CN104617380A - 一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，属于微波技术领域。在介质基板上分别设计结构相同、反对称布置的顶层与底层对跖半环路辐射单元、顶层与底层相位转换枝节，引入与顶层、底层相位转换枝节相连接的非全封闭谐振腔。通过金属化过孔将顶层、底层对跖半环路辐射单元连接起来、形成一个对称环，与引入的谐振腔通过相位转换枝节组合成完整的天线单元。谐振腔的口径可等效为水平放置的磁偶极子，圆环可等效为垂直放置的磁偶极子，两者共址放置并通过相位转换枝节实现90度相位差馈电，从而使天线具有圆极化定向辐射特性。本发明采用单点馈电，具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点。

Description

一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线
技术领域
本发明涉及一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，属于微波技术领域。
背景技术
圆极化天线的研究可以追溯到1940年。因为圆极化天线可以抗降雨的干扰，可以接受任意极化的波，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线接收到，也不需要复杂的跟踪系统就可以实现较好的匹配，因而在RFID、无线通信、卫星通信等诸多领域具有广阔的应用前景。
目前，圆极化天线的制作大致可以划分为三种方法：
第一种方法为产生两个极化和相位正交的模，从而实现圆极化；
第二种方法为使用旋转结构，如微带平面旋转天线和立体结构的螺旋天线；
第三种方法为在辐射贴片或介质谐振腔上产生交叉偶极子，这两个交叉偶极子的模极化和相位正交。
微带天线是实现第一种方法的常见天线类型。为了达到产生两个极化和相位正交的模，微带天线有三种主要的方法，分别是单馈、多馈以及多元法。实现方式多以在辐射贴片上进行切角、表面开槽或采用准方形、近圆形的辐射贴片来实现。
因此，以上方式基本上是采用在天线平面上产生两个极化和相位正交的模，从而实现圆极化，其辐射最大方向垂直于天线所在的平面(即：边射特性)，为了提高天线的增益，使得其最大辐射波束指向平行于天线所在平面的方向上（即：端射特性）、以满足“点对点”应用，螺旋天线、喇叭天线、八木天线等结构的端射圆极化天线是另一类解决方案。然而，它们属于立体结构，不利于平面集成与小型应用。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于针对背景技术存在的问题，提出一种平面口径-对称环组合天线，该组合天线具有近似的端射特性和良好的圆极化性能，而且波束平行于天线所在的平面，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：
一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：包括介质基板、印刷设置在介质基板的上表面且相互连接的顶层对跖半环路辐射单元、顶层相位转换枝节，以及印刷设置在介质基板的下表面且相互连接的底层对跖半环路辐射单元、底层相位转换枝节；其中，所述顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元构与尺寸相同，并且相对于介质基板的中心横轴反对称排布，同时顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元的自由端通过金属化过孔上下连通，形成一个对称环；
所述顶层相位转换枝节与底层相位转换枝节结构与尺寸相同，且相对于介质基板中心横轴反对称排布以实现90度相位差的结构；
在介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔，该谐振腔的非封闭面垂直于基板的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换枝节、底层相位转换枝节相连接，且所述谐振腔的位置与所述对称环在介质基板上的投影位置不重叠。
作为本发明的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线的进一步优化方案：所述谐振腔和顶层对跖半环路辐射单元、底层对跖半环路辐射单元采用同轴线进行激发，其中谐振腔的上表面与同轴线的内导体相连，谐振腔的下表面与同轴线的外导体相连。
作为本发明的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线的进一步优化方案：所述谐振腔的长度、宽度均可改变，所述谐振腔与顶层相位转换枝节、底层相位转换枝节之间连接的渐变结构具有下倾角；该下倾角的范围为：50°到90°。
作为本发明的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线的进一步优化方案：所述顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元长度、宽度均可改变，所述顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元均分别具有半环始端倾角和半环中心倾角；其中所述半环始端倾角的范围为：20°到60°，所述半环中心倾角的范围为：20°到60°。
作为本发明的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线的进一步优化方案：所述顶层相位转换枝节与底层相位转换枝节长度、宽度均可改变，所述顶层相位转换枝节与底层相位转换枝节均分别具有枝节中心上倾角和枝节中心下倾角；其中所述枝节中心上倾角的范围为：150°到180°，所述枝节中心下倾角的范围为：40°到80°。
作为本发明的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线的进一步优化方案，所述金属化过孔的个数为1-5个。
作为本发明的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线的进一步优化方案，介质基板的介电常数为2至20。
本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：
本发明提出一种新的纯平面结构孔径-对称环组合天线，通过金属化过孔将顶层对跖半环路辐射单元和底层对跖半环路辐射单元连接起来、形成一个对称环，与引入的谐振腔通过相位转换枝节组合成完整的天线单元。谐振腔的口径可等效为水平放置的磁偶极子，圆环可等效为垂直放置的磁偶极子，两者共址放置并通过相位转换枝节实现90度相位差馈电，从而使天线具有圆极化定向辐射特性。其波束为圆极化端射特性，且平行于天线所在的平面，天线的剖面尺寸明显低于常规的端射特性圆极化天线，有利于平面化设计和小型应用。
本发明能够在使用平面结构的同时，实现端射圆极化特性并且天线结构简单，制作工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。
图2是天线的侧面结构与参考坐标示意图。
图3是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。
图4是利用IE3D软件计算的天线反射系数特性。
图5是采用IE3D软件计算的天线轴比示意图。
图6是采用IE3D软件计算的天线方向图。
图7是本发明在工作频段内的增益特性图。
图中标号：1是介质基板，2是谐振腔，3是顶层对跖半环辐射单元，4是底层对跖半环辐射单元，5是顶层相位转换枝节，6是底层相位转换枝节，7是金属化过孔，8是半环中心倾角，9是半环始端倾角，10是枝节中心下倾角，11是枝节中心上倾角，21是谐振腔的上表面，22是同轴线的内导体，23是谐振腔的下表面，24是同轴线的外导体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
对照附图1、图2，图3，本发明所提出的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其结构是：包括介质基板1、分别印刷设置在介质基板1正反两面的顶层对跖半环路辐射单元3、顶层相位转换枝节5、底层对跖半环路辐射单元4、底层相位转换枝节6、与顶层相位转换枝节5和底层相位转换枝节6相连接的非全封闭谐振腔2；所述底层对跖半环路辐射单元4与底层相位转换枝节6相互连接，所述顶层对跖半环路辐射单元3与顶层相位转换枝节5相互连接；其中，所述底层对跖半环路辐射单元4、顶层对跖半环路辐射单元3相对于介质基板1反对称排布，所述顶层相位转换枝节5与底层相位转换枝节6相对于介质基板反对称排布，所述底层对跖半环路辐射单元4与顶层对跖半环路辐射单元3通过金属化过孔7上下连通，形成一个对称环。
如图3所示所述非全封闭的谐振腔2，是在介质基板的上下表面之间形成的一个一面非封闭的长方体，该谐振腔的非封闭面垂直于基板的表面，且所述谐振腔的位置与所述对称环在介质基板上的投影位置不重叠，即谐振腔位于介质基板中的左侧，而底层对跖半环路辐射单元4与顶层对跖半环路辐射单元3所形成的对称环在谐振腔的右侧。在没有封闭的一面端处，谐振腔上表面21与顶层相位转换枝节5通过渐变结构相连接，谐振腔下表面23与底层相位转换枝节6通过渐变结构相连接。
天线制作在介质基板1上，辐射单元由介质板上非完全封闭的谐振腔2、顶层对跖半环路辐射单元3、底层对跖半环路辐射单元4与顶层相位转换枝节5、底层相位转换枝节6构成，顶层对跖半环路辐射单元3与底层对跖半环路辐射单元4结构、尺寸完全相同；顶层对跖半环路辐射单元3直接与顶层相位转换枝节5相连接，底层对跖半环路辐射单元4直接与底层相位转换枝节6相连接；顶层对跖半环辐射单元3与底层对跖半环辐射单元4通过金属化过孔7连接起来。
谐振腔2的非封闭面等效为水平方向的磁偶极子，环路辐射单元等效为垂直方向的磁偶极子。谐振腔2与顶层对跖半环路辐射单元3和底层对跖半环路辐射单元4组合成平面结构。谐振腔和环路辐射单元采用同轴线进行激发，谐振腔2的上表面21与同轴线的内导体22相连，谐振腔2的下表面23与同轴线的外导体24相连。采用顶层相位转换枝节5与底层相位转换枝节6实现90度相位差的结构。
谐振腔2与顶层对跖半环路辐射单元3和底层对跖半环路辐射单元4的连接关系控制天线的圆极化旋向。当对跖半环路辐射单元3和相位转换枝节5处于顶层与谐振腔2相连，对跖半环路辐射单元4和相位转换枝节6处于底层与谐振腔2相连时，天线极化方向为右旋圆极化；当对跖半环路辐射单元4和相位转换枝节6处于顶层与谐振腔2相连，对跖半环路辐射单元3和相位转换枝节5处于底层与谐振腔2相连时，天线极化方向为左旋圆极化。
顶层对跖半环路辐射单元5与底层对跖半环路辐射单元6均分别具有半环始端倾角9和半环中心倾角8，其中所述的半环始端倾角9的范围为20°-60°，所述半环中心倾角8的范围为20°-60°；顶层相位转换枝节5与底层相位转换枝节6结构、尺寸完全相同, 所述顶层相位转换枝节5与底层相位转换枝节6均分别具有枝节中心上倾角和枝节中心下倾角,其中所述枝节中心上倾角11的范围为150°-180°，所述枝节中心下倾角10的范围为40°-80°；在谐振腔2非封闭的一端，谐振腔的顶层与顶层相位转换枝节5相连接，谐振腔2的底层与底层相位转换枝节6相连接，谐振腔与相位转换枝节之间的连接采用渐变结构，所述的渐变结构具有下倾角12，渐变结构的下倾角的范围为：50°到90°。
对照附图4，附图4是介质基板1按照相对介电常数为2.65、厚为2毫米，金属化过孔6的个数按照4个、过孔的半径为0.2毫米，顶层和底层对跖半环路辐射单元中半环始端倾角9按照34°、半环中心倾角8按照44°，顶层和底层相位转换枝节中半环中心上倾角11按照169°、半环中心下倾角10按照64°、渐变结构下倾角12按照78°，利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图4的结果可见，带宽达到了11.49%，覆盖了5.41-6.07GHz频段，中心频率在5.74GHz，该天线具有一定的阻抗带宽；附图5给出了利用IE3D软件仿真计算得到的天线轴比特性。由图4和图5可见，轴比带宽基本在阻抗带宽的范围之内，天线的3dB轴比带宽覆盖了5.50-5.92GHz，相对轴比带宽约为7.35%。
对照附图1中的参考坐标系与附图6，附图6(a)-(b)给出了5.70GHz的两个主工作面方向图（xy-平面与xz-平面），图中的实线为主极化分量，点划线为交叉极化分量；图7给出了工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到3.5dBi。由图6和图7可见，在整个工作频段内，天线具有相对稳定的定向辐射特性（其主波束指向+x方向），可以认为该天线的方向图带宽、增益带宽与阻抗带宽是基本一致的。
综上所述，圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，利用金属化过孔将反对称的辐射单元连接起来形成一个对称环状的结构，与谐振腔的孔径组合，产生圆极化波束，该组合天线在其所在平面内具有近似的端射特性和良好的圆极化性能，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现，适合应用于小型手持式RFID读写器中。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，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 (7)

1. 一种圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：包括介质基板（1）、印刷设置在介质基板（1）的上表面且相互连接的顶层对跖半环路辐射单元（3）、顶层相位转换枝节（5），以及印刷设置在介质基板（1）的下表面且相互连接的底层对跖半环路辐射单元（4）、底层相位转换枝节（6）；其中，所述顶层对跖半环路辐射单元(3)与底层对跖半环路辐射单元(4)结构与尺寸相同，并且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布，同时顶层对跖半环路辐射单元(3)与底层对跖半环路辐射单元(4)的自由端通过金属化过孔（7）上下连通，形成一个对称环；
所述顶层相位转换枝节(5)与底层相位转换枝节(6)结构与尺寸相同，且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布以实现90度相位差的结构；
在介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔，该谐振腔的非封闭面垂直于基板的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相位转换枝节、底层相位转换枝节相连接，且所述谐振腔的位置与所述对称环在介质基板上的投影位置不重叠。
2. 根据权利要求1所述的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：所述谐振腔和顶层对跖半环路辐射单元、底层对跖半环路辐射单元采用同轴线进行激发，其中谐振腔的上表面（21）与同轴线的内导体（22）相连，谐振腔（2）的下表面（23）与同轴线的外导体（24）相连。
3. 根据权利要求1所述的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：所述谐振腔的长度、宽度均可改变，所述谐振腔与顶层相位转换枝节、底层相位转换枝节之间连接的渐变结构具有下倾角，该下倾角的范围为：50°到90°。
4. 根据权利要求1所述的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：所述顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元的长度、宽度均可改变，所述顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元均分别具有半环始端倾角（9）和半环中心倾角（8）；其中所述半环始端倾角（9）的范围为：20°到60°，所述半环中心倾角（8）的范围为：20°到60°。
5. 根据权利要求1所述的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：所述顶层相位转换枝节与底层相位转换枝节长度、宽度均可改变，所述顶层相位转换枝节与底层相位转换枝节均分别具有枝节中心上倾角（11）和枝节中心下倾角（10）；其中所述枝节中心上倾角（11）的范围为：150°到180°，所述枝节中心下倾角（10）的范围为：40°到80°。
6. 根据权利要求1所述的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：所述金属化过孔的个数为1-5个。
7. 根据权利要求1所述的圆极化端射特性的平面口径-对称环组合天线，其特征在于：介质基板（1）的介电常数范围为2-20。
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CN104617380B (zh) 2017-03-15

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