CN103247866B - 基于耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线 - Google Patents
基于耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于3dB耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线，是采用印制电路板技术自下而上地在两个介质基板的下、上表面分别设有馈电网络和地平面、电容耦合贴片和主辐射贴片，该馈电网络是结构紧凑、宽带的3dB耦合微带线耦合器，以便形成功率分配和90度移相的圆极化正交馈电网络；两个介质基板利用非导电材料的支柱和螺帽将其支撑并固定，且两个介质基板之间设有空隙间隔而形成空气介质。由两个馈电探针将馈电网络的两个输出端和两个电容耦合贴片连接为一体，利用金属探针和电容耦合贴片的组合方式对主辐射贴片进行正交馈电，实现高增益、低轴比和宽带的圆极化辐射。该天线实现了宽带的双圆极化天线的小型化，结构简单、成本低廉，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信的天线，确切地说，涉及一种利用3dB耦合微带线耦合器作为紧凑的功率分配和90度移相正交馈电网络，基于空气介质和利用馈电探针和电容贴片相结合的方式对圆形主辐射贴片馈电，实现紧凑型宽带的双圆极化辐射的天线，属于双圆极化天线的技术领域。
背景技术
近年来，随着卫星导航、通信和物联网的快速发展和广泛应用，圆极化天线作为这些系统的前端设备，其性能指标的优劣，对于卫星通信手持终端和射频识别读卡设备的性能起着极其重要的作用。另外，为了便于卫星通信终端和射频识别系统的大规模推广应用，系统的经济成本和体积大小都是至关重要的考虑因素，作为其中重要部件的圆极化天线，在保证较高性能指标的前提下，必须具备成本低廉、结构紧凑和体积小巧的特点。
实现圆极化波的馈电方式主要有两种：单馈点和多馈点。多馈点又分为双馈点和四馈点两种结构，单馈点的结构简单，但带宽较窄；四馈点的馈电网络结构复杂，带宽较宽。而双馈点结构较好地实现了制造成本和性能指标的折中。现在，3dB分支线耦合器常被用作双馈点双圆极化天线的功率分配和移相馈电网络，但是，这种结构存在一些不足之处：首先，因其结构不够紧凑，电路的面积较大，不利于实现天线的低成本和小型化；另外，其1dB幅度不平衡相对带宽的理论值为27％，(90±5)度的相位不平衡相对带宽只有33％。
相反地，由于使用了结构紧凑、占用电路面积小的耦合微带线，3dB耦合微带线耦合器具有很多优点：首先，结构紧凑，设计简单，可以实现天线的小型化和低成本；另外，其1dB幅度不平衡相对带宽理论值为37％，(90±1)度的相位不平衡相对带宽高达66％，因此基于该耦合微带线耦合器，可以实现成本低廉、结构紧凑的双圆极化天线的宽带、低轴比、高增益等高性能。
申请人对国内外相关的技术文献进行了检索，发现国内外已经有很多学者对双圆极化天线进行了一系列的研究。但是，迄今为止，在国内外公开发表的文献或论文中，尚未发现基于3dB耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化天线的相关研究和报导。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于3dB耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线，由于耦合微带线具有结构紧凑、占用电路面积小等特点，而本发明天线基于耦合微带线设计其天线馈电网络，从而实现了宽带的双圆极化天线的小型化，同时还具有高增益、低轴比、制造成本低廉、设计简单的特点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于3dB耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线，其特征在于包括：上介质基板1和下介质基板2，两个介质基板之间设有空隙间隔而形成空气介质；主辐射贴片3，设置在所述上介质基板1的上表面，用于以圆极化电磁波的形式辐射能量；两个电容耦合贴片4,5，设置在所述上介质基板1的下表面，用于与主辐射贴片3电磁耦合以将微波信号能量馈送到所述主辐射贴片3；地平面6，设置在所述下介质基板2的上表面，其形成为边长L0＝120mm的正方形；馈电网络7，设置在所述下介质基板2的下表面，其形成为3dB耦合微带线耦合器，用于对输入信号进行功率分配和90度移相；馈电探针8,9，分别连接在馈电网络7的两个输出端口和两个电容耦合贴片4,5之间，用于利用金属探针和电容耦合贴片的组合方式对主辐射贴片进行正交馈电；其中，所述馈电网络7形成为中间具有十字形间隙的十字形3dB耦合微带线耦合器，该十字形3dB耦合微带线耦合器的横向长度L2＝31.6mm，纵向长度L1＝66.7mm，纵向耦合线的宽度W1＝1.5mm，横向耦合线的宽度W2＝1.1mm，纵向耦合线之间的间隙宽度S1＝0.13mm，横向耦合线之间的间隙宽度S2＝0.77mm。
所述下介质基板2设有两个天线输入端口10,11，用于安装和焊接两个微带到同轴线的射频转接头SMA，以供用户在右旋圆极化和左旋圆极化两种不同工作模式之间进行切换选择；其中，所述两个天线输入端口10,11的微带线宽度W0＝3.3mm。
所述两个电容耦合贴片4,5均为圆形贴片，与位于上介质基板1另一侧的圆形主辐射贴片3之间形成分布电容；所述主辐射贴片3的半径为R0＝44mm，所述两个电容耦合贴片4，5的直径为D1＝6.6mm。
所述馈电网络7的3dB耦合微带线耦合器设置有两个输出端口12,13，用于输出幅度相等、相位相差90度的两路正交微波信号，所述两个输出端口12,13的微带线宽度W0＝3.3mm；所述两个输出端口12,13分别通过两个馈电探针8,9电连接到所述两个电容耦合贴片4,5，所述两个输出端口12,13的端口轴线分别与位于其上方的两个圆形电容耦合贴片4,5的中心在垂直于介质基板的方向上重叠。
所述两个介质基板之间的空隙间隔所形成的空气介质高度为H2＝8.5mm。
本发明与现有的双圆极化天线技术相比较的创新优点是：本发明器件首次利用3dB耦合微带线耦合器作为双圆极化天线的功率分配和移相馈电网络，并借助耦合微带线的结构紧凑，占用电路面积小等优点，有效减小天线的体积，实现了低成本、紧凑型、宽带的双圆极化天线，而且，该天线的结构设计简单、实用，制造容易，使用方便，还具有高增益、低轴比的特点，在卫星导航、通信终端和物联网射频识别设备中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明基于耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线的结构组成示意图。
图2(A)、(B)、(C)和(D)分别是本发明天线的主辐射贴片、耦合电容贴片、地平面和功率分配和移相馈电网络的电路结构示意图。
图3(A)、(B)和(C)是本发明天线实施例的印制电路板尺寸示意图。
图4(A)、(B)、(C)、(D)和(E)分别是本发明天线实施例在右旋圆极化工作模式下的回波损耗测试、增益和交叉极化测试、轴比测试、1.6GHz频点处xoz平面内和yoz平面内的增益方向图测试的五个测试结果曲线图。
图5(A)、(B)、(C)、(D)和(E)分别是本发明天线实施例在左旋圆极化工作模式下的回波损耗测试、增益和交叉极化测试、轴比测试、1.6GHz频点处xoz平面内和yoz平面内的增益方向图测试的五个测试结果曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1和图2，介绍本发明天线的结构组成的侧视图和各层电路结构的示意图：采用印制电路板技术自上而下地在两个介质基板1和2的下、上表面分别设有主辐射贴片3(参见图2-A)和两个电容耦合贴片4和5(参见图2-B)、地平面6(参见图2-C)和馈电网络7(参见图2-D)，该馈电网络7是结构紧凑、宽带的3dB耦合微带线耦合器作为功率分配和90度移相的圆极化正交馈电网络。两个介质基板1和2利用非导电材料的支柱和螺帽将其支撑并固定，且两个介质基板1和2之间设有空隙间隔而形成厚度为H2的空气介质。再由两个馈电探针8和9将馈电网络的两个输出端和两个电容耦合贴片4和5分别连接为一体，利用两个金属馈电探针8和9和电容耦合贴片4和5的组合方式对主辐射贴片3进行正交馈电，实现高增益、低轴比和宽带的圆极化辐射。最后在馈电网络7耦合器的两个输入端10和11焊接两个微带到同轴线的射频转接头SMA，分别作为右旋圆极化和左旋圆极化工作模式的输入激励端口，并用于该天线连接其它系统。设计该两个输入端10和11的输入阻抗为50欧姆。
本发明天线的工作原理为：首先选择天线的工作模式，当选择工作模式为右旋圆极化时，微波信号能量应从端口10馈入，端口11被隔离，从端口10馈入的微波信号经过3dB耦合微带线耦合器后，在耦合器的两个输出端口12、13得到幅度相等、相位相差90度的两路正交微波信号，该两路信号分别经过馈电探针8和9馈送至电容耦合贴片4和5，再通过电容耦合贴片4和5和主辐射贴片3的电磁耦合，将微波信号能量馈送到主辐射贴片3，并以右旋圆极化电磁波的形式辐射出去。反之，如果将端口11作为输入端口，端口10被隔离，就可以实现左旋圆极化辐射。
本发明已经进行了多次实施试验，下面简要说明实施例的试验情况：
实施例为工作中心频点为1.6GHz的双圆极化天线，利用三维电磁仿真软件HFSS对该天线进行仿真和优化测试，参见图3，介绍该天线的最终电路尺寸参数：天线主辐射贴片3的半径为R0＝44mm，两个电容耦合贴片4和5的直径均为D1＝6.6mm，主辐射贴片和电容耦合贴片分别印制于厚度H0＝0.8mm的FR-4介质基板1的两面，该介质基板的介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02；地平面6为正方形，其边长L0＝120mm。
馈电网络7形成为中间具有十字形间隙的十字形3dB耦合微带线耦合器，该十字形3dB耦合微带线耦合器的横向长度L2＝31.6mm，纵向长度L1＝66.7mm，纵向耦合线的宽度W1＝1.5mm，横向耦合线的宽度W2＝1.1mm，纵向耦合线之间的间隙宽度S1＝0.13mm，横向耦合线之间的间隙宽度S2＝0.77mm。另外，3dB耦合微带线耦合器的两个天线输入端口10,11以及两个输出端口12,13的微带线宽度W0＝3.3mm。地平面和馈电网络分别印制于厚度H1＝1.524mm的Rogers 4350B介质基板2的两面，介质基板的介电常数为3.48，介质损耗角正切为0.004。两个介质基板1和2通过高度H2＝8.5mm的塑料支柱和螺帽进行支撑和固定，形成的空气介质高度为H2＝8.5mm。为了便于馈电探针8和9的安装和焊接，在两个介质基板上，在耦合器的两个输出端口12、13和电容耦合贴片4、5的中心位置制作直径D3＝1mm的过孔4个，为了避免与过孔短路，地平面6和主辐射贴片3在该位置处分别刻蚀出两个直径为D2＝3.4mm的圆形区域。馈电探针8和9为直径等于1mm的铜导线。
根据以上仿真优化尺寸对印刷电路板进行加工后，再用塑料支柱和螺帽进行组装，最后焊接馈电探针8、9和两个微带到同轴线的射频转接头SMA，这样就制造成本发明天线。然后对天线进行测试，整个测试分右旋圆极化和左旋圆极化测试两个步骤进行。
第一步：将端口10作为输入端口，端口11连接50欧姆负载，右旋圆极化工作模式下的测试结果参考图4(A)～图4(E)，在频段1.28～2.04GHz内，其回波损耗优于-10dB，相对带宽为46％，在频段1.31～1.92GHz内，其轴比低于3dB，相对带宽38％，在频点1.62GHz处实现最大增益8.7dBi。
第二步：将端口11作为输入端口，端口10连接50欧姆负载，左旋圆极化工作模式下的测试结果参考图5(A)～图5(E)，在频段1.28～2.03GHz内，其回波损耗优于-10dB，相对带宽为45％，在频段1.32～1.97GHz内，其轴比低于3dB，相对带宽40％，同样的，在频点1.62GHz处实现最大增益为8.7dBi。
再参考天线增益方向图(图4(D)、图4(E)、图5(D)和图5(E))可知，该天线具有良好的辐射特性。
本发明实施例的所有测试结果都验证了基于3dB耦合微带线耦合器的宽带双圆极化天线具有良好的性能，试验结果是成功的，实现了发明目的。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种基于3dB耦合微带线耦合器的紧凑型宽带双圆极化贴片天线，其特征在于包括：
上介质基板(1)和下介质基板(2)，两个介质基板之间设有空隙间隔而形成空气介质；
主辐射贴片(3)，设置在所述上介质基板(1)的上表面，用于以圆极化电磁波的形式辐射能量；
两个电容耦合贴片(4,5)，设置在所述上介质基板(1)的下表面，用于与主辐射贴片(3)电磁耦合以将微波信号能量馈送到所述主辐射贴片(3)；
地平面(6)，设置在所述下介质基板(2)的上表面，其形成为边长L0＝120mm的正方形；
馈电网络(7)，设置在所述下介质基板(2)的下表面，其形成为3dB耦合微带线耦合器，用于对输入信号进行功率分配和90度移相；
馈电探针(8,9)，分别连接在馈电网络(7)的两个输出端口和两个电容耦合贴片(4,5)之间，用于利用金属探针和电容耦合贴片的组合方式对主辐射贴片进行正交馈电；
其中，所述馈电网络(7)形成为中间具有十字形间隙的十字形3dB耦合微带线耦合器，该十字形3dB耦合微带线耦合器的横向长度L2＝31.6mm，纵向长度L1＝66.7mm，纵向耦合线的宽度W1＝1.5mm，横向耦合线的宽度W2＝1.1mm，纵向耦合线之间的间隙宽度S1＝0.13mm，横向耦合线之间的间隙宽度S2＝0.77mm。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述下介质基板(2)设有两个天线输入端口(10,11)，用于安装和焊接两个微带到同轴线的射频转接头SMA，以供用户在右旋圆极化和左旋圆极化两种不同工作模式之间进行切换选择；
其中，所述两个天线输入端口(10,11)的微带线宽度W0＝3.3mm。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述两个电容耦合贴片(4,5)均为圆形贴片，与位于上介质基板(1)另一侧的圆形主辐射贴片(3)之间形成分布电容；
所述主辐射贴片(3)的半径为R0＝44mm，所述两个电容耦合贴片(4，5)的直径为D1＝6.6mm。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于：所述馈电网络(7)的3dB耦合微带线耦合器设置有两个输出端口(12,13)，用于输出幅度相等、相位相差90度的两路正交微波信号，所述两个输出端口(12,13)的微带线宽度W0＝3.3mm；
所述两个输出端口(12,13)分别通过两个馈电探针(8,9)电连接到所述两个电容耦合贴片(4,5)，所述两个输出端口(12,13)的端口轴线分别与位于其上方的两个圆形电容耦合贴片(4,5)的中心在垂直于介质基板的方向上重叠。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述两个介质基板之间的空隙间隔所形成的空气介质高度为H2＝8.5mm。
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