CN119651145A - 一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，特别涉及一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，包括：上介质层：所述上介质层的上、下表面分别贴合有金属层；下介质层：所述下介质层的上、下表面分别贴合有金属层；所述上介质层的下表面金属层与下介质层的上表面金属层贴合；所述上介质层和下介质层可拆卸连接；空气腔：开设在上介质层和下介质层之间；若干输入端口：所述输入端口的接触端设置在上介质层的上金属表面，且输入端口的接入端延伸出下介质层的下金属面；若干耦合缝隙：开设在所述上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层上；所述辐射单元包括环谐振器，能够减少电压驻波比的波动影响，提升信号传输的稳定性。

Description

一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，特别涉及一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线。

背景技术

随着无线通信技术与需求的迅猛发展人们对通信速度更快、稳定度更高、通信带宽更宽的无线通信系统更加关注，天线作为决定无线系统性能的关键元件，发挥着举足轻重的作用；微带贴片天线通常具有窄带带宽，这限制了其在宽带通信中的使用，特别是在需要处理多种信号频段的情况下，显得不够灵活。其次，微带贴片天线在密集天线阵列中容易产生互耦合效应，这会导致通信容量下降和信号干扰增加，进而影响系统的整体性能。此外，传统的微带贴片天线通常具有单一的极化方向，这在多极化需求的现代通信系统中无法满足各种复杂的通信环境需求。因此，为了提升微带贴片天线的性能，研究人员近年来集中在提高带宽、降低互耦合效应以及实现多极化等方面进行了大量研究和优化。

为了满足卫星通信、基站以及室外客户设备等视距通信场景中对高增益的需求，研究者们提出了许多增强天线指向性的技术。其中，阵列天线作为一种常规的方法，被广泛应用于提升天线的增益。根据馈电方式的不同，阵列天线可以分为串联馈电阵列和并联馈电阵列两种。相比之下，串联馈电阵列具有馈电网络结构简单、线损低和尺寸紧凑等优点。然而，串联馈电阵列通常具有较窄的工作频带。由于使用公共馈线，当信号从一个单元传递到另一个单元时，线性阵列的输入信号需要经过多个天线单元，这种多次反射和传输过程会导致信号传输的不确定性，从而增加传输损耗。因此，串联馈电阵列通常表现出窄带宽的特性。

申请号为2022103695219的发明专利公开了供一种采用串行磁流馈电的基片集成腔体辐射天线，用以解决现有串行馈电腔体辐射天线带宽较窄的问题。本发明采用磁流串行馈电结构，电磁能量在向金属辐射贴片的外法向方向辐射的同时、耦合到基片集成腔体（空气腔）中，电磁能量在基片集成腔体的开放边界中形成等效磁流，该等效磁流与磁流天线阵列的磁流方向一致，因此，上下两个辐射体的辐射能量在远场进行叠加，共同构成整个天线的辐射。

相较于传统的腔体辐射天线的单谐振模式，上述通过两个模式的叠加实现了阻抗带宽的拓展；能够显著提高串馈阵列腔体辐射天线的阻抗带宽，同时不增大天线口径尺寸，且结构简单、易于实现工业化生产。但是由于阵列结构的复杂性和各个单元之间的相互作用，电压驻波比（VSWR）可能会显著受到影响，且上述技术采用了上中下三层介质层的方式来优化天线的阻抗匹配，在传输效率上会有所损耗，现需要一种技术能够减少电压驻波比的波动影响，优化天线的阻抗匹配。

发明内容

本发明提供了一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，能够减少电压驻波比的波动影响，优化天线的阻抗匹配。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，包括：

上介质层：所述上介质层的上、下表面分别贴合有金属层；

下介质层：所述下介质层的上、下表面分别贴合有金属层；所述上介质层的下表面金属层与下介质层的上表面金属层贴合；所述上介质层和下介质层可拆卸连接；

空气腔：开设在上介质层和下介质层之间；

若干输入端口：所述输入端口的接触端设置在上介质层的上金属表面，且输入端口的接入端延伸出下介质层的下金属面；

若干耦合缝隙：开设在所述上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层上；

所述上介质层的上表面金属层为串联磁流天线阵列，天线阵列的辐射单元采用馈电网络相连接；所述辐射单元包括环谐振器，环谐振器的馈电结构耦合在上介质层的上表面金属层和上介质层的下表面金属层，上介质层的上、下表面金属层间通过短路通孔来进行连接；

所述耦合缝隙位于串联磁流天线阵下方且位于空气腔中心轴线上；所述耦合缝隙与天线阵列的辐射单元相对应；

同轴馈电探针：与输入端口配合，用于天线的信号传输。

本方案的基本原理及有益效果：

天线的上层和下介质层分别贴合金属层，并通过可拆卸连接与空气腔及耦合缝隙配合，形成串联磁流天线阵列。

串联磁流馈电的宽带斜极化天线阵列中，电磁能量通过同轴馈电探针到串联磁流天线阵列形成磁流辐射、同时通过耦合缝隙激励起上层介质下表面金属层和下介质层的上表面金属层，电磁能量在缝隙周围形成等效磁流，形成的等效磁流与串联磁流天线阵列的磁流辐射方向一致，二者叠加形成天线的有效辐射，进而生成新的频点，拓展了带宽。

本方案的信号通过同轴馈电探针传输给天线，同轴馈电探针与输入端口配合，信号通过馈电网络传输至环谐振器，然后通过环谐振器耦合到上介质层的下表面金属层，再通过耦合缝隙耦合到下介质层的上表面金属层；环谐振器、上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层共同组成本方案天线的辐射单元，拓展了带宽，两金属层的直接接触减少了能量损耗，提升了传输效率，且通过环谐振器与馈电网络的配合优化了阻抗匹配，即不再需要额外的介质层来优化阻抗匹配，也能满足设计要求。

通过将辐射元件和导电条互连，有效抑制了相外电流对辐射方向图的不利影响，从而显著提升了天线的宽侧指向性。该设计通过在微带线上开槽构造环形谐振器，引入新的谐振频段，并结合馈电网络的设计，最终实现微带结构的辐射模式，使整个结构等效于磁流馈电阵列。同时，磁流馈电技术通过耦合槽成功激励了侧边微带贴片天线。该等效磁流与磁流天线阵列的磁流方向一致，因此，上下两个辐射体的辐射能量在远场进行叠加，共同构成整个天线的辐射。串联馈电阵列的宽工作带宽通过整合侧短路微带贴片天线元件的基模和微带馈电结构引入的附加辐射模式得以实现。基于上述设计理念，本发明实现并测试了一个具有中心馈电的三单元线性阵列。测试结果显示，该系统的阻抗带宽为3~6 GHz（带宽67%），驻波比低至1.0074，具有结构简单、低损耗等优势。该天线设计特别适用于需要高指向性和双极化的应用，如5G通信、卫星通信、雷达系统等，这些应用要求在复杂环境中实现高效的信号传输和接收。。

进一步，电磁能量通过同轴馈电探针到串联磁流天线阵列形成磁流辐射、同时通过耦合缝隙激励起上层介质下表面金属层和下层介质上表面金属层，电磁能量在缝隙周围形成等效磁流，形成的等效磁流与串联磁流天线阵列的磁流辐射方向一致。

有益效果：二者叠加形成天线的有效辐射，进而生成新的频点，拓展了带宽。

进一步，所述天线阵列工作在3~6GHz；所述馈电网络的阻值为50欧姆。

进一步，所述上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层上开有若干抑制槽。

有益效果：减少同轴线对于整体辐射的影响。

进一步，所述上介质层和下介质层及其上、下金属层上开设有用于固定的螺孔。

有益效果：螺孔尺寸位置的选择，对表面波的传播模式起到了重要作用。

附图说明

图1为一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线的爆炸示意图；

图2为本发明实施例中一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线分别在3.8GHz、4.5GHz、5.2GHz频点处的方向图，其中，（a）为3.8GHz方向图，（b）为4.5GHz方向图，（C）为5.2GHz方向图。

图3为本发明实施例中一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线的端口S11曲线。

图4为本发明实施例中一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线的VSWR曲线；

图5为本发明实施例中一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线的增益曲线；

图6为本发明实施例中一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线的隔离度曲线；

图7为本发明实施例中一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线的各部分电场分布图与电流分布图，其中，（a）为在上介质层的上表面金属层的电场分布，（b）为上介质层的下表面金属层以及下介质层上表面金属层的电场分布，（C）为上介质层的上表面金属层的电流分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：上介质层1、下介质层2、上层介质上表面金属层31、上层介质下表面金属层32、下层介质上表面金属层33、下层介质下表面金属层34、环谐振器4、馈电网络5、输入端口6、耦合缝隙7、空气腔8、抑制槽81、螺孔9、短路通孔10。

实施例一

本方案针对现有串联馈电腔体辐射天线带宽较窄的问题、提出了一种基于磁流馈电技术的宽带双极化串联馈电微带贴片天线阵列；本发明在实现串联馈电的磁流天线阵辐射的同时，将后向辐射的能量耦合到辐射贴片背部，激励起下方的金属层，金属层同时作为辐射体向空间辐射电磁波；该磁流串联馈电结构引入新的辐射谐振点，该辐射谐振点拓展了天线阵列的辐射带宽，同时馈电网络的设计引入了新的极化方向为宽带串联馈电双极化天线阵列设计提供了一种新颖的思路。

如附图1所示，一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，包括：

上介质层1：所述上介质层1的上、下表面分别贴合有金属层；分别是上层介质上表面金属层31和上层介质下表面金属层32；

下介质层2：所述下介质层2的上、下表面分别贴合有金属层，分别是下层介质上表面金属层33和下层介质下表面金属层34；所述上层介质下表面金属层32与下层介质上表面金属层33贴合；所述上介质层1和下介质层2可拆卸连接；

空气腔8：开设在上介质层1和下介质层2之间；

若干输入端口6：所述输入端口6的接触端设置上层介质上表面金属层31，且输入端口6的接入端延伸出下层介质下表面金属层；

同轴馈电探针：与输入端口6配合，用于天线的信号传输。即馈电探针通过输入端口6的位于下层介质下表面金属层34上的接入端插入直至与上层介质上表面金属层31抵接，完成馈电探针与输入端口6的配合。

若干耦合缝隙7：开设在所述上介质层1的下表面金属层和下介质层2的上表面金属层上；

如附图1所示，所述上层介质的上表面金属层为串联磁流天线阵列，天线阵列的辐射单元采用馈电网络5相连接；所述辐射单元包括环谐振器4，环谐振器4的馈电结构分布在上介质层1的上表面金属层和上介质层1的下表面金属层，上介质层1的上、下表面金属层间通过短路通孔10来进行连接；即上介质层1的上表面金属层由对称设置有两个环谐振器4，和两个环谐振器4之间的金属薄片组成，金属薄片，环谐振器4，上层介质的下表面金属层通过馈电网络5依次串联。

所述耦合缝隙7位于串联磁流天线阵下方且位于空气腔8中心轴线上；所述耦合缝隙7与天线阵列的辐射单元相对应；

电磁能量通过同轴馈电探针到串联磁流天线阵列形成磁流辐射、同时通过耦合缝隙7激励起上层介质下表面金属层32和下层介质上表面金属层33，电磁能量在缝隙周围形成等效磁流，形成的等效磁流与串联磁流天线阵列的磁流辐射方向一致。

所述天线阵列工作在3~6GHz；所述馈电网络5的阻值为50欧姆。

所述上介质层1和下介质层2及其上、下金属层上开设有用于固定的螺孔9，本方案中设置有间隔排列的2行6列共计12个螺孔9。

本实的具体实施方式中，下介质层2采用厚度为3.9mm的F4BM板材（介电常数为2.65），上介质层1采用厚度为0 .76mm的F4BM板材（介电常数为 2.65）；串联磁流天线阵列中辐射单元（矩形贴片）的宽度为31.5mm、长度为31.5mm，环形槽的半径从大到小依次为8mm、10mm、13mm、15mm，串联磁流天线阵列中共设置个辐射单元；所述馈电缝隙11长度为15.75mm，宽度为3mm；上层介质下表面金属层32长度为170mm、宽度为80mm，下层介质上表面金属层33长度为170mm、宽度为80mm，从而使通过馈电槽馈入的电磁能量进行有效辐射。

如附图7所示。结果表明，上介质层的上表面金属层的电磁辐射主要集中在电场强度较强的中心区域。上介质层的下表面金属层的电磁辐射主要集中在环形谐振器的槽区和沿中心槽的边缘。如图7所示，还演示了沿x轴的等效磁电流。四分之一波长腔中的同相电流部分可以沿y轴布置。当从一个端口馈电时，条带上的电流与贴片表面中心的电流正交；当从相反的端口馈电时，整体电流方向反转，保持正交对齐。与传统的串联馈电微带贴片天线阵列相比，本设计中的两个±45馈电端口产生了两个相互垂直的斜偏振辐射，从而实现了双极化。

对上述基于磁流馈电技术的宽带双极化串联馈电微带贴片天线阵列进行仿真测试，如图2所示为本发明实施例中基于磁流馈电技术的宽带双极化串联馈电微带贴片天线阵列分别在3.8GHz、4.5GHz、5.2GHz频点处的方向图，其中，（a）为3.8GHz方向图，（b）为4.5GHz方向图，（C）为5.2GHz方向图，从方向图中可以看出，天线具有良好的指向性。如图3所示为天线的S11曲线，曲线表现出了良好的反射系数，从图中能够明显看出天线具有三个谐振频点，相较于传统的串联馈电微带贴片天线阵列带宽大大改善，相对带宽达到66.7％；如图4所示为在3.81GHz处驻波比最低点为1.007，实现了良好的阻抗匹配。如图5所示，在该点处从增益曲线也能够看出，天线最大增益带宽为14.5dB。如图6所示，各个端口之间最优的隔离度参数为-50dB。表明本发明基于磁流馈电技术的宽带双极化串联馈电微带贴片天线阵列具有良好的宽带和高增益特性以及高隔离度和低驻波比。

本方案的信号通过同轴馈电探针传输给天线，同轴馈电探针与输入端口配合，信号通过馈电网络传输至环谐振器，然后通过环谐振器耦合到上介质层的下表面金属层，再通过耦合缝隙耦合到下介质层的上表面金属层；环谐振器、上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层共同组成本方案天线的辐射单元，拓展了带宽，两金属层的直接接触减少了能量损耗，提升了传输效率，且通过环谐振器与馈电网络的配合优化了阻抗匹配，即不再需要额外的介质层来优化阻抗匹配，也能满足设计要求。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于：所述输入端口6有4个；所述上介质层1的下表面金属层和下介质层2的上表面金属层上开有若干抑制槽81。抑制槽81为空气腔8的一部分，即空气腔8为上介质层1的下底面开槽，下介质层2的上顶面开槽，然后与抑制槽81一起组合形成空气腔8。即同轴馈电探针从输入端口6的接入端插入，直至到达接触端的过程中不与下层介质上表面金属层33、上层介质下表面金属层32直接接触，减少同轴线对于整体辐射的影响，信号的传输过程仅能通过同轴馈电探针，传输至到上层介质上表面金属层31，再通过馈电网络5传输到环谐振器4，然后通过环谐振器4耦合，到达上介质层1下表面金属层和下介质层2上表面金属层。由于上介质层1下表面金属层和下介质层2上表面金属层上开设有抑制槽81，相较于没有抑制槽81的整块金属层的信号传输，如附图7（b）所示，本方案能够实现信号在金属板进行多股传输，损失减少，提升了传输效率，能够保持较高的辐射效率。且增加了抑制槽81的金属层作为辐射单元，还能够在较高功率传输信号的过程中实现散热，减少了温度对于信号传出的影响，同时由于作为辐射单元一部分的两个金属层未与同轴馈电探针之间进行直接接触，则即使金属层在信号传输过程中产生热量，也不会直接作用在同轴馈电探针上，即保证了信号输入的稳定性。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，其特征在于，包括：

上介质层：所述上介质层的上、下表面分别贴合有金属层；

下介质层：所述下介质层的上、下表面分别贴合有金属层；所述上介质层的下表面金属层与下介质层的上表面金属层贴合；所述上介质层和下介质层可拆卸连接；

空气腔：开设在上介质层和下介质层之间；

若干输入端口：所述输入端口的接触端设置在上介质层的上金属表面，且输入端口的接入端延伸出下介质层的下金属面；

若干耦合缝隙：开设在所述上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层上；

所述上介质层的上表面金属层为串联磁流天线阵列，天线阵列的辐射单元采用馈电网络相连接；所述辐射单元包括环谐振器，环谐振器的馈电结构耦合在上介质层的上表面金属层和上介质层的下表面金属层，上介质层的上、下表面金属层间通过短路通孔来进行连接；

所述耦合缝隙位于串联磁流天线阵下方、且位于空气腔中心轴线上；所述耦合缝隙与天线阵列的辐射单元相对应；

同轴馈电探针：与输入端口配合，用于天线的信号传输。

2.根据权利要求1所述的一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，其特征在于：电磁能量通过同轴馈电探针到串联磁流天线阵列形成磁流辐射、同时通过耦合缝隙激励起上层介质下表面金属层和下层介质上表面金属层，电磁能量在缝隙周围形成等效磁流，形成的等效磁流与串联磁流天线阵列的磁流辐射方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，其特征在于：所述天线阵列工作在3~6GHz；所述馈电网络的阻值为50欧姆。

4.根据权利要求1所述的一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，其特征在于：所述上介质层的下表面金属层和下介质层的上表面金属层上开有若干抑制槽。

5.根据权利要求1所述的一种磁流馈电宽带双极化微带阵列射频天线，其特征在于：所述上介质层和下介质层及其上、下金属层上开设有用于固定的螺孔。