CN102610909A

CN102610909A - 单馈双频宽波束圆极化天线

Info

Publication number: CN102610909A
Application number: CN2012100509629A
Authority: CN
Inventors: 翟会清; 李桂红; 李桐; 李龙; 梁昌洪
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种单馈双频宽波束圆极化天线。该天线包括：金属地板(1)、双层介质板(2)、辐射贴片(3)、同轴馈电单元(4)和金属支架(5)，辐射贴片(3)包含一个切去三角形角的耦合辐射贴片(3a)和一个主辐射贴片(3b)，主辐射贴片(3b)上刻蚀有互补型开口谐振环(6)，该谐振环相互嵌套，中心点重合，开口反向；主辐射贴片(3b)印制在双层介质板(2)的上表面，耦合辐射贴片(3a)印制在双层介质板(2)的中间平面；同轴馈电单元(4)偏置在双层介质板(2)内部；金属支架(5)对称放置在双层介质板(2)的四角。本发明能实现具有宽波束、高增益和低耦合特点的双频圆极化特性，可应用于卫星通信。

Description

单馈双频宽波束圆极化天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体工作在特高频S雷达波段和特高频C雷达波段的一种高增益单馈双频宽波束圆极化天线。

背景技术

近年来，随着雷达探测领域、全球定位系统、射频识别技术、个人移动通信的发展，双频带双极化天线广泛受到关注。通常一个无线通信系统的优劣，取决于天线、发射机功率及频谱、接收机灵敏度、信号处理等方面，而天线则起到关键性的作用。根据现代通信的需要，天线发展的一个重要方向是多功能性，如多频带、多极化和多用途等。双频段天线的初步目标是地面通信模拟网与数字网兼容的手机天线，以及卫星通信上行、下行频段共用的移动台天线。双频双极化天线的实现使天线能工作在两个不同的频段，在双频通带内发射或接收两个正交极化的电磁波，为系统提供两条通信信道，实现频率和极化复用，满足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。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融合在同一天线上，这种天线支持多频多极化工作，针对完全不同的网络采用不同的通信编码方式。双频双极化天线在实际中有很多应用，如地面通信的极化分集、频率捷变、抗多径衰落；移动电台、卫星通信的收发共用、极化隔离；地面、卫星通信的双模工作，卫星通信与全球定位系统的频率共用等。它能够接收和发射任意极化方向上的电磁波，有很强的抗干扰能力，有利于系统的小型集成化设计，可以增加通信容量、降低了生产成本，更容易实现天线的全极化和智能化。

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、缝隙耦合馈电三种方式。

目前，国内外进行了有关天线实现双频圆极化特性的一系列研究并取得了一些成果。研究中多采用刻蚀孔径的方法，来实现天线的双频带及圆极化特性，这种天线虽然结构简单、较易实现，但一般增益比较低，极化波束相对较窄，缺陷地结构也容易造成背向辐射，造成天线辐射效率的下降。有些研究人员采用的是短路法，其目的在于改变基模或高次模的谐振频率，从而实现按设计要求的双频带特性，它的一种典型形式即为平面倒F天线，广泛应用在手机终端，其缺点是圆极化特性较难实现。还有一些研究引入了双层辐射贴片结构，这种结构一般通过两个端口馈电，来实现双极化特性，这种方法会有效地改善天线的辐射特性，并为天线的小型化提供了途径，但双端口馈电会增加天线本身的复杂性，且端口之间的耦合很难去除，一定程度上增加了天线的成本和调试的难度。上面各种方法由于本身存在的不足，限制了其在卫星通信领域的应用。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种能实现高增益、低隔离的单馈双频宽波束圆极化天线，以满足卫星通信领域的需求。

为实现上述目的，本发明包括：金属地板，双层介质板，辐射贴片，同轴馈电单元和金属支架，其特征在于：

所述辐射贴片包含一个切去三角形角的耦合辐射贴片和一个主辐射贴片，主辐射贴片上刻蚀有互补型开口谐振环；主辐射贴片印制在双层介质板的上表面，耦合辐射贴片印制在双层介质板的中间平面；互补型开口谐振环的两个环形结构开口反向，两环相互嵌套，中心点重合。

所述金属地板工作在双频天线的低频点处，作为耦合辐射单元的反射辅助板，该金属地板的边长取值为0.6λ-0.8λ。

所述耦合辐射贴片工作在双频天线的低频点处，该耦合辐射贴片的边长取值为0.4λ-0.5λ。

所述主辐射贴片工作在双频天线的高频点处，该主辐射贴片的边长取值为0.4λ-0.5λ。

所述互补型开口谐振环工作在双频天线的高频点处，该互补型开口谐振环的边长取值为0.1λ-0.2λ。

所述互补型开口谐振环的位置可调，该互补型开口谐振环的中心和主辐射贴片的中心距离在1.9mm-2.2mm范围内取值。

所述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.本发明由于在主辐射单元上刻蚀的互补型开口谐振环，两环开口反向，相互嵌套，中心点重合，减小了天线所需主辐射贴片的面积。

2.本发明由于在耦合辐射单元上采用三角形切角，改变了辐射面电流的流经路径，增加了辐射单元的电长度，从而减小了天线所需耦合辐射贴片的面积。

3.本发明由于采用双层介质板结构，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。

4.本发明由于采用同轴馈电结构，在耦合辐射贴片上刻蚀了一个圆形槽孔，降低了不同工作频段间的耦合。

5.本发明由于通过在辐射单元上刻蚀互补开口谐振环和切角结构，形成了两个频段的圆极化，实现了宽极化波束和高增益特性。

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、互补型开口谐振环的尺寸和位置，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是本发明的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明的回波损耗仿真及实测曲线图；

图4是本发明在低频段的轴比图；

图5是本发明在高频段的轴比图；

图6是本发明在3.025GHz处的轴比图；

图7是本发明在4.297GHz处的轴比图；

图8是本发明在3.025GHz处的左右旋圆极化方向图；

图9是本发明在4.297GHz处的左右旋圆极化方向图；

图10是本发明在主方向上的峰值增益曲线图。

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：

参见图1和图2，本发明的单馈双频带宽波束圆极化天线，包括：金属地板1，双层介质板2，两个辐射贴片3，同轴馈电单元4，金属支架5，该辐射贴片3包含一个切去三角形角的耦合辐射贴片3a和一个主辐射贴片3b，耦合辐射贴片3a对称印制在双层介质板2的中间平面，即上层介质板的下表面或下层介质板的上表面；主辐射贴片3b印制在双层介质板2的上表面。主辐射贴片3b上刻蚀有互补型开口谐振环6，该互补型开口谐振环6的两个环形结构开口反向，两环相互嵌套，中心点重合。同轴馈电单元4偏置在双层介质板2内部，金属支架5对称放置在双层介质板2的四角，起固定作用。

所述互补型开口谐振环6工作在双频天线的高频点处，其内环和外环边长的取值为0.1λ-0.2λ，其中λ为天线谐振波长，c为光速，f为谐振中心频率，ε_r为介电常数。根据上述公式，可计算出互补型开口谐振环6的环长。由于互补型开口谐振环6的环宽、开口间距和内外环缝隙对天线极化特性的影响很小，故可在0.1mm-1mm之间任意设定。本实例中，互补型开口谐振环6的边长设为5.8mm，环宽为0.3mm，开口间距为0.3mm，内外环缝隙为0.3mm，实现了4.285GHz-4.309GHz频段的圆极化。互补型开口谐振环6的中心点和主辐射贴片3b的中心点距离设为d，d在1.9mm-2.2mm范围内取值，通过改变d的大小，可以调节极化带宽。例如d为1.9mm时，高频段圆极化的相对带宽为0.5％；d为2.2mm时，高频段圆极化的相对带宽为0.475％。本实例中，d取值为1.9mm。

所述耦合辐射贴片3a上切有一个三角形角，本实例中切角的边长为3.5mm，实现了3.015GHz-3.035GHz频段的圆极化。

所述金属地板1的边长在0.6λ-0.8λ范围内取值，通过仿真可以得到具体的尺寸，本实例中金属地板1的边长为44mm，作为3.025GHz的反射辅助板；所述耦合辐射贴片3a的边长在0.4λ-0.5λ范围内取值，本实例中耦合辐射贴片3a的边长为30mm，工作在3.025GHz；所述主辐射贴片3b的边长在0.4λ-0.5λ范围内取值，本实例中主辐射贴片3b的边长为20mm，工作在4.297GHz，其中心与双层介质板2中心的距离设为4mm。

所述双层介质基板2的介电常数为2.65，边长为44mm，厚度为1mm；所述同轴馈电单元4的高度为2mm，半径为0.7mm，耦合孔半径为1mm，该馈电单元4中心点和主辐射贴片3b中心点的距离设为2mm；所述金属支架5的高度为2mm，直径为2mm。

所述主辐射单元3b上刻蚀的互补型开口谐振环6，不限于方形结构，也可采用开口的圆形、椭圆形或其他曲线形状。

以上是本发明的一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：

对本发明的回波损耗进行仿真和测量，其结果如图3所示，由图3回波损耗的仿真和测量曲线图可见，本发明在两个频段内工作，在3.025GHz处的阻抗带宽为54.2MHz，相对阻抗带宽为1.82％，在4.297GHz处的阻抗带宽为125.5MHz，相对阻抗带宽为2.95％。

对本发明在低波段和高波段处的轴比进行仿真，其结果如图4、图5所示，由图4、图5的轴比图可见，本发明在低波段和高波段的圆极化相对带宽分别为0.54％，0.5％。

对本发明在3.025GHz和4.297GHz处的轴比进行仿真，其结果如图6、图7所示，由图6可见，本发明在3.025GHz处的E面、H面圆极化波束范围分别为-100°-115°，-71°-66°，由图7可见，本发明在4.297GHz处的E面、H面圆极化波束范围分别为-106°-34°，-65°-80°，实现了天线的宽波束特性。

对本发明在3.025GHz和4.297GHz处的左右旋圆极化方向图进行仿真，其结果如图8、图9所示，由图8、9的方向图可见，本发明在3.025GHz和4.297GHz处分别实现右旋圆极化和左旋圆极化特性。

对本发明的峰值增益进行仿真，其结果如图10所示，由图10的增益曲线图可见，本发明的增益在工作频段内均大于7dB，实现了高增益。

Claims

1.一种单馈双频宽波束圆极化天线，包括金属地板(1)，双层介质板(2)，辐射贴片(3)，同轴馈电单元(4)和金属支架(5)，其特征在于辐射贴片(3)包含一个切去三角形角的耦合辐射贴片(3a)和一个主辐射贴片(3b)，主辐射贴片(3b)上刻蚀有互补型开口谐振环(6)；主辐射贴片(3b)印制在双层介质板(2)的上表面，耦合辐射贴片(3a)印制在双层介质板的中间平面；互补型开口谐振环(6)的两个环形结构开口反向，两环相互嵌套，中心点重合。

2.根据权利要求1所述的单馈双频宽波束圆极化天线，其特征在于金属地板(1)工作在双频天线的低频点处，作为耦合辐射单元(3a)的反射辅助板，该金属地板(1)的边长取值为0.6λ-0.8λ。

3.根据权利要求1所述的单馈双频宽波束圆极化天线，其特征在于耦合辐射贴片(3a)工作在双频天线的低频点处，该耦合辐射贴片(3a)的边长取值为0.4λ-0.5λ。

4.根据权利要求1所述的单馈双频宽波束圆极化天线，其特征在于主辐射贴片(3b)工作在双频天线的高频点处，该主辐射贴片(3b)的边长取值为0.4λ-0.5λ。

5.根据权利要求1所述的单馈双频宽波束圆极化天线，其特征在于互补型开口谐振环(6)工作在双频天线的高频点处，该互补型开口谐振环(6)的边长取值为0.1λ-0.2λ。

6.根据权利要求1所述的单馈双频宽波束圆极化天线，其特征在于互补型开口谐振环(6)的位置可调，该互补型开口谐振环(6)的中心和主辐射贴片(3b)的中心距离在1.9mm-2.2mm范围内取值。

7.根据权利要求1所述的单馈双频宽波束圆极化天线，其特征在于介质基板(2)的介电常数介于1-10之间。