CN103872448B - 宽带圆极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

宽带圆极化阵列天线，包括：四块关于中心旋转对称的贴片；用以产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°信号的中心馈电网络；用以将中心馈电网络产生的四路信号分别连接至四块贴片并实现阻抗匹配的四根微带线；以及，金属平板地；其中，所述贴片、微带线和中心馈电网络印刷在介质板的上表面，所述金属平板地印刷在介质板的下表面，本发明具有小型化、低剖面、宽带和易于加工的优点，适用于单层宽带圆极化贴片天线阵列的设计。

Description

宽带圆极化阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计技术领域，特别涉及一种宽带圆极化阵列天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，圆极化天线得到越来越多的研究和应用。与线极化波相比，圆极化波对发射天线与接收天线的极化对准没有要求。也就是说，只要发射天线和接收天线的圆极化旋转方向一致，那么无论电磁波在传播过程中极化方向如何旋转、发射天线或接收天线如何旋转放置，接收的信号强度都不会改变或降低。
贴片天线是目前应用较广的一类天线，它具有低剖面、低成本、易共形、适用平面电路印刷工艺等优点，可大大降低天线制作的复杂度和提高产品的良品率。为了实现高增益，一般需要将多个天线组成阵列。通过合理设计天线阵元的形状、阵列的空间摆放位置以及馈电相位网络，可实现朝顶端辐射的高增益方向图。用贴片天线单元组阵，便于集成馈电网络和辐射天线阵列，具有可扩展性好、易于加工的优点。
频谱的宽带化是未来无线通信的一个发展趋势。宽带能够支持更高的数据传输速率，可满足图像、视频等大量信息传递的需求。然而，贴片天线的阻抗带宽衡量天线辐射性能的指标和轴比带宽衡量天线圆极化好坏的指标都比较窄，满足不了宽带的需求。现有的一些改进是通过增加介质板的厚度或者增加介质板的层数来实现较宽的带宽。但是这些措施会增加天线的复杂性和成本。另一方面，贴片阵列天线通常需要单独一层介质板来设计馈电网络，这也会导致介质板层数的增加，不利于天线的小型化。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可实现宽带的圆极化阵列天线，通过用环形贴片馈旋转贴片，实现了将馈电网络和辐射天线集成在同一层介质板上；通过将旋转贴片的三种不同模式组合起来，实现了宽带的特点，满足了宽带圆极化天线的要求；通过减少介质板层数和尺寸，实现了小型化、低剖面、低成本的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
宽带圆极化阵列天线，包括：
四块关于中心旋转对称的贴片1；
用以产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°信号的中心馈电网络3；
用以将中心馈电网络3产生的四路信号分别连接至四块贴片1并实现阻抗匹配的四根微带线2；
以及，金属平板地5；
其中，所述贴片1、微带线2和中心馈电网络3印刷在介质板的上表面，所述金属平板地5印刷在介质板的下表面。
所述贴片1均为沿对角线切掉一对顶角上的三角形的正方形贴片，且每个贴片1的边与介质板的边的夹角均为45°。
所述四根微带线2关于中心旋转对称，任意一根微带线与介质板的边的夹角均为45°。
所述中心馈电网络3包含一块270°的扇形贴片3a和一块环形贴片3b，扇形贴片3a位于环形贴片3b的环内；扇形贴片3a通过两根微带线和环形贴片3b相连接；环形贴片3b的边与介质板的边的夹角为45°。
所述环形贴片3b为长边和短边长度相等的矩形环，且矩形的四个外角均切掉了一个三角形。
所述中心馈电网络3的馈电端口4的馈电点在所述扇形贴片3a的一个端点处。
所述馈电端口4为同轴端口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)只需要一层介质板，可利用平面印刷工艺加工，具有小尺寸、低剖面、轻重量、低成本的优点。
(2)具有宽带的优点。同时满足反射系数小于-10dB、轴比小于3dB和增益波动小于3dB的相对带宽为12.7％。此带宽是目前同类型天线的带宽的两倍以上。
附图说明
图1为本发明中天线的俯视图，图上标注的尺寸单位均为毫米(mm)。
图2为图1中天线的侧视图，图上标注的尺寸单位均为毫米(mm)。
图3为图1中天线实施实例的反射系数仿真图，其中：——表示馈电端口4的反射系数。
图4为图1中天线实施实例的轴比仿真图，其中：——表示端口4馈电时在天顶方向的轴比。
图5为图1中天线实施实例的增益仿真图，其中：——表示端口4馈电时在天顶方向的增益。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明所述宽带圆极化阵列天线的俯视图。天线的结构包括四块关于中心旋转对称的贴片1，分别为：第一贴片1a、第二贴片1b、第三贴片1c和第四贴片1d；四根关于中心旋转对称的微带线2，分别为第一微带线2a、第二微带线2b、第三微带线2c和第四微带线2d；中心馈电网络3；馈电端口4和金属平板地5。四块贴片1分别通过一根微带线2与中心馈电网络3相连；贴片1为对角线切掉一对三角形的正方形贴片；中心馈电网络3包含一块270°的扇形贴片3a和一块环形贴片3b；扇形贴片3a位于环形贴片3b的环内，扇形贴片3a和环形贴片3b通过两根微带相连；环形贴片3b为长边和短边长度相等的矩形环，且矩形的四个外角均切掉了一个三角形；馈电端口4为同轴端口，且馈电点在扇形贴片3a的一个端点处。
图2为本发明所述宽带圆极化阵列天线的侧视图。
本实施例中，介质板采用相对介电常数为2.5、厚度为1.5mm的Teflon板材，外尺寸为75mm×75mm，金属平板地5布满在介质板下。贴片1的正方形边长为16mm，切掉的三角形的直角边长为3.3mm，微带线2连接在贴片1一条边的中心位置，微带线2长10.1mm，宽0.2mm，环形贴片3b的外部边长为12.6mm，内部边长为8.3mm，切掉的三角形的直角边边长1.8mm，扇形贴片3a的外径3mm，内径1.2mm，扇形贴片3a的缺口对应环形贴片3b的一个顶角。
本发明的技术方案是这样实现的：
中心馈电网络3能够提供四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°的信号。具体实现为：扇形贴片3a的平均弧长为1/4个中心波长。当馈电点在扇形贴片3a的一端时，输入信号分为两路幅度相等、相位相差90°的信号；环形贴片3b的平均周长为1个中心波长。当用扇形贴片3a产生的两路信号激励环形贴片时，环形贴片3b工作在1个波长模式，在四条边上可产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°的信号。
四根微带线2起到阻抗匹配的作用。具体实现为：任一微带线2的长度为1/4个中心波长。根据阻抗匹配理论，该长度能够匹配方形的贴片1和环形贴片3b的阻抗。考虑到贴片1和环形贴片3b边缘的阻抗都较高，根据微带线的计算公式，这四根微带线2的线宽都较细。
四块贴片1的三个不同工作模式拓宽了阵列的轴比带宽。根据旋转场理论，当用四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°的信号激励关于中心旋转对称的4单元天线阵列时，无论单元是线极化还是圆极化，均可在天线顶端形成圆极化的端射方向图；根据微扰理论，当在贴片1一对对角线上切角时，贴片1可产生由长对角线和短对角线共同决定的圆极化工作模式。当工作频率降低时，工作模式逐渐从圆极化模式变为主要由长对角线决定的线极化工作模式。当工作频率升高时，工作模式逐渐从圆极化模式变为主要由短对角线决定的线极化工作模式；用中心馈电网络3激励4单元旋转天线阵列，可以在不同频段激励不同工作模式，从而产生圆极化。将不同频段的工作模式组合起来形成宽带，从而可以在宽带内保持阵列在顶端方向图的圆极化。
该发明的实施例的具体结果说明如下：
根据图1和图2所示尺寸制作阵列天线，该天线的仿真结果如图3、图4、图5所示。
该天线的反射系数曲线如图3所示。馈电端口4的反射系数S11曲线显示-10dB的阻抗带宽为16.7％(5.27～6.19GHz，相对于中心频率5.5GHz为920MHz)。该天线在天顶方向的轴比曲线如图4所示。在天顶方向的3dB轴比带宽为12.3％(5.3～5.975GHz，相对于中心频率5.5GHz为675MHz)。而且3dB轴比带宽均在-10dB阻抗带宽内。该天线的增益曲线如图5所示。3dB轴比带宽内的增益波动小于3dB，而且带宽内大部分频点的增益均在10dBic以上。峰值增益为5.76GHz处的12.4dBic。综和图4和图5中的带宽，此天线的综合带宽为12.3％。
所述圆宽带圆极化阵列天线可以在1.82λ×1.82λ×0.0036λ的体积内实现12.3％的轴比带宽。

Claims (5)

1.宽带圆极化阵列天线，其特征在于，包括：
四块关于中心旋转对称的贴片(1)；
用以产生四路幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°信号的中心馈电网络(3)，中心馈电网络(3)包含一块270°的扇形贴片(3a)和一块环形贴片(3b)，扇形贴片(3a)位于环形贴片(3b)的环内；扇形贴片(3a)通过两根微带线和环形贴片(3b)相连接；所述环形贴片(3b)为长边和短边长度相等的矩形环，且矩形的四个外角均切掉了一个三角形，环形贴片(3b)的边与介质板的边的夹角为45°；
用以将中心馈电网络(3)产生的四路信号分别连接至四块贴片(1)并实现阻抗匹配的四根微带线(2)；
以及，金属平板地(5)；
其中，所述贴片(1)、微带线(2)和中心馈电网络(3)印刷在介质板的上表面，所述金属平板地(5)印刷在介质板的下表面。
2.根据权利要求1所述的宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述贴片(1)均为沿对角线切掉一对顶角上的三角形的正方形贴片，且每个贴片(1)的边与介质板的边的夹角均为45°。
3.根据权利要求1所述的宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述四根微带线(2)关于中心旋转对称，任意一根微带线与介质板的边的夹角均为45°。
4.根据权利要求1所述的宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述中心馈电网络(3)的馈电端口(4)的馈电点在所述扇形贴片(3a)的一个端点处。
5.根据权利要求1所述的宽带圆极化阵列天线，其特征在于，所述馈电端口(4)为同轴端口。
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