天线单元、双极化天线以及天线装置的制作方法

本发明涉及通信天线技术领域，尤其涉及一种天线单元、双极化天线以及天线装置。

背景技术：

在微波通信与雷达探测系统中，天线承担着电磁波的发射与接收的任务。信号发射时，天线将导行波转变为空间电磁波并指向特定的方向；信号接收时，天线将空间电磁波转变为高频电磁波传输给射频接收机。

近年来，随着通信系统的不断发展与微电子器件的技术工艺提高，涌现出超宽带通信技术和器件工艺制造方法，与传统通信技术相比，超宽带天线技术具有ghz量级的带宽，作为一种全新的天线形式，超宽带天线技术具有以下优点：1）由于超宽带天线技术采用了跳时扩频信号，发射时无限电脉冲信号在更广的频带内分散传播，相对于普通设备产生的噪声，输出功率较低，在接收时的能量还原过程中，通过解扩可以产生扩频增益，这将给系统带来更大的处理增益；2）在同等码速率的条件下，采用超宽带天线技术将给系统带来更强的抗干扰性能；3）超宽带通信由于占有很宽的频带，具有较高的传输速率，可以达到几百到几千mbps；4）超宽带通信由于不消耗功率较大的载波，只是在需要时发送瞬时脉冲电波，因此消耗的电能相对传统通信方式较小，不仅延长了系统电源的工作时间，也减少了对人体的影响；5）超宽带通信具有更好的保密性。

超宽带天线当今广泛应用于电磁测量、电磁兼容测试、超宽带雷达等领域中。其主要实现形式有：1）加脊喇叭，喇叭天线具有频宽带、方向性好、高增益和高功率负载的能力等优点；2）vivaldi天线，具有低剖面优点；3）自补天线，由于辐射结构自补而具有非频变特点。双极化天线在通信领域中可同时实现收发双工模式，进而可以减少定向基站工作天线的数量，在某些测试领域中可减少对不同极化方向天线的切换次数、移动通信应用中可实现极化分集和频率复用、在卫星通信中可以实现收发的极化隔离、在宽带测向系统中可以提供两个相互正交的极化波。可见超宽带双极化天线在许多领域都有着很大的发展潜力。

文献1（陈玉林，房善玺.一种新型宽带双圆极化天线的研究与设计.火控雷达技术，2010,39（1）：83-86）提出了一种新型的宽带sinuous天线单元，辐射单元由两根或四根甚至更多对称导体臂在有限空间内相互交错构成的。其中四臂单元为一种互补结构，属于一种非频变天线，其辐射机理类似于对数周期天线，具有超宽带工作的特点。该天线配合宽带耦合馈电网络，可以实现在2.0～2.3ghz频带内良好的电性能，并可实现宽带双线极化或双圆极化的设计方案。文献2（杨洋.小型化超宽带双极化天线研究.电子科技大学硕士学位论文，2016）研制了工作频段为2.6-12ghz具有紧凑结构的平面超宽带双极化天线，该天线采用两个辐射贴片与地板形成准自补形式，在不添加额外去耦单元情况下获得良好的隔离度，最终天线的尺寸仅为35x35x1mm。在工作频段内两端口隔离度优于-13db。文献3（王亚伟，高向军，朱莉.新型超宽带双极化天线设计.航空兵器，2018（5）：54-57）设计了一种工作于3.2-18ghz的超宽带双极化天线，，该天线基于共形波纹边缘的设计思想、采用指数型vivaldi双开槽天线单元实现超宽带高增益的辐射特性。将两个vivaldi天线正交放置，即实现了双线极化配置。该天线测试结果表明，工作频带内极化隔离度高于25db，增益高于7db，与传统vivaldi天线相比，避免了天线辐射结构的交叉，降低了设计和加工组装的难度。文献4（石宪庆.超宽带双极化喇叭天线的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2014）设计了一种具有开放边界的双极化喇叭天线。该天线通过对辐射结构进行矩形或者漏斗形金属结构加载以及对馈电探针到脊片末端距离等参量进行优化设计，实现了在2-18ghz的频带范围内良好的辐射特性，频带内驻波小于2，双端口隔离度优于40db以上，与具有同样辐射性能的这种天线相比，该天线结构紧凑，尺寸重量低。

上述技术方案实现的超宽带天线最大的带宽覆盖9个倍频程，无法满足业界超宽带通信所要求的大于15倍频程宽频要求。其次，超宽带天线的应用频率下限决定了天线的尺寸，覆盖较低频率的超宽带天线尺寸较大，不适合应用在野外车载或机载环境中。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题提供一种天线单元、双极化天线以及天线装置，能够减少喇叭口面处的反射，能够显著改进天线的阻抗以及频带特性，且可以达到15倍以上频程宽频要求，且其结构简单、应用范围广。

为解决上述技术问题，本发明提供一种天线单元，包括：第一辐射片、第二辐射片以及接地环；所述第一辐射片和所述第二辐射片相对设置、且两者之间形成有指数形状的槽缝；所述接地环连接于所述第一辐射片和所述第二辐射片的起始端的边缘外侧，以将所述第一辐射片和所述第二辐射片短路连接。

进一步地，所述第一辐射片和所述第二辐射片各自末端的顶角设置为过渡的圆弧形状。

进一步地，所述接地环具有邻近所述槽缝并与所述槽缝对齐贯通的缺口，所述接地环形成所述缺口的两端分别与所述第一辐射片和所述第二辐射片连接。

进一步地，所述接地环具有光滑的表面；所述接地环采用圆环，所述圆环的直径为通过所述槽缝向外辐射的相应频率电磁波的四分之一波长长度。

进一步地，所述天线单元包括分别与所述第一辐射片和所述第二辐射片连接的同轴馈电点；所述槽缝由相对设置的所述第一辐射片和所述第二辐射片各自的边缘轮廓所构成，所述第一辐射片和所述第二辐射片各自的边缘轮廓均具有如下指数形状的曲线：；其中，c1和γ决定曲线随自变量x的变化速度，c2决定曲线的起点，x的取值范围为0～l，l为曲线长度。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种双极化天线，包括如上述任一项实施例所述的作为水平极化天线的第一天线单元和作为垂直极化天线的第二天线单元，所述第一天线单元和所述第二天线单元呈正交设置。

进一步地，所述第一天线单元和所述第二天线单元各自的接地环上均设置有一个远离槽缝并与所述槽缝同轴对齐的卡槽，所述第一天线单元的卡槽的开口朝向其接地环外部，所述第二天线单元的卡槽的开口朝向其接地环内部，且所述第一天线单元的卡槽与所述第二天线单元的卡槽在结构上互补，所述第二天线单元借助其槽缝和接地环插入所述第一天线单元的接地环和槽缝内实现正交并通过其卡槽与所述第一天线单元的卡槽进行卡接和限位。

进一步地，所述双极化天线包括两个绝缘固定座，各所述绝缘固定座均包括四个呈正交设置的夹持部，一所述绝缘固定座的各所述夹持部分别夹紧所述第一天线单元和所述第二天线单元中第一辐射片、第二辐射片的末端，另一所述绝缘固定座的各所述夹持部分别夹紧所述第一天线单元和所述第二天线单元中第一辐射片、第二辐射片的起始端；各所述绝缘固定座均为聚四氟乙烯材质的绝缘固定座。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种天线装置，包括天线底座、天线罩以及如上述任一项实施例所述的双极化天线；所述天线底座开设有正交且正交位置连通的第一卡槽和第二卡槽，所述双极化天线中至少其两个接地环插接固定于所述第一卡槽和所述第二卡槽内，所述天线罩罩设密封所述双极化天线并与所述天线底座连接固定。

进一步地，所述天线底座上设置有作为水平极化馈电的第一sma接头和作为垂直极化馈电的第二sma接头，所述第一sma接头通过馈电同轴线与所述第一天线单元的同轴馈电点连接，所述第二sma接头通过馈电同轴线与所述第二天线单元的同轴馈电点连接；所述天线底座上设置有一个以上的减重腔；所述天线罩设置有正交且正交位置连通的第一插槽和第二插槽，所述双极化天线中各辐射片插接固定于所述第一插槽和所述第二插槽内；所述天线底座是采用abs材质并通过3d打印制作而成的天线底座，所述天线罩是采用abs材质并通过3d打印制作而成的天线罩；所述天线罩前端设置有用作天线指向的物理定位的激光发光二极管。

本发明的天线单元、双极化天线以及天线装置，具有如下有益效果：

通过改进天线单元中接地环结构，能够减少喇叭口面处的反射，同时能够显著改进天线的阻抗以及频带特性；

此外，通过改善天线单元中辐射片末端平滑度，能够实现宽带辐射性能。

此外，其具有结构简单、易加工、易使用等优点，可以达到15倍以上频程宽频要求，能够广泛应用于超宽带通信、雷达探测、无线电测向等领域。

附图说明

图1是本发明天线装置的立体图。

图2是图1所示天线装置中双极化天线一角度的结构示意图。

图3是图1所示天线装置中双极化天线另一角度的结构示意图。

图4是图2所示双极化天线中第一天线单元的结构示意图。

图5是图2所示双极化天线中第二天线单元的结构示意图。

图6是图1所示天线装置中天线底座的立体图。

图7是图1所示天线装置中天线底座的俯视图。

图8是图1所示天线装置中天线底座的仰视图。

图9是图1所示天线装置中天线罩一角度的结构示意图。

图10是图1所示天线装置中天线罩另一角度的结构示意图。

图11是图2所示双极化天线的回波反射和隔离效果示意图。

图12是图2所示双极化天线的1ghz天线辐射方向图。

图13是图2所示双极化天线的2ghz天线辐射方向图。

图14是图2所示双极化天线的4ghz天线辐射方向图。

图15是图2所示双极化天线的8ghz天线辐射方向图。

图16是图2所示双极化天线的10ghz天线辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种天线装置。结合图1至图3进行参阅，该天线装置包括天线底座10、天线罩20以及双极化天线50。天线底座10与天线罩20连接固定，双极化天线50收容于天线罩20内，更具体的，双极化天线50固设于天线底座10上并由天线罩20罩设密封。

在一具体实施例中，该双极化天线50由两个天线单元即作为水平极化天线的第一天线单元30和作为垂直极化天线的第二天线单元40通过正交设置构成。其中，可以对第一天线单元30进行水平极化馈电作为水平极化天线，并可以对第二天线单元40进行垂直极化馈电作为垂直极化天线。

请参阅图4和图5，该第一天线单元30和第二天线单元40通常在结构和尺寸上可以是相同的，因此，本发明以第一天线单元30为例对天线单元进行描述。

如图4所示，第一天线单元30包括第一辐射片31、第二辐射片32以及接地环35。第一辐射片31和第二辐射片32相对设置、且两者之间形成有指数形状的槽缝33。接地环35连接于第一辐射片31和第二辐射片32的起始端（非辐射端）的边缘外侧，以将第一辐射片31和第二辐射片32短路连接。其中，第一天线单元30还包括分别与第一辐射片31和第二辐射片32连接的同轴馈电点34。

该槽缝33由相对设置的第一辐射片31和第二辐射片32各自的边缘轮廓所构成，具体是由第一辐射片31邻近第二辐射片32的边缘轮廓和第二辐射片32邻近第一辐射片31的边缘轮廓所构成。其中，该第一辐射片31和第二辐射片32各自的边缘轮廓均按照如下指数形状的曲线所形成：

其中，c1和γ决定曲线随自变量x的变化速度，c2决定曲线的起点，x的取值范围为0～l。曲线长度l决定了天线工作的最低频率，而天线工作的最高频率取决于同轴馈电点34处的匹配结构和加工精度。x=0时，曲线y=c1+c2，即曲线起点处高度，曲线弧度取决于γ，曲线终点高度由c2和γ共同决定。在本发明中，c2通常设置为0，也即槽缝33从第一辐射片31和第二辐射片32的一侧边缘延伸到另一侧边缘。由上述边缘轮廓相对设置所形成的槽缝33的结构类似于喇叭状。

上述实施例的第一天线单元30中，通过将接地环35加载于第一辐射片31和第二辐射片32的槽缝33起点的边缘外侧，可以使槽缝33实现短路效应以扩展天线的工作频带，尤其是能够减少喇叭口面处的反射，同时能够显著改进天线的阻抗以及频带特性。

为了进一步减少喇叭口面处的反射并进一步改善天线的阻抗以及频带特性，接地环35具有光滑的表面。

为了方便将第一天线单元30与第二天线单元40进行正交进而制作双极化天线50，第一天线单元30中接地环35上开设有邻近槽缝33并与槽缝33对齐贯通的缺口，接地环35形成缺口的两端分别与第一辐射片31和第二辐射片32连接。同时，在接地环35上设置该缺口也能够进一步增强短路效应并扩展天线的工作频带。

优选地，接地环35是具有光滑表面的圆环。并且，该圆环的直径通常为通过槽缝33向外辐射的相应频率电磁波的四分之一波长长度，也即圆环的直径通常跟随所要实现的天线频率进行相应设计。

在一较佳实施例中，第一天线单元30中，该第一辐射片31和第二辐射片32各自末端的顶角设置为过渡的圆弧形状37。该过渡的圆弧形状37也即卷边的设计，能够实现天线与自由空间特性阻抗(如377ω)的良好匹配。

根据上述描述，第二天线单元40也具有与第一天线单元30相同的技术特征。比如，如图5所示，第二天线单元40同样设置有具有缺口的接地环45，以及在其第一辐射片41和第二辐射片42各自末端的顶角设置为过渡的圆弧形状47等。

采用上述结构的天线单元实质上仍然属于vivaldi天线，进而通过减小天线单元的尺寸至原来尺寸的1/m时，其工作频率相应的提高至原来的m倍，同时电导率也会提高至原来的m倍。因此若天线单元的尺寸同比例缩减至原来的1/m倍后仍与原天线的1/m部分全等，m具有较宽的取值范围，则天线具有较宽的工作频带（例如m若可取1～10，则天线的工作频宽达10倍频）。根据本发明的设计，天线的工作频率可以覆盖0.6ghz～10ghz，达到15倍频程宽频要求。

在一具体实施例中，举例可以采用两块金属片来分别作为第一辐射片31和第二辐射片32；举例也可以在不同两块介质基板两面分别设置金属片来分别作为第一辐射片31和第二辐射片32。

在一具体实施例中，继续参阅图2和图3，双极化天线50中，为了将正交设置的第一天线单元30和第二天线单元40进行固定并不影响辐射性能，设置有至少一个绝缘固定座。本发明通过设置两个绝缘固定座即第一绝缘固定座51和第二绝缘固定座52分别固定第一天线单元30和第二天线单元40的起始端和末端。该两个绝缘固定座51、52举例可以采用聚四氟乙烯材质制成。

其中，该两个绝缘固定座51、52均设置有四个夹持部（未标示），各夹持部均具备两个夹臂，该四个夹持部呈正交设置。第一绝缘固定座51的各夹持部分别（通过其夹臂）夹紧第一天线单元30和第二天线单元40中第一辐射片31和第二辐射片32的末端，第二绝缘固定座52的各夹持部分别（通过其夹臂）夹紧第一天线单元30和第二天线单元40中第一辐射片31和第二辐射片32的起始端。为了更好地固定，举例可以通过不影响辐射性能的绝缘螺钉锁紧相应辐射片于相应夹持部上。

更优地，继续参阅图4和图5，双极化天线50中，第一天线单元30的接地环35上设置有一个远离槽缝33并与槽缝33同轴对齐的卡槽36，第二天线单元40的接地环45上设置有一个远离槽缝43并与槽缝43同轴对齐的卡槽46。其中，第一天线单元30的卡槽36的开口朝向其接地环35外部，第二天线单元40的卡槽36的开口朝向其接地环45内部，且第一天线单元30的卡槽36与第二天线单元40的卡槽46在结构上互补。第二天线单元40借助其槽缝43和具有缺口的接地环45插入第一天线单元30的具有缺口的接地环35和槽缝33内实现正交并通过其卡槽46与第一天线单元30的卡槽36进行卡接和限位。进一步地，可以对卡槽36、46的深度进行设计，以优化第一天线单元30和第二天线单元40的两个馈电端口（即同轴馈电点34、44）的间距，实现较好的驻波特性和隔离度。

借助卡槽36、第一绝缘固定座51以及第二绝缘固定座52的固定作用，能够稳固地实现第一天线单元30和第二天线单元40的正交设置。

在一具体实施例中，结合图6至图8进行参阅，天线底座10开设有正交且正交位置连通的第一卡槽131和第二卡槽132。双极化天线50中，至少第一天线单元30的接地环35和第二天线单元40的接地环45插接固定于第一卡槽131和第二卡槽132内，天线罩20罩设密封双极化天线50并与天线底座10连接固定。

该天线底座10及天线罩20可以采用abs工程塑料并利用3d打印技术制成。

较佳的，天线底座10上设置有至少一个降低天线底座10重量的减重腔14。举例而言，减重腔14共有四个，各减重腔14均匀地设置于第一卡槽131和第二卡槽132相邻的空白位置。可以理解的，为了不影响天线底座10的密封性，天线底座10上的第一卡槽131、第二卡槽132以及各减重腔14均没有贯穿天线底座10。

并请结合图2至图5参阅，其中，天线底座10上设置有供水平极化馈电的第一sma接头110和供垂直极化馈电的第二sma接头120。该第一sma接头110通过第一馈电同轴线111与第一天线单元30的同轴馈电点34连接，第二sma接头120通过第二馈电同轴线121与第二天线单元40的同轴馈电点44连接。其中，该第一sma接头110和第二sma接头120举例可以分别设置于天线底座10中相对的两个侧壁上对应的水平极化馈电点11和垂直极化馈电点12的位置。

在一具体实施例中，结合图9和图10参阅，天线罩20也设置有正交且正交位置连通的第一插槽21和第二插槽22。双极化天线50中，第一天线单元30的第一辐射片31、第二辐射片32插接固定于第一插槽21内，第二天线单元40的第一辐射片41、第二辐射片42插接固定于第二插槽22内。优选地，天线罩20具有与双极化天线50相适应的轮廓，一方面能够减小天线装置的体积，另一方面对于天线的辐射性能也有显著的改善。

在一优选实施例中，天线罩20前端设置有指向单元（图未示），其中，sma接头110、120一方称为后方，其反方向即天线辐射端称为前端。该指向单元用作天线指向的物理定位，举例可以选用由电池供电的发光二极管。

本发明还提供一种如上述任一项实施例所述的双极化天线，此处不再一一赘述。

图11示意了双极化天线的回波反射和隔离效果，s1,1，s2,2分别为天线两个极化端口的反射系数，值越低越好，工程上低于-8db即认为天线处于良好的匹配水平，从图11中可见，天线在0.7～10ghz反射系数良好；s2,1为双极化天线两个端口隔离，隔离的值越低越好，本发明两个极化端口隔离在0.7～10ghz优于-36db。

图12示意了该双极化天线的1ghz天线辐射方向图，其增益约2.1db，3db波束宽度约110度；图13示意了该双极化天线的2ghz天线辐射方向图，其增益约6db，3db波束宽度约57度；图14示意了该双极化天线的4ghz天线辐射方向图，其增益约8db，3db波束宽度约57度；图15示意了该双极化天线的8ghz天线辐射方向图，其增益约7db，3db波束宽度约62度；图16示意了该双极化天线的10ghz天线辐射方向图，其增益约9db，3db波束宽度约44度。

本发明还提供一种如上述任一项实施例所述的天线单元，此处不再一一赘述。

本发明的天线单元、双极化天线以及天线装置，具有如下有益效果：

通过改进天线单元中接地环结构，能够减少喇叭口面处的反射，同时能够显著改进天线的阻抗以及频带特性；

此外，通过改善天线单元中辐射片末端平滑度，能够实现宽带辐射性能。

此外，其具有结构简单、易加工、易使用等优点，可以达到15倍以上频程宽频要求，能够广泛应用于超宽带通信、雷达探测、无线电测向等领域。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。