CN103247858A - 具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线 - Google Patents

Abstract

一种具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，包括：两端开口的正方形口面金属波导、安装在金属波导内侧壁上的介质片、安装在介质片上的长宽相等的矩形的上臂金属片和下臂金属片、连接上臂金属片和下臂金属片的带有四个端口对其馈电的180°环形耦合器网络，所述180°环形耦合器网络上设置有第一馈电端口和第二馈电端口，本发明采用双端口的馈电结构实现双圆极化波辐射，并且每种旋向的圆极化波均具有双向同旋和双向等增益的辐射特性。

Description

具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线。

背景技术

电磁波的极化特性包括线极化和圆极化，线极化波是指电场随着时间在一条线上变化。而圆极化波是相对于线极化波而言的，它是指沿着传播方向看去，天线所辐射电场的轨迹随着时间在一个圆上旋转变化的辐射波。和线极化波相比，圆极化波有很明显的优势。圆极化收发系统中的天线不再像线极化天线那样需要极化对准和极化匹配，否则将不能进行信号的传递。圆极化波对收发机天线本身的物理运动和电波传播过程中导致的极化旋转与失配等变化不敏感，可以提高信道信号的可靠性与稳定性。圆极化波按照旋向可以分为左旋圆极化波和右旋圆极化波，二者的区别在于圆极化波的旋向相反。

双圆极化波天线是指一个天线本身同时可以实现左旋圆极化波与右旋圆极化波。传统的发射机与接收机天线相互分离，是两套不同的天线系统。当发射天线发射左旋圆极化波时，接收天线采用相反旋向的圆极化波即右旋圆极化波进行接收，以减少收发天线之间的隔离。如果设计一个天线同时具有左旋圆极化和右旋圆极化，并且两种圆极化之间具有良好的隔离度，那么该天线本身单独可以同时完成收发功能，从而大大地降低天线系统的整体复杂度。此外，能够同时实现两种旋向的圆极化波在接收信号时，可以实现信号的极化分集，提高信道容量。双圆极化波天线的设计在于两个端口之间的隔离度是否足够好。

双向辐射是指天线在两个相反的方向有相同能量的辐射。在一些无线通信系统中，比如桥梁隧道通信，矿井巷道无线系统，双向辐射方向图显得十分重要，因为这些系统的信道本身具有相对细长的管道特性，双向辐射可以有效地分配信号能量，提高能量的利用率。另外在射频识别系统，微蜂窝基站，室内无线接入，高速局域网络等系统中，天线也需要有双向覆盖的能力。具有双向圆极化波辐射特性的天线在提高以上多种无线通信系统中信号的稳定性与可靠性起着十分重要的作用。传统的槽天线通过设计可以实现双向圆极化波的辐射，但是槽天线在两个相反的方向上所辐射的圆极化波的旋向是相反的，这就是说，如果在一个方向辐射的是左旋圆极化波，那么在另一个相反的方向辐射的将必然是右旋圆极化波。这样会导致在天线其中一个辐射方向上因为圆极化波旋向相反而无法传递信号。因而，具有双向同旋圆极化波辐射特性的天线设计显得十分得迫切。

金属波导天线的辐射是将波导纵向传输的整个端口开路而实现的，通过中间馈电，两个传输方向同时开路可以实现双向辐射。波导天线它具有低损耗，大容量等优点，因而研究具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线在无线通信系统的性能提高，系统复杂度的降低等具有重要作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，基于方形口面金属波导，并将两端同时开路以实现双向辐射，本发明采用双端口的馈电结构实现双圆极化波辐射，并且每种旋向的圆极化波均具有双向同旋和双向等增益的辐射特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，包括：

两端开口的正方形口面金属波导1；

安装在金属波导1一个内侧壁上的介质片2；

安装在介质片2上的长宽相等的矩形的上臂金属片51和下臂金属片52，上臂金属片51和下臂金属片52均与金属波导1各个侧壁呈45°夹角，且折向金属波导1的口面中心，上臂金属片51和下臂金属片52在金属波导1的口面截面上垂直；

连接上臂金属片51和下臂金属片52，对两个金属片进行馈电的180°环形耦合器网络；

以及，

连接到所述180°环形耦合器网络上的第一馈电端口31和第二馈电端口32。

所述介质片2宽度与金属波导1口面宽度一致，高度与上臂金属片51和下臂金属片52垂直间距一致。

所述上臂金属片51和下臂金属片52在介质片2所在面上相距四分之一波导波长。

所述180°环形耦合器网络包括：

长度为1.5个波导波长的环形微带线47；

依次连接在环形微带线47外侧的第一微带线41、第四微带线44、第二微带线42和第三微带线43，其中第一微带线41与第四微带线44之间环形微带线47长度、第一微带线41与第三微带线43之间环形微带线47长度、第二微带线42与第三微带线43之间环形微带线47长度，均为四分之一个波导波长。

所述第一微带线41、第四微带线44、第二微带线42和第三微带线43均具有50欧姆阻抗。

所述180°环形耦合器网络还包括：

连接上臂金属片51和介质片2相交边的中心点与第三微带线43的第五微带线45；以及

连接下臂金属片52和介质片2相交边的中心点与第四微带线44的第六微带线46；

其中，第五微带线45与第六微带线46均为四分之一波阻抗变换微带线。

所述第一馈电端口31设置于第一微带线41上，所述第二馈电端口32设置于第二微带线42上。

所述第一馈电端口31和第二馈电端口32分别连接50欧姆同轴馈电探针的内导体，同轴探针的外导体连接到介质片2上。

与现有技术相比，本发明可辐射双向同旋圆极化波，可用于微蜂窝基站，矿井巷道，桥梁隧道，射频识别，高速局域网络和室内无线接入等多种无线通信系统中。本发明可以采用普通金属制作，成本很低，其性能受机械加工精度的影响较小，具有金属波导结构、加工简单方便、低成本、易集成、设计灵活、双向同旋和双圆极化波辐射的优点，适用于多种无线通信系统中天线的设计。

附图说明

图1为本发明提供的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线三维图，实线为实际看到的轮廓，虚线为被遮挡住的轮廓。

图2为图1的A向视图即俯视图。

图3为图1的B向视图即侧视图，虚线为被遮挡住的轮廓。

图4为图1的C向视图即另一种侧视图。

图5为图1的A向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米（mm）。

图6为图1的B向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米（mm）。

图7为图5—图6所实施实例的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线轴比特性图：（

：第一馈电端口31激励；

：第二馈电端口32激励）；图7（a）为第一馈电端口31激励时的轴比图；图7（b）为第二馈电端口3激励时的轴比图。

图8为图5—图6所实施实例的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线双端口反射系数、隔离度和增益图：（

：第一馈电端口31激励时的反射系数；

：第二馈电端口32激励时的反射系数；

：第一馈电端口31和第二馈电端口32之间的隔离度；

：第一馈电端口31激励时的天线增益；

：第二馈电端口32激励时的天线增益）：图8（a）为第一馈电端口31激励时的反射系数图；图8（b）为第二馈电端口32激励时的反射系数图；图8（c）为第一馈电端口31和第二馈电端口32之间的隔离度图；图8（d）为第一馈电端口31和第二馈电端口32激励时的天线增益图。

图9为图5—图6所实施实例的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线在第一馈电端口31进行激励时，工作在2.44GHz时的增益方向图与轴比波束图：（

Phi=0°平面左旋圆极化增益方向图；

Phi=0°平面右旋圆极化增益方向图；

Phi=90°平面轴左旋圆极化增益方向图；

Phi=90°平面右旋圆极化增益方向图；

Phi=0°平面轴比波束图；

Phi=90°平面轴比波束图）：图9（a）为Phi=0°平面左、右旋圆极化增益方向图；图9（b）为Phi=90°平面左、右旋圆极化增益方向图；图9（c）为Phi=0°平面轴比波束图；图9（d）为Phi=90°平面轴比波束图。

图10为图5—图6所实施实例的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线在第二馈电端口32进行激励时，工作在2.44GHz时的增益方向图与轴比波束图：（

Phi=0°平面左旋圆极化增益方向图；

Phi=0°平面右旋圆极化增益方向图；Phi=90°平面轴左旋圆极化增益方向图；

Phi=90°平面右旋圆极化增益方向图；

Phi=0°平面轴比波束图；Phi=90°平面轴比波束图）：图10（a）为Phi=0°平面左、右旋圆极化增益方向图；图10（b）为Phi=90°平面左、右旋圆极化增益方向图；图10（c）为Phi=0°平面轴比波束图；图10（d）为Phi=90°平面轴比波束图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1-图4所示，本发明一种具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，包括金属波导1、介质片2、上臂金属片51、下臂金属片52以及180°环形耦合器网络。

其中，金属波导1是由金属薄片围成的一个方筒，其上下两个端口开路，作为天线的辐射端口，使得天线能够双向辐射，其外壁具有一定的厚度，该厚度取决于所采用的金属板材，以保证波导整体坚固不晃荡。

介质板2安装在金属波导1一个内侧壁上，是为了方便对两个矩形金属片进行等幅同相激励，其长度和口面尺寸相等，其高度与上臂金属片51和下臂金属片52的垂直距离相等。

180°环形耦合器网络在介质板2的其中一面上，包括：环形微带线47，依次连接在环形微带线47外侧的第一微带线41、第四微带线44、第二微带线42和第三微带线43，该四个微带线均具有50欧姆阻抗。第一馈电端口31设置于第一微带线41上，第二馈电端口32设置于第二微带线42上。同时，上臂金属片51和介质片2相交边的中心点与第三微带线43之间通过第五微带线45连接，下臂金属片52和介质片2相交边的中心点与第四微带线44之间通过第六微带线46连接。其中环形微带线47长度为1.5个波导波长，第一微带线41与第四微带线44之间环形微带线47长度、第一微带线41与第三微带线43之间环形微带线47长度、第二微带线42与第三微带线43之间环形微带线47长度，均为四分之一个波导波长且均具有50欧姆阻抗，这样馈电端口31和馈电端口32之间能获得良好的隔离度。当其中一个端口单独馈电时，耦合到另外一个端口的能量非常小，降低了相互影响。第五微带线45与第六微带线46均为四分之一波阻抗变换微带线，能够对天线输入阻抗进行匹配，以减小端口反射，获得良好的阻抗匹配带宽。

上臂金属片51和下臂金属片52为安装在波导侧壁介质片上的两个具有相同宽度和长度的矩形金属片，金属片和侧壁的夹角均为45°，并且折向辐射口面的中心位置，以便激励起波导两个相互正交的电场模式。从水平面上看，两个矩形金属片相互垂直，折向方形口面中心点位置；从垂直面上看，两个矩形金属片相距四分之一波导波长的距离。当天线向上辐射时，下臂金属片52在相位上滞后上臂矩形金属片90°，当天线向下辐射时，上臂金属片51在相位上滞后下臂矩形金属片90°，从而在两个相反的方向实现旋向相同的圆极化波辐射。

第一馈电端口31和第二馈电端口32分别连接50欧姆同轴馈电探针的内导体，同轴探针的外导体连接到介质片2上。当从第一馈电端口31进行激励时，第二馈电端口32接50欧姆匹配负载，上臂金属片51和下臂金属片52所激励的电流等幅同相，从而获得双向左旋圆极化波的辐射；当从馈电端口第二馈电端口32进行激励时，第一馈电端口31接50欧姆匹配负载，上臂金属片51和下臂金属片52所激励的电流等幅反相，从而获得双向右旋圆极化波的辐射。

该结构具体说明如下：

首先根据要求实现工作的频段如2.4-GHz无线局域网频段（2.40-2.48GHz，80MHz），设计金属波导1的方形口径尺寸，并确定两个矩形金属片的间距为四分之一个波导波长；其次，通过调整插入金属波导1内部的矩形金属片51的位置与金属波导1的高度来实现双向相等能量的辐射；第三，插入另外一个矩形金属片52实现双向同旋等增益的圆极化波辐射。第四，设计两个矩形金属片的宽度与间距以优化所需频段的圆极化度；最后通过引入180°环形耦合器微带线馈电结构41-44对两个矩形金属片51和52进行等幅同相和等幅反相激励，并在矩形金属片连接端口引入四分之一阻抗变换线45和46对天线进行阻抗匹配。

天线设计采用材料为普通铜片，其设计的各部分尺寸如图5—图6所示，金属波导1的口面边长77mm，高度为142mm，上臂金属片51和下臂金属片52的长度均为40mm，宽度均为16mm，垂直间距48mm，环形微带线47的外径为21.5mm，内径为20mm，第一微带线41、第四微带线44、第二微带线42和第三微带线43的宽度为3mm，第五微带线45和第六微带线46的长度为20.1mm，宽度为2.4mm。

以图5—图6所示尺寸设计的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线的轴比带宽如图7所示，该天线在馈电端口31进行馈电时，其双向轴比≤3dB的带宽在2.33-2.53GHz（200MHz），该天线在馈电端口32进行馈电时，其双向轴比≤3dB的带宽在2.34-2.56GHz（220MHz）。

以图5—图6所示尺寸设计的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线的端口反射系数，隔离度与增益如图8所示，该天线在馈电端口31进行馈电时，反射系数≤-10dB的阻抗带宽为1.95-2.58GHz（630MHz），在馈电端口32进行馈电时，反射系数≤-10dB的阻抗带宽为2.32-2.56GHz（240MHz）。对于端口31馈电时，其-10dB反射系数和3dB轴比的公共带宽为2.33-2.53GHz（200MHz），对于端口32馈电时，其-10dB反射系数和3dB轴比的公共带宽为2.34-2.56GHz（220MHz），可以覆盖2.4-GHz无线局域网工作频段，公共带宽内的两个端口的隔离度优于-30dB，实现增益在2.44GHz为3.9dBic，公共带宽内增益波动为1.0dB。

以图5—图6所示尺寸设计的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线在馈电端口31进行激励时，工作在2.44GHz时的左、右旋增益方向图与轴比波束如图9所示。在Z-X（Phi=0°）和Z-Y（Phi=90°）两个平面上，该天线主极化为左旋圆极化，并且在Z轴0°和180°两个方向具有相等的增益。其轴比波束在Z轴0度和180度两个相反的方向均实现良好的圆极化度，其3dB轴比波束宽度为60度。主瓣3dB波束宽度大约为60°，3dB功率波束可以完整覆盖3dB轴比波束。

以图5—图6所示尺寸设计的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线在馈电端口32进行激励时，工作在2.44GHz时的左、右旋增益方向图与轴比波束如图10所示。在Z-X（Phi=0°）和Z-Y（Phi=90°）两个平面上，该天线主极化为右旋圆极化，并且在Z轴0°和180°两个方向具有相等的增益。其轴比波束在Z轴0度和180度两个相反的方向均实现良好的轴比，其3dB轴比波束宽度为60度。主瓣3dB波束宽度大约为60°，3dB功率波束可以完整覆盖3dB轴比波束。

本发明的金属波导天线因其具有双向同旋、双圆极化波辐射的优势可以在多种无线通信系统中得到应用，比如射频识别，微蜂窝基站，室内无线接入，高速局域网等无线系统，可以根据相应工作频率调整所述天线的尺寸。

Claims (8)

1.一种具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，包括：

两端开口的正方形口面金属波导（1）；

安装在金属波导（1）一个内侧壁上的介质片（2）；

安装在介质片（2）上的长宽相等的矩形的上臂金属片（51）和下臂金属片（52），上臂金属片（51）和下臂金属片（52）均与金属波导（1）各个侧壁呈45°夹角，且折向金属波导（1）的口面中心，上臂金属片（51）和下臂金属片（52）在金属波导（1）的口面截面上垂直；

连接上臂金属片（51）和下臂金属片（52），对两个金属片进行馈电的180°环形耦合器网络；

以及，

连接到所述180°环形耦合器网络上的第一馈电端口（31）和第二馈电端口（32）。

2.根据权利要求1所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述介质片（2）宽度与金属波导（1）口面宽度一致，高度与上臂金属片（51）和下臂金属片（52）垂直间距一致。

3.根据权利要求1所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述上臂金属片（51）和下臂金属片（52）在介质片（2）所在面上相距四分之一波导波长。

4.根据权利要求1所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述180°环形耦合器网络包括：

长度为1.5个波导波长的环形微带线（47）；

依次连接在环形微带线（47）外侧的第一微带线（41）、第四微带线（44）、第二微带线（42）和第三微带线（43），其中第一微带线（41）与第四微带线（44）之间环形微带线（47）长度、第一微带线（41）与第三微带线（43）之间环形微带线（47）长度、第二微带线（42）与第三微带线（43）之间环形微带线（47）长度，均为四分之一个波导波长。

5.根据权利要求4所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述第一微带线（41）、第四微带线（44）、第二微带线（42）和第三微带线（43）均具有50欧姆阻抗。

6.根据权利要求4所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述180°环形耦合器网络还包括：

连接上臂金属片（51）和介质片（2）相交边的中心点与第三微带线（43）的第五微带线（45）；以及

连接下臂金属片（52）和介质片（2）相交边的中心点与第四微带线（44）的第六微带线（46）；

其中，第五微带线（45）与第六微带线（46）均为四分之一波阻抗变换微带线。

7.根据权利要求4所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述第一馈电端口（31）设置于第一微带线（41）上，所述第二馈电端口（32）设置于第二微带线（42）上。

8.根据权利要求1或4或7所述的具有双向同旋、双圆极化波辐射特性的金属波导天线，其特征在于，所述第一馈电端口（31）和第二馈电端口（32）分别连接50欧姆同轴馈电探针的内导体，同轴探针的外导体连接到介质片（2）上。

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