CN104201463B - 一种双频带圆极化介质天线 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种双频带圆极化介质天线，属于天线领域。本发明的技术方案为：一种双频带圆极化介质天线，包括介质基板、设于介质基板正面的金属接地板及杯形介质块、设于介质基板背面的同轴电缆及金属背腔。杯状介质块的介电常数、顶面及底面的半径决定天线的两个工作频率，并且采用低介质常数的材料有效地降低了天线的制作成本；通过在接地板上刻蚀开口圆形槽以实现天线的圆极化，避免了额外的馈电网络，降低了系统复杂性。该发明的目的是采用价格低廉的低介电常数材料设计一种结构简单，便于加工，且具有较宽的轴比带宽与较高的辐射效率的双频带圆极化天线。

Description

一种双频带圆极化介质天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种双频带圆极化介质天线。
背景技术
近年来，随着无线通信的发展，双频带圆极化介质天线受到广泛关注。天线是无线电设备中的关键部件，承担着能量转换功能和定向辐射(或接收)的功能，对于决定一个无线通信系统的优劣起着关键性的作用。在现有天线类型中，介质天线因其自身具有易于馈电、体积小、辐射效率高以及功率容量高等优点得到了广泛的关注和应用。目前，所使用的圆极化介质天线主要工作在单频段范围内。但是在某些应用场合中，如射频识别系统或卫星通信系统，其所使用的天线必须能够同时在两个不同频段内发射具有圆极化特征的信号并接收之。因此，业界需要一种可同时工作于两个频段的圆极化介质天线，以提升天线模块的工作效率及应用弹性。
目前，国内外进行了一系列有关介质天线的双频带圆极化特性的研究并取得了一些成果。《IEEE TRANSATIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》2009年第57卷12期论文“dual-band circularly polarized dual-slot antenna with a dielectric cover”中介绍了一种由介质天线和金属腔体天线两部分组成的双频带圆极化天线，但是天线整体的结构比较复杂，不易于加工。《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》2011年第59卷6期论文“Compact circularly polarized dualband zonal-slot/DRA hybridantenna without external ground plane”中介绍了一种同样由介质天线和金属腔体天线两部分组成的双频带圆极化天线，介质天线放置在金属腔体天线的上方，通过金属腔体上的十字不等长缝隙馈电实现圆极化，但是天线的尺寸较大。《IEEE TRANSATIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION》2012年第60卷6期论文“linear-/circular-polarizationdesigns of dual-/wide-band cylindrical dielectric resonator antennas”中介绍了一种使用正交馈电激励的双频带圆极化介质天线，通过使用一个双频正交耦合器提供两个正交信号来实现天线的圆极化工作，天线具有12.4％(1.69-1.89GHz)和7.4％(2.34-2.52GHz)的轴比带宽，但是天线的馈电结构复杂，尺寸较大。
发明内容
本发明提供了一种双频带圆极化介质天线，目的是采用价格低廉的低介电常数材料设计一种结构简单，便于加工，且具有较宽的轴比带宽与较高的辐射效率的双频带圆极化天线。
本发明采用的技术方案为：
一种双频带圆极化介质天线，包括介质基板、设于介质基板正面的金属接地板及杯形介质块、设于介质基板背面的同轴电缆及金属背腔，其特征在于所述金属接地板覆盖介质基板，金属接地板中心位置设有一开口圆形槽，槽正下方的介质基板设有一馈电通孔；所述杯形介质块为位于开口圆形槽的正上方的实心块，杯形介质块的顶面及底面为两个半径不等的圆形面，侧面为圆弧形面，且圆弧形的曲率半径等于顶面的半径；所述金属背腔位于杯形介质块的正下方，金属背腔为一空心的半球形壳体；同轴电缆穿过金属背腔，其内导体通过馈电通孔与金属接地板连接。
所述开口圆形槽的开口位置与馈电通孔位置相差90±5度。
所述杯状介质块采用的材料介电常数范围为9.2±0.2。
所述金属背腔的内半径及杯状介质块的底面半径大于开口圆形槽的半径。
所述金属接地板刻蚀于介质基板上。
所述杯状介质块、金属背腔单独加工成型，各部分通过环氧胶连接为一体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)杯状介质块的介电常数、顶面及底面的半径决定天线的两个工作频率，并且杯状介质块不仅可以有效地缩小天线外观的体积，还可以节省杯状介质块的厚度与面积以有效地降低天线的加工成本。
(2)采用结构简单的杯体介质块作为天线的辐射单元，降低了天线的加工难度。
(3)介质块采用低介电常数材料制作，节约了天线制作的成本。
(4)通过在接地板上刻蚀开口圆形槽以实现天线的圆极化，避免了额外的馈电网络，降低了系统复杂性。
(5)可以分别对杯状介质块、金属背腔进行加工，采用环氧胶将各部分连接为一体，更易于加工。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图；
图2为本发明实施例的侧视图；
图3为本发明实施例的回波损耗曲线图；
图4为本发明实施例在低频段的轴比图；
图5为本发明实施例在高频段的轴比图；
图6为本发明实施例的辐射效率曲线图。
图中：1.介质基板，2.金属接地板，3.开口圆形槽4.杯型介质块，5.金属背腔，6.同轴电缆，7.馈电通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例的一种双频带圆极化介质天线作进一步详述。
如图1和图2所示，一种双频带圆极化介质天线，包括介质基板1、设于介质基板正面的金属接地板2及杯形介质块4、设于介质基板背面的同轴电缆6及金属背腔5，其特征在于所述金属接地板2覆盖介质基板1，金属接地板2中心位置设有一开口圆形槽3，槽正下方的介质基板1设有一馈电通孔7；所述杯形介质块4为位于开口圆形槽3的正上方的实心块，杯形介质块4的顶面及底面为两个半径不等的圆形面，侧面为圆弧形面，且圆弧形的曲率半径等于顶面的半径；所述金属背腔5位于杯形介质块4的正下方，金属背腔5为一空心的半球形壳体；同轴电缆6穿过金属背腔5，其内导体通过馈电通孔7与金属接地板2焊接。
所述介质基板1与金属接地板2的长×宽均为8cm×8cm，介质基板1厚度为1.6mm，材料为环氧树脂板，金属接地板2刻蚀于介质基板上，材料为铜。
所述开口圆形槽3外半径为8.4mm，内半径为7.4mm，开口圆形槽3的开口位置与馈电通孔7位置相差90度。由于短路部分的存在，可以激励起两个正交简并模，从而实现天线的圆极化性能。通过调节短路缝隙的宽度，对天线的阻抗匹配进行调节，实例中短路缝隙的宽度为1.7mm。通过调节馈电处和缝隙短路处之间的角度，可以对天线的轴比深度进行调节，实例中馈电处和缝隙短路处之间的角度为-90度，此时天线的圆极化方式为左旋圆极化。当馈电处和缝隙短路处之间的角度为+90度，此时天线的圆极化方式为右旋圆极化。
所述杯形介质块4顶面半径为2.84cm，底面半径为2cm，采用介电常数为9.2的陶瓷材料，其介电常数和两截面的半径决定天线的工作频率。
所述金属背腔5的外半径为2.45cm，厚度为0.2cm，材料为铜，其半径由天线的工作频率来决定，金属背腔5用以提高天线的增益。
图3为本实例的阻抗带宽仿真结果，由图3可见，本发明在两个频段内工作，在5.8GHz处的阻抗带宽为130MHz，相对带宽为2.24％，在6.4GHz处的阻抗带宽为710MHz，相对带宽为10.69％，因此，天线具有较宽的相对带宽。
图4和图5为本实例在低频段和高频段处的轴比仿真结果，由图4、图5的轴比图可见，本实例在低频段和高频段的圆极化轴比带宽分别为40MHz和50MHz，即天线具有较宽的轴比宽带。
图6为本实例的辐射效率仿真结果，由图6所示，本发明在天线的工作频段内，辐射效率都在85％以上，天线具有较高的辐射效率。

Claims (5)

1.一种双频带圆极化介质天线，包括介质基板、设于介质基板正面的金属接地板及杯形介质块、设于介质基板背面的同轴电缆及金属背腔，其特征在于所述金属接地板覆盖介质基板，金属接地板中心位置设有一开口圆形槽，槽正下方的介质基板设有一馈电通孔，开口圆形槽的开口位置与馈电通孔位置相差90±5度；所述杯形介质块为位于开口圆形槽的正上方的实心块，杯形介质块的顶面及底面为两个半径不等的圆形面，侧面为圆弧形面，且圆弧形的曲率半径等于顶面的半径；所述金属背腔位于杯形介质块的正下方，金属背腔为一空心的半球形壳体；同轴电缆穿过金属背腔，其内导体通过馈电通孔与金属接地板连接。
2.如权利要求1所述的一种双频带圆极化介质天线，其特征在于所述杯状介质块采用的材料介电常数范围为9.2±0.2。
3.如权利要求1所述的一种双频带圆极化介质天线，其特征在于所述金属背腔的内半径及杯状介质块的底面半径大于开口圆形槽的半径。
4.如权利要求1所述的一种双频带圆极化介质天线，其特征在于所述金属接地板刻蚀于介质基板上。
5.如权利要求1所述的一种双频带圆极化介质天线，其特征在于所述杯状介质块、金属背腔单独加工成型，各部分通过环氧胶连接为一体。
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