CN102610908A - 超宽频四带圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽频四带圆极化天线，该天线包括：金属地板(1)，介质基板(2)，辐射贴片(3)，馈电枝节(4)，匹配枝节(5)和微带线馈源(6)，该辐射贴片(3)，馈电枝节(4)和匹配枝节(5)均印制在介质基板(2)的正表面上，与微带线馈源(6)进行电连接，呈轴对称结构；金属地板(1)上刻蚀有T型槽(7)，作为辐射贴片(3)的辐射反射板；辐射贴片(3)的中心位置上刻蚀有极化孔(8)，该极化孔(8)的边缘设有两个相互正交的矩形缝隙(9)和(10)，两缝隙的交点与极化孔(8)的中心点重合；微带线馈源(6)放置在介质基板(2)的边缘。本发明能实现具有宽极化带的超宽频四带圆极化特性，可应用于卫星通信。

Description

超宽频四带圆极化天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种超宽频四带圆极化天线，可用于全球微波互联接入Wimax，无线局域网WLAN，特高频X雷达波段和特高频Ku雷达波段进行通信。

背景技术

微带天线以其结构简单、低剖面、一维小型化以及易集成等特点，满足了现代无线通信系统发展的趋势和要求，得到越来越广泛的应用。一个无线通信系统的优劣，取决于天线、发射机功率、接收机灵敏度和信号处理等方面，而天线则起到关键性的作用。与以往的单制式通信标准相比，目前的营销商更希望不同的技术标准可以应用在同一天线中，针对完全不同的网络采用不同的通信编码方式，这就要求天线具有多种性能。超宽频多带圆极化天线融合了超宽带天线和多带圆极化天线的特性，具有很高的科研价值。超宽带天线的实现使天线覆盖了一定无线通信范围内的所有波段，为系统提供多种通信信道，满足了天线收发一体化及其扩展通信容量的需求，并简化了系统结构。超宽频多带圆极化天线，在超宽频通带实现多个工作带内的圆极化工作模，实现频率和极化复用，不仅能提高天线性能，而且在很大程度上能降低整个无线通信系统的成本。超宽频多带圆极化天线，被普遍应用于雷达卫星、射频识别、导航遥感、电子侦察和干扰等系统中，主要实现地面通信的极化分集、极化隔离；移动电台、卫星通信的收发共用、频率共用、频率捷变、抗多径衰落等。然而由于天线本身的多功性能，导致了天线结构的复杂化。

微带天线基本上可以分为微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线三类；微带贴片天线按贴片的不同形状可分为矩形微带天线、圆形微带天线、三角形、五角形、椭圆以及其他可能的几何图形微带天线；按实现方法大致可分为两类，即单层结构实现的微带天线和层叠结构实现的微带天线；微带天线馈电方式也有多种，实际中应用最多的是同轴线馈电、微带线馈电和缝隙耦合馈电三种方式。

目前，国内外进行了有关天线实现超宽频多带圆极化特性的一系列研究工作，并取得了一些成果。研究中多采用单极子天线结构，来实现天线的超宽带特性，方法简单易行，但这种天线的极化模式一般为线极化，较难实现天线的多带圆极化功能。有些研究人员在天线中采用多个正交的馈源或多层介质基板，来实现多带圆极化特性，这种结构虽然圆极化性能良好，但天线很难实现超宽带特性，且本身增加了天线的复杂性和不同频段和极化间的耦合，导致天线成本和调试难度的增加。还有些研究采用的是由曲线微带线构成的多带圆极化天线，这种结构形式不规则，无法用数值方法确定其馈电位置，在实际中不常见，而且结构相对复杂，主要依靠实际的工程经验来实现其目的，在实际应用中受到了一定的限制。上面各种方法由于本身存在的不足，限制了其在移动终端和卫星通信领域的应用。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种结构简单、极化带较宽的超宽频四带圆极化天线，以满足移动终端和卫星通信系统的需求。

为实现上述目的，本发明包括：

金属地板，方形介质基板，辐射贴片，馈电枝节，匹配枝节和微带线馈源，所述辐射贴片通过馈电枝节和匹配枝节与微带线馈源进行电连接，该辐射贴片、馈电枝节和匹配枝节均印制在方形介质基板的正表面上，呈轴对称结构，所述金属地板刻蚀有T型槽，用以实现天线低频处两个波段的圆极化，其特征在于：

所述辐射贴片的中心位置上刻蚀有极化孔，该极化孔的边缘设有两个相互正交的矩形缝隙，两缝隙的交点与极化孔的中心点重合。

所述辐射单元为圆形或矩形或椭圆形贴片。

所述辐射单元上刻蚀的极化孔用圆形或方形或椭圆形结构。

所述金属地板的长宽比为3，用作辐射贴片的辐射反射板。

所述圆形辐射贴片的半径为6mm-12mm。

所述圆形极化孔的半径在1.5mm-3mm范围内可调。

所述两个矩形缝隙长度不等，宽度相等，长度在8mm-15mm范围内取值，宽度在0.1mm-1mm范围内取值。

所述微带线馈源放置在方形介质基板的边缘。

所述方形介质基板的介电常数介于1-10之间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明由于在辐射贴片上刻蚀有两个矩形缝隙，相互正交放置，交点与辐射贴片的中心点重合，通过改变辐射贴片上电流流经的路径，减小了天线所需辐射贴片的面积。

2.本发明由于在辐射贴片上刻蚀有一个极化孔，增加了辐射贴片上电流的电长度，从而减小了天线所需辐射贴片的面积。

3.本发明由于采用匹配枝节调节天线的馈电，从而改善了工作频段内的阻抗匹配特性，提高了天线的辐射效率。

4.本发明由于辐射贴片，馈电枝节和匹配枝节均印制在介质基板的正表面上，结构简单，结构紧凑，加工方便，便于与射频前端的微波电路集成，降低了设计成本和系统复杂性。

5.本发明由于在辐射单元上刻蚀有一个极化孔和两个相交的矩形缝隙结构，形成了特高频X雷达波段和特高频Ku雷达波段两个频段的圆极化，实现了较宽的圆极化带。

6.本发明能根据实际需求自行改进，通过改变金属地板、辐射单元、T型槽、极化孔和相交矩形缝隙的尺寸和位置，来调节辐射工作点、阻抗带宽和极化带宽，满足不同的应用需求，设计简单灵活。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明实施例3的结构示意图；

图5是本发明实施例1的回波损耗仿真及实测曲线图；

图6是本发明实施例1在3.63GHz-3.69GHz的轴比图；

图7是本发明实施例1在5.18GHz-5.36GHz的轴比图；

图8是本发明实施例1在10.94GHz-11.05GHz的轴比图；

图9是本发明实施例1在15.125GHz-17.575GHz的轴比图；

图10是本发明实施例1在3.7GHz处的左右旋圆极化方向图；

图11是本发明实施例1在5.1GHz处的左右旋圆极化方向图。

具体实施方式

下面结合实施实例及附图，对本发明做进一步描述：

实施例1：

参见图1和图2，本发明的超宽频四带圆极化天线，包括：金属地板1，方形介质基板2，辐射贴片3，馈电枝节4，匹配枝节5和微带线馈源6，所述辐射贴片3通过馈电枝节4和匹配枝节5与微带线馈源6进行电连接，该辐射贴片3、馈电枝节4和匹配枝节5均印制在介质基板2的正表面上，呈轴对称结构；辐射贴片3的中心位置上刻蚀有极化孔8，该极化孔8的边缘设有两个相互正交的矩形缝隙9和10，两缝隙的交点与极化孔8的中心点重合；微带线馈源6放置在介质基板2的边缘。

所述极化孔8的形状为圆形孔，该圆形极化孔8的半径设为R，R在1.5mm-3mm范围内可调，通过改变R的大小，可以调节极化工作点和圆极化带宽。例如R为2.2mm时，天线在3.62GHz-3.68GHz，4.98GHz-5.22GHz，10.82GHz-10.92GHz和15.15GHz-17.7GHz四个频带内实现圆极化特性；R为2.3mm时，天线在3.63GHz-3.69GHz，5.18GHz-5.36GHz，10.94GHz-11.05GHz和15.125GHz-17.575GHz四个频带内实现圆极化特性；R为2.4mm时，天线在3.62GHz-3.77GHz，5.14GHz-5.34GHz，10.99GHz-11.11GHz和14.675GHz-17.875GHz四个频带内实现圆极化特性。本实例中，R取值为2.3mm。

所述两个矩形缝隙9和10长度不等，宽度相等，长度在8mm-14mm范围内取值，宽度在0.1mm-1mm范围内取值。本实例中，矩形缝隙9的长度为10mm，宽度为0.5mm，矩形缝隙10的长度为12mm，宽度为0.5mm，两缝隙9和10关于极化孔8的圆心呈中心对称放置。

所述圆形极化孔8与两个矩形缝隙9和10，共同实现了10.94GHz-11.05GHz和15.125GHz-17.575GHz频段的圆极化。

所述金属地板1的长宽比取值为3，用作辐射贴片3的辐射反射板，本实例中，金属地板1的长为27mm，宽为9mm；金属地板1上刻蚀有一个T型槽7，该T型槽7包括一个纵向矩形槽和一个横向矩形槽，纵向矩形槽的长为4mm，宽为0.6mm，横向矩形槽的长为6.9mm，宽为1.3mm，实现了3.63GHz-3.69GHz和5.18GHz-5.36GHz频段的圆极化。

所述辐射贴片3的半径取值为8.5mm；介质基板2的介电常数为4.4，边长为27mm，厚度为1mm；馈电枝节4的长为6.5mm，宽为1.6mm；匹配枝节5的长为3mm，宽为2mm。

实施例2：

参见图3，本实施例中超宽频四带圆极化天线的辐射单元3为椭圆贴片，该辐射单元3上刻蚀的极化孔8采用椭圆形结构，椭圆形辐射贴片3的长轴半径为8mm，短轴半径为4mm，椭圆形极化孔8的半径的长轴半径为3mm，短轴半径为1.5mm，矩形缝隙9的长度为8mm，宽度为0.1mm，矩形缝隙10的长度为10mm，宽度为0.1mm，介质基板2的介电常数为1，其余结构与实施实例1相同。

实施例3：

参见图4，本实施例中超宽频四带圆极化天线的辐射单元3为矩形贴片，该辐射单元3上刻蚀的极化孔8采用方形结构，矩形辐射贴片3的长为18mm，宽为9mm，方形极化孔8的边长为2.3mm，矩形缝隙9的长度为12mm，宽度为1mm，矩形缝隙10的长度为14mm，宽度为1mm，介质基板2的介电常数为10，其余结构与实施实例1中相同。

以上是本发明的三个具体实例并不构成对本发明的任何限制。

本发明的实例效果可通过以下结果图进一步说明：

对本发明实施例1的回波损耗进行仿真和测量，其结果如图5所示，由图5回波损耗的仿真和测量曲线图可见，本发明的超宽带天线工作频段覆盖3.2GHz-20GHz，其带宽为16.8GHz，相对带宽为145％。

对本发明实施例1分别在3.63GHz-3.69GHz，5.18GHz-5.36GHz，10.94GHz-11.05GHz和15.125GHz-17.575GHz处的轴比进行仿真，其结果分别如图6、图7、图8和图9所示，由图6、图7、图8和图9的轴比图可见，本发明在各频段内的圆极化相对带宽分别为4％，4.5％，1％，17.4％，实现了宽极化带宽。

对本发明实施例1在3.7GHz和5.1GHz处的左右旋圆极化方向图进行仿真，其结果如图10和图11所示，由图10和图11的方向图可见，本发明在3.7GHz和5.1GHz处分别实现了左旋圆极化和右旋圆极化特性，其增益为1.5dB以上。

Claims (9)

1.一种超宽频四带圆极化天线，包括金属地板(1)，方形介质基板(2)，辐射贴片(3)，馈电枝节(4)，匹配枝节(5)和微带线馈源(6)，所述辐射贴片(3)通过馈电枝节(4)和匹配枝节(5)与微带线馈源(6)进行电连接，该辐射贴片(3)、馈电枝节(4)和匹配枝节(5)均印制在方形介质基板(2)的正表面上，呈轴对称结构，所述金属地板(1)刻蚀有T型槽(7)，用以实现天线低频处两个波段的圆极化，其特征在于：

所述辐射贴片(3)的中心位置上刻蚀有极化孔(8)，该极化孔(8)的边缘设有两个相互正交的矩形缝隙(9)和(10)，两缝隙的交点与极化孔(8)的中心点重合。

2.根据权利要求1所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于辐射单元(3)为圆形或矩形或椭圆形贴片。

3.根据权利要求1所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于极化孔(8)为圆形或方形或椭圆形结构。

4.根据权利要求1所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于金属地板(1)的长宽比为3，用作辐射贴片(3)的辐射反射板。

5.根据权利要求2所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于圆形辐射贴片(3)的半径为4mm-9mm。

6.根据权利要求3所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于圆形极化孔(8)的半径在1.5mm-3mm范围内可调。

7.根据权利要求1所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于两个矩形缝隙(9)和(10)长度不等，宽度相等，长度在8mm-14mm范围内取值，宽度在0.1mm-1mm范围内取值。

8.根据权利要求1所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于微带线馈源(6)放置在方形介质基板(2)的边缘。

9.根据权利要求1所述的超宽频四带圆极化天线，其特征在于方形介质基板(2)的介电常数介于1-10之间。

Images