子阵列对称分布；在两个三角腔体子阵列的内侧边的最小电场处通过两个连接微带线进行连接，使得共辐射体结构在微波段等效为四分之一波长(微波段的四分之一波长)贴片。如图5中的(c)所示，将一个共辐射体结构1绕Z轴进行180°旋转复制后，采用一条微波馈电线6对两个共辐射体结构1进行一分二差分馈电，以激励起两个共辐射体结构1整体在微波段的辐射，从而得到单极化的微波毫米波双频天线。
进一步地，将图5中的(c)所示的单极化的微波毫米波双频天线绕Z轴进行90°旋转复制后，引入另一条微波馈电线6和另四条毫米波馈电线5组成的馈电网络进行馈电，进而最终实现跨微波和毫米波频段的双频双极化天线。
本发明实施例的馈电网络由两条微波馈电线和八条毫米波馈电线组成。在毫米波段，每个共辐射体结构通过两条毫米波馈电线实现毫米波段的辐射，使得共辐射体结构在毫米波频段作为三角腔体阵列，实现了在毫米波段的边射辐射特性。在sub-6GHz的微波频段，两条微波馈电线分别以一分二差分馈电的方式向位于对角的两个共辐射体结构馈电，使得共辐射体结构在微波段作为短路的四分之一波长贴片工作，实现了在微波段的边射辐射特性。
本发明实施例中的共辐射体结构1的尺寸和整体天线的频率比具有以下关系：当共辐射体结构1的整体尺寸变大时，整体天线的频率比也会提高；并且，共辐射体结构1在微波段的工作频率主要由三角腔体子阵列中三角腔的边长决定，而在毫米波段的带宽则由三角腔的边长、高度以及加载于毫米波馈电线5上的高通滤波器50共同决定。
与现有技术的设计相比，本发明实施例在微波和毫米波频段的两个工作频带内都具有0°和90°两种极化方式，而且各个端口之间的隔离度都保持高于14dB，更加适用于极化分集技术以降低信号误码率。同时，本发明还克服了单极化双频天线中经常存在的结构不对称的问题，其方向图保持了充分的对称性，交叉极化水平也较低。图6和图7分别为本发明实施例在微波段和毫米波段的S参数图，图6和图7所示的结果表明，本发明实施例的工作频带能够同时满足sub-6GHz(微波段)和毫米波段的5G无线通讯系统。
如图8所示，为本发明实施例在27GHz下仿真和计算得到的波束扫描特性图，从图中可以看出，本发明实施例在毫米波段的两种极化方式下均实现了较好的波束扫描特性。
本发明中的共辐射体结构在毫米波频段作为腔体阵列，而在微波段复用为短路的四分之一波长贴片。通过对共辐射体结构的复用，本发明在实现微波和毫米波段的双频双极化特性的同时，使得天线的整体尺寸更加紧凑，提高了空间利用率。此外，本发明不需要复杂的馈电网络，通过简单的结构在毫米波段实现了较好的波束扫描特性，并且在微波频段和毫米波频段都具有同样的边射辐射特性，能够更好地满足实际运用的需要。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，包括由下往上依次层叠设置的第二介质板、粘合层、金属地板和第一介质板，第一介质板的上表面印刷有四个共辐射体结构，第二介质板的下表面印刷有若干条毫米波馈电线和微波馈电线；
所述四个共辐射体结构分别为第一共辐射体结构、第二共辐射体结构、第三共辐射体结构和第四共辐射体结构；其中，第一共辐射体结构设置于第一介质板中心的正X轴和正Y轴方向；第一共辐射体结构包括沿Y轴方向延伸且平行并排设置的两个矩形金属贴片，以及沿X轴方向延伸且连接于两个矩形金属贴片之间的两个连接微带线；
所述第二共辐射体结构、第三共辐射体和第四共辐射体分别由第一共辐射体结构绕第一介质板的中心，沿顺时针方向旋转90°、180°和270°得到；
在每个共辐射体结构中，两个矩形金属贴片靠近第一介质板中心的一端分别通过多个短路柱与金属地板连接，两个矩形金属贴片远离第一介质板中心的一端分别通过第一馈电探针连接至第二介质板下表面的毫米波馈电线，使得每个矩形金属贴片上形成一个三角腔体子阵列；每个三角腔体子阵列边缘的其中两个最小电场处分别连接一个连接微带线，每个连接微带线的两端分别连接于两个三角腔体子阵列的相对侧边的最小电场处，两个连接微带线之间间隔一个完整的三角腔，其中，靠近第一介质板中心的连接微带线的中部通过第二馈电探针连接至第二介质板下表面的微波馈电线。
2.根据权利要求1所述的基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，所述第二介质板的下表面印刷有八条毫米波馈电线；
所述八条毫米波馈电线与四个共辐射体结构中的八个矩形金属贴片一一对应，每条毫米波馈电线的输出端分别通过一个第一馈电探针与对应的矩形金属贴片连接，用于在毫米波段向矩形金属贴片馈电；其中，连接于同一个共辐射体结构上的两条毫米波馈电线以180°的相差馈电。
3.根据权利要求2所述的基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，所述第二介质板的下表面印刷有两条微波馈电线，用于在微波段向共辐射体结构馈电；
每条微波馈电线分别包括依次连接的主馈电线、一分二功分器和半波长的微带延迟线，所述一分二功分器的输入端与主馈电线连接，一分二功分器的一个输出端与微带延迟线连接；
其中一条微波馈电线中，一分二功分器的一个输出端通过微带延迟线和一个第二馈电探针向第一共辐射体结构馈电，另一个输出端通过一个第二馈电探针向第三共辐射体结构馈电；另一条微波馈电线中，一分二功分器的一个输出端通过微带延迟线和一个第二馈电探针向第二共辐射体结构馈电，另一个输出端通过一个第二馈电探针向第四共辐射体结构馈电。
4.根据权利要求1所述的基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，每个矩形金属贴片通过三个贯穿第一介质板的短路柱与金属地板连接，用于使矩形金属贴片产生谐振。
5.根据权利要求1所述的基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，所述第一馈电探针依次贯穿第一介质板、金属地板、粘合层和第二介质板，将矩形金属贴片与毫米波馈电线相连；所述第二馈电探针依次贯穿第一介质板、金属地板、粘合层和第二介质板，将连接微带线和微波馈电线相连；
所述金属地板上设有供第一馈电探针和第二馈电探针穿过的圆形槽，圆形槽的直径大于第一馈电探针和第二馈电探针，使得金属地板与第一馈电探针和第二馈电探针互不接触。
6.根据权利要求2所述的基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，每条毫米波馈电线上均加载有高通滤波器。
7.根据权利要求3所述的基于微带三角腔的跨频段双频双极化复用天线，其特征在于，所述微波馈电线的主馈电线上连接有匹配枝节，用于提高微波馈电线的匹配特性。
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