一种紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线及天线阵列

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种紧凑型多模宽带圆极化多模宽带圆极化背腔缝隙天线及天线阵列。


背景技术：

2.传统圆极化天线利用一对简并模式进行设计，带宽较窄，这是因为一对简并模式只能产生一个轴比极小值点。在背腔缝隙天线中，为了提升圆极化天线的轴比带宽，通常是引入具有宽带匹配特性的馈电结构，常用的是传统的功分馈电网络以及其他一些耦合结构。因此，宽带圆极化背腔缝隙天线大都是阵列天线。或者通过引入多层的馈电波导结构以及耦合腔体结构，提升了轴比带宽。总的来说，这些宽带天线都是以增加额外的结构来提升轴比带宽。
3.因此，现有技术还有待改进和提高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线及天线阵列，旨在解决现有技术的都需要增加额外的结构来提升轴比带宽中的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供一种紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线，其中，所述紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线包括：馈电腔体；设置在所述馈电腔体底部的馈电缝隙，所述馈电缝隙上设置有探针；对称设置在所述馈电腔体内的两个三棱柱，所述馈电缝隙设置在两个所述三棱柱之间；以及设置在所述馈电腔体顶部的辐射缝隙；所述三棱柱的尺寸可进行调整，用于使两个轴比通带相互靠近，形成一个宽带轴比曲线。
7.在一种实现方式中，所述辐射缝隙为十字形辐射缝隙。
8.在一种实现方式中，所述三棱柱嵌入设置在所述馈电腔体的拐角处。
9.在一种实现方式中，所述紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线为全金属结构。
10.第二方面，本发明实施例提供一种基于上述方案任一项所述的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线所形成的天线阵列，所述天线阵列上的十字形辐射缝隙设置为2
×
2形式，形成2
×
2缝隙阵列。
11.在一种实现方式中，所述天线阵列上的三棱柱设置为阶梯型三棱柱。
12.有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线及天线阵列，所述模宽带圆极化背腔缝隙天线包括：馈电腔体；设置在所述馈电腔体底部的馈电缝隙，所述馈电缝隙上设置有探针；对称设置在所述馈电腔体内的两个三棱柱，所述馈电缝隙设置在两个所述三棱柱之间；以及设置在所述馈电腔体顶部的辐射缝隙，所述三棱柱的尺寸可进行调整，用于使两个轴比通带相互靠近，形成一个宽带轴比曲线。本发明的天线在实现宽轴比带宽的同时具有更为简单的天线结构。
附图说明
13.图1为本发明提出的利用两对简并模式的宽带圆极化天线的实现原理示意图。
14.图2为本发明实施例提供的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线的结构示意图。
15.图3为本发明实施例提供的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线的俯视示意图。
16.图4为本发明实施例提供的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线中频率以及轴比性能随棱柱尺寸的变化曲线。
17.图5为本发明实施例提供的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线中单个十字缝隙的宽带圆极化仿真结果及与窄带圆极化的轴比性能对比图。
18.图6为本发明实施例提供的基于紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线形成的天线阵列的结构示意图。
19.图7为本发明实施例提供的天线阵列的轴比性能随棱柱尺寸的变化曲线。
20.图8为本发明实施例提供的天线阵列的仿真结果示意图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
23.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
24.传统圆极化天线利用一对简并模式进行设计，带宽较窄，这是因为一对简并模式只能产生一个轴比极小值点。在背腔缝隙天线中，为了提升圆极化天线的轴比带宽，通常是引入具有宽带匹配特性的馈电结构，常用的是传统的功分馈电网络以及其他一些耦合结构。因此，宽带圆极化背腔缝隙天线大都是阵列天线。或者通过引入多层的馈电波导结构以及耦合腔体结构，提升了轴比带宽。总的来说，这些宽带天线都是以增加额外的结构来提升轴比带宽。
25.为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种基于两对简并模式的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线以及天线阵列。在单个腔体中，通过激励起两对简并模式(四个谐振模式)，每一对简并模式可以独立形成一个轴比频带，通过引入微扰结构，将两个分开的轴比频带结合起来，形成一个具有两个轴比极小值的宽轴比带宽。相比传统的宽带圆极化天线，本发明所提出的天线具有比较简单的天线结构。本发明提出的紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线的原理如图1中所示，利用两对简并模式的来设计宽带圆极化天线，其每一对
简并模式产生一个轴比极小值点，通过适当的微扰，将两个极小值点相互靠近，从而形成一个具有两个轴比极小值点的宽轴比带宽。
26.具体地，本实施例提供一种紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线，如图2和图3中所示。所述紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线包括：馈电腔体；设置在所述馈电腔体底部的馈电缝隙，所述馈电缝隙上设置有探针；对称设置在所述馈电腔体内的两个三棱柱，所述馈电缝隙设置在两个所述三棱柱之间；以及设置在所述馈电腔体顶部的辐射缝隙。所述辐射缝隙为十字形辐射缝隙。并且，从图3中可以看出，十字形辐射缝隙的一个边与三棱柱的一个侧面平行。本实施例中的所述三棱柱嵌入设置在所述馈电腔体的拐角处。在本实施例中，所述三棱柱的尺寸可进行调整，用于使两个轴比通带相互靠近，形成一个宽带轴比曲线。也就是说，本实施例可通过调整图3中的三棱柱上的l
t1
的来调整宽带轴比，从而使得单个腔体内的两对简并模式所设计出的圆极化背腔缝隙天线有宽轴比带宽。并且，在本实施例中，所述紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线为全金属结构，也就是说整个腔体都是金属结构而没有额外的介质损耗，以及无功分馈电网络减少了馈电结构的能量损耗。
27.本实施例还该对圆极化背腔缝隙天线进行仿真测试，图4给出了单个天线单元的宽带圆极化天线的仿真结果，即给出了频率以及轴比性能随棱柱尺寸的变化曲线，其中，(a)为|s11|曲线；(b)为轴比曲线。为了显示本发明天线的宽带性能，基于一对简并模式的轴比曲线也放在图中作为对比，如图5所示。由图5可见，利用单个腔体中的两对简并模式所设计的圆极化天线具有13.8％轴比带宽，远宽于一对简并模式的1％轴比带宽。
28.基于上述实施例，本发明还提供一种天线阵列，该天线阵列是基于上述圆极化背腔缝隙天线得到的。如图6中所示，所述天线阵列为2
×
2缝隙阵列，该天线阵列是基于单个谐振腔体进行设计。在此天线阵列中，十字形辐射缝隙设置为2
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2形式，并将图2的三棱柱进行改进，改成如图6所示的阶梯型三棱柱，同样可以通过调整三棱柱的尺寸，使两个轴比通带相互靠近，可以形成一个宽带轴比曲线。同样地，在本实施例中，所述天线阵列为全金属结构，也就是说整个腔体都是金属结构而没有额外的介质损耗，以及无功分馈电网络减少了馈电结构的能量损耗。
29.为了验证该天线阵列的仿真设计，本实施例对2
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2宽带圆极化缝隙天线阵列进行加工和测试。图7给出了该宽带圆极化天线阵列的轴比性能随棱柱尺寸的变化曲线。图8(a)是该天线阵列的测量和仿真的|s11|和总效率的对比图，图8(b)是测量和仿真的|增益和轴比的对比图。天线的10
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db阻抗带宽，3
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db轴比带宽以及3
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db增益带宽从3.82ghz到4.44ghz，对应的分数带宽约为15％。在工作频段内的测量增益从10.3dbic到11.8dbic。在整个工作频段内，天线的测量总效率大于90％，最高效率达到96％，而仿真的总效率大于93％，最高99.5％。本发明天线的高效率是由于采用了全金属结构而没有额外的介质损耗，以及无功分馈电网络减少了馈电结构的能量损耗。
30.综上，本发明公开了一种紧凑型多模宽带圆极化背腔缝隙天线及天线阵列，所述模宽带圆极化背腔缝隙天线包括：馈电腔体；设置在所述馈电腔体底部的馈电缝隙，所述馈电缝隙上设置有探针；对称设置在所述馈电腔体内的两个三棱柱，所述馈电缝隙设置在两个所述三棱柱之间；以及设置在所述馈电腔体顶部的辐射缝隙，所述三棱柱的尺寸可进行调整，用于使两个轴比通带相互靠近，形成一个宽带轴比曲线。本发明的天线具有更宽的轴比带宽，且没有增加天线的尺寸，具有更为简单的天线结构。
31.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。