CN104810615B - 一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线 - Google Patents
一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了的一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，包括：介质基板；印制于所述介质基板上的金属接地板；外表皮与接地板连接、内芯与螺旋状金属片的底部连接的同轴馈电装置；所述螺旋状金属片的上方设置有用于增强与螺旋状金属片的电磁耦合的金属贴片。本发明通过在螺旋状金属片以电磁耦合方式加载寄生金属贴片的方式，有效提高的片状螺旋天线的性能，降低了天线的剖面高度，同时改善了整个工作带宽内天线辐射方向图的对称性。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及的是一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线。
背景技术
随着无线通信行业的发展，射频技术也开始日益受到人们和行业的关注。而在射频技术的发展的历程中，天线始终充当着最重要的角色，作为无线信号的接收和发射装置，天线的性能一直是非常重要的指标。因此，不断改善天线的性能以达到实际使用需求是需解决的问题。
从极化的角度来讲，天线划分为线极化天线和圆极化天线。两者进行相比，圆极化天线的可靠性尤为突出，即便是复杂的环境下也更为之可靠。对于现在的一些精细化的工业或者军事中，圆极化天线更加受到重用。
现有技术中已公开一种新型的宽频低剖面圆极化螺旋天线，天线由金属螺旋、圆形金属接地板、介质基板和同轴馈电装置构成。金属螺旋由具有固定宽度的金属片绕制而成，采用同轴馈电方式进行馈电，同轴接口的外表皮与接地板相连，内芯与金属螺旋的底部相连。
虽然这种宽频低剖面圆极化螺旋天线具有超宽的阻抗带宽和轴比带宽，但仍存在以下三个缺点：
1）其剖面高度约为半个波长，仍然较高。
2）天线在高频部分工作时的远场方向图并不关于轴向对称，使得整个工作带宽方向图并不稳定，这影响了天线的辐射特性。
3）天线的增益仅在7.5dBi附近。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，解决了现有技术中宽频低剖面圆极化螺旋天线剖面高度较高，且天线高频部分工作时的远场方向图并不关于轴向对称，同时天线增益较小的问题。
本发明的技术方案如下：
一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，包括：
介质基板；
印制于所述介质基板上的金属接地板；
外表皮与金属接地板连接、内芯与螺旋状金属片的底部连接的同轴馈电装置；
所述螺旋状金属片的上方设置有用于增强与螺旋状金属片的电磁耦合的金属贴片。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片为宽度固定的带状金属片。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的宽度为10-15mm。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的螺旋圈数为2.0-3.0圈；所述螺旋状金属片的螺旋周长为0.9-1.5，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的螺旋上升角度为3.0-8.0度。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述金属贴片为圆形金属贴片。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述金属贴片的圆心与所述螺旋状金属片的轴向剖面圆心之间相距3-10 mm；所述金属贴片与所述螺旋状金属片的顶部之间相距0.1-2 mm；所述金属贴片的半径为0.1-0.25，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述介质基板的厚度为2mm-4mm。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述介质基板的相对介电常数为1-4.4。
所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其中，所述金属接地板为方形接地板，所述金属接地板的边长大于螺旋状金属片的直径。
本发明所提供的一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，包括：介质基板；印制于所述介质基板上的金属接地板；外表皮与接地板连接、内芯与螺旋状金属片的底部连接的同轴馈电装置；所述螺旋状金属片的上方设置有用于增强与螺旋状金属片的电磁耦合的金属贴片。本发明通过在螺旋状金属片以电磁耦合方式加载寄生金属贴片的方式，有效提高的片状螺旋天线的性能，降低了天线的剖面高度，同时改善了整个工作带宽内天线辐射方向图的对称性。
附图说明
图1a为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线较佳实施例的结构示意图。
图1b为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线较佳实施例的侧视图。
图2为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线中未加载寄生的金属贴片的结构示意图。
图3为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线中未加载寄生的金属贴片时的轴比和增益随频率变化的曲线图。
图4为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线中未加载寄生的金属贴片时螺旋状金属片的电流幅度分布图。
图5为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线的轴比和增益随频率变化的曲线图。
图6为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线中螺旋状金属片的电流幅度分布图。
图7a-7c分别为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线的螺旋状金属片在1.45GHz、1.825GHz和2.2GHz的仿真远场辐射方向图。
具体实施方式
本发明提供一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参见图1a和图1b，图1a是本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线较佳实施例的结构示意图，图1b是本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线较佳实施例的侧视图，所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，包括：
介质基板100；
印制于所述介质基板100上的金属接地板200；
外表皮与金属接地板200连接、内芯与螺旋状金属片400的底部连接的同轴馈电装置300；
所述螺旋状金属片400的上方设置有用于增强与螺旋状金属片的电磁耦合的金属贴片500。
较佳的，所述螺旋状金属片400为宽度固定的带状金属片绕制而成。所述螺旋状金属片400的宽度固定为ω，螺旋的半径为R，螺旋绕制一圈上升的高度为h，螺旋的上升角为，其中 ，螺旋圈数为n。为了便于制作加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，第一步是将所述金属接地板200被印于介质基板100上；第二步是同轴馈电装置300设置于所述金属接地板200上，即同轴馈电装置300的外表皮与所述金属接地板200连接；第三步是将螺旋状金属片400的底部与同轴馈电装置300的内芯连接；第四步是在所述螺旋状金属片400的上方设置金属贴片500。
较佳的，所述螺旋状金属片400的宽度ω为10-15mm，宽度ω的最优值为12mm；所述螺旋状金属片400的螺旋圈数n为2.0-3.0圈，螺旋圈数n的最优值为2.5圈；所述螺旋状金属片400的螺旋上升角度为3.0-8.0度，螺旋上升角度的最优值为5度；所述螺旋状金属片的螺旋周长为0.9-1.5，其中为天线中心工作频点的自由空间波长；所述介质基板100的相对介电常数为1-4.4，最优值为2.2；所述金属接地板100为方形接地板，且所述金属接地板100的边长大于螺旋状金属片400的直径。
具体实施时，所述螺旋状金属片400螺旋的半径R为30mm，宽度ω为12mm，螺旋圈数n为2.5圈，螺旋上升角度为5度，螺旋绕制一圈上升的高度为h为15mm。
在本发明中，由于螺旋状金属片400的围绕方向与金属接地板200所在平面平行，同时通过控制上升角在3.0-8.0度，有利于降低天线的剖面高度（仅为0.25，其中为天线中心工作频点的自由空间波长）。
请参见图1b，在距离螺旋状金属片400顶端h2的平面上水平放置了一个金属贴片500。具体实施时，所述金属贴片500为圆形金属贴片（半径记为r，r的取值范围为0.1-0.25，其中为天线中心工作频点的自由空间波长）。在水平放置圆形的金属贴片500时，金属贴片500的圆心相对于螺旋状金属片400螺旋的轴（Z轴）沿+Y轴有距离为D（即指定距离，D的取值范围为3-10 mm）的偏置，通过上述设置方式使得金属贴片500与螺旋状金属片400顶部有更强的相互电磁耦合。加载了金属贴片500后在将天线的剖面高度降低至0.25的同时，保持天线的工作带宽在40%以上。
具体实施时，所述金属贴片500的圆心与所述螺旋状金属片400的轴向剖面圆心之间相距3-10 mm；所述金属贴片500与所述螺旋状金属片400的顶部之间相距0.1-2 mm；所述金属贴片500的半径为0.1-0.25，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
当在本发明所述的螺旋状金属片400上加载电流时，天线馈电端口的驻波比为SWR：
（1）
其中，I0为入射电流，I2为反射电流。
由公式（1）可得，所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线的阻抗带宽主要和激励端口的反射电流I2有关。传统的高剖面螺旋天线，由于其螺旋圈数n较多，螺旋顶部开口端处的表面电流I在很宽的频率范围内都较小，反射回激励端的反射表面电流I2对工作频率也不敏感，天线具有很宽的工作频带，因此传统的高剖面螺旋天线是一种行波天线。而低剖面小尺寸螺旋天线的螺旋圈数n较少，其螺旋顶部开口端处的表面电流I随频率的变化较大，只能在某一特定频点达到最小值，而这一特定的频点就是低剖面螺旋天线的谐振频点。因此，已有的低剖面小尺寸螺旋天线是驻波天线，其工作频带也受限制。
本发明中，在螺旋状金属片400的开口端顶部以电磁耦合的形式加载所述金属贴片500。一方面，所述金属贴片500将对螺旋状金属片400的螺旋开口端处的表面电流起到“吸收”作用，从而减小螺旋上的反射表面电流，增加天线工作带宽的目的；另一方面，通过合理的设计，耦合到金属贴片500上的表面电流也可以激励出一个圆极化谐振频点，从而进一步增强小尺寸螺旋天线的工作带宽。
经过仿真可知，以电磁耦合方式加载寄生金属贴片的低剖面片状螺旋天线，将天线的剖面高度较低至四分之一个波长的同时，保持了超宽的工作带宽（超过40%）。更重要的是，在整个工作带宽内，天线的方向图始终关于轴向方向对称，且增益稳定在8.51.5dBi，大幅提高了天线实际应用的可能性。
为了说明在低剖面片状螺旋天线上加载金属贴片的有效性，现将未加载金属贴片和已加载金属贴片的两种低剖面片状螺旋天线的结构和性能作详细比较。
与图1a所示的所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线相比，如图2所示的未加载寄生的金属贴片的宽频带低剖面螺旋天线仅仅少了设置于所述螺旋状金属片400上方的金属贴片500，其他结构和物理尺寸完全相同。如图3所示，其为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线中未加载寄生的金属贴片时的轴比和增益随频率变化的曲线图。从VSWR（Voltage Standing Wave Ratio，即电压驻波比）曲线图中可观察到，天线的阻抗带宽（VSWR≤2）为33%（1.25 - 1.75 GHz）。从轴比曲线可看出，该天线只有一个圆极化谐振点，且由于螺旋的上升角的减小，轴比带宽（AR≤3dB）随之缩小至17%（1.35 - 1.6 GHz），并被阻抗带宽所覆盖。从增益曲线可看出，在整个工作带宽（1.35 - 1.6 GHz）内，天线的增益稳定在91 dBi。在中心工作频点1.475 GHz处，螺旋天线的剖面高度约为0.2，整个螺旋状金属片的电流幅度分布如图4所示。从图4中可以看到，从螺旋状金属片中螺旋的底部到顶部，电流幅度呈衰减趋势，在螺旋顶部处达到最小值，这与低剖面球状螺旋天线的电流分布是类似的。
图5为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线的轴比和增益随频率变化的曲线图。从图5中的曲线可以发现，加载寄生的金属贴片后，天线的阻抗带宽（VSWR≤2）从33%（1.25 - 1.75 GHz）提升至56%（1.275 - 2.25 GHz）。而且，加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线有两个相互临近的圆极化谐振点，其轴比带宽（AR≤3dB）大幅提高到41%（1.45 - 2.2 GHz），且被阻抗带宽所覆盖。在整个工作带宽（1.45 - 2.2 GHz）内，天线的增益稳定在8.51.5dBi。所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线在中心工作频点1.825GHz的剖面高度约为0.25。在没有增加天线剖面高度的情况下，通过加载寄生贴片这种方式，天线的工作带宽由17%增加至41%。
为了进一步说明在低剖面片状螺旋天线上加载金属贴片的有效性，现对在加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线的电流在不同频点的幅度分布。如图6所示，其为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线中螺旋状金属片的电流幅度分布图，从图6中可以看出，在1.45 GHz和1.825 GHz的频点下，电流幅度是从螺旋状金属片的底部到顶部呈衰减趋势，且在接近螺旋顶部时达到最小值，这与未加载寄生贴片的片状螺旋天线的电流分布是类似的。这说明在工作带宽的中低频段，天线的圆极化辐射主要是由片状螺旋引起的。而在2.2 GHz的频点下，电流幅度一开始随着从螺旋的底部到中部呈衰减趋势，但在在中部到螺旋顶部这段，电流幅度大幅反弹。这说明在工作带宽的高频段部分，天线的圆极化辐射主要是由螺旋状金属片与金属贴片通过电磁耦合共同引起的。因此，通过添加一个寄生的金属贴片，将原有天线的一个圆极化谐振点增加至两个，从而能大幅改善天线的工作带宽。
图7a-7c分别为本发明所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线的螺旋状金属片在1.45GHz、1.825GHz和2.2GHz的仿真远场辐射方向图。从图7a-7c中可看到，天线具有右旋圆极化辐射特性（RHCP）。在1.425 GHz和1.825 GHz，方向图关于轴向完全对称，且半功率波瓣宽度约为70°。在2.2 GHz，天线的辐射方向图也基本关于螺旋轴对称。
综上所述，本发明所提供的一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，包括：介质基板；印制于所述介质基板上的金属接地板；外表皮与接地板连接、内芯与螺旋状金属片的底部连接的同轴馈电装置；所述螺旋状金属片的上方设置有用于增强与螺旋状金属片的电磁耦合的金属贴片。本发明通过在螺旋状金属片以电磁耦合方式加载寄生金属贴片的方式，有效提高的片状螺旋天线的性能，降低了天线的剖面高度，同时改善了整个工作带宽内天线辐射方向图的对称性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，包括：
介质基板；
印制于所述介质基板上的金属接地板；
外表皮与金属接地板连接、内芯与螺旋状金属片的底部连接的同轴馈电装置；
所述螺旋状金属片的上方设置有用于增强与螺旋状金属片的电磁耦合的金属贴片;
所述螺旋状金属片的宽度固定为ω，螺旋的半径为R，螺旋绕制一圈上升的高度为h，螺旋的上升角为，其中;
所述螺旋的半径R为30mm，宽度ω为12mm，螺旋的上升角为5度；
所述螺旋状金属片的宽度ω所在平面与所述螺旋状金属片的轴线方向垂直。
2.根据权利要求1所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，所述螺旋状金属片的螺旋圈数为2.0-3.0圈；所述螺旋状金属片的螺旋周长为，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
3.根据权利要求1所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，所述金属贴片为圆形金属贴片。
4.根据权利要求3所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，所述金属贴片的圆心与所述螺旋状金属片的轴向剖面圆心之间相距3-10 mm；所述金属贴片与所述螺旋状金属片的顶部之间相距0.1-2 mm；所述金属贴片的半径为，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
5.根据权利要求1所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为2mm-4mm。
6.根据权利要求1所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为1-4.4。
7.根据权利要求1所述加载寄生贴片的宽频带低剖面螺旋天线，其特征在于，所述金属接地板为方形接地板，所述金属接地板的边长大于螺旋状金属片的直径。
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