CN104701628A - 宽带圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化微带天线，用于解决现有圆极化微带天线工作频带窄的问题。包括介质材料板(1)、辐射单元(2)、辐射地板(3)和同轴线(4)；介质材料板(1)的上下表面分别印制有辐射单元(2)和辐射地板(3)，该辐射地板(3)由正方形贴片(33)、八个准分形单元(31)和金属条带(32)组成；在正方形贴片(33)的对角线上对称蚀刻有四个复合结构开槽(331)和等臂L型开槽(332)，其外侧均匀分布有八个准分形单元(31)并通过金属条带(32)连接；辐射单元(2)沿未切角的对角线对称蚀刻两个开口向外的U型槽(21)。本发明具有宽带和小型化的优点，可应于射频识别、雷达及无线通信。

Description

宽带圆极化微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽带圆极化微带天线，可用于射频识别、雷达及无线通信在宽频带内圆极化电磁波的接收和发射。

背景技术

天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，其带宽是指天线在能满足设计指标要求的频率范围内的主要性能参数，如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等，一般情况下，天线性能参数是随频率而变化的，因而天线带宽就取决于各项性能参数的频率特性。对于圆极化天线，其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。

圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，同时它发射的信号也可以由任意极化方向的线极化天线接收，并且具有旋向正交性，尤其是在航天飞行器、无线通信和雷达的极化分集、全球定位等无线电领域中得到广泛应用领域。

由于微带天线具有重量轻、体积小、剖面薄、易于加工，且易于实现圆极化，因此微带天线是圆极化天线的主要实现形式之一。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。中国专利授权号CN 203503788 U公开了一种微带天线，其结构如图1所示，介质材料板正面印制有带切角的正方形辐射贴片，辐射贴片的任意侧边均设有朝向另一相对侧边深入延伸的开槽，同一对相对侧边的两个开槽长度均小于该对侧边的垂直距离的一半，且彼此平行、相互错开，四个开槽关于辐射贴片的几何中心呈中心对称关系，同轴线通过辐射单元和辐射地板上的开孔进行馈电，该天线可实现小型化及宽频带，但其频带仍不够宽。

由于传统微带天线的阻抗带宽小，轴比带宽窄的缺点，从而限制了天线的应用范围，使其无法在多个平台使用，也无法在一个平台多频段使用。增加带宽简单有效的方法是增加介质的厚度和降低基片的相对介电常数值，但是介质厚度过大会引起表面波的明显激励，并可能会在厚度方向激发一些高次模，这会降低辐射效率，使辐射方向图恶化，并对馈电带来一些问题。降低基片的相对介电常数能够减小表面波，但这种改善的潜力是有限的，其最小值ε_r＝1，即采用空气介质。因此，若要较大程度的改善微带天线的带宽，得从天线设计本身着手。

发明内容

本发明的目的在于克服现有圆极化微带天线带宽窄的缺点，提出一种宽带圆极化微带天线，以增加天线的阻抗带宽和轴比带宽，提高天线的工作性能，扩展天线的应用范围。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种宽带圆极化微带天线，包括介质材料板1、带有切角的辐射单元2、辐射地板3和同轴线4；在介质材料板1的上下表面分别印制有辐射单元2和辐射地板3，且通过同轴线4连接，其特征在于：辐射地板3由正方形贴片33、八个准分形单元31和金属条带32组成；所述正方形贴片33上蚀刻有四个复合结构开槽331和四个等臂L型开槽332，其四边均匀设置有通过金属条带32连接的八个准分形单元31，用于降低天线的品质因数。

所述辐射单元2采用边长为L₁的正方形金属贴片，切角的长度为W，在该辐射单元2未带切角的对角线上对称蚀刻有两个U型槽21，该U型槽21的开口向外，长度为W₂，底边到贴片中心点的距离为W₄，其中2.5mm≤W₂≤3mm，5mm≤W₄≤6mm。

所述正方形贴片33的边长为L₅，且L₅＞L₁,在该正方形贴片33的两条对角线上蚀刻有相互对称的四个复合结构开槽331和四个等臂L型开槽332，正方形贴片33的中心到复合结构开槽331的距离为d₁，到等臂L型开槽332的顶点距离为d₂，其中8.5mm≤d₁≤9.5mm，且d₂＜d₁/2。

所述复合结构开槽331是由几何中心重合的一个圆形开槽和两个矩形开槽构成，两个矩形开槽呈正交分布，且分别平行于正方形贴片33的两条对角线，其中圆形开槽的直径为D，且4mm≤D≤4.8mm。

所述准分形单元31是由2×2个H型结构311排列而成，在H型结构311的四个顶点设置的有矩形3111，上下相邻的H型结构311的几何中心通过矩形条带连接。

所述金属条带32与正方形贴片33的四条边平行，并且和八个准分形单元31共同构成闭合方环结构，用于实现辐射地板3边缘电流的连续性。

所述介质材料板1的形状为正方形，其中心偏右位置设置有馈电孔。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于辐射地板的正方形贴片上采用了四个复合结构开槽和等臂L型开槽，使得天线辐射地板上的分布电容和分布电感产生变化，降低了天线的品质因数，从而有效的展宽了天线的带宽。

2、本发明由于在辐射地板的正方形贴片四边上采用了均匀分布的八个准分形结构，并通过金属条带连接，不仅减小了辐射地板的覆盖面积，缩小了天线尺寸，同时拉近由于分型结构自相似性产生的多谐振点，从而进一步展宽了天线的带宽。

3、本发明由于在八个准分形结构之间采用了金属条带的连接方式，从而恢复了辐射地板边缘电流的连续性，克服了由于引入分形结构而导致的天线增益下降的缺点，使天线增益恢复到了原有天线的水平。

4、本发明由于在带有切角的辐射单元表面蚀刻有两个U型槽，改变了天线的电流路径，从而激励出新的谐振频率，拓宽了天线的频带。

附图说明

图1是现有微带天线的整体结构图；

图2是本发明的整体的结构剖面图；

图3是本发明的上表面的结构示意图；

图4是图3中辐射单元的结构示意图；

图5是本发明下表面的结构示意图；

图6是图5中的辐射地板上正方形贴片的结构示意图；

图7是图5中辐射地板上准分形单元的结构示意图；

图8是本发明实施例1的S₁₁-频率仿真结果图；

图9是本发明实施例1的轴比-频率仿真结果图；

图10是本发明实施例1的不同平面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

参照图2，带有切角的辐射单元2和辐射地板3分别印制于介质板1的上下表面，介质材料板1是介电常数为10.92的正方形介质板，其边长为L＝35.72mm，厚度为D＝3.18mm。本发明采用位于介质板1中心右侧m＝5mm处的同轴线4进行馈电，同轴线4的内芯穿过介质材料板上的穿线孔与带有切角的辐射单元2焊接，外皮与辐射地板3焊接。

参照图3，所述带有切角的辐射单元2印制于介质板1的上面，该辐射单元为一个左上角和右下角被切去的正方形贴片，正方形贴片的边长L₁＝17mm，切角斜边长W＝5.65mm，在左下角和右上角沿对角线方向关于辐射单元2的几何中心对称蚀刻有两个开口朝外的U型槽21。

参照图4，所述U型槽21的厚度W₁＝0.8mm，长度W₂＝2.5mm，宽度W₃＝3mm，其沿对角线对称分布，且其外侧距离辐射单元2的中心位置距离W₄＝5mm，U型槽的尺寸与位置改变了辐射贴片表面传导电流的路径，激励起新的谐振频率，相应展宽了天线频带。

参照图5，所述辐射地板3由正方形贴片33、8个准分形单元31和金属条带32组成。正方形贴片33位于介质材料板1的中心，2×2个复合结构开槽331和四个等臂L型开槽332由外向内蚀刻在该正方形贴片33上。8个准分形单元31均匀分布在中心正方形贴片33的四边，相邻间隔L₂＝17mm，准分形单元31采用四个H型结构2×2排列，相邻H型结构311的几何中心通过金属条带32连接，金属条带32平行于中心正方形贴片33的边缘，构成闭合方环结构，恢复了辐射地板边缘电流的连续性。

参照图6，所述正方形贴片33的边长L₅＝24mm，其上蚀刻有2×2个复合结构开槽331，该复合结构开槽331是由几何中心重合的一个圆形开槽和两个矩形开槽构成，且两个矩形呈正交分布，分别平行于正方形贴片33的两条对角线，圆形开槽的直径为D＝4mm，其圆心距离正方形贴片33的中心为d₁＝8.5mm，矩形开槽的长为L₃＝11.5mm，宽为Z₁＝1.5mm；四个等臂L型开槽332沿对角线方向蚀刻在复合结构开槽331的内侧，该等臂L型开槽332的顶点距离正方形贴片33的中心距离为d₂＝2.2mm，外侧边长为L₄＝3.5mm，宽度为Z₂＝0.5mm；开槽改变了天线的分布电容和分布电感，降低了天线的品质因数。

参照图7，准分形单元31的边长为h₁＝6mm，连接各准分形单元的金属条带32的宽度为d₆＝0.25mm，其中H型结构311的高度为h₂＝6mm，宽度为h₃＝6mm，每个H型结构311中四个顶角的小矩形3111的长度为d₃＝0.96mm，宽度为d₄＝0.5mm，上下相邻的H型结构311通过长度为h₄＝3.35mm、宽度为d₅＝0.25mm的矩形条带连接。

实施例2的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

U型槽21的长度为W₂＝2.8mm，其外侧距离辐射单元2中心位置的距离为W₄＝5.5mm，圆形开槽的直径取D＝4.4mm，其圆心距离正方形贴片33的中心为d₁＝9mm。

实施例3的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

U型槽21的长度为W₂＝3mm，其外侧距离辐射单元2中心位置的距离为W₄＝6mm，圆形开槽的直径取D＝4.8mm，其圆心距离正方形贴片33的中心为d₁＝9.5mm。

本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的S₁₁参数进行仿真计算，结果如图8所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的轴比进行仿真计算，结果如图9所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图10所示，其中：10a为实施例1天线在2.44GHz的XOZ面辐射方向图，10b为实施例1天线在2.44GHz的YOZ面辐射方向图。

2、仿真结果

参照图8，以S₁₁≤-10dB为标准，实施例1中天线的阻抗带宽为2.28GHz～2.70GHz，相对带宽为17.14％。

参照图9，实施例1中天线的3dB轴比带宽为2.403GHz～2.485GHz，相对带宽为3.35％。

参照图10，图10a为实施例1在2.44GHz的XOZ面辐射方向图，图10b为实施例1在2.44GHz的YOZ面辐射方向图。实施例1中的最大辐射方向始终垂直于辐射单元表面，最大增益为4.19dB。

以上仿真结果说明，本发明天线具有理想的阻抗带宽和轴比带宽。

Claims (7)

1.一种宽带圆极化微带天线，包括介质材料板(1)、带有切角的辐射单元(2)、辐射地板(3)和同轴线(4)；在介质材料板(1)的上下表面分别印制有辐射单元(2)和辐射地板(3)，且通过同轴线(4)连接，其特征在于：辐射地板(3)由正方形贴片(33)、八个准分形单元(31)和金属条带(32)组成；所述正方形贴片(33)上蚀刻有四个复合结构开槽(331)和四个等臂L型开槽(332)，其四边均匀设置有通过金属条带(32)连接的八个准分形单元(31)，用于降低天线的品质因数。

2.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带天线，其特征在于：所述辐射单元(2)采用边长为L₁的正方形金属贴片，切角的长度为W，在该辐射单元(2)未带切角的对角线上对称蚀刻有两个U型槽(21)，该U型槽(21)的开口向外，长度为W₂，底边到贴片中心点的距离为W₄，其中2.5mm≤W₂≤3mm，5mm≤W₄≤6mm。

3.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带天线，其特征在于：所述正方形贴片(33)的边长为L₅，且L₅＞L₁,在该正方形贴片(33)的两条对角线上蚀刻有相互对称的四个复合结构开槽(331)和四个等臂L型开槽(332)，正方形贴片(33)的中心到复合结构开槽(331)的距离为d₁，到等臂L型开槽(332)的顶点距离为d₂，其中8.5mm≤d₁≤9.5mm，且d₂＜d₁/2。

4.根据权利要求3所述的宽带圆极化微带天线，其特征在于：所述复合结构开槽(331)是由几何中心重合的一个圆形开槽和两个矩形开槽构成，两个矩形开槽呈正交分布，且分别平行于正方形贴片(33)的两条对角线，其中圆形开槽的直径为D，且4mm≤D≤4.8mm。

5.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带天线，其特征在于：所述准分形单元(31)是由2×2个H型结构(311)排列而成，在H型结构(311)的四个顶点设置的有矩形(3111)，上下相邻的H型结构(311)的几何中心通过矩形条带连接。

6.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带天线，其特征在于：所述金属条带(32)与正方形贴片(33)的四条边平行，并且和八个准分形单元(31)共同构成闭合方环结构，用于实现辐射地板(3)边缘电流的连续性。

7.根据权利要求1所述的宽带圆极化微带天线，其特征在于：所述介质材料板(1)的形状为正方形，其中心偏右位置设置有馈电孔。