CN103928767A

CN103928767A - 一种采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线

Info

Publication number: CN103928767A
Application number: CN201410156074.4A
Authority: CN
Inventors: 王海明; 无奇; 余晨; 洪伟
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: CN103928767B

Abstract

本发明公开了一种采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线，天线主要包括三个部分：馈电网络、平面L型探针和辐射贴片。本发明的双频圆极化天线在所工作的频点具有馈电网络损耗低、回波损耗低、增益高、轴比低以及极化隔离高等优点。而且，通过改变馈电网络和辐射贴片的尺寸，可使天线工作在所需的两个频点。

Description

一种采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线

技术领域

本发明涉及一种应用前景广泛的采用基片集成同轴线（Substrate IntegratedCoaxial Line,SICL）馈电的双频双圆极化天线，属于天线技术领域。

背景技术

天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信的快速发展，对体积小、成本低、高增益以及易集成的天线产生迫切需求。微带天线具有易于共形、易集成、易获得圆极化和双频段等多功能工作的优点。圆极化天线的馈电方式有两种，分别是单馈法和双馈法。单馈法圆极化天线虽然结构简单，但由于带宽窄等劣势难以适用于宽带无线通信。双馈法圆极化天线通过相差90°的双馈点馈电网络实现圆极化。双馈法圆极化天线具有宽带和高增益且带内增益稳定等优点。通常，馈电网络使用微带线作为传输线，具有制作简单的优点，但存在能量泄漏。馈电网络能量泄露会造成天线的尾瓣高。也就是说，圆极化天线的高前后比指标与馈电网络的性能紧密相关，这对馈电网络提出了新的要求。此外，要实现双频点圆极化天线，馈电网络和辐射单元都需要能够工作在两个不同的频点。

发明内容

发明目的：为了使天线在双频点上实现圆极化性能，需要天线的辐射单元在两个频点上都产生谐振，并让馈电网络在两个频点上都能提供等幅、相位相差90°的激励，从而在辐射单元上激励起一对极化正交的简并模。本发明采用SICL（Substrate Integrated coaxial line,SICL，基片集成同轴线）技术，提供一种既能满足通信系统中天线设计的需要、又易于将通信系统中微波毫米波电路与微波毫米波天线集成在一起的双频双圆极化天线。从不同端口馈电，天线可以实现不同旋向的圆极化。该天线的背向能量泄漏低，而且具有体积小、易于集成、加工简单等优点。。

技术方案：一种采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线，包括由SICL传输线构成的馈电网络层、微带平面L型探针以及圆环贴片辐射单元。

用基于SICL技术的双频3-dB枝节线耦合器构成馈电网络主体，在耦合器的两个输出端，利用平面L型探针，通过电磁耦合的方式给上层的两个圆环辐射贴片馈电，激励一对极化正交的简并模，实现圆极化天线性能。

馈电网络层包括双频枝节线耦合器的主体、接地共面波导（GroundedCo-Planar Waveguide,GCPW）至SICL的转接部分、以及耦合线末端的盲孔。双频枝节线耦合器的主体包括SICL的内导体信号线和信号线两侧的过孔，和过孔平行的、和信号线处于同一层的金属层，以及四条弯折的电长度为180°的枝节线末端的接地通孔。

GCPW-SICL的转接部分包括GCPW传输线的内导体和连接GCPW内导体和SICL内导体的盲孔。

微带平面L型探针包括信号线和介质层，在耦合器输出端有两个连接SICL内导体和平面L型探针的信号线的盲孔。

圆环辐射贴片包括介质层、介质层上层的大圆环贴片及介质层下层的小圆环贴片。

SICL和GCPW的尺寸及圆环贴片的尺寸同天线工作的频率有关。其中，GCPW和圆环贴片的尺寸可通过常见的近似公式计算得出并进行仿真优化获得，SICL的尺寸可通过常见的带状线尺寸的近似公式计算得出并进行仿真优化获得。

有益效果：与现有微带贴片天线相比，本发明具有如下优点：

1)该天线可在两个频点上实现较好的圆极化辐射特性。如图6所示。且该天线分别在端口1（Port1）和端口2（Port2）馈电，在另一端口加载匹配负载时，可分别实现左旋圆极化和右旋圆极化辐射。图7-10分别为天线在1.6GHz和2.5GHz时分别由端口1和端口2馈电时的仿真和实测方向图。

2)该天线设计成本低廉，加工完成后不需要额外调试。

3)该天线利用SICL技术并在过孔中加入了屏蔽金属层，降低了能量泄露，提高了驻波性能和端口间的隔离度。如图2中的（6）所示。

4)该天线的尺寸相对较小、重量轻且结构简单。

附图说明

图1为本发明中馈电网络层双频耦合器的电路模型图；

图2为本发明馈电网络部分的俯视图；

图3为本发明的圆环贴片的俯视图；

图4为本发明天线的侧视图；

图5为本发明的回波损耗随频率变化的示意图；

图6为本发明的增益和轴比随频率变化的示意图；

图7为本发明由端口1馈电时，在1.6GHz处的仿真和实测方向图；

图8为本发明由端口2馈电时，在1.6GHz处的仿真和实测方向图；

图9为本发明由端口1馈电时，在2.5GHz处的仿真和实测方向图；

图10为本发明由端口2馈电时，在2.5GHz处的仿真和实测方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

此双频天线包括由SICL传输线构成的馈电网络层、微带平面L型探针以及圆环贴片辐射单元。该天线的馈电网络采用印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）工艺加工。

图1为馈电网络中枝节线耦合器的电路模型示意图。若以图中的port1即端口1为输入端，则port3即3端口为隔离端，port2和port4即2、4端口为输出端。Z₀为馈电网络输入端的特性阻抗，Z₁、Z₂和Z₃分别为耦合器中特定分支线的特性阻抗。若所需双频点为f₁和f₂，则双频枝节线耦合器的电路模型的参数遵循以下公式：

Z_{1} = \frac{Z_{0}}{\sqrt{2}} \cdot \frac{1}{\cos (\frac{δπ}{2})}

（式1）

Z_{2} = Z_{0} \cdot \frac{1}{\cos (\frac{δπ}{2})}

（式2）

Z_{3} = \frac{Z_{0}}{1 + \sqrt{2}} \cdot \frac{1}{\sin (\frac{δπ}{2}) + \tan (\frac{δπ}{2})}

（式3）

其中

δ = \frac{f_{2} - f_{1}}{f_{2} + f_{1}}

（式4）

如图2所示，馈电网络包括双频枝节线耦合器的主体、GCPW-SICL的转接部分以及耦合线末端的盲孔。双频枝节线耦合器的主体包括SICL的内导体信号线4和信号线两侧的过孔以及和过孔平行的、和信号线处于同一层的金属层6。

SICL的信号线在图2中以浅灰色线条表示，w₀、w₁、w₂、w₃分别为特性阻抗为Z₀、Z₁、Z₂、Z₃的SICL传输线的内导体宽度。SICL的信号线两侧的过孔以及和过孔平行的、和信号线处于同一层的金属层在图2中以黑色线条表示，w₄为SICL传输线两排金属过孔之间的宽度。天线的俯视图为正方形，l₁为正方形的边长。l₂、l₃、l₄、l₅、l₆、l₇分别为耦合器主体相应部分的长度。在耦合器输出端有连接SICL内导体和平面L型探针的信号线的盲孔5。

GCPW-SICL的转接部分包括GCPW传输线的内导体1和连接GCPW内导体和SICL内导体的盲孔2。在耦合器的180°分枝节的末端有接地盲孔3，在耦合器输出端有连接SICL内导体和平面L型探针的信号线的盲孔5。

如图4所示，微带平面L型探针10包括信号线16和介质层。

由图3所示的圆环辐射贴片包括介质层、介质层上层的大圆环贴片7及介质层下层的小圆环贴片8。

图4为本发明的侧视图，由上向下分别是圆环贴片9、上层辐射层和下层馈电层的介质11、平面L型探针10、GCPW的内导体15、GCPW和SICL的连接盲孔14、SICL的内导体12、SICL的信号线两侧的过孔以及和过孔平行的、和信号线处于同一层的金属层13。16为L型探针的信号线。SICL和GCPW的尺寸及圆环贴片9的尺寸同天线工作的频率有关。其中，GCPW和圆环贴片9的尺寸可通过常见的近似公式计算得出并进行仿真优化获得，SICL的尺寸可通过常见的带状线尺寸的近似公式计算得出并进行仿真优化获得。

采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在上文说明。

测试对象是利用PCB技术实现的工作在1.6GHz和2.5GHz两个频带的采用SICL馈电的双频双圆极化天线。测试结果如图5-10所示。图5为本发明的回波损耗随频率变化的示意图；图6为本发明的增益和轴比随频率变化的示意图；图7为本发明由端口1馈电时，在1.6GHz处的仿真和实测方向图；图8为本发明由端口2馈电时，在1.6GHz处的仿真和实测方向图；图9为本发明由端口1馈电时，在2.5GHz处的仿真和实测方向图；图10为本发明由端口2馈电时，在2.5GHz处的仿真和实测方向图。

表1

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				R₁	12.5	l₇	14
R₂	18.75	w₀	0.9
				R₃	20	w₁	1.14
R₄	31	w₂	0.52
				l₁	100	w₃	0.19
l₂	19.5	w₄	3.5
				l₃	29	h₁	2
l₄	13.5	h₂	11
				l₅	19	h₃	1.75
l₆	10

Claims

1.一种采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线，其特征在于：包括由SICL传输线构成的馈电网络层、微带平面L型探针以及圆环贴片辐射单元；

利用基于SICL技术的双频3-dB枝节线耦合器构成馈电网络主体，如果在馈电网络的端口1（Port1）馈电，并在和端口2（Port2）加载匹配负载，那么天线可实现左旋圆极化辐射；反之，如果在端口2（Port2）馈电，并在和端口1（Port1）加载匹配负载，那么天线可实现右旋圆极化辐射。

所述馈电网络层包括双频枝节线耦合器的主体、接地共面波导至SICL的转接部分、以及耦合线末端的盲孔；馈电网络中的耦合器的两个输出端通过盲孔与平面L型探针连接，利用电磁耦合的方式给上层的两个圆环辐射贴片馈电，在辐射贴片上形成两个正交的简并模，实现圆极化天线性能。

2.如权利要求1所述的采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线，其特征在于：所述双频枝节线耦合器的主体包括SICL的内导体信号线（4）和信号线两侧的过孔，及和过孔平行的、和信号线处于同一层的金属层（6），四条弯折的电长度为180°的枝节线末端的接地通孔（3）；

GCPW-SICL的转接部分包括GCPW传输线的内导体（1）和连接GCPW内导体和SICL内导体的盲孔（2）；

微带平面L型探针（10）包括信号线和介质层，在耦合器输出端有连接SICL内导体和平面L型探针的信号线的盲孔（5）；

圆环辐射贴片包括介质层、介质层上层的大圆环贴片（7）及介质层下层的小圆环贴片（8）。

3.如权利要求1或2所述的采用基片集成同轴线馈电的双频双圆极化天线，其特征在于：馈电网络层的尺寸及圆环贴片的尺寸同天线工作的频率有关；双频圆极化天线可通过更改馈电网络及辐射贴片的参数调整工作频点，应用在不同频点。