CN114552220B - 一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线及无线通信设备 - Google Patents

一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线及无线通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线及无线通信设备，包括：上层印刷电路板和下层印刷电路板，上层印刷电路板和下层印刷电路板之间设置有支撑结构，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层；上层印刷电路板的上表面设置有方形贴片金属层，下表面设置有方环形贴片金属层；下层印刷电路板的上表面设置有金属层，下表面设置有一条带两个枝节微带传输线的馈电网络；金属层刻蚀有两个条带缝隙，馈电网络分别与金属层的两个条带缝隙进行电磁耦合连接；本发明的双频双圆极化滤波天线采用微带结构，具有重量轻、低成本、易加工的优点。

Description

一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线及 无线通信设备
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线及无线通信设备。
背景技术
现代卫星通信***中的上行链路和下行链路是在不同的频率上运行，如果使用具有共享孔径的双频特性天线，则天线的尺寸和成本将大大降低；由于圆极化天线可以接收任意线极化的来波，同时其辐射的电磁波也可以被任意的线极化天线接收，所以圆极化天线使得发射天线与接收天线之间的相对安装姿态不受扭转角度局限，便于收发天线的安装。例如在车载卫星通信中，对车辆中的接收器进行精确对准过程中，由于线极化天线只能接收线极化天线发送的信息，因此接收其他天线发送的信息是极其困难的，但是由于圆极化天线能接收其他任意线极化天线的发送的信息，因此单端口馈电的共享孔径双频双圆极化天线的研究具有较高的实际应用价值。
现有的双频特性天线存在以下的技术缺陷：1)现有的双频特性天线采用双端口馈电实现双频圆极化特性，导致了天线端口之间的隔离度差；2)现有的双频特性天线采用多天线实现双频双圆极化特性，存在天线的体积大、设计复杂以及设计成本高；3)双频特性天线采用同轴馈电方式，该方式不利于大型天线阵列设计。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，该滤波天线包括：上层印刷电路板和下层印刷电路板，上层印刷电路板和下层印刷电路板之间设置有支撑结构，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层；
上层印刷电路板的上表面设置有方形贴片金属层，下表面设置有方环形贴片金属层，其中上表面的方形贴片金属层作为天线的高频辐射体，下表面的方环形贴片金属层作为天线的低频辐射体；
下层印刷电路板的上表面设置有金属层，下表面设置有一条带两个枝节微带传输线的馈电网络；所述金属层刻蚀有两个条带缝隙，分别为低频馈电缝隙和高频馈电缝隙；馈电网络的两个枝节微带传输线分别为低频馈电枝节和高频馈电枝节；低频馈电枝节一端采用微带传输线与天线的端口连接，另一端与低频馈电缝隙进行电磁耦合连接；高频馈电枝节一端采用微带传输线与天线的端口连接，另一端与高频馈电缝隙进行电磁耦合连接。
优选的，支撑结构为4个塑料长螺钉，该塑料长螺钉的上下两端均设置有螺纹；将四个塑料长螺钉分别设置在上层印刷电路板和下层印刷电路板的四个边角上，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层。
优选的，方形贴片金属层为正方形结构，且方形贴片金属层的一组对角线切角；方环形贴片金属层为正方形环形结构，且方环形贴片金属层的一组外侧对角线切角。
进一步的，方环形贴片金属层的环状空间比方形贴片金属层大，在将方形贴片金属层和方环形贴片金属层设置在上层印刷电路板过程中，将方形贴片金属层设置在与方环形贴片金属层的环状空间对应的中心位置点上，且方形贴片金属层的切角与方环形贴片金属层的切角位于同一方向。
优选的，下层印刷电路板上表面金属层上的低频馈电缝隙和高频馈电缝隙相互垂直，且不相交。
进一步的，低频馈电缝隙的长度比高频馈电缝隙的长度短，即低频馈电缝隙的长度为10.0mm～10.5mm，缝隙宽度为0.3mm～0.6mm；高频馈电缝隙的长度为7.0mm～7.5mm，缝隙宽度为0.3mm～0.6mm。
优选的，馈电网络中低频馈电枝节的长度比高频馈电枝节短。
一种无线通信设备，包括上述任一实施例中的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线。
本发明的有益效果：
本发明设计了一种基于传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，该天线采用微带传输线作为馈电网络，并且采用缝隙耦合馈电方式，因此所设计的天线可以扩展到大规模的天线阵列；高低频辐射单元共用同一印刷电路板，当给低频贴片馈电时，高频馈电线就作为低频的滤波枝节，当给高频贴片馈电时，低频馈电线就作为高频的滤波枝节，因此天线具有良好的滤波功能；该双频双圆极化滤波天线采用微带结构，具有重量轻、低成本、易加工的优点。
附图说明
图1为本发明的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线俯视图；
图2为本发明的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线仰视图；
图3为本发明的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线侧视图；
图4为本发明的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线的仿真与测试S参数对比图；
图5为本发明的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线的增益与轴比的对比图；
图6为本发明的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线方向图。
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，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明为了克服现有的双频特性天线中的天线端口之间的隔离度差、体积大、设计复杂以及设计成本高的问题，设计了应用于卫星通信的基于传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线。天线采用传输线作为馈电网络，实现了滤波器与天线的一体化设计。天线的阻抗带宽为5.80GHz–6.10GHz和9.20GHz–10.64GHz。天线具有良好的滤波功能，能够有效实现收发信道之间的隔离。该天线由普通的印刷电路板组成，具有成本低、易加工的工艺特点。
一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，如图1～3所示，该滤波天线包括：上层印刷电路板和下层印刷电路板，上层印刷电路板和下层印刷电路板之间设置有支撑结构，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层。
一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线的具体实施方式，该滤波天线的上层印刷电路板的上表面设置有方形贴片金属层，下表面设置有方环形贴片金属层，其中上表面的方形贴片金属层作为天线的高频辐射体，下表面的方环形贴片金属层作为天线的低频辐射体。
可选的，天线低频辐射体为方环形贴片金属层，方环形贴片金属层中心无金属部分是一个正方形，所述方环形贴片金属层中心无金属部分的正方形比天线高频辐射体面积大，这种设计便于给高频辐射体馈电，同时也可以减小天线高频辐射体与低频辐射体之间的耦合，并且天线高频辐射体与低频辐射体共享口径。具体的，方形贴片金属层为正方形结构，且方形贴片金属层的一组对角线切角；方环形贴片金属层为正方形环形结构，且方环形贴片金属层的一组外侧对角线切角。方环形贴片金属层的环状空间比方形贴片金属层大，在将方形贴片金属层和方环形贴片金属层设置在上层印刷电路板过程中，将方形贴片金属层设置在与方环形贴片金属层的环状空间对应的中心位置点上，且方形贴片金属层的切角与方环形贴片金属层的切角位于同一方向。
上层印刷电路板的上表面的方形贴片金属层作为天线高频辐射体，高频辐射体的对角切角，从而辐射左旋圆极化波。上层印刷电路板的下表面的方环形贴片金属层作为天线低频辐射体，作为天线低频辐射体的对角切角，从而辐射右旋圆极化波，方形环是由一个大的方形中心减掉一个比高频辐射体大的方形构成，这种设计便于给高频辐射体馈电，同时也可以减小高低频辐射体之间的耦合，并且高低频辐射体共享口径。
一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线的具体实施方式，该滤波天线的下层印刷电路板上表面设置有金属层，下表面设置有一条带两个枝节微带传输线的馈电网络；所述金属层刻蚀有两个条带缝隙，分别为低频馈电缝隙和高频馈电缝隙；馈电网络的两个枝节微带传输线分别为低频馈电枝节和高频馈电枝节；低频馈电枝节一端采用微带传输线与天线的端口连接，另一端与低频馈电缝隙进行电磁耦合连接；高频馈电枝节一端采用微带传输线与天线的端口连接，另一端与高频馈电缝隙进行电磁耦合连接。
下层印刷电路板的上表面具有金属层，作为地板，地板上刻蚀有2个条带缝隙，分别为低频馈电缝隙a、高频馈电缝隙b。低频馈电缝隙a与高频馈电缝隙b相互垂直，但不相交。
低频馈电缝隙与天线低频辐射体电磁耦合连接，通过所述天线低频辐射体将馈入的电磁能量向空间辐射右旋圆极化电磁波，得到低频工作频段；所述高频馈电缝隙与天线高频辐射体电磁耦合连接，通过天线高频辐射体将馈入的电磁能量向空间辐射左旋圆极化电磁波，得到高频工作频段；所述天线低频辐射体与天线高频辐射体共用同一印刷电路板，共享孔径。
下层印刷电路板的下表面具有一条带有枝节传输线组成的馈电网络，当给低频辐射体馈电时，高频馈电枝节就作为低频的滤波枝节，呈现高阻抗特性，同理，当给高频辐射体馈电时，低频馈电枝节就作为高频的滤波枝节，呈现高阻抗特性，因此天线具有良好的滤波功能；此外，该设计方法拓展了天线的阻抗带宽。
可选的，下层印刷电路板的上表面的低频馈电缝隙和高频馈电缝隙相互垂直，并且不相交。
优选的，支撑结构为4个塑料长螺钉，该塑料长螺钉的上下两端均设置有螺纹；将四个塑料长螺钉分别设置在上层印刷电路板和下层印刷电路板的四个边角上，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层。空气层可以改善天线端口阻抗匹配，提高天线增益。
各部分或某一部分可达到相同目的的其他替换方案例如空气层也可以用泡沫板替代。
一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线的具体实施方式，天线包括上层印刷电路板、中间空气层、下层印刷电路板。
上层印刷电路板的上表面具有方形贴片金属层，边长为7.2mm；上层印刷电路板的下表面具有方环形贴片金属层，外边长为15.0mm，内边长为8.0mm。
下层印刷电路板的上表面具有金属层，所述金属层上刻蚀有2个条带缝隙，2个条带缝隙分别为低频馈电缝隙a、高频馈电缝隙b，长度分别为10.2mm和7.2mm，宽度为0.5mm。下层印刷电路板的下表面具有一条带有枝节传输线组成的馈电网络，两个枝节分别为低频馈电枝节c与高频馈电枝节d，长度分别为8.3mm和22.1mm，宽度为1.0mm，高频馈电枝节比低频馈电枝节长。低频馈电枝节的一端由传输线连接至端口，另一端与所述低频馈电缝隙电磁耦合连接；所述高频馈电枝节的一端由传输线连接至端口，另一端与所述高频馈电缝隙电磁耦合连接。
空气层位于上层印刷电路板与下层印刷电路板之间，厚度为1.0mm；上层印刷电路板与下层印刷电路板均为厚0.508mm的“FR4”材料，边长为50.0mm。
本发明的基于传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线的带宽为5.80GHz–6.10GHz和9.20GHz–9.64GHz，详细数据见图4；图4中的a图表示频率为5.91GHz，phi＝0°的方向图；b图表示频率为5.91GHz，phi＝90°的方向图；c图表示频率为9.66GHz，phi＝0°的方向图；d图表示频率为9.66GHz，phi＝90°的方向图。天线的低频轴比带宽为40MHz，高频的轴比带宽为9.55-9.73GHz。在操作频带内，天线的增益大于6.7dBic，详细数据见图5。天线的增益在工作频带内比较稳定，低频的带外增益快速下降到-9dBic，展现出良好的滤波特性。在5.91GHz交叉极化大于18dB，而在9.66GHz的交叉极化大于25dB，详细数据见图6。
在一个实施例中，提供了一种通信设备，包括上述任一实施例中的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线。
具体地，基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线可以根据需求对相关结构的尺寸进行调整，从而适应于不同频带的无线通信设备。本申请中的通信设备可以为发射设备、接收设备或者收发设备，例如可以为基站等。进一步地，根据应用场景和实现功能的不同，通信设备还可包括相应的信号处理电路，例如滤波电路、功率放大电路等。
由于本申请的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的通信场景中。同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，本发明构成的通信设备，也适用于无线移动通信的一体化和集成化。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，其特征在于，该滤波天线包括：上层印刷电路板和下层印刷电路板，上层印刷电路板和下层印刷电路板之间设置有支撑结构，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层；
上层印刷电路板的上表面设置有方形贴片金属层，下表面设置有方环形贴片金属层，其中上表面的方形贴片金属层作为天线的高频辐射体，下表面的方环形贴片金属层作为天线的低频辐射体；方形贴片金属层为正方形结构，且方形贴片金属层的一组对角线切角；方环形贴片金属层为正方形环形结构，且方环形贴片金属层的一组外侧对角线切角；
下层印刷电路板的上表面设置有金属层，下表面设置有一条带两个枝节微带传输线的馈电网络；所述金属层刻蚀有两个条带缝隙，分别为低频馈电缝隙和高频馈电缝隙，低频馈电缝隙和高频馈电缝隙相互垂直，且不相交；馈电网络的两个枝节微带传输线分别为低频馈电枝节和高频馈电枝节，且低频馈电枝节的长度比高频馈电枝节短；低频馈电枝节一端采用微带传输线与天线的端口连接，另一端与低频馈电缝隙进行电磁耦合连接；高频馈电枝节一端采用微带传输线与天线的端口连接，另一端与高频馈电缝隙进行电磁耦合连接；当给低频贴片馈电时，高频馈电线就作为低频的滤波枝节，当给高频贴片馈电时，低频馈电线就作为高频的滤波枝节。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，其特征在于，支撑结构为4个塑料长螺钉，该塑料长螺钉的上下两端均设置有螺纹；将四个塑料长螺钉分别设置在上层印刷电路板和下层印刷电路板的四个边角上，使得上层印刷电路板和下层印刷电路板之间形成中间空气层。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，其特征在于，方环形贴片金属层的环状空间比方形贴片金属层大，在将方形贴片金属层和方环形贴片金属层设置在上层印刷电路板过程中，将方形贴片金属层设置在与方环形贴片金属层的环状空间对应的中心位置点上，且方形贴片金属层的切角与方环形贴片金属层的切角位于同一方向。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线，其特征在于，低频馈电缝隙的长度比高频馈电缝隙的长度短，即低频馈电缝隙的长度为10.0mm～10.5mm，缝隙宽度为0.3mm～0.6mm；高频馈电缝隙的长度为7.0mm～7.5mm，缝隙宽度为0.3mm～0.6mm。
5.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的基于微带传输线馈电的单端口双频双圆极化滤波天线。
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