CN217215077U - 一种采用巴伦馈电的宽带偶极子天线及涡旋天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用巴伦馈电的宽带偶极子天线及涡旋天线阵列；宽带偶极子天线包括天线辐射板、第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板；天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；在顶层中包括正交的第一偶极子天线和第二偶极子天线；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，且交叉点位于天线辐射板的几何中心点；底层包括短路枝节；在顶层和底层之间包括金属化过孔；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；第一宽带巴伦板与第一偶极子天线电连接；第二宽带巴伦板与第二偶极子天线电连接。本实用新型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

一种采用巴伦馈电的宽带偶极子天线及涡旋天线阵列

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种采用巴伦馈电的宽带偶极子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。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型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。

本实用新型公开了一种采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，包括：天线辐射板、第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板；

所述天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；

其中，在顶层中包括正交的第一偶极子天线和第二偶极子天线；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；

底层包括短路枝节；在顶层和底层之间包括金属化过孔；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；

所述第一宽带巴伦板与第一偶极子天线电连接；所述第二宽带巴伦板与第二偶极子天线电连接。

进一步地，第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起，由天线辐射板的底层向顶层方向垂直穿过天线辐射板；第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板交叉的中心线与天线辐射板的几何中心对齐。

进一步地，每一个辐射臂均为由一个等腰三角形和一个半圆形拼接而成的金属贴片；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；金属贴片的对称轴上靠近天线辐射板几何中心点一侧具有金属开缝，金属开缝下的介质基板上有同样宽度的介质开缝。

进一步地，半圆形的半径R＝14mm，等腰三角形底边对应的高L＝15.5mm。

进一步地，在每条辐射臂的金属贴片下均有一个金属化过孔连接到底层的短路枝节；所述短路枝节包括4条直线型微带线；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。

进一步地，第一宽带巴伦板的基板包括第一插接端、第二插接端以及第一交叉嵌入缝隙；

所述第一插接端包括两个天线插接头；两个天线插接头的宽度和间隔与第一偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度和间隔相同；

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；

第一交叉嵌入缝隙，位于基板的中间，从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；

第一宽带巴伦板的基板正面和背面均包括带状馈电线。

进一步地，第二宽带巴伦板的基板包括第三插接端、第四插接端以及第二交叉嵌入缝隙；

所述第三插接端包括两个天线插接头；两个天线插接头的宽度和间隔与第二偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度和间隔相同；

所述第四插接端与第三插接端的位置相对，包括两个接地插接头；

第二交叉嵌入缝隙，位于基板的中间，从所述第三插接端位置向第四插接端方向开缝，缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；

第二宽带巴伦板的基板正面和背面均包括带状馈电线。

本实用新型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，每一个宽带天线相对于相邻的宽带天线具有固定的旋转角度；

进一步地，N＝8，每个宽带天线绕其自身的中心轴旋转的角度φ＝nπ/4，n为天线序号。

本实用新型至少可实现以下有益效果之一：

本实用新型公开的宽带天线，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。

本实用新型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，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型实施例中的宽带天线结构示意图；

图2为本实用新型实施例中的天线辐射板俯视图；

图3为本实用新型实施例中的天线辐射板仰视图；

图4为本实用新型实施例中的第一巴伦板的正面示意图；

图5为本实用新型实施例中的第一巴伦板的反面示意图；

图6为本实用新型实施例中的第二巴伦板的正面示意图

图7为本实用新型实施例中的第二巴伦板的反面示意图

图8为本实用新型实施例中的涡旋天线阵列示意图。

附图标记：1-天线辐射板，2-第一宽带巴伦板，3-第二宽带巴伦板，4-第一偶极子天线，5-第二偶极子天线，6-短路枝节，7-第一宽带巴伦板的基板，8-第一交叉嵌入缝隙，9-第一插接端，10-第二插接端，11-第一微带线、12-第二微带线，13-第三微带线，14-第二宽带巴伦板的基板，15-第三插接端，16-第四插接端，17-第二交叉嵌入缝隙，18-第四微带线、19-第五微带线，20-第六微带线。

具体实施方式

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

本实用新型的一种采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，如图1所示，包括：

天线辐射板、第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板；

所述天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；

其中，在顶层中包括正交的第一偶极子天线和第二偶极子天线；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；

底层包括短路枝节；在顶层和底层之间包括金属化过孔；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；

所述第一宽带巴伦板与第一偶极子天线电连接，通过宽带巴伦的馈电，使第一偶极子天线的两个辐射臂的电流相等；

所述第二宽带巴伦板与第二偶极子天线电连接，通过宽带巴伦的馈电，使第一偶极子天线的两个辐射臂的电流相等。

并且，第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起，由天线辐射板的底层向顶层方向垂直穿过天线辐射板；第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板交叉的中心线与天线辐射板的几何中心对齐。

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；每个辐射臂的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。

具体的，如图4、5所示，为第一宽带巴伦的正、反面示意图；

第一宽带巴伦板的基板用于承载正、背面馈微带线；

基板包括第一插接端、第二插接端以及第一交叉嵌入缝隙；

所述第一插接端包括两个天线插接头；两个天线插接头的宽度和间隔与第一偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度和间隔相同；连接时，两个天线插接头从天线辐射板的底层向顶层方向***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；

第一交叉嵌入缝隙，位于基板的中间，从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；

第一宽带巴伦板的基板正面和背面均包括带状馈电线；所述正面包括一条线宽度变化的“L”型结构带状馈电线，背面包括两条平行的带状馈电线。

具体的，背面包括两条平行的带状馈电线阻抗约等于200Ω；

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；

所述正面包括一条线宽度变化的“L”型结构带状馈电线包括三个顺序连接的第一微带线、第二微带线和第三微带线；

第一微带线为50Ω微带线，第二微带线为70Ω微带线，第三微带线为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。

在一个优选的设计实例中，

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。

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。

具体的，如图6、7所示，为第二宽带巴伦的正、反面示意图；

第二宽带巴伦板的基板用于承载正、背面馈微带线；

基板包括第三插接端、第四插接端以及第二交叉嵌入缝隙；

所述第三插接端包括两个天线插接头；两个天线插接头的宽度和间隔与第一偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度和间隔相同；连接时，两个天线插接头从天线辐射板的底层向顶层方向***对应的偶极子天线的两个辐射臂的金属开缝；

所述第四插接端与第三插接端的位置相对，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；

第二交叉嵌入缝隙，位于基板的中间，从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；

第二宽带巴伦板的基板正面和背面均包括带状馈电线；所述正面包括一条线宽度变化的“L”型结构带状馈电线，背面包括两条平行的带状馈电线。

具体的，背面包括两条平行的带状馈电线阻抗约等于200Ω；

所述背面馈电层的两条平行微带线分别从基板的第三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四插接端方向引出，直到第四插接端所在的底边后，沿底边分别向第四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；

所述正面包括一条线宽度变化的“L”型结构带状馈电线包括三个顺序连接的第四微带线、第五微带线和第六微带线；

第四微带线为50Ω微带线，第五微带线为70Ω微带线，第六微带线为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l4后，转换为70Ω微带线继续引出长度l5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l6的20-45Ω微带线。

其中，

50Ω微带线的线宽条件下，长度l4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l5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l6约为中心频率对应波导波长的四分之一。

在一个优选的设计实例中，

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。

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。

第一交叉嵌入缝隙和第二交叉嵌入缝隙的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。

综上所述，本实用新型的宽带天线，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。

本实用新型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8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，本实施例中采用±1模式的阵列，所以l＝1。即每个宽带天线绕其自身的中心轴旋转的角度φ＝nπ/4，n为天线序号。

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，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，包括：天线辐射板、第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板；

所述天线辐射板包括顶层、介质基板和底层；

其中，在顶层中包括正交的第一偶极子天线和第二偶极子天线；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；

底层包括短路枝节；在顶层和底层之间包括金属化过孔；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；

所述第一宽带巴伦板与第一偶极子天线电连接；所述第二宽带巴伦板与第二偶极子天线电连接。

2.根据权利要求1所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，

第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板呈十字交叉相互嵌入在一起，由天线辐射板的底层向顶层方向垂直穿过天线辐射板；第一宽带巴伦板和第二宽带巴伦板交叉的中心线与天线辐射板的几何中心对齐。

3.根据权利要求2所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，每一个辐射臂均为由一个等腰三角形和一个半圆形拼接而成的金属贴片；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；金属贴片的对称轴上靠近天线辐射板几何中心点一侧具有金属开缝，金属开缝下的介质基板上有同样宽度的介质开缝。

4.根据权利要求3所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，半圆形的半径R＝14mm，等腰三角形底边对应的高L＝15.5mm。

5.根据权利要求3所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，在每条辐射臂的金属贴片下均有一个金属化过孔连接到底层的短路枝节；所述短路枝节包括4条直线型微带线；每个金属化过孔作为微带线相互连接的拐角。

6.根据权利要求5所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，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。

7.根据权利要求6所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，第一宽带巴伦板的基板包括第一插接端、第二插接端以及第一交叉嵌入缝隙；

所述第一插接端包括两个天线插接头；两个天线插接头的宽度和间隔与第一偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度和间隔相同；

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；

第一交叉嵌入缝隙，位于基板的中间，从所述第二插接端位置向第一插接端方向开缝，缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；

第一宽带巴伦板的基板正面和背面均包括带状馈电线。

8.根据权利要求6所述的采用巴伦馈电的宽带偶极子天线，其特征在于，第二宽带巴伦板的基板包括第三插接端、第四插接端以及第二交叉嵌入缝隙；

所述第三插接端包括两个天线插接头；两个天线插接头的宽度和间隔与第二偶极子天线的辐射臂的金属开缝宽度和间隔相同；

所述第四插接端与第三插接端的位置相对，包括两个接地插接头；

第二交叉嵌入缝隙，位于基板的中间，从所述第三插接端位置向第四插接端方向开缝，缝隙的宽度等于巴伦板基板的厚度；

第二宽带巴伦板的基板正面和背面均包括带状馈电线。

9.一种涡旋天线阵列，其特征在于，包括N个如权利要求1-8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，每一个宽带天线相对于相邻的宽带天线具有固定的旋转角度。

10.根据权利要求9所述的涡旋天线阵列，其特征在于，N＝8，每个宽带天线绕其自身的中心轴旋转的角度φ＝nπ/4，n为天线序号。

Images