CN104241819A - 一种双模宽带圆极化宽槽天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模宽带圆极化宽槽天线，包括有两个结构一样、相互对置的圆极化宽槽天线单元，及设在该两个圆极化宽槽天线单元之间的馈电网络；每个圆极化宽槽天线单元均设有一个宽槽，宽槽周围是圆极化宽槽天线单元的地板，地板的外缘引入有天线馈电端，天线馈电端上加载有馈电信号线，地板上分别加载有接地金属带和缝隙，馈电信号线与接地金属带共同产生一个圆极化模式，馈电信号线与缝隙共同产生另一个圆极化模式。本发明通过引入接地金属带和在地板上加载缝隙，产生两个圆极化模式，明显地展宽轴比带宽，具有结构简单，轴比带宽和阻抗带宽宽、轴比带宽和带内轴比性能可控，宽带方向图稳定等特点。

Description

一种双模宽带圆极化宽槽天线

技术领域

本发明涉及圆极化天线的技术领域，尤其是指一种双模宽带圆极化宽槽天线。

背景技术

全球定位导航系统(GNSS)是近几十年兴起研究的一项工程，主要用于为用户提供定位、导航和精确授时服务。相对于传统无线电定位，其定位精度高，并具有响应速度快、覆盖范围广和全天候全天时等优点，因此无论在民用或者军用领域，其应用价值都非常大，目前已被广泛应用于远洋航行、森林防火和减灾救灾等方面。目前全球有四大定位导航系统，即美国的全球定位系统(GPS)、欧盟的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)以及中国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)，已被联合国认定为全球卫星导航系统的四大核心供应商，目前中国的北斗二代正处于快速组网阶段，据报道预计在2020年将完全实现全球覆盖。

圆极化天线是北斗系统广泛采用的天线，其性能严重影响着系统的工作质量。北斗二代系统频段为B1：1561.098±2.046MHz、B2：1207.14±10.23MHz和B3：1268.52±10.23MHz，均为右旋圆极化，而不同导航系统的工作频段也有所不同，比如GPS的三个系统频段分别为L1：1575.42MHz±2.046MHz、L2：1227.60±2.046MHz和L5：1176.45±12MHz。对于一个高质量的系统终端来说，必须能同时兼容不同定位导航系统，这样能取各个系统之所长而进行优势互补，尽量地利用可用的信号来提高定位导航的质量，因此要求天线具有宽带圆极化性能。目前宽带圆极化天线已成为研究的热门方向。实现宽带圆极化天线的难点在于既要保证在宽带内天线阻抗匹配性能良好、方向图稳定，还要保证工作频段内轴比满足圆极化的要求。目前实现宽带圆极化的方法主要可以分为三种：采用螺旋行波天线、宽槽天线等天线结构，增加寄生单元引入多个圆极化模式，改善天线的馈电网络。第一和第三种方法比较难实现圆极化宽带和带内轴比性能的可控，且第三种方法需要设计宽带馈电网络，增加了复杂性又引入了损耗。第二种方法可以实现圆极化带宽和带内轴比性能的可控性，但是目前带宽能够兼容北斗二代所有频段的宽带天线较少。

传统的微带天线具有低剖面的优势，但是其工作带宽非常窄，一般只有3％左右。多馈结构的四臂螺旋天线具有良好的宽带圆极化性能，但是必须设计馈电网络，而且天线的剖面相对较高。宽槽天线可以较容易地实现宽带阻抗匹配，因此常被用于设计宽带天线。而共面波导的馈电结构使天线的金属层都在一个平面上，方便加工和集成。目前大部分的共面波导馈电宽槽天线均采用引入相互垂直的两个金属带或者引入微扰来产生圆极化辐射，可以使天线具有较宽的轴比带宽，但是目前大部分都是单模工作，轴比带宽有限。

2006年Y.B.Chen等人在Electronics Letters上发表了题为“CPW-fedbroadband circularly polarised square slot antenna”的文章，提出另一种利用共面波导馈电的方形槽圆极化天线。沿着方形槽的对角线方向从馈线引入L形枝节，利用枝节的水平和垂直部分分别产生圆极化波所需的两个电流分量，可以获得17％的轴比带宽，无法覆盖北斗二代的所有频段。

2008年Jia-Yi Sze等人在IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters上发表了题为“Circularly polarized square slot antenna with a pairof inverted-L grounded strips”的文章，在方形槽的两个对角位置加入两个L形的接地金属带，使槽中的磁场产生扰动从而形成圆极化波。该结构为单模圆极化，文献中数据显示轴比带宽25％。

2008年Jeen-Sheen Row等人在IEEE Transactions on Antennas andPropagation上发表了题为“Circularly-polarized wide slot antenna loadedwith a parasitic patch”的文章，主辐射天线为一个微带馈电的圆形槽天线，在其正上方加载一个圆形寄生贴片。通过主辐射天线和寄生天线的共同作用使天线的带宽展宽，并且随着主辐射天线与寄生贴片之间的高度距离增加，两者之间的耦合作用会发生变化，带宽会逐渐增加。该结构得到了21％的轴比带宽。寄生单元结构增加了天线的剖面高度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双模宽带圆极化宽槽天线，具有结构合理简单，轴比带宽和阻抗带宽宽、轴比带宽和带内轴比性能可控，宽带方向图稳定等特点。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种双模宽带圆极化宽槽天线，包括有两个结构一样、相互对置的圆极化宽槽天线单元，以及设在该两个圆极化宽槽天线单元之间的馈电网络，所述馈电网络输出两个幅度相等、相位相差180°的信号对两个圆极化宽槽天线单元进行馈电；其中，每个圆极化宽槽天线单元均设有一个宽槽，所述宽槽的周围是圆极化宽槽天线单元的地板，所述地板的外缘引入有天线馈电端，所述天线馈电端上加载有往宽槽内延伸的馈电信号线，所述地板上分别加载有往宽槽内延伸的接地金属带以及连通宽槽的缝隙，所述馈电信号线与接地金属带共同产生一个圆极化模式，所述馈电信号线与缝隙共同产生另一个圆极化模式。

所述馈电信号线与地板之间引入阻抗匹配网络。

所述馈电信号线上加载有一段阻抗匹配金属带，所述阻抗匹配金属带与地板之间存在间隙。

所述天线馈电端使用微带、共面波导或者同轴线进行馈电。

所述馈电网络为反相功分微带馈电网络。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、现有的宽槽圆极化天线一般是单模的工作方式，轴比带宽不够宽，并且轴比宽带不可控，而本发明的双模宽带圆极化宽槽天线通过引入接地金属带和在地板上加载缝隙，产生两个圆极化模式，明显地展宽了轴比带宽，并且可以通过改变接地金属带和缝隙的尺寸方便地控制天线的轴比带宽，使其覆盖第二代北斗卫星导航系统的所有频段，并兼容GPS的工作频段；

2、与现有的宽槽圆极化天线相比，本发明的双模宽带圆极化宽槽天线具有宽频带内方向图对称稳定的优点。

附图说明

图1为本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线的结构示意图。

图2为本发明所述圆极化宽槽天线单元的结构示意图。

图3为本发明所述圆极化宽槽天线单元除去缝隙后的结构示意图。

图4为本发明所述圆极化宽槽天线单元除去接地金属带后的结构示意图。

图5为图2、图3和图4所示天线单元的轴比电磁仿真曲线对比图。

图6为本发明所述圆极化宽槽天线单元除去阻抗匹配金属带后的结构示意图。

图7为图2与图6所示天线单元的S11电磁仿真曲线图。

图8为本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线的轴比电磁仿真曲线图。

图9a为本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线在1.25GHz，phi＝0平面的电磁仿真方向图。

图9b为本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线在1.25GHz，phi＝90°平面的电磁仿真方向图。

图9c为本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线在1.5GHz，phi＝0平面的电磁仿真方向图。

图9d为本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线在1.5GHz，phi＝90°平面的电磁仿真方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的双模宽带圆极化宽槽天线，是一个可以覆盖我国北斗二代卫星导航系统并兼容GPS系统所有频段的圆极化天线，可以满足多星座兼容的要求。如图1所示，它包括有两个结构一样、相互对置的圆极化宽槽天线单元1、2，以及设在该两个圆极化宽槽天线单元1、2之间的馈电网络3，所述馈电网络3为反相功分微带馈电网络，能输出两个幅度相等、相位相差180°的信号对两个圆极化宽槽天线单元1、2进行馈电，这样能使整个双模宽带圆极化宽槽天线在宽频带内保持稳定对称的方向图，即在轴比带宽内天线的辐射方向图都比较对称，具有宽带方向图稳定的优点，其效果如图9a至图9d所示。

如图2所示，每个圆极化宽槽天线单元均设有一个宽槽4，所述宽槽4可以是方形、圆形、三角形或者其它形状，而在本实施例中具体为正方形。所述宽槽4的周围是圆极化宽槽天线单元的地板5，所述地板5的外缘引入有天线馈电端6。所述天线馈电端6可以使用微带、共面波导或者同轴线等进行馈电，其上加载有往宽槽4内延伸的馈电信号线8。所述地板5上分别加载有往宽槽4内延伸的接地金属带9以及连通宽槽4的缝隙10，所述接地金属带9可以是直线形、T形或者其它形状，而在本实施例中具体为T形，并垂直于馈电信号线8，所述缝隙10可以是L形或者其它形状，而在本实施例中具体为L形。所述馈电信号线8与接地金属带9共同产生一个圆极化模式，通过调节接地金属带9的长度可以改变该圆极化模式的频率；所述馈电信号线8与缝隙10共同产生另一个圆极化模式，通过调节缝隙10的尺寸可以改变该圆极化模式的频率。

如图3所示，显示了本发明所述圆极化宽槽天线单元除去缝隙后的结构，如图4所示，显示了本发明所述圆极化宽槽天线单元除去接地金属带后的结构，当接地金属带9与地板5上的缝隙10同时存在时，由于产生了两个圆极化模式，因此轴比带宽得到了明显地提高，如图5所示。此外，改变接地金属带9与缝隙10的长度可以方便地控制天线的轴比带宽和带内的轴比性能。

另外，为了改善天线的阻抗匹配性能，本实施例所述馈电信号线8与地板5之间引入了阻抗匹配网络，所述馈电信号线8上加载有一段阻抗匹配金属带11，该阻抗匹配金属带11能产生电感效应，同时，所述阻抗匹配金属带11与地板5之间存在间隙7，该阻抗匹配金属带11与间隙7之间能产生电容效应，这样相当于本实施例在馈电信号线8与地板5之间并联一个LC串联电路。

如图6所示，显示了本发明所述圆极化宽槽天线单元除去阻抗匹配金属带后的结构，该结构与图2所示结构相比，它们的S11电磁仿真曲线如图7所示，从图7中可知，通过改变阻抗匹配金属带11的长度与间隙7的宽度，即可改变天线的阻抗匹配性能。此外，使馈电信号线8的宽度不同，也可以改变天线的输入阻抗，从而改善天线的阻抗匹配性能。

如图8所示，本发明所述双模宽带圆极化宽槽天线的轴比带宽可以达到60％以上。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双模宽带圆极化宽槽天线，其特征在于：包括有两个结构一样、相互对置的圆极化宽槽天线单元(1、2)，以及设在该两个圆极化宽槽天线单元(1、2)之间的馈电网络(3)，所述馈电网络(3)输出两个幅度相等、相位相差180°的信号对两个圆极化宽槽天线单元(1、2)进行馈电；其中，每个圆极化宽槽天线单元均设有一个宽槽(4)，所述宽槽(4)的周围是圆极化宽槽天线单元的地板(5)，所述地板(5)的外缘引入有天线馈电端(6)，所述天线馈电端(6)上加载有往宽槽(4)内延伸的馈电信号线(8)，所述地板(5)上分别加载有往宽槽(4)内延伸的接地金属带(9)以及连通宽槽(4)的缝隙(10)，所述馈电信号线(8)与接地金属带(9)共同产生一个圆极化模式，所述馈电信号线(8)与缝隙(10)共同产生另一个圆极化模式。

2.根据权利要求1所述的一种双模宽带圆极化宽槽天线，其特征在于：所述馈电信号线(8)与地板(5)之间引入阻抗匹配网络。

3.根据权利要求2所述的一种双模宽带圆极化宽槽天线，其特征在于：所述馈电信号线(8)上加载有一段阻抗匹配金属带(11)，所述阻抗匹配金属带(11)与地板(5)之间存在间隙(7)。

4.根据权利要求1所述的一种双模宽带圆极化宽槽天线，其特征在于：所述天线馈电端(6)使用微带、共面波导或者同轴线进行馈电。

5.根据权利要求1所述的一种双模宽带圆极化宽槽天线，其特征在于：所述馈电网络(3)为反相功分微带馈电网络。