CN104600425B - 一种宽带高增益双圆极化贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带高增益双圆极化贴片天线，包括地板层、馈电网络、方形贴片阵列以及从上而下依次放置的上层介质基片、中层介质基片、下层介质基片，且三者之间用介质框架隔离支撑；方形贴片阵列贴合在上层介质基片和中层介质基片的下表面；每个方形贴片阵列中包括两行两列排布的四个方形单元；地板层位于下层介质基片的上表面；馈电网络刻蚀于下层介质基片的下表面；地板层上蚀刻有八条辐射缝隙；馈电网络包括定向耦合器、六个功分器、空气电桥。馈电网路将输入信号分为八路信号并馈入辐射缝隙，并由辐射缝隙向上对方形贴片阵列馈电，最终由中层及上层辐射实现天线辐射作用。本发明利用印刷电路工艺实现了宽带宽，高增益的双圆极化天线。

Description

一种宽带高增益双圆极化贴片天线

技术领域

本发明涉及一种宽带高增益双圆极化贴片天线，属于无线通信领域。

背景技术

随着无线通信、射频识别、雷达等技术的飞速发展和应用范围的扩大，作为微波、毫米波系统的前端，天线需要在各种极化方式和恶劣气候条件下工作，单一极化方式已经越来越不能满足实际应用的需求。

圆极化波由等幅、相位相差90度的线极化波叠加而成；线极化波也可以由旋向不同圆极化波叠加而成。所以，不同取向的线极化波都可以用圆极化天线接收到，同时圆极化波具有抗云雨衰减、抗多径衰减等特点。这使得圆极化天线在移动通信、高速移动物体远程控制、雷达探测等方面得到广泛应用。

通信、雷达系统的高度集成设计能够有效减小系统的体积，降低因分立模块间转接引入的额外损耗和系统功耗，是各种系统今后发展必然趋势。天线作为通信系统的前端，在设计过程中需要充分考虑与外部电路和结构的互联。而在现有技术中，天线很少兼具带宽宽、高增益、平面化并且可以同时支持双圆极化的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带高增益双圆极化贴片天线本，本发明在1.98GHz-2.2GHz频段内具有增益高、辐射效率高、带宽宽的特点，并且可实现双圆极化。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽带高增益双圆极化贴片天线，包括从上而下依次放置的上层介质基片2、中层介质基片4、下层介质基片7；所述上层介质基片2、中层介质基片4、下层介质基片7之间采用介质框架13进行隔离支撑；

在上层介质基片2和中层介质基片4的下表面均设置有方形贴片阵列；每个方形贴片阵列中包括四个方形单元，所述四个方形单元呈两行两列排布，并且每个方形单元呈45度放置；

所述下层介质基片7的上表面设置有地板层6；所述下层介质基片7的下表面刻蚀有馈电网络12；所述地板层6上蚀刻有八条辐射缝隙；每两条辐射缝隙为一组，每组中两条辐射缝隙呈90度角设置；

所述馈电网络12包括定向耦合器11、六个功分器9、空气电桥10；每个功分器均为一路输入两路输出；输入信号由定向耦合器的左右输入端口馈入；输入信号能够经过定向耦合器11分为第一路输出信号和第二路输出信号，所述第一路输出信号能够通过第一功分器变为两路输出信号，第二路输出信号能够通过第二功分器变为两路输出信号；由第一功分器输出的一路输出信号能够通过第三功分器，另一路输出信号能够通过第四功分器；由第二功分器输出的一路输出信号能够通过第五功分器，另一路输出信号能够通过第六功分器；由第三功分器、第四功分器、第五功分器、第六功分器最终输出的共八路输出信号，其八路输出末端为微带枝节8结构；由第三功分器的一路输出的微带枝节与第五功分器的一路输出的微带枝节组合，所述第三功分器与第五功分器的另一路输出的微带枝节组合；由第四功分器的一路输出的微带枝节与第六功分器的一路输出微带枝节组合；所述第四功分器和第六功分器的另一路输出的微带枝节组合；每组微带枝节组合与一组辐射缝隙组合的垂直投影与中层介质基片上的方形单元重合；第一功分器输出的其中一路输出信号与第二功分器输出的其中一路输出信号的交叉处为空气电桥10。

进一步的，所述功分器为威尔金森功分器。

进一步的，所述各方形单元贴片间距0.73*λ₀，其中，λ₀为空气波长。

进一步的，所述空气电桥10高出下层介质基片7下表面0.5mm-1mm。

有益效果：本发明提供的一种宽带高增益双圆极化贴片天线，与现有技术相比，具有增益高、带宽宽的特点，增益在通带(1.98GHz-2.2GHz)内超过12dBi，轴比小于3dB，可方便实现双圆极化。天线使用印刷电路板加工，可方便实现与外部电路的连接，解决系统的集成问题。

附图说明

图1为本发明的天线各层结构示意图；

图2为本发明的结构叠放以及空气电桥示意图；

图3为本发明天线的定向耦合器左右两个输入端口驻波测试结果；

图4为本发明天线的定向耦合器左右两个输入端口间隔离测试结果；

图5为本发明天线轴比测试结果；

图6为本发明天线远场方向图水平截面测试结果；

图7为本发明天线远场方向图垂直截面测试结果；

其中：1-方形贴片阵列、2-上层介质基片、4-中层介质基片、5-辐射缝隙、6-地板层、7-下层介质基片、8-微带枝节、9-威尔金森功分器、10-空气电桥、11-定向耦合器、12-馈电网络、13-介质框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示一种宽带高增益双圆极化贴片天线，包括从上而下依次放置的上层介质基片2、中层介质基片4、下层介质基片7；上层介质基片2、中层介质基片4、下层介质基片7之间采用介质框架13进行隔离支撑；

在上层介质基片2和中层介质基片4的下表面均设置有方形贴片阵列；每个方形贴片阵列中包括四个方形单元，四个方形单元呈两行两列排布且每个方形单元呈45度放置，各方形单元贴片间距0.73*λ₀，其中，λ₀为空气波长。地板层6位于下层介质基片7的上表面；馈电网络12刻蚀于下层介质基片7的下表面；地板层6上蚀刻有八条辐射缝隙；每两条辐射缝隙为一组，每组中两条辐射缝隙呈90度角设置；

馈电网络12包括定向耦合器11、六个威尔金森功分器9、空气电桥10；每个威尔金森功分器均为一路输入两路输出；输入信号由定向耦合器的左右输入端口馈入，分别实现左旋圆极化波和右旋圆极化波；输入信号经过定向耦合器11分为第一路输出信号和第二路输出信号，第一路输出信号能够通过第一威尔金森功分器变为两路输出信号，第二路输出信号能够通过第二威尔金森功分器变为两路输出信号；由第一威尔金森功分器输出的一路输出信号能够通过第三威尔金森功分器，另一路输出信号能够通过第四威尔金森功分器；由第二威尔金森功分器输出的一路输出信号能够通过第五威尔金森功分器，另一路输出信号能够通过第六威尔金森功分器；由第三威尔金森功分器、第四威尔金森功分器、第五威尔金森功分器、第六威尔金森功分器最终输出的共八路输出信号，其八路输出末端为八条微带枝节8结构；由第三威尔金森功分器的一路输出的微带枝节与第五威尔金森功分器的一路输出的微带枝节组合，第三威尔金森功分器与第五威尔金森功分器的另一路输出的微带枝节组合；由第四威尔金森功分器的一路输出的微带枝节与第六威尔金森功分器的一路输出微带枝节组合；第四威尔金森功分器和第六威尔金森功分器的另一路输出的微带枝节组合；每组微带枝节组合与一组辐射缝隙组合的垂直投影与中层介质基片上的方形单元重合；第一威尔金森功分器输出的其中一路输出信号与第二威尔金森功分器输出的其中一路输出信号的交叉处为空气电桥10，空气电桥10高出下层介质基片7下表面0.5mm-1mm。

工作原理：一种在1.98GHz-2.2GHz宽带高增益双圆极化天线，该天线通过三层介质基片形成，其中上层介质基片2和中层介质基片4为辐射单元层，起着对外辐射的作用；下层介质基片7为地板馈电网络层。三层结构通过介质基片形成的框架进行支撑，以便在三层基片之间形成空气填充，空气的低介电常数特性可以展宽该天线的带宽。通过调节上层介质基片2和中层介质基片4之间的间距或者调节上层介质基片中的方形贴片阵列中的方形单元的尺寸可以改变馈电网络与方形单元之间的匹配效果。同时上层介质基片中的方形贴片阵列中的方形单元起着引向作用，使得天线的辐射方向会变窄，可以提高天线的增益。即上层介质基片2下表面所贴合的方形贴片阵列起着调节匹配，提高增益的作用。馈电网络先对地板层的辐射缝隙进行馈电，再通过辐射缝隙对对方形贴片阵列中的方形单元进行馈电，即方形单元的馈电通过蚀刻于地板上的八条辐射缝隙八条微带枝节组合完成，通过缝隙，将能量耦合馈入上层介质基片2和中层介质基片4的方形贴片阵列。每个方形单元由两条正交放置的辐射缝隙馈电，辐射缝隙上电场相位相差90度，使贴片辐射圆极化波。地板层6位于下层介质基片7的上表面；馈电网络12刻蚀于下层介质基片7的下表面，通过定向耦合器以及威尔金森功分器可以将输入能量按照所需的幅度、相位馈入辐射缝隙。馈电网络包括一个定向耦合器、六个威尔金森功分器、一个空气电桥构成。将输入信号由定向耦合器的左右端口馈入，可以分别实现左旋圆极化波和右旋圆极化波。

如图3所示，本发明所提出的一种宽带高增益双圆极化贴片天线的定向耦合器左右两输入端口驻波在1.98GHz-2.2GHz频段内均在-14dB以下，满足实际无线通信设备的使用需求。

如图4所示，本发明所提出的一种宽带高增益双圆极化贴片天线的定向耦合器左右两输入驻波端口隔离在1.98GHz-2.2GHz频段内在-13dB以下，实际使用时，可以保证天线的辐射效率高。

如图5所示，本发明所提出的一种宽带高增益双圆极化贴片天线远场轴比在1.98GHz-2.2GHz频段内小于3dB，达到圆极化的设计需求。

图6、图7为本发明所提出的一种宽带高增益双圆极化贴片天线1.99GHz处的远场方向图，两图分别为水平截面和垂直截面内的测试结果。由图可以看出，0度时天线的轴比小于3dB，并且该天线可在±25度的覆盖范围内实现圆极化覆盖。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种宽带高增益双圆极化贴片天线，其特征在于：包括从上而下依次放置的上层介质基片(2)、中层介质基片(4)、下层介质基片(7)；所述上层介质基片(2)、中层介质基片(4)、下层介质基片(7)之间采用介质框架(13)进行隔离支撑，以便在三层基片之间形成空气填充；

在上层介质基片(2)和中层介质基片(4)的下表面均设置有方形贴片阵列；每个方形贴片阵列中包括四个方形单元，所述四个方形单元呈两行两列排布，并且每个方形单元呈45度放置；

所述下层介质基片(7)的上表面设置有地板层(6)；所述下层介质基片(7)的下表面刻蚀有馈电网络(12)；所述地板层(6)上蚀刻有八条辐射缝隙；每两条辐射缝隙为一组，每组中两条辐射缝隙呈90度角设置；

所述馈电网络(12)包括定向耦合器(11)、六个功分器(9)、空气电桥(10)；每个功分器均为一路输入两路输出；输入信号由定向耦合器的左右输入端口馈入；输入信号能够经过定向耦合器(11)分为第一路输出信号和第二路输出信号，所述第一路输出信号能够通过第一功分器变为两路输出信号，第二路输出信号能够通过第二功分器变为两路输出信号；由第一功分器输出的一路输出信号能够通过第三功分器，另一路输出信号能够通过第四功分器；由第二功分器输出的一路输出信号能够通过第五功分器，另一路输出信号能够通过第六功分器；由第三功分器、第四功分器、第五功分器、第六功分器最终输出的共八路输出信号，其八路输出末端为微带枝节(8)结构；由第三功分器的一路输出的微带枝节与第五功分器的一路输出的微带枝节组合，所述第三功分器与第五功分器的另一路输出的微带枝节组合；由第四功分器的一路输出的微带枝节与第六功分器的一路输出微带枝节组合；所述第四功分器和第六功分器的另一路输出的微带枝节组合；每组微带枝节组合与一组辐射缝隙组合的垂直投影与中层介质基片上的方形单元重合；第一功分器输出的其中一路输出信号与第二功分器输出的其中一路输出信号的交叉处为空气电桥(10)；所述功分器为威尔金森功分器；

其中上层介质基片(2)和中层介质基片(4)为辐射单元层，起着对外辐射的作用；下层介质基片(7)为地板馈电网络层；通过调节上层介质基片(2)和中层介质基片(4)之间的间距或者调节上层介质基片(2)中的方形贴片阵列中的方形单元的尺寸改变馈电网络与方形单元之间的匹配效果；同时上层介质基片(2)中的方形贴片阵列中的方形单元起着引向作用，使得天线的辐射方向会变窄，提高天线的增益。

2.根据权利要求1所述的一种宽带高增益双圆极化贴片天线，其特征在于：所述各方形单元贴片间距0.73*λ₀，其中，λ₀为空气波长。

3.根据权利要求1所述的一种宽带高增益双圆极化贴片天线，其特征在于：所述空气电桥(10)高出下层介质基片(7)下表面0.5mm-1mm。