CN104134854A - 一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线 - Google Patents

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范艺
全旭林
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Abstract

本发明公开了一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线，包括天线辐射部分、柔性介质板、宽带馈电网络、馈电基板和金属反射柱，天线辐射部分包括四个宽带矩形环，每个矩形环由一个主辐射环和一个寄生环组成，环上均开有缝隙。柔性介质板弯曲成空心圆柱状，四个宽带矩形环在柔性介质板上呈等分均匀环状排列，金属反射柱放置于空心介质圆柱中轴线上，宽带馈电网络则印制在馈电基板的正反面上，其水平放置于介质空心圆柱中心，实现对四个宽带矩形环等幅同相馈电。本发明具有左右旋圆极化实现灵活、全向性好和宽带的优点，适用于移动通信基站领域。

Description

一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线。
背景技术
在天线系统中，任意极化来波都可以由圆极化天线接收，且圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化天线接收，因此，圆极化天线接收到的信号强度不受发射天线与接收天线相对取向影响。并且由于圆极化反射波的极化方向与入射波相反，所以在多径环境下采用圆极化天线可减小多径信号干扰，从而使其得以广泛应用于卫星通信、空间探测领域、地面移动通信、广播电视和毫米波通信等系统中。
在空间飞行器(如飞机、火箭、导弹等)、遥感遥测以及无线通信系统中广泛需要圆极化全向天线以保持与不同方位的目标进行通信，但不易实现宽带是圆极化天线的经典难题，阻碍了圆极化全向天线广泛应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽带宽、水平面全向辐射的基于矩形环的宽带圆极化全向天线。
本发明采用如下技术方案：
一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线，包括天线辐射部分、柔性介质板、馈电基板、宽带馈电网络，所述宽带馈电网络蚀刻在馈电基板的正、反两面，还包括金属反射柱，所述柔性介质板弯曲成空心圆柱，所述金属反射柱放置于空心圆柱的中轴线上，所述天线辐射部分包括围绕空心圆柱外表面呈等分均匀环状排列的四个宽带矩形环，所述馈电基板水平放置于空心圆柱的中心。
所述空心圆柱直径为0.35λ0～0.4λ0，高度为1.57λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
所述宽带矩形环由一个主辐射环和一个寄生环构成，所述主辐射环及寄生环均为矩形环，所述主辐射环及寄生环的环宽分别为0.04λ0和0.02λ0，两环相隔距离是0.01λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
所述主辐射环包括主辐射环上部分及主辐射环下部分，两者对于横向中轴线上下对称，在所述横向中轴线的中间位置留有缝隙通过焊点与宽带馈电网络连接；所述寄生环包括寄生环上部分及寄生环下部分，所述寄生环上部分嵌套在主辐射环上部分内，所述寄生环下部分嵌套在主辐射环下部分内。
所述主辐射环上部分的右侧开有第一缝隙、主辐射环下部分的左侧开有第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙的宽度是0.02λ0，所述寄生环上部分的右侧开有第三缝隙，寄生环下部分的左侧开有第四缝隙，所述第三缝隙及第四缝隙宽度是0.01λ0。
所述宽带馈电网络由四个宽带巴伦及阻抗匹配网络构成，所述每个宽带巴伦由在馈电基板反面的缝隙和正面的L型微带线构成，所述L型微带线的末端开路，另一端与阻抗匹配电路一端相连，所述阻抗匹配电路的另一端连接到空心圆柱的中央，接到馈电所用50Ω同轴线上。
所述馈电基板背面还印制有十字型导体贴片，所述十字型贴片上蚀刻了缝隙。
所述金属反射柱的直径为0.1λ0，高度为1.5λ0-1.6λ0，厚度是0.007λ0，金属反射柱在中部断开高度为0.07λ0的缝隙放置宽带馈电网络，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
当矩形环上的缝隙与矩形环呈S形状绕行时，实现左旋圆极化全向天线；当矩形环对于环的纵向中轴线左右对称翻转，此时，矩形环上的缝隙与矩形环呈反S形状绕行，实现右旋圆极化全向天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用定向圆极化矩形环天线具有宽带性能，实现了宽带圆极化，并且四个定向圆极化矩形环天线组合围绕空心圆柱环状均匀放置保证了天线的全向性；
(2)圆极化全向天线的极化旋向由环上缝隙位置决定，当矩形环和缝隙组合成S形，构成左旋圆极化全向天线，如其左右翻转，组合成形，则构成右旋圆极化全向天线，转换方式灵活；
(3)每个矩形环包括一个主辐射环和一个寄生环，可以通过调整主辐射环和寄生环尺寸及相对位置，利用两环之间耦合展宽了天线带宽，实现宽带圆极化特性，寄生环对天线圆极化性能与阻抗性能均有影响；
(4)金属反射柱只对天线圆极化性能产生影响，几乎不影响其回波损耗性能；
(5)宽带馈电网络仅影响天线阻抗性能，对天线圆极化和全向特性几乎无影响；宽带馈电网络对四个宽带矩形环等幅同相馈电，实现了宽带阻抗匹配，10dB的回波损耗带宽可达到45％(1.58-2.5GHz)，3dB轴比带宽为41％(1.65-2.5GHz)，在1.7-2.4GHz频段内，水平面方向图不圆度小于1.5dB。
附图说明
图1是本发明一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线的结构示意图；
图2是图1中宽带矩形环的结构示意图；
图3是图1中宽带馈电网络的结构示意图；
图4(a)、图4(b)分别是本发明实施例中在回波损耗及轴比的仿真测量结果对比。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2所示，一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线，包括天线辐射部分、柔性介质板2、馈电基板4、宽带馈电网络3、金属反射柱5，所述宽带馈电网络3蚀刻在馈电基板4的正、反两面，实现对四个宽带矩形环等幅同相馈电，所述柔性介质板2弯曲成空心圆柱，所述空心圆柱直径为0.35λ0～0.4λ0，高度为1.57λ0，所述馈电基板4水平放置于空心圆柱的中心，且穿过金属反射柱5中部断开的缝隙，所述缝隙高度为0.07λ0，所述金属反射柱5放置于空心圆柱的中轴线上，其直径为0.1λ0，高度为1.5λ0-1.6λ0，厚度是0.007λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
所述天线辐射部分包括围绕圆周外表面呈等分均匀环状排列的四个宽带矩形环1A-1D，每个宽带矩形环由一个主辐射环6和一个寄生环7构成，所述主辐射环6及寄生环7均为矩形环，所述主辐射环6及寄生环7的环宽分别为0.04λ0和0.02λ0，两环相隔距离是0.01λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
本实施例中主辐射环的长度h1为115mm，宽度w1是35mm，环宽k1是6mm，寄生环的长度h2为45.5mm，宽度w2是20mm，环宽k2是3mm，两环相隔距离k3是1.5mm。
所述主辐射环包括主辐射环上部分及主辐射环下部分，两者对于横向中轴线上下对称，在所述横向中轴线的中间位置留有缝隙通过焊点与宽带馈电网络连接，所述共有四个焊点8A-8D分别与宽带馈电网络连接，本实施例中该缝隙宽度为1.6mm，焊点优选长度wf是2.7mm；所述寄生环包括寄生环上部分及寄生环下部分，所述寄生环上部分嵌套在主辐射环上部分内，所述寄生环下部分嵌套在主辐射环下部分内。
所述主辐射环上部分的右侧开有第一缝隙、主辐射环下部分的左侧开有第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙的宽度是0.02λ0，优选g1为3mm，所述寄生环上部分的右侧开有第三缝隙，寄生环下部分的左侧开有第四缝隙，所述第三缝隙及第四缝隙宽度是0.01λ0，优选g2为1.2mm。两个环的缝隙定位距离分别为s1为9.2mm和s2为10.7mm。
本实施例中柔性介质板是厚度为0.05mm高频板Panasonic R-F775板材，相对介电常数3.2，损耗角正切是0.0015，弯曲成空心圆柱的直径优选为0.38λ0，高度为1.57λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
所述宽带馈电网络由四个宽带巴伦及阻抗匹配网络构成，由在馈电基板背面的四个缝隙10A～10D和正面的四个L型微带线11A～11D构成，L型微带线的末端开路，另一端与阻抗匹配电路12一端相连，阻抗匹配电路的另一端则连接到空心圆柱的中央馈电点9上，接到馈电所用50Ω同轴线上，同轴线采用柔性同轴线Johnson/Emerson RG-178，直径为2.5mm，特征阻抗为50Ω。
基板背面还印制有十字型导体贴片13，十字型贴片上蚀刻了缝隙，贴片宽度wg是14mm，所述宽带矩形环与宽带馈电网络的焊点距离十字型贴片的距离hf优选是1.5mm。
如图3所示，宽带馈电网络可以实现对四个宽带矩形环振子等幅同相馈电，其中优选参数说明如下：ls是缝隙长度为16.8mm，ws是缝隙宽度为1.6mm，l1是阻抗匹配电路第一段的长度为4.75mm，w1是阻抗匹配电路第一段的宽度为0.7mm，l2是阻抗匹配电路第二段部分的长度为4.75mm，l3是阻抗匹配电路第三段部分长度为20.5mm，l4是阻抗匹配电路第三段部分长度为20.5mm，w2是阻抗匹配电路第二、三和四段的宽度均为0.5mm，l5是微带线长度为3.75mm，l6是微带线弯折部分长度为14.25mm，w3是微带线宽度为1.6mm。
当矩形环上的缝隙与矩形环呈S形状绕行时，为左旋圆极化全向天线；当矩形环对于环的纵向中轴线左右对称翻转，此时，环上缝隙与矩形环组合成反S形状绕行时，可以实现右旋圆极化全向天线，转换方法简单、灵活。
利用该发明还可进行天线组阵，形成多单元圆极化全向天线阵列，提高天线增益，从而满足移动通信基站天线高增益的需求。
如图4(a)、图4(b)所示，按照本实施例各个参数尺寸制作的天线在10dB的回波损耗带宽可达到45％(1.58-2.5GHz)，3dB轴比带宽为41％(1.65-2.5GHz)，在1.7-2.4GHz频段内，水平面方向图不圆度小于1.5dB。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于矩形环的宽带圆极化全向天线，包括天线辐射部分、柔性介质板、馈电基板、宽带馈电网络，所述宽带馈电网络蚀刻在馈电基板的正、反两面，其特征在于，还包括金属反射柱，所述柔性介质板弯曲成空心圆柱，所述金属反射柱放置于空心圆柱的中轴线上，所述天线辐射部分包括围绕空心圆柱外表面呈等分均匀环状排列的四个宽带矩形环，所述馈电基板水平放置于空心圆柱的中心。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述空心圆柱直径为0.35λ0～0.4λ0，高度为1.57λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述宽带矩形环由一个主辐射环和一个寄生环构成，所述主辐射环及寄生环均为矩形环，所述主辐射环及寄生环的环宽分别为0.04λ0和0.02λ0，两环相隔距离是0.01λ0，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述主辐射环包括主辐射环上部分及主辐射环下部分，两者对于横向中轴线上下对称，在所述横向中轴线的中间位置留有缝隙通过焊点与宽带馈电网络连接；所述寄生环包括寄生环上部分及寄生环下部分，所述寄生环上部分嵌套在主辐射环上部分内，所述寄生环下部分嵌套在主辐射环下部分内。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述主辐射环上部分的右侧开有第一缝隙、主辐射环下部分的左侧开有第二缝隙，所述第一缝隙及第二缝隙的宽度是0.02λ0，所述寄生环上部分的右侧开有第三缝隙，寄生环下部分的左侧开有第四缝隙，所述第三缝隙及第四缝隙宽度是0.01λ0。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述宽带馈电网络由四个宽带巴伦及阻抗匹配网络构成，所述每个宽带巴伦由在馈电基板反面的缝隙和正面的L型微带线构成，所述L型微带线的末端开路，另一端与阻抗匹配电路一端相连，所述阻抗匹配电路的另一端连接到空心圆柱的中央，接到馈电所用50Ω同轴线上。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电基板背面还印制有十字型导体贴片，所述十字型贴片上蚀刻了缝隙。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属反射柱的直径为0.1λ0，高度为1.5λ0-1.6λ0，厚度是0.007λ0，金属反射柱在中部断开高度为0.07λ0的缝隙放置宽带馈电网络，其中λ0为中心频率2GHz所对应自由空间的波长。
9.根据权利要求1-8任一项所述的天线，其特征在于，矩形环上的缝隙与矩形环呈S形状绕行时，为左旋圆极化全向天线；当矩形环对于环的纵向中轴线左右对称翻转，此时，矩形环上的缝隙与矩形环呈反S形状绕行，实现右旋圆极化全向天线。
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