CN104882661A - 一种宽波束圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽波束圆极化微带天线，其特征在于：金属底座为锥台结构，圆柱形介质基板位于金属底座的上台面的中心，且两者半径相等；圆形地板位于圆柱形介质基板的中心，方形金属贴片设置在圆柱形介质基板上，四个金属探针以正四边结构位于方形金属贴片的中心；本发明一方面将传统的微带天线介质基板展宽，另一方面本发明还采用了将微带天线安装在凸起的金属圆台上的结构，从这两个方面达到了展宽天线波束的目的。

Description

一种宽波束圆极化微带天线
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，尤其涉及一种宽波束圆极化微带天线。
背景技术
微带天线因其剖面薄、体积小、重量轻，并可与导弹等载体表面共形而得到广泛应用，它一般由带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片形成。通常利用微带线或同轴线一类馈线馈电，使导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与节点板间的缝隙向外辐射。其基片厚度与波长相比一般很小。随着微带天线在卫星导航、定位和通信等领域的应用，通常需要天线在低仰角的时候仍有一定的增益，这就对天线的波束宽度提出了一定的要求。例如GPS接收机一般要求天线波束覆盖达到120°的范围，而一般的微带天线3dB宽度只能达到80°到100°，实现微带天线宽波束一直是卫星通信面临的重要课题。近年来人们提出了一些方法来实现微带天线宽波束的目的：
文献1何海丹，新型宽波束圆极化天线——微带介质天线,电讯技术,2003(1):48一51；采用了展宽介质板的技术，但是其方向图在对称性不足，在其它方位面上波束宽度较差。
文献2Yuanchun Li,Qi Zhu,Yan Yan,Jue Wang and Shanjia Xu：”Design ofMicrostrip Antenna with Broad Beamwidth”,Aisa-Pacific Microwave Conference DOI:10.1109.2008,Pages:(1-4)；使用短路棒加载方式，虽然提高了天线的辐射效率，同时也使得3dB波束宽度在达到170°，但是天线驻波比和轴比相对带宽太窄，从而限制了这种技术的应用。
文献3Duan,Z.-S.Qu,S.-B.；Wu,Y.；Zhang,J.-Q:”Wide bandwidth and broadbeamwidth microstrip patch antenna”,ELECTRONICS LETTERS 26th February 2009Vol.45No.5；文献中天线通过微带线馈电将能量耦合到两个相互堆叠的微带贴片上,并在上层贴片上加载缝隙和枝节。该方法对于天线的圆极化性能影响较大，并不能有效的保证圆极化。
综上所述，现有文献未能提出有效的实现带宽较宽情况下的宽波束圆极化天线，本发明提出一种结构相对简单，并且在较宽频带内都能达到宽波束效果的圆极化微带天线。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种宽波束圆极化微带天线，是一种各个方向上都有较宽波束的圆极化微带天线，达到展宽波束的目的。
技术方案
一种宽波束圆极化微带天线，其特征在于包括正方形金属贴片1、圆柱形介质基板2、圆形地板3、四个金属探针和金属底座；金属底座为高度为h1的锥台结构，圆柱形介质基板2位于金属底座的上台面的中心，且两者半径相等；圆形地板3位于圆柱形介质基板2的中心，方形金属贴片1设置在圆柱形介质基板2上，四个金属探针以正四边结构位于方形金属贴片1的中心；所述四个金属探针按逆时针方式排列的第一金属探针4、第二金属探针5、第三金属探针6、第四金属探针7分别馈有功率相等相位分别为0°、90°、180°、270°的信号；所述高度h1为λ/2～λ/4之间，其中：λ为天线在空气中的波长。
所述金属底座的上台面为圆柱形金属板，圆台下底面为金属环状圆盘，上台面与下底面中间通过多个半径不等的环形金属壁连接，形成上台面小于下底面的锥台结构。
所述正方形金属贴片1的边长为λg/2，其中：λg是微带线上波长。
所述四个金属探针中相邻两个探针间的距离L1为
所述圆柱体介质基板2采用介电常数εr＝2.2的材料。
有益效果
本发明提出的一种宽波束圆极化微带天线，一方面将传统的微带天线介质基板展宽，另一方面本发明还采用了将微带天线安装在凸起的金属圆台上的结构，从这两个方面达到了展宽天线波束的目的。
本发明克服了传统微带天线波束波束宽度方面存在的不足，在中心频点2100MHz处，在154度的圆锥空域内增益都大于0dB，且163度的圆锥空域内增益起伏均小于5dB，主辐射方向增益为4.7dB。在频带1.98GHz到2.17GHz内驻波比均小于1.62的同时，轴比也均小于2.12dB，且频带内所有频点均在150度的圆锥空域内增益都大于-1dB，达到实现宽波束的目的。
附图说明
图1：本发明微带天线贴片结构示意图；
1-正方形金属贴片，2-圆柱形介质基板，3-圆形地板，4-第一金属探针，5-第二金属探针，6-第三金属探针，7-第四金属探针；
图2：本发明微带天线贴片俯视图；
w1-正方形金属贴片的边长，L1-相邻两个探针间的距离，
图3：本发明的金属底座结构示意图；
R1-圆形地板半径，R2-圆柱形介质基板半径，R3-金属底座圆台下底面的内半径，R4-金属底座圆台下底面的外半径；
图4：本发明微带天线圆台底座俯视图；
r_in-安装输出接头SMA的螺纹孔与金属底座上台面中心的距离；
图5：本发明微带天线在1980MHz频点处的辐射方向图；
图6：本发明微带天线在2100MHz频点处的辐射方向图；
图7：本发明微带天线在2170MHz频点处的辐射方向图；
图8：本发明微带天线在中心频点2100MHz处的轴比。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的安装顺序为正方形金属贴片1，圆形地板3、圆柱形介质基板2和金属圆台底座，所有的中心都处于同一轴线上。由于微带天线在法向方向辐射最强,而介质天线在切线方向辐射最强,因此在垂直和水平方向都有较强的辐射,具有很宽的波束,可以在上半空间提供较均匀的覆盖。
微带天线贴片由方形金属贴片1、圆柱形介质基板2、圆形地板3、第一金属探针4、第二金属探针5、第三金属探针6、第四金属探针7组成。圆形地板3上开有安装四个金属探针的四个第一通孔。所述正方形金属贴片1长宽均为w1的微带线，边长w1为λg/2，其中λg是微带线上波长。
本发明采用多馈法，用四根金属探针为微带天线贴片馈电，为按逆时针方式排列的第一金属探针4、第二金属探针5、第三金属探针6、第四金属探针7分别馈有功率相等相位分别为0°、90°、180°、270°的信号从而实现圆极化，为四根金属探针馈电的馈电网络可自行设计。
金属底座由大小不同的上下底面金属板以及连接的环形金属壁构成，圆台上底面为有一定厚度的圆柱形金属板，尺寸与介质天线下表面金属附铜区域大小一致，其上需要提供一个或数个安装SMA接头的螺纹孔，具体打孔位置对天线性能影响不大；圆台下底面为由一定厚度的金属环状圆盘，上下底面中间通过环形金属壁连接，圆台上下底面间的距离h1一般取λ/4左右，但不应超过λ/2；其中λ代表天线在空气中的波长。
具体实施例为：天线中心频点为2100MHz，采用多馈法，用四根金属探针为微带天线馈电，对于天线本身其中展宽的圆柱体介质基板2采用介电常数εr＝2.2的材料，它的底面半径R2为70mm，高度h为10mm，紧贴其上方的金属贴片1为正方形，其边长w1为42mm，紧贴介质板下方的圆形金属底板(3)半径R1为30mm，介质板中间4个半径rr为0.5mm的金属探针呈方形分布，相邻两个探针间的距离L1为经由自行设计的一分四功分相移网络为四根金属探针馈电，输入点位置距离天线中心轴线距离r_in为15mm。金属圆台上表面半径R1为30mm，圆台外表面上下底面距离h1为45mm，下底面内径R3为69.5mm，外径为70mm，在圆台上底板距离中心轴线r_in为15mm处开有M6的用于安装输出接头SMA的螺纹孔。结构如图3及图4所示。本发明具体性能如图5、图6、图7、图8所示，对比结果正与有益效果所描述的一致。

Claims (5)

1.一种宽波束圆极化微带天线，其特征在于包括正方形金属贴片(1)、圆柱形介质基板(2)、圆形地板(3)、四个金属探针和金属底座；金属底座为高度为h1的锥台结构，圆柱形介质基板(2)位于金属底座的上台面的中心，且两者半径相等；圆形地板(3)位于圆柱形介质基板(2)的中心，方形金属贴片(1)设置在圆柱形介质基板(2)上，四个金属探针以正四边结构位于方形金属贴片(1)的中心；所述四个金属探针按逆时针方式排列的第一金属探针(4)、第二金属探针(5)、第三金属探针(6)、第四金属探针(7)分别馈有功率相等相位分别为0°、90°、180°、270°的信号；所述高度h1为λ/2～λ/4之间，其中：λ为天线在空气中的波长。
2.根据权利要求1所述宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述金属底座的上台面为圆柱形金属板，圆台下底面为金属环状圆盘，上台面与下底面中间通过多个半径不等的环形金属壁连接，形成上台面小于下底面的锥台结构。
3.根据权利要求1所述宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述正方形金属贴片(1)的边长为λg/2，其中：λg是微带线上波长。
4.根据权利要求1所述宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述四个金属探针中相邻两个探针间的距离L1为
5.根据权利要求1所述宽波束圆极化微带天线，其特征在于：所述圆柱体介质基板(2)采用介电常数εr＝2.2的材料。
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