宽带高增益圆极化滤波天线及无线通信设备

1.本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种宽带高增益圆极化滤波天线及无线通信设备。


背景技术：

2.天线是无线电技术设备电磁能量的转换器，对整个通信系统起着非常关键的作用。圆极化天线可以消除极化失配和多径效应，它被广泛用于卫星通信、海事无线通信、雷达系统等。同时siw(substrate integrated waveguide，基片集成波导)具有低辐射损耗、易集成、结构简单、成本低等优秀的特点，被广泛的运用于天线、滤波器等器件的设计中。对于天线，宽阻抗带宽可以增加天线的适用范围；高增益可以加强电磁波传输时的定向性，提高通信系统的传输效率；同时滤波可以减小不必要的谐波干扰提高通信系统的可靠性。因此，提供一种宽带高增益圆极化滤波天线对于提升通信系统的整体性能具有很高的研究意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种宽带高增益圆极化滤波天线及无线通信设备，该天线利用顺序旋转馈电技术实现了宽带圆极化，同时利用类三角形金属辐射贴片与十字形金属辐射贴片之间的耦合达到了滤波效果，提升了通信系统的可靠性。
4.本发明的目的在于提供一种宽带高增益圆极化滤波天线。
5.本发明的另一目的在于提供一种无线通信设备。
6.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种宽带高增益圆极化滤波天线，包括第一介质基板、金属地板、第二介质基板和馈电探针，所述第一介质基板、金属地板和第二介质基板依次层叠设置；所述第一介质基板上表面设置有辐射体，所述辐射体包括相耦合的类三角形金属辐射贴片和十字形金属辐射贴片，所述第二介质基板下表面设置有馈电网络；所述馈电探针穿过第一介质基板、金属地板和第二介质基板，且馈电探针的两端分别与馈电网络和类三角形金属辐射贴片连接。
8.进一步的，所述类三角形金属辐射贴片为四个，四个类三角形金属辐射贴片的形状和大小均相同，且相邻两个类三角形金属辐射贴片之间的相位差为90度；
9.所述十字形金属辐射贴片设置在四个类三角形金属辐射贴片的中间，且十字形金属辐射贴片中心与四个类三角形金属辐射贴片所围成的中心重合。
10.进一步的，所述类三角形金属辐射贴片为类等腰直角三角形贴片，每个类三角形金属辐射贴片的两条直角边边缘设置有第一金属化盲孔阵列，所述第一金属化盲孔阵列穿过第一介质基板连接类三角金属辐射贴片和金属地板；
11.所述十字形金属辐射贴片的中间设置有第二金属化盲孔阵列，所述第二金属化盲孔阵列穿过第一介质基板连接十字形金属辐射贴片和金属地板。
12.进一步的，每个类三角形金属辐射贴片斜边边缘与十字形贴片突出边缘之间的间
距为2.5mm～2.9mm。
13.进一步的，所述第一金属化盲孔阵列和第二金属化盲孔阵列中，每个金属化盲孔的半径为0.4mm～0.6mm，相邻两个金属化盲孔的圆心之间的间距为1.4mm～1.6mm。
14.进一步的，所述第一金属化盲孔阵列中的金属化盲孔数量在35～39个之间，所述第二金属化盲孔阵列为正方形金属化盲孔阵列，第二金属化盲孔阵列中每条边的金属化盲孔数量在12～16个之间。
15.进一步的，所述馈电探针为四个，所述馈电网络包括三个威尔金森功分器，三个威尔金森功分器均为一分二威尔金森功分器，分别为第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器，第一威尔金森功分器的两个输出端口分别连接第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器，第二威尔金森功分器的两个输出端口和第三威尔金森功分器的两个输出端口分别通过四个馈电探针连接四个类三角形金属辐射贴片。
16.进一步的，所述第一威尔金森功分器的两个输出端口的连接传输微带线的长度差，为二分之一个自由空间波长，形成180度相位差；所述第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器的两个输出端口的连接传输微带线的长度差，为四分之一个自由空间波长，形成90度相位差。
17.进一步的，所述金属地板的中心设置有可使馈电探针穿过的金属圆孔，所述金属圆孔与馈电探针的半径比值范围为2～3，所述馈电探针的半径取值范围为0.4mm～0.8mm。
18.进一步的，所述第一介质基板和第二介质基板的长宽均为62mm～63mm，所述第一介质基板的厚度为1.4mm～1.8mm，所述第二介质基板的厚度为0.6mm～1mm。
19.本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
20.一种无线通信设备，包括上述的宽带高增益圆极化滤波天线。
21.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
22.1、本发明天线的辐射体包括类三角形金属辐射贴片和十字形金属辐射贴片，通过类三角形金属辐射贴片与十字形贴片之间的耦合达到了滤波效果，同时使天线获得了良好的增益带宽。
23.2、本发明天线的类三角形金属辐射贴片和十字形金属辐射贴片均设置金属化盲孔阵列，使得辐射体构成siw背腔式结构，降低了天线的辐射损耗和剖面高度，剖面高度仅为0.04个自由空间波长，使得天线更易于与其他通信系统集成。
24.3、本发明天线采用顺序旋转馈电结构实现圆极化，阻抗带宽提升到40.6％，3db轴比带宽提升到18.8％，3db增益带宽提升到19.9％，得到了良好的阻抗匹配和圆极化性能。
25.4、本发明天线在5.84ghz左右拥有一个增益零点，使得该天线具有滤除高次谐波的效果，并且在4.90ghz以及5.54ghz的增益分别可达9.4dbi和9.8dbi，体现了高增益特性。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的结构示意图。
28.图2为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的俯视示意图。
29.图3为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的仰视示意图。
30.图4为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的侧视示意图。
31.图5为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线在4.90ghz的e面辐射场方向图。
32.图6为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线在4.90ghz的h面辐射场方向图。
33.图7为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线在5.54ghz的e面辐射场方向图。
34.图8为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线在5.54ghz的h面辐射场方向图。
35.图9为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的s参数图。
36.图10为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的轴比曲线图。
37.图11为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的增益曲线图。
38.其中，1
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类三角形金属辐射贴片，11
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第一类三角形金属辐射贴片，12
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第二类三角形金属辐射贴片，13
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第三类三角形金属辐射贴片，14
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第四类三角形金属辐射贴片，2
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十字形金属辐射贴片，3
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第一介质基板，4
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第一金属化盲孔阵列，5
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金属化地板，6
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第二介质基板，7
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馈电网络，71
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第一威尔威尔金森功分器，72
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第二威尔威尔金森功分器，73
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第三威尔威尔金森功分器，8
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馈电探针，81
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第一馈电探针，82
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第二馈电探针，83
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第三馈电探针，84
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第四馈电探针，9
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馈电端口，10
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圆形孔。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
40.实施例：
41.如图1所示，本实施例提供了一种宽带高增益圆极化滤波天线，能够应用于无线通信设备中，该天线包括第一介质基板3、金属地板5、第二介质基板6和馈电探针8，所述第一介质基板3、金属地板5和第二介质基板6依次层叠设置，即金属地板5设置在第一介质基板3的下表面与第二介质基板6的上表面之间；所述第一介质基板3上表面设置有辐射体，所述辐射体包括相耦合的类三角形金属辐射贴片1和十字形金属辐射贴片2，第二介质基板6下表面设置有馈电网络7；所述馈电探针8穿过第一介质基板3、金属地板5和第二介质基板6，且馈电探针8的两端分别与馈电网络7和类三角形金属辐射贴片2连接。
42.进一步地，所述类三角形金属辐射贴片1为类等腰直角三角形贴片，类三角形金属辐射贴片1的两条直角边边缘设置有第一金属化盲孔阵列4；所述十字形金属辐射贴片2的中间设置有第二金属化盲孔阵列，第二金属化盲孔阵列为正方形金属化盲孔阵列。
43.图2为本实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的俯视示意图，对应第一介质基板3的上表面，第一介质基板3采用rogers rt 5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，
第一介质基板3的长宽均为62.8mm，厚度为1.57mm。第一介质基板3的上表面主要由十字形金属辐射贴片2以及紧密围绕它的四个类三角形金属辐射贴片1组成，四个类三角形金属辐射贴片1分别为第一类三角形金属辐射贴片11、第二类三角形金属辐射贴片12、第三类三角形金属辐射贴片13和第四类三角形金属辐射贴片14，十字形金属辐射贴片2设置在四个类三角形金属辐射贴片1的中间，且十字形金属辐射贴片2中心与四个类三角形金属辐射贴片1所围成的中心重合。
44.四个类三角形金属辐射贴片1均通过第一金属化盲孔阵列4与金属地板5相连，每个类三角形金属辐射贴片的金属化盲孔阵列的盲孔数量为37个；所述十字形金属辐射贴片2也通过第二金属化盲孔阵列与金属地板5相连，第二金属化盲孔阵列中每条边的盲孔数量为14个。本实施例的第一金属化盲孔阵列4和第二金属化盲孔阵列中，每个金属化盲孔的半径为0.5mm，相邻两个金属盲孔的圆心之间的间距为1.5mm。相邻两个类三角形金属辐射贴片可以形成等幅且相位差为90度的磁流辐射进而形成圆极化。类三角形金属辐射贴片的两条直角边的长度均为29.9mm；十字形金属辐射贴片2的突出部分的长边长度为21mm，短边为9mm；每个类三角形金属辐射贴片斜边边缘与十字形金属辐射贴片2的突出边缘的间距为2.7mm。本实施例的馈电探针8为四个，四个馈电探针与四个类三角形金属辐射贴片1一一对应，分别为第一馈电探针81、第二馈电探针82、第三馈电探针83和第四馈电探针84，四个馈电探针的半径均为0.6mm。
45.本实施例通过类三角形金属辐射贴片与十字形贴片之间的耦合达到了滤波效果，同时使天线获得了良好的增益带宽；金属化盲孔阵列的使用有效的减小了类三角形辐射贴片1和十字形金属辐射贴片2的尺寸。本实施例中的天线采用siw背腔结构有效的降低了天线的辐射损耗，并降低了天线的剖面高度，使得天线更易于与其他通信系统集成；类三角形辐射贴片1所围成的中间区域增加了辐射体的等效地板规模，进一步提高了天线的增益。
46.进一步地，馈电网络7包括三个威尔金森功分器，三个威尔金森功分器均为二分一威尔金森功分器，三个威尔金森功分器均有隔离电阻且输出端口有连接传输微带线，其中两个威尔金森功分器输出端口的连接传输微带线的末端通过馈电探针8连接至类三角形金属辐射贴片1，所述馈电网络7的馈电端口9连接至同轴sma接口。
47.图3为本实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的仰视示意图，对应第二介质基板6的下表面，第二介质基板6采用rogers rt 5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，第二介质基板6的长宽均为62.8mm，第二介质基板6的厚度为0.8mm。第二介质基板6的下表面主要由印刷在第二介质基板6下表面的三个威尔金森功分器以及连接传输微带线组成，三个威尔金森功分器分别为第一威尔金森功分器71、第二威尔金森功分器72和第三威尔金森功分器73。第一威尔金森功分器71的两个输出端口分别通过两段弯折型的连接传输微带线连接第二威尔金森功分器72和第三威尔金森功分器73，第二威尔金森功分器72的两个输出端口和第三威尔金森功分器73的两个输出端口分别通过四个馈电探针8(第一馈电探针81、第二馈电探针82、第三馈电探针83和第四馈电探针84)连接四个类三角形金属辐射贴片1(第一类三角形金属辐射贴片11、第二类三角形金属辐射贴片12、第三类三角形金属辐射贴片13和第四类三角形金属辐射贴片14)。第一威尔金森功分器71的两个输出端口的连接传输微带线的长度分别为44.94mm和23.44mm，相差21.5mm，约二分之一个自由空间波长，形成180度相位差；第二威尔金森功分器72和第三威尔金森功分器73的两个输出端口的连接
传输微带线的长度均为25.2mm和14.8mm，相差10.8mm，约四分之一个自由空间波长，形成90度相位差；功分器微带线的宽度仅有两种，较宽微带线的宽度为2.46mm，其特性阻抗为50欧姆；较窄微带线的宽度为1.4mm，其特性阻抗为70.7欧姆。所述馈电网络7的馈电端口9连接至同轴sma接口。本实施例中的顺序旋转馈电网络使本发明得到了良好的阻抗匹配和圆极化性能。
48.如图4所示，本实施例提供了一种宽带高增益圆极化滤波天线的侧视示意图。第一金属化盲孔阵列4穿过第一介质基板3分别连接类三角形金属辐射贴片1和金属地板5，第二金属化盲孔阵列穿过第一介质基板3分别连接十字形金属辐射贴片2和金属地板5；为了使金属地板5不与馈电探针8接触，所述金属地板5上设置有四个金属圆孔10，四个金属圆孔10与四个馈电探针8一一对应，每个金属圆孔10可使对应的馈电探针8穿过，金属圆孔10与馈电探针8的半径比值范围为2～3，馈电探针8的半径取值范围为0.4mm～0.8mm。四个馈电探针8穿过第一介质基板3、第二介质基板6以及金属地板5上的四个金属圆孔10，连接类三角形金属辐射贴片1和馈电网络7输出端口的连接传输微带线末端的馈电点，具体地，第一馈电探针81连接第一类三角形金属辐射贴片11和第二威尔金森功分器72其中一个输出端口的连接传输微带线末端的馈电点，第二馈电探针82连接第二类三角形金属辐射贴片12和第二威尔金森功分器72另一个输出端口的连接传输微带线末端的馈电点，第三馈电探针83连接第三类三角形金属辐射贴片13和第三威尔金森功分器73其中一个输出端口的连接传输微带线末端的馈电点，第四馈电探针84连接第四类三角形金属辐射贴片14和第三威尔金森功分器73另一个输出端口的连接传输微带线末端的馈电点。
49.图5和图6为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线在4.90ghz的e面辐射场方向图和h面辐射场方向图，可以看到在该频点天线的交叉极化均大于18db，特别的在宽边辐射方向交叉极化大于23db，增益约为9.4dbi。
50.图7和图8为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线在5.54ghz的e面辐射场方向图和h面辐射场方向图，可以看到在该频点天线的交叉极化均大于10db，特别的在宽边辐射方向交叉极化大于24db，增益约为9.8dbi。
51.图9为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的s参数仿真曲线图，可以看到其中心频率为5ghz且具有良好的阻抗匹配，天线的|s
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10db带宽约为40.6％。
52.图10为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的轴比仿真曲线图，可以看到该天线具有良好的3db轴比带宽，大约为18.8％。
53.图11为本发明实施例的宽带高增益圆极化滤波天线的增益仿真曲线图，可以看到该天线具有良好的3db增益带宽，大约为19.9％，且有一个增益零点大约在5.84ghz左右。
54.综上所述，本发明天线通过使用顺序旋转的馈电方式实现了高增益宽带圆极化天线，同时通过在类三角形金属辐射贴片1的中间设置一个十字形金属辐射贴片2引入滤波效果，最终实现了阻抗匹配带宽约为40.6％，3db轴比带宽约为18.8％，3db增益带宽约为19.9％，4.9ghz和5.54ghz增益均大于9.4dbi的良好性能。
55.以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。