一种磁介质加载的低剖面宽带双极化天线

1.本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种磁介质加载的低剖面宽带双极化天线。


背景技术：

2.双极化天线被广泛应用于无线通信系统、雷达、电子战领域，因为它能有效地提高信道容量，缓解多径衰落问题。此外，通过调控两个线极化输入信号的相位，双极化天线可以合成左旋圆极化波或右旋圆极化波，提高抗干扰能力。在实际应用中，双极化天线常常安装于金属导体或者地面等导电载体上，这些导电载体会影响天线的工作带宽及辐射增益等性能，传统的解决办法是将天线与导电载体分隔一段距离，通常要求这段距离大于天线最低工作频率在自由空间中所对应波长的四分之一倍。因为天线的频率与天线的波长成反比的关系，在一些频率较低的频段，天线往往会在导电载体上架设的很高。例如当天线工作于30 mhz时，自由空间的波长为10米，天线架设高度（剖面）约为2.5米，如此高的剖面会带来易受环境影响、隐蔽性低、机动性差、易损坏、安装复杂、制作安装成本高等问题。
3.随着无线通信技术的发展，通信设备可实现功能日益增多，设备的复杂度不断增加，因此天线器件的小型化、低剖面、隐蔽化是一个重要的发展方向，其在机载、车载、舰载及弹载共形通信系统、无线通信基站及隐蔽化雷达系统等领域中具有重要应用潜力。此外，在各种应用场景中，除了对天线低剖面小型化的要求外，还要求天线具有频带宽、增益高、效率高、隔离度高、辐射方向图稳定等性能，以提升无线系统的通信能力。
4.因此，低剖面宽带高性能天线的实现具有一定的挑战性，同时具有非常重要的实用价值，在低剖面天线的设计中，微带天线因其剖面低、成本低、易加工等特点而受到广泛关注，但是其带宽较窄（相对带宽小于10%）。超材料是一种周期性排布金属单元结构，其在一定频率范围具有同相反射相位，可用于低剖面天线设计中，在降低天线剖面的同时保障天线的增益，但是存在尺寸大、频带窄、加工复杂等问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种磁介质加载的低剖面宽带双极化天线，解决了上述背景技术中提到的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁介质加载的低剖面宽带双极化天线，包括天线辐射单元；设置于所述天线辐射单元下方以反射天线辐射单元辐射电磁波的反射板；设置于连通所述天线辐射单元和所述反射板之间的短路支柱结构；及设置于所述天线辐射单元和所述反射板之间以削弱两者之间的电磁互耦效应的磁介质。
7.优选的，所述天线辐射单元包括介质基板、以及对称设置在所述介质基板下表面且结构相同的第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元；所述第一辐射单元和第二辐射单元相互对称组成第一天线结构；
所述第三辐射单元和第四辐射单元相互对称组成第二天线结构；所述第一天线结构与第二天线结构呈
±
45
°
正交。
8.优选的，所述介质基板上表面还设置有用于给第一天线结构馈电的第一馈电单元以及用于给第二天线结构馈电的第二馈电单元；所述第一馈电单元包括依次相连的第一分叉部分、第一延伸部分和第二延伸部分；所述第二馈电单元包括依次相连的第二分叉部分和第三延伸部分；所述第一分叉部分用于耦合激励第一辐射单元，所述第二分叉部分用于耦合激励第三辐射单元。
9.优选的，所述第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元上分别开设有结构相同且对称的第一缝隙槽、第二缝隙槽、第三缝隙槽和第四缝隙槽。
10.优选的，所述介质基板开设有第一开孔、第二开孔、第三开孔和第四开孔，所述介质基板的下表面还设置有连接单元；所述连接单元的一端通过第一探针穿过介质基板上的第一开孔后与第一延伸部分相连，另一端通过第二探针穿过介质基板上的第二开孔后与第二延伸部分相连。
11.优选的，所述第二辐射单元与第一同轴线的外导体电性连接，其内导体穿过介质基板上的第三开孔后与第二延伸部分电性连接；所述第四辐射单元与第二同轴线的外导体电性连接，其内导体穿过介质基板上的第四开孔后与第三延伸部分电性连接。
12.优选的，所述磁介质的面积大于、等于或小于反射板面积;磁介质的位置可以设置在反射板上，也可以设置在天线辐射单元和反射板之间一定空间处；磁介质的厚度可以等于或小于辐射单元和反射板之间的间隙。
13.优选的，所述磁介质的材料类型是无机类磁性材料、有机类磁性材料、复合磁性材料中的一种或多种。
14.优选的，所述天线辐射单元与所述反射板之间的距离小于0.1 λ，其中λ为天线工作最低频率在自由空间中的波长。
15.优选的，所述反射板为导电载体。
16.本发明的有益效果是：1）本发明通过在天线辐射单元和反射板之间设置磁介质来削弱两者之间的电磁互耦效应，从而实现降低天线剖面的效果；并且通过加载磁介质可以提升低剖面天线阻抗匹配带宽、增益及效率，结合天线的结构设计，实现了在部分特定区域加载磁介质提升天线性能的目的；2）本发明通过在介质基板上表面放置两个馈电单元，不仅能够很方便的用于调节阻抗匹配，而且与四个辐射单元一起协同作用辐射电磁波，实现了稳定的天线方向图带宽；3）本发明利用短路支柱结构连通天线辐射单元和反射板，能够提升天线的阻抗匹配性能，并且扩展天线的应用带宽，与此同时起到支撑天线整体结构的作用，构建低剖面高性能天线。
附图说明
17.图1是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意
图；图2是辐射单元为领结形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图3是辐射单元为子弹形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图4是辐射单元为椭圆形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图5是馈电单元为y形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图6是馈电单元为叉子形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图7是馈电单元为t形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图8是磁介质为四边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图9是磁介质为多边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图10是磁介质为圆形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图11是磁介质在反射板上的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图12是磁介质悬空设置的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图13是磁介质高度等于辐射单元和反射板间隙的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图14是磁介质高度小于辐射单元和反射板间隙的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图15是磁介质面积大于反射板面积的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图16是磁介质面积等于反射板面积的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图17是磁介质面积小于反射板面积的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图18是短路支柱结构为l形柱结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图19是短路支柱结构为四棱柱结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图20是短路支柱结构为圆形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图21是短路支柱结构为十字交叉柱结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线结构示意图；图22是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线俯视图；图23是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线侧视图；图24是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线端口反射系数图；图25是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线增益图；
图26是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线效率图；图27是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线端口隔离度图；图28是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线在250 mhz的辐射方向图；图29是辐射单元为七边形结构的磁介质加载的低剖面宽带双极化天线在400 mhz的辐射方向图；图中，1-天线辐射单元；101-介质基板；102-第一辐射单元；103-第二辐射单元；104-第三辐射单元；105-第四辐射单元；106-第一天线结构；107-第二天线结构；108-第一馈电单元；109-第一分叉部分；110-第一延伸部分；111-第二延伸部分；112-第二馈电单元；113-第二分叉部分；114-第三延伸部分；115-第一开孔；116-第二开孔；117-第三开孔；118-第四开孔；119-连接单元；120-第一探针；121-第二探针；122-第一同轴线；123-第二同轴线；124-第一缝隙槽；125-第二缝隙槽；126-第三缝隙槽；127-第四缝隙槽；2-反射板；3-短路支柱结构；4-磁介质。
具体实施方式
18.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
19.请参阅图1-图29，本发明提供一种技术方案：一种磁介质加载的低剖面高性能宽带双极化天线，包括：天线辐射单元1；设置于天线辐射单元1下方以反射天线辐射单元1辐射电磁波的反射板2；设置于连通所述天线辐射单元1和所述反射板2之间的短路支柱结构3；及设置于天线辐射单元1和反射板2之间以削弱两者之间的电磁互耦效应的磁介质4。
20.通过在天线辐射单元和反射板之间设置磁介质来削弱两者之间的电磁互耦效应，从而实现降低天线剖面的效果；并且通过加载磁介质可以提升低剖面天线阻抗匹配带宽、增益及效率，结合天线的结构设计，实现了在部分特定区域加载磁介质提升天线性能的目的。
21.进一步的，如图22所示，天线辐射单元1包括介质基板101、以及对称设置在介质基板101上且结构相同的第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105，即第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105的形状、结构参数均相同，并且第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105关于介质基板101的法线中心对称。
22.在介质基板101上可以将第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105印制在介质基板101的上表面或下表面，或者也可以将第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105分别印制在介质基板101的上表面和下表面，或者也可以将第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105嵌入介质基板101内部。
23.第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105的形
状可以采用多种类型的几何图形，例如七边形、领结形、子弹形、椭圆形等，分别如图1-图4所示。
24.如图1所示，第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105均采用七边形结构组成两对正交放置的偶极子天线，四个七边形辐射单元以顶点相对方式设置。
25.如图2所示，第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105均采用领结形结构组成两对正交放置的偶极子天线，四个领结形辐射单元以顶点相对方式设置。
26.如图3所示，第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105均采用子弹形结构组成两对正交放置的偶极子天线，四个子弹形辐射单元以顶点相对方式设置。
27.如图4所示，第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105均采用椭圆形结构组成两对正交放置的偶极子天线，四个椭圆形辐射单元以顶点相对方式设置。
28.所述第一辐射单元102和第二辐射单元103相互对称组成第一天线结构106，第三辐射单元104和第四辐射单元105相互对称组成第二天线结构107，所述第一天线结构106和第二天线结构107呈
±
45
°
相互正交形成双极化天线结构。
29.本发明通过在介质基板下表面相互正交印制第一天线结构和第二天线结构形成
±
45
°
正交极化的双极化天线，使得隔离度在较宽范围内得到有效提升。
30.进一步的，介质基板101上还设置有第一馈电单元108用于给第一天线结构106馈电，包括第一分叉部分109、第一延伸部分110和第二延伸部分111以及用于给第二天线结构107馈电的第二馈电单元112包括第二分叉部分113和第三延伸部分114；所述第一分叉部分109用于耦合激励第一辐射单元102，所述第二分叉部分113用于耦合激励第三辐射单元104。
31.通过在介质基板上表面放置两个馈电单元，不仅能够很方便的用于调节阻抗匹配，而且与四个辐射单元一起协同作用辐射电磁波，实现了稳定的天线方向图带宽。
32.第一馈电单元108和第二馈电单元112的形状可以采用多种类型的几何图形，例如y形、叉子形、t形等，如图5、图6、图7所示。
33.进一步的，介质基板101开设有第一开孔115、第二开孔116、第三开孔117和第四开孔118，所述介质基板101的下表面还设置有连接单元119；所述连接单元119的一端通过第一探针120穿过介质基板101上的第一开孔115后与第一延伸部分110相连，另一端通过第二探针121穿过介质基板101上的第二开孔116后与第二延伸部分111相连。如图22和图23所示，第一同轴线122（50 ω）的外导体与第二辐射单元103相焊接（电性连接），内导体穿过介质基板101上的第三开孔117后与第二延伸部分111相焊接；所述第二同轴线123（50 ω）的外导体与第四辐射单元105相焊接，内导体穿过介质基板101上的第四开孔118后与第三延伸部分114相焊接。
34.连接单元使得第一同轴线和第二同轴线能够对第一馈电单元和第二馈电单元进行激励，能够避免调节阻抗匹配的外加巴伦或者阻抗匹配电路引入的欧姆损耗，并且结构更简单，成本更低，更方便实际应用。
35.进一步的，第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105上分别开设有结构相同且中心对称的第一缝隙槽124、第二缝隙槽125、第三缝隙槽126和第四缝隙槽127。具体而言，第一缝隙槽124、第二缝隙槽125、第三缝隙槽126和第四缝隙槽127的尺寸相同，并且均设置在第一辐射单元102、第二辐射单元103、第三辐射单元104和第四辐射单元105的相对顶点/边相同距离的中线对称位置，从而实现更好的阻抗匹配以及更宽的带宽，提升天线的阻抗匹配性能，并且扩展天线的应用带宽。
36.进一步的，磁介质4可以设置为不同的面积，分别对应的工作模式；并且磁介质4的形状也可以采用多种类型的几何图形，例如四边形、多边形、圆形等，如图8、图9、图10所示；磁介质4的位置可以如图11设置在反射板2上，也可以如图12设置在天线辐射单元1和反射板2之间悬空设置，以实现减小天线辐射单元1和反射板2之间耦合的效果；磁介质4的高度可以等于或小于辐射单元1和反射板2之间的间隙，如图13、图14所示。
37.进一步的，磁介质4的材料类型包括无机类磁性材料、有机类磁性材料、复合磁性材料中的一种或多种，如铁氧体、金属磁性材料、有机高分子磁性材料、有机/无机复合磁性材料。由于磁介质4具有高的磁性能和介电性能，其介质内等效波长会显著降低，可以延长天线辐射单元1和反射板2之间电磁波的等效传播路径，从而有效削弱天线辐射单元1和反射板2之间的电磁互耦效应，从而提升天线低剖面情况下的带宽、增益及效率性能。
38.具体而言，磁介质4的面积可以设置为等于反射板2面积，当天线辐射单元1工作时会向反射板2方向辐射电磁波，而由于反射板2的导电特性，会反射天线辐射单元1向反射板2方向辐射的电磁波，天线辐射单元1和反射板2之间的互耦效应会影响天线辐射单元1有效辐射电磁波，因此通过在天线辐射单元1和反射板2之间设置面积大于或等于反射板2面积的磁介质4，如图15和图16所示，使得磁介质完全覆盖反射板2，能够有效削弱天线辐射单元1和反射板2之间的电磁互耦效应。
39.如图17所示，磁介质4的面积也可以设置为小于反射板2面积，但由于磁介质4的面积的减小，其削弱天线辐射单元1和反射板2之间的电磁互耦效应能力会降低。结合天线辐射单元1的结构设计，在特定位置加载磁介质4材料降低天线剖面并且提升天线性能，提高了磁介质4使用效率，降低了天线整体的重量及成本。
40.进一步的，天线辐射单元1与反射板2之间的距离小于0.1 λ，其中λ为天线工作最低频率在自由空间中的波长，能够保证天线剖面高度大幅降低的同时具有高宽带、高增益的优秀性能。
41.天线辐射单元1与反射板2之间设置有短路支柱结构3，从而能够提升天线的阻抗匹配性能，并且扩展天线的应用带宽，与此同时起到支撑天线整体结构的作用，构建低剖面高性能天线。短路支柱结构3可以多种形状的支柱结构，设置在天线辐射单元1与反射板2的四个顶点附近，例如l形柱、四棱柱、圆柱、十字交叉柱等，如图18、图19、图20、图21所示；进一步的，反射板2具体为导电载体，反射板2具有导电特性，能够反射天线向反射板2方向辐射的电磁波，使得天线可以实际应用于各种导电载体平台上，扩展了天线的应用范围。具体而言，反射板2可以为铜、铁、钢、合金、铝、锡等金属板或者水泥、土壤、水面等。
42.本发明提供的一种低剖面高性能宽带双极化天线，天线在保持很低剖面（小于0.1 λ）的情况下，天线的相对带宽超过50%，覆盖248-430 mhz频段，工作频段内天线的增益在5 dbi左右，天线辐射效率在80%-92%之间，在天线的辐射方向为垂直于地面向上的定向辐射，
工作频段内天线的辐射方向图稳定。
43.以辐射单元为七边形结构的天线为例，图24给出了辐射单元为七边形结构天线的端口反射系数图，天线的阻抗匹配性能良好，阻抗带宽为248-430 mhz，相对带宽为53.8%，属于宽带天线，按照天线的最低频率248 mhz计算，天线的剖面仅为0.025 λ，远远小于传统天线0.25 λ的剖面。
44.图25给出了辐射单元为七边形结构天线的增益图，天线的工作频带内增益为4至5.2 dbi，天线增益较高且平稳。
45.图26给出了辐射单元为七边形结构天线的效率图，天线的辐射效率较高，天线的工作频带内效率超过90%，说明天线高效辐射。
46.图27给出了辐射单元为七边形结构天线的端口隔离度图，天线隔离度在248-430 mhz范围内达到了25 db以上，双端口有着良好的隔离特性。
47.图28给出了辐射单元为七边形结构天线在250 mhz的辐射方向图，天线的辐射方向为垂直于地面向上，天线为定向辐射，正向辐射增益为4.9 dbi。
48.图29给出了辐射单元为七边形结构天线在400 mhz的辐射方向图，天线的辐射方向为垂直于地面向上，天线为定向辐射，正向辐射增益为5 dbi。
49.本发明通过加载磁介质可以提升低剖面天线阻抗匹配带宽、增益及效率，结合天线的结构设计，实现了在部分特定区域加载磁介质提升天线性能的目的。
50.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。