CN104900997A - 一种微带阵列圆极化聚焦天线 - Google Patents

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文舸一
江玉海
杨凌升
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Abstract

本发明公开了一种微带阵列圆极化聚焦天线。其包括:两块介质基板、金属辐射贴片和馈电网络。两块介质基板材料均为FR-4，层叠放置，其包括金属辐射单元贴片和馈电网络部分；金属辐射贴片设置于上介质基板的上表面；金属辐射贴片和馈电网络共用金属接地面，设置两块介质基板的接触面；馈电网络设置于下介质基板的下表面；本发明提供一种圆极化聚焦天线，使用圆极化天线达到天线聚焦的目的，该天线聚焦效果好，圆极化特性好，匹配好，传输效率高，在达到良好的聚焦效果的同时增强天线的抗干扰性。

Description

一种微带阵列圆极化聚焦天线
技术领域
本发明属于微带平面聚焦天线领域，涉及一种新型的圆极化聚焦天线设计，以圆极化的形式达到聚焦的效果。
背景技术
为了保证电磁波能量在空间传输时不扩散，电磁波必须像光一样能聚焦到接收装置，从光的聚焦类比得知，为使电磁波聚焦，发射天线的口径的相位必须是球面分布。上个世纪60年代初期，Goubao,Shermen,Borigiotti等人对口径天线的聚焦问题做了大量的工作，奠定了电磁波输能的理论基础。微波作为功率传输手段的优点是实现了功率传输的无线化，这在很多场合都有实用价值。电磁波聚焦的理论不仅可以用于微波输能，而且可以用于雷达和微波定向能武器。对微波定向能武器来说，其作用是使得目标在感兴趣的部分的电流分布达到最大；对雷达来说，其作用在于提高回波强度。同时聚焦天线可以应用于医学上的微波诱导高温，要将能量最大可能聚焦到癌变组织进行高温加热，而不对其周围的健康组织构成威胁。
M.Bogosanovic给出了一种等幅不同相的天线设计，即相位满足二次球面波分布，而幅度保持不变，从实验效果来看，该天线是以线极化的形式传输的，而且聚焦效果并不是十分理想。
“Optimal Design of Focused Antenna Array”这篇文章提出了一种新型的聚焦天线，该天线是一种通过优化发射天线与接收天线之间的功率的方法设计出来的，从实验效果，该天线达到的良好的聚焦效果跟很高的传输效率，但是该天线也是以线极化的形式传输的。
传统的聚焦天线都是以线极化波的形式传播的，线极化波在传输过程收到干扰时会发生极化偏转而导致能量的损失，圆极化波由于能够很好的隔离直达波和反射波而具有很强的抗干扰能力。因此圆极化天线凭借其良好的电磁特性，在卫星通信、射频识别技术、无限网络等方面有着广泛的研究和应用。圆极化天线极化波是以圆的方式来传播的，可以有效的避免接收天线电磁波的干扰。为了保证电磁波能量在空间传输时不扩散，电磁波必须像光一样能聚焦到接收装置。所以研究圆极化聚焦天线具有深远的意义。
发明内容
本发明提供一种圆极化聚焦天线，天线工作于2.45GHz频段，使用圆极化天线达到天线聚焦的目的。
本发明采用如下技术方案：
一种微带阵列圆极化聚焦天线，两块尺寸相同的介质基板，两块介质基板材料均为FR-4，两块介质板层叠设置，接触面为金属接地面(ground)；金属辐射贴片(antennaelement)设置于上介质基板的上表面，馈电网络(feeding network)设置于下介质基板的下表面；
所述的金属辐射贴片为单个圆极化天线单元，金属辐射贴片是一个正方形贴片，分别在左上角和右下角挖掉两个正方形切角，金属辐射贴片的馈电点位置置于贴片中心正下方的位置；金属辐射贴片通过铜芯穿过两块介质板与馈电网络相连；金属辐射贴片由16个辐射单元组成，按照4*4等间距线性排列，单元间距为0.5λ；
所述的馈电网络采用并联馈电方式，并联馈电将各个天线单元用微带传输线并联起来。
所述的金属辐射贴片是一个26.5mm*26.5mm的正方形贴片，分别在左上角和右下角挖掉两个4mm的正方形切角，金属辐射贴片的馈电点位置置于贴片中心正下方的位置，距离边沿5.4mm。
所述的介质基板厚度h＜＜λ，λ为天线中心频点的波长；上下两块介质板厚度分别为5mm和1.6mm。
所述的辐射单元顶角处被挖到两个正方形的切角产生天线圆极化。
所述的馈电网络采用1/4阻抗变换器，长度为1/4工作波长，使得天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧姆阻抗达成匹配。
天线的中心频率点的频率为2.45GHz。所述的天线能同时达到圆极化和聚焦的效果。
所述的馈电网络采用1/4阻抗变换器，长度为1/4工作波长，使得天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧姆阻抗达成匹配。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
传统聚焦天线是以线极化波的形式进行传输的，本发明首次使用圆极化天线达到天线聚焦的目的。本发明采用新型的设计方法，设计出一种频率为2.45GHz，16单元圆极化聚焦天线阵列天线。该天线聚焦效果好，旁瓣低，轴比0.8dB，匹配好，同时传输效率可以达到25.6％。在达到良好的聚焦效果的同时增强天线的抗干扰性。
附图说明
图1是本发明的辐射单元示意图。
图2是本发明的辐射单元阵列排列方式。
图3是本发明的实物照片。
图4是本发明天线阵列沿着Z方向的电场归一化图。
图5是本发明的天线在聚焦平面沿着X轴方向的电场分布仿真与实测图。
图6是本发明的天线在聚焦平面沿着Y轴方向的电场分布仿真与实测图。
图7是本发明阵列天线回波损耗仿真与实测图。
图8是本发明天线轴比的仿真与实测图。
具体实施方式
为了使发射天线的能量聚焦在接收天线的位置，本发明无线功率传输系统，采用功率传输最大化的方式设计天线阵列。首先参照图1设计单个圆极化天线单元，该圆极化天线单元是一个26.5mm*26.5mm的正方形贴片，分别在左上角和右下角被挖掉了两个4mm的正方形切角，馈电点位置置于贴片中心正下方的位置。然后按照图2按照4*4等间距线性排列，单元间距为0.5λ，并且预期聚焦位置放置单个圆极化天线，根据功率传输最大化的方法，优化计算得到天线单元的尺寸。根据传输线的有关知识。优化设计馈电网络，最终实现各端口的幅值相位跟计算得到的值相一致。
优化设计聚焦阵列天线的具体实施方式可以为下面几个步骤：
(1)首先选取合适的圆极化天线单元，并且通过对天线单元尺寸的仿真和优化，包括单元整体尺寸、馈电位置和切角大小，得到较好的匹配特性和圆极化特性；
(2)将天线单元按照一定的排列方式构成阵列天线，同时在预期聚焦位置放置测试天线以构成收发阵列的传输系统；
(3)通过电磁仿真软件(HFSS等)对整个收发系统进行模拟，并获得相关散射参数；
(4)将散射参数运用功率传输最优化的公式求解，得到系统的最大传输效率以及相对应的特征向量，得到天线单元初始的的激励。此时会发现阵列天线的轴比会偏离工作频率；
(5)优化天线阵列单元的参数，将天线轴比降到3dB以下；
(6)再次放入圆极化接收天线，通过HFSS进行模拟，然后计算得到天线单元新的激励，此时会发现轴比还是会偏离，然后再次优化天线单元，通过这样循环往复不断优化的方式，最终得到天线单元的尺寸和激励，这是一个收敛的过程；
(7)根据得到的最优激励分布优化设计相应的馈电网络；
(8)将设计出的馈电网络和天线单元相连接构成完整的阵列天线，得到最终所述的圆极化聚焦天线。
图3为所示天线的实物照片,其包括：两块介质基板、金属辐射贴片和馈电网络。两块介质基板材料均为FR-4，包括辐射单元和馈电网络部分；金属辐射贴片设置于上介质基板的上表面；金属辐射贴片和馈电网络共用金属接地面，设置在上介质基板的下表面；馈电网络设置于下大介质基板的下表面。图3(a)为本发明的金属辐射贴片实物图。图3(b)是本发明的馈电网络，本设计采用并联馈电，并联馈电是将各个天线单元用微带传输线并联起来，对馈电的传输线来说，每一个天线单元都等效为一个多端口网络。一般而言，微带天线的边缘阻抗并不符合微波通用期间的50欧姆，这时就需要采用阻抗变换器。根据各个天线端口所需的幅值和相位，采用不同的阻抗变化器，其中阻抗变换器的宽度决定最终馈电网络的幅值分布，阻抗变换器的长度决定馈电网络的相位分布。图3(c)为所示天线的侧视图，馈电网络与金属辐射贴片用铜芯相连。
图4是本发明沿着Z轴方向的归一化电场分布，从图中可以看出，最大场强的位置出现在67mm处的位置，场强的变化曲线是很缓慢的，这说明该聚焦阵列具有很深的聚焦深度。图5和图6为在最大场强点所在平面的电场分布图，从图中可以发现该归一化电场的旁瓣较低，体现出良好的聚焦效果。
图7为所述圆极化聚焦天线的回波损耗，回波损耗是表示信号反射性能的参数，它是指在光纤连接处，后向反射光(连续不断向输入端传输的散射光)相对输入光的比率的分贝数，回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。通常要求反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。从图中可以发现，该阵列天线反射系数的仿真与实测相吻合，并且从2.2GHz-2.8GHz该天线完全匹配，并且在工作频率处反射系数为-20dB左右，阻抗匹配带宽大于800MHz呈现出该天线良好的匹配特性。
图8为所述圆极化聚焦天线的轴比，从图中可以看出，该阵列天线轴比的仿真与实测相吻合，从图中可以看出，该阵列天线的轴比在工作频率范围内小于3dB，并且在频率为2.45GHz时，轴比为0.8dB左右，体现了良好的圆极化特性。

Claims (6)

1.一种微带阵列圆极化聚焦天线，其特征在于包括:两块尺寸相同的介质基板，两块介质基板材料均为FR-4，两块介质板层叠设置，接触面为金属接地面(ground)；金属辐射贴片(antenna element)设置于上介质基板的上表面，馈电网络(feeding network)设置于下介质基板的下表面；
所述的金属辐射贴片为单个圆极化天线单元，金属辐射贴片是一个正方形贴片，分别在左上角和右下角挖掉两个正方形切角，金属辐射贴片的馈电点位置置于贴片中心正下方的位置；金属辐射贴片通过铜芯穿过两块介质板与馈电网络相连；金属辐射贴片由16个辐射单元组成，按照4*4等间距线性排列，单元间距为0.5λ；
所述的馈电网络采用并联馈电方式，并联馈电将各个天线单元用微带传输线并联起来。
2.根据权利要求1所述的一种微带阵列圆极化聚焦天线，其特征在于：所述的金属辐射贴片是一个26.5mm*26.5mm的正方形贴片，分别在左上角和右下角挖掉两个4mm的正方形切角，金属辐射贴片的馈电点位置置于贴片中心正下方的位置，距离边沿5.4mm。
3.根据权利要求2所述的一种微带阵列圆极化聚焦天线，其特征在于：所述的介质基板厚度h＜＜λ，λ为天线中心频点的波长；上下两块介质板厚度分别为5mm和1.6mm。
4.根据权利要求3所述的一种微带阵列圆极化聚焦天线，其特征在于：所述的辐射单元顶角处被挖到两个正方形的切角产生天线圆极化。
5.根据权利要求4所述的一种微带阵列圆极化聚焦天线，其特征在于：所述的馈电网络采用1/4阻抗变换器，长度为1/4工作波长，使得天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧姆阻抗达成匹配。
6.根据权利要求5所述的一种微带阵列圆极化聚焦天线，其特征在于：天线的中心频率点的频率为2.45GHz。
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