CN102904009A - 一种小型宽带宽波束圆极化微带天线 - Google Patents

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梁仙灵
叶声
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Abstract

本发明公开了一种小型宽带宽波束圆极化微带天线，包括：若干寄生贴片、第一层介质板、若干激励贴片、第二层介质板、金属地板、第三层介质板、天线端口和馈电网络，所述若干寄生贴片位于第一层介质板的上表面，所述若干激励贴片位于第二层介质板的上表面，所述馈电网络位于第三层介质板的下表面，所述金属地板位于第二层介质板与第三层介质板之间，寄生贴片和激励贴片通过金属通孔与金属地板相连接，激励贴片与馈电网络通过探针相连接，天线端口固定于金属地板一侧，本发明实现了宽带宽波束圆极化功能，同时具有小型化优势，可用于卫星通信及卫星导航等领域。

Description

一种小型宽带宽波束圆极化微带天线
技术领域
    本发明涉及卫星通信领域，具体而言，涉及一种圆极化天线，特别是一种小型宽带宽波束圆极化微带天线。
 
背景技术
 近年来，随着通信技术的迅速发展，卫星通信技术在日常生活及军事通信中得到了更加广泛的应用。圆极化天线由于具有抑制雨雾干扰、抗多径反射、可以很好的接收各种极化方式的来波等优点，被广泛地应用于各种卫星通信中。特别是卫星导航系统中多选用具有较宽的轴比带宽和较宽的3dB轴比波束宽度的圆极化天线以接受小功率信号。
 圆极化微带天线有多种实现方式，按馈电方式的不同可以分为两类：单馈点法和多馈点法。采用单馈点法时，天线只有一个馈电点，通过在辐射贴片上开槽、挖角等微扰技术得到两个极化正交的简并模，从而实现圆极化辐射。单馈点法馈电结构简单，但其阻抗带宽和轴比带宽都较窄，限制了其应用范围。多馈点法一般包括两点馈电和四点馈电。两点馈电通过馈电网络得到两个幅度相等相位相差90°的射频信号，激励辐射贴片获得圆极化辐射。两点馈电可以得到较宽的阻抗带宽和轴比带宽，但其3dB轴比波束宽度一般只有70°，无法满足某些应用场合中轴比宽波束的要求。四点馈电与两点馈电相似，通过馈电网络得到四个幅度相等相位依次相差90°的射频信号，进而实现圆极化。四点馈电使得激励贴片上表面电流的路径更为规则，故天线的圆极化性能更好，3dB轴比波束宽度更宽。
目前，国内外对宽波束圆极化天线进行了一系列的研究并取得了一些成果。研究中多采用四臂螺旋天线和四点馈电介质谐振器天线，来实现天线的宽波束圆极化特性。Gabriel Massie等人在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 2010年第九期发表了论文“A New Wideband Circularly Polarized Hybrid Dielectric Resonator Antenna”。该论文介绍一种四个馈电点缝隙耦合激励介质谐振器天线，实现宽带宽波束圆极化。其阻抗带宽为50%，3dB轴比带宽为28.5%，3dB轴比波束宽度大于100°，但天线高度为0.116λ。有些研究人员采用微带天线，选择多种微扰方式组合实现较宽的3dB轴比波束宽度，但其轴比带宽较窄，调试也有一定难度。Nasimuddin等人2010年在IEEE Trans.on Antennas and Propagation上发表了一篇论文“Asymmetric-Circular Shaped Slotted Microstrip Antennas for Circular Polarization and RFID Applications”，文中给出了一种微带天线，在矩形贴片的对角线上开有四个不同半径的圆形缝隙，通过调节四个圆形缝隙的半径，实现宽波束圆极化。该天线尺寸仅为0.27λ×0.27λ×0.0137λ，其3dB轴比波束宽度为100°。但其轴比带宽较窄，为1.2%。综上所述，圆极化天线的低剖面、宽频带和宽波束特性较难同时得到满足。
 
发明内容
    本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种同时具有低剖面、易加工、较宽的阻抗带宽和轴比带宽、较宽的波束宽度等优点的小型化宽带宽波束圆极化微带天线，以满足卫星通信等领域的要求。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
 一种小型宽带宽波束圆极化微带天线，包括：包括：若干寄生贴片、第一层介质板、若干激励贴片、第二层介质板、金属地板、第三层介质板、天线端口和馈电网络，所述若干寄生贴片位于第一层介质板的上表面，所述若干激励贴片位于第二层介质板的上表面，所述馈电网络位于第三层介质板的下表面，所述金属地板位于第二层介质板与第三层介质板之间，寄生贴片和激励贴片通过金属通孔与金属地板相连接，激励贴片与馈电网络通过探针相连接，天线端口固定于金属地板一侧。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述若干寄生贴片在所述第一层介质板的上表面呈旋转对称结构。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述寄生贴片的个数为四个。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述寄生贴片呈矩形。
 依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述若干激励贴片在所述第二层介质板的上表面呈旋转对称结构。
 依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述激励贴片的个数为四个。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述激励贴片呈矩形。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述激励贴片和馈电网络共用一块金属地板。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述馈电网络与激励贴片通过金属地板隔开。
 依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述馈电网络采用两级混合电桥网络，通过两级混合电桥网络可得到四个幅度相等且相位依次相差90°的射频信号。
 依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述两级混合电桥网络中，第一级馈电网络为二次迭代Moore混合网络，第二级馈电网络为一次迭代Sierpinski混合网络，两级馈电网络均在隔离端口接50Ω贴片电阻。
依照本发明较佳实施例所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，所述第一层介质板和第二层介质板均为低介电常数微波板。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
采用双层贴片结构实现天线的宽带阻抗特性，采用短路技术实现天线的小型化特性，通过旋转结构结合多点馈电实现天线的宽波束圆极化辐射特性。本发明同时具有低剖面、易加工、较宽的阻抗带宽和轴比带宽、较宽的波束宽度等优点。
 
附图说明
 图1 为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的三维结构示意图；
 图2 为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第一层介质板上表面结构示意图；
 图3为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第二层介质板上表面结构示意图；
 图4 为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第三层介质板下表面结构示意图；
 图5为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第一层介质板和第二层介质板的局部放大图；
 图6为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第三层介质板的局部放大图；
 图7为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的仿真驻波比；
 图8为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在中心频点1.5GHz处φ=0°截面的仿真方向图；
 图9为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在中心频点1.5GHz处φ=90°截面的仿真方向图；
 图10为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在1.42GHz处的仿真轴比图；
 图11为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在1.5GHz处的仿真轴比图；
 图12为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在1.58GHz处的仿真轴比图；
 图13为本发明具体实施例一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的仿真增益图。
 
具体实施方式
 下面结合实施例及附图，对本发明做进一步描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施实例。
 参见附图1-4，本发明所述一种小型宽带宽波束圆极化微带天线，包括若干寄生贴片1、若干激励贴片2、金属地板3、小型化馈电网络4、金属通孔5、探针6、第一层介质板7、第二层介质板8、第三层介质板9、SMA接头10和50Ω贴片电阻11。若干寄生贴片1位于第一层介质板7的上表面，若干激励贴片2位于第二层介质板8的上表面，金属地板3位于第二层介质板8与第三层介质板9之间，寄生贴片1和激励贴片2通过金属通孔5与金属地板3相连接，小型化馈电网络4位于第三层介质板9的下表面。
 所述寄生贴片1和激励贴片2的个数优选为四个，贴片形状优选为矩形，且均为旋转对称结构。调节两个激励贴片2之间的距离，能够改善圆极化轴比特性。激励贴片2与馈电网络4之间通过探针6相连接，探针6位置对天线的阻抗特性和圆极化轴比特性均有影响。通过馈电网络4分别获得0°、90°、180°和270°相位的等幅激励，实现圆极化辐射。馈电网络4采用两级混合电桥网络以实现宽带和轴比宽波束特性：第一级混合电桥采用二次迭代Moore混合网络，得到两路幅度相等相位相差180°的射频信号；第二级混合电桥采用一次迭代Sierpinski混合网络。对每一级混合电桥，其隔离端口均接有50Ω贴片电阻11。通过两级混合电桥网络得到四个幅度相等且相位依次相差90°的射频信号，分别给四个激励贴片2馈电，从而实现宽波束圆极化辐射。天线端口固定于金属地板一侧，天线的总输入端口为SMA接头10。
 所述第一层介质板7、第二层介质板8和第三层介质板9的形状优选为正方形，通过天线四个角上的塑料螺钉固定，其中第一层介质板7和第二层介质板8为低介电常数微波板。
 参见附图2，一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第一层介质板7上表面结构示意图，所述的寄生贴片1尺寸为L1×W1，在本实施例中大小为0.155λ×0.141λ。贴片间距为d1，在本实施实例中为0.04λ。
 参见附图3，一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的第二层介质板8上表面结构示意图，所述的激励贴片2尺寸L2×W2，在本实施例中大小为0.155λ×0.151λ。贴片间距为d2，在本实施实例中为0.03λ。馈电点与短路边之间的距离为S，在本实施实例中为0.0615λ。
 参见附图4，所述的第三层介质板9的尺寸G×G，在本实施实例中为0.43λ×0.43λ。在本实施例中，第一层介质板7、第二层介质板8、第三层介质板9和金属地板3的尺寸均为G×G，即0.43λ×0.43λ。
 参见图5，所述的第一层介质板7与第二层介质板8的介电常数均为2.55，厚度均为h1，在本实施实例中为0.01524λ。
 参见图6，所述的第三层介质板9的介电常数为6.15，厚度为h2，在本实施实例中为0.00381λ。
所述的波长λ是指天线工作于中心频点时辐射于自由空间中的电磁波的波长。
 参见附图7 是本发明一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的仿真驻波比。由图可以看出，驻波比小于2所覆盖的频率范围为1.4 -1.7 GHz，相对阻抗带宽为19.4%。
参见附图8和9，是本发明一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在中心频点1.5GHz处φ=0°和φ=90°截面的仿真方向图，可以看出，其半功率波束宽度均大于100°。该天线在1.42GHz至1.58GHz的频带宽度内，具有较宽的稳定的波束宽度。
 参见附图10-12，分别是本发明一种小型宽带宽波束圆极化微带天线在1.42GHz、1.5GHz和1.58GHz处的仿真轴比图，其3dB轴比波束宽度均大于150°，大于天线的半功率波束宽度。
 参见附图13是本发明一种小型宽带宽波束圆极化微带天线的仿真增益。在1.42GHz至1.58GHz的频带内，其增益均大于4.5dB。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (12)

1.一种小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，包括：若干寄生贴片、第一层介质板、若干激励贴片、第二层介质板、金属地板、第三层介质板、天线端口和馈电网络，所述若干寄生贴片位于第一层介质板的上表面，所述若干激励贴片位于第二层介质板的上表面，所述馈电网络位于第三层介质板的下表面，所述金属地板位于第二层介质板与第三层介质板之间，寄生贴片和激励贴片通过金属通孔与金属地板相连接，激励贴片与馈电网络通过探针相连接，天线端口固定于金属地板一侧。
2.根据权利要求1所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，若干寄生贴片在所述第一层介质板的上表面呈旋转对称结构。
3.根据权利要求2所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述寄生贴片的个数为四个。
4.根据权利要求1或2所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述寄生贴片呈矩形。
5.根据权利要求1所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，若干激励贴片在所述第二层介质板的上表面呈旋转对称结构。
6.根据权利要求5所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述激励贴片的个数为四个。
7.根据权利要求1或5所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述激励贴片呈矩形。
8.根据权利要求1所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述激励贴片和馈电网络共用一块金属地板。
9.根据权利要求1所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电网络与激励贴片通过金属地板隔开。
10.根据权利要求1所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电网络采用两级混合电桥网络，通过两级混合电桥网络可得到四个幅度相等且相位依次相差90°的射频信号。
11.根据权利要求10所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述两级混合电桥网络中，第一级馈电网络为二次迭代Moore混合网络，第二级馈电网络为一次迭代Sierpinski混合网络，两级馈电网络均在隔离端口接50Ω贴片电阻。
12.根据权利要求1所述的小型宽带宽波束圆极化微带天线，其特征在于，所述第一层介质板和第二层介质板均为低介电常数微波板。
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