CN105048079A - 一种全向性圆极化平面天线 - Google Patents

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本发明公开一种全向性圆极化平面天线,包括微带天线、支撑微带天线的介质基片以及位于天线中心点处的同轴馈电点;微带天线包括位于介质基片上下表面的第一、二金属矩形贴片以及连接第一、二金属矩形贴片的第一、二、三短路壁,第一、二金属矩形贴片尺寸相同,第一、二金属矩形贴片呈相互正对和平行的关系,第一、二金属矩形贴片上分别开设有平行的第一、二缝隙,同轴馈电点到第一、二缝隙的垂直距离相等,第一、二缝隙还与第一、二金属矩形贴片的宽度方向平行,第一、二、三短路壁的高度与介质基片的厚度相等;第一、二金属矩形贴片之间的三个侧面分别连接有第一、二、三短路壁,第一、二金属矩形贴片的第四个侧面呈开放状态。

Description

一种全向性圆极化平面天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域,更具体地,涉及一种全向性圆极化平面天线;该天线是毫米波天线,工作频率为5GHz,在垂直平面内的辐射方向图为全向性,且其极化方式为圆极化。
背景技术
随着现代无线通信的发展,对天线的要求及性能也越来越高,圆极化就是其中重要的指标参数之一。圆极化天线具有如下重要的性质:1、圆极化波由两正交等幅,相位相差90度的线极化波合成,因此可以接收任意极化方向的辐射来波,避免接收的盲点;2、圆极化天线有左旋极化及右旋极化之分,某一旋向极化的天线只能接收同一旋向的来波,因此具有很高的抗干扰能力;3、圆极化波入射到对称对象(如平面,球面)时,旋向逆转,故能有效抑制多径反射和干扰。由于上述的特点,圆极化技术广泛应用于基站广播、GPS、雷达探测等领域。因此,良好的圆极化性能具有重大的研究意义。目前常用的天线圆极化技术包括:单馈法、多馈法以及多元法。而全向性圆极化是近年来逐渐兴起的研究热点,目前已涉及的研究端射圆极化的文献主要有:
【1】R.M.Cox.andW.E.Rupp.“Circularlypolarizedphasedarrayantennaelement.”IEEETrans.AntennasPropag.vol.18.no6,pp.804-807.Nov.1970
【2】H.Nakano,S.Okuzawa,K.Ohishi,andJ.Yamauchi,“Acurlantenna,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.41,no.1,pp.1570-1575,Nov.1993.
【3】R.Li,V.F.Fusco,andH.Nakano,“Circularlypolarizedopen-loopantenna,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.51,no.9,pp.2475-2477,Sep.2003
【4】C.Y.Huang,J。Y.Wu,andK.L.Wong,“Cross-slot-coupledmicrostripantennaanddielectricresonatorantennaforcircularpolarization,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.47,no.4,pp.605-609,Apr.1999.
【5】B.Li,S.-W.Liao,andQ.Xue,“omnidirecitonalcircularlypolarizedantennacombiningmonopoleandloopradiators,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.12,pp.607-610,2013
其中,文献【1】为非平面的圆极化,利用波导在横向开缝隙产生的磁流在远场产生圆极化,3dB的轴比带宽可以达到12.50%。文献【2】、【3//【4】均为平面结构,文献【2】、【3】的结构产生的圆极化,波束方向与天线平面垂直,轴比带宽可从7.00%到12.00%。文献【4】的结构由双层不同介电常数的基片,其上贴以开有十字缝隙的贴片组成,两层基片间以中间层开有的缝隙耦合,可在远场区产生垂直于天线平面的圆极化,但轴比带宽相对较低,仅为3.91%。文献【5】以电流环产生磁偶极子与电偶极子叠加产生圆极化为基础,在双层板上制作天线,上下层各有电流环的一半,通过中间的金属通孔连接,轴比带宽能达到17.50%。
天线另一个重要的参数是它的覆盖范围,大范围的辐射意味着较大的波束宽度,能在区域内搜寻到更多的目标及设备,有高的利用率,在移动通信越来越普及的情况下具有相当重要的意义。另一方面,宽波束也意味着增益的降低,即相同输入功率下,波束宽度与增益成反比,一般用半功率波束宽度(也叫3dB波束宽度)来表征。通常的圆极化天线难以同时兼顾圆极化和宽波束两者,普通的圆极化贴片天线3dB波束宽度为75度到100度之间,难以实现在较大范围内的波束。故实现宽波束尤其是全向性的圆极化天线是一项重要的挑战。
上述涉及到的天线结构,文献【1】利用巴比涅原理和互补天线规律,在非平面结构开缝隙与阵列偶极子在远场形成圆极化,由于为了达到圆极化的目的而把天线的尺寸放在次要位置,故其用了81个单元的天线阵列,使得天线剖面较大,馈电网络复杂;文献【2】与【3】采用了环形结构和垂直振子的组合,通过二者形成的正交线极化在远场完成圆极化的目的。由于天线主体为环状结构,而环天线输入阻抗较大,一般用作接收天线,故此结构的阻抗特性较难匹配。其次,该天线虽能实现圆极化,但由于环状结构的能量耦合限制,使得圆极化的角度覆盖范围仅在端射方向的±45°内;文献【4】涉及的天线基于双层介质板,用缝隙耦合馈电,由于接地板的限制,仅能在天线侧向形成辐射,故其圆极化也在天线远场的侧向形成;文献【5】所述天线需要在双层介质板内形成环通路,中间以高度为15mm的金属圆柱支撑,其非平面的结构所需剖面较大,难以小型化。
发明内容
本发明提供了一个新型的基于微带贴片的全向性圆极化平面天线,具有剖面低,尺寸小,易共面等小型化优势。
为了实现上述目的,本发明的具体方案为:
一种全向性圆极化平面天线,是一种同轴馈电天线,包括微带天线、支撑微带天线的介质基片以及位于天线中心点处的同轴馈电点;所述微带天线包括位于介质基片上下表面的第一、二金属矩形贴片以及连接第一、二金属矩形贴片的第一、二、三短路壁,所述第一、二金属矩形贴片尺寸相同,第一、二金属矩形贴片呈相互正对和平行的关系,所述第一、二金属矩形贴片上分别开设有平行的第一、二缝隙,第一、二缝隙位于同轴馈电点的两侧,且同轴馈电点到第一、二缝隙的垂直距离相等,所述第一、二缝隙还与第一、二金属矩形贴片的宽度方向平行,第一、二、三短路壁的高度与介质基片的厚度相等;第一、二金属矩形贴片之间的三个侧面分别连接有第一、二、三短路壁,第一、二金属矩形贴片的第四个侧面呈开放状态。
相对于已存在的类似实现技术,上述技术方案天线的仅使用同轴单馈,不需要额外的馈电网络,在单层板上即可实现结构的构建,且工作频率附近的输入阻抗40~50欧左右,易于进行阻抗匹配,可用作收发天线。
进一步的,所述第一、二、三短路壁为金属铜导体。
进一步的,所述介质基片为介电常数为2.2,厚度h=3.1mm的介质基片。
进一步的,所述介质基片为长方体,其横截面为矩形。
进一步的,第一、二金属矩形贴片的金属为铜。
进一步的,所述第一、二缝隙为长宽相等的矩形缝隙。
与现有技术相比,本发明的有益效果:本发明所述的全向性圆极化平面天线是基于基片集成波导的单馈源实现的圆极化,其通过在上下表面开的矩形缝隙,在馈电的激励下,形成横向磁偶极子,其强度大小由缝隙宽度和激励源大小决定。其次,天线的侧面呈三面封闭,一面开放的结构,其中,由于一个侧面未封闭,在馈电的作用下,该侧面的上下边缘存在电压差,故在垂直方向存在着电场,与横向磁偶极子叠加,在远场就会实现圆极化,再由电场的方向和横向偶极子的分布,可得其为左旋圆极化。再者,由于横向磁偶极子与垂直方向的电场距离非常接近,故可视为在同一轴向上的电流线源,等效于基本的半波偶极子结构,因此其辐射方向图具有全向性。因此,本发明所述的天线性能较好,能同时实现全向性及圆极化,具有剖面低、体积小、易于设计和加工、容易扩展成天线阵列以及抗干扰能力强的特点。
附图说明
图1为本发明全向性圆极化平面天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的全向性圆极化平面天线的物理尺寸结构示意图。
图3为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的S11参数图。
图4为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的输入阻抗图。
图5为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的轴比图。
图6为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的轴比带宽图。
图7为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的增益图。
图8为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的交叉极化图。
图9为本发明实施例的全向性圆极化平面天线仿真模型的3D辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述,但本发明的实施方式并不限于此。
图中,1-同轴馈电点、2-第一金属矩形贴片、3-第二金属矩形贴片、4-第一缝隙、5-第二缝隙、6-第一侧面、7-第二侧面。8-第三侧面、9-第四侧面。
如图1,一种全向性圆极化平面天线,是一种同轴馈电天线,包括微带天线、支撑微带天线的介质基片以及位于天线中心点处的同轴馈电点1;其中的介质基片为横截面为矩形的长方体。所述微带天线包括位于介质基片上下表面的第一、二金属矩形贴片2、3以及连接第一、二金属矩形贴片2、3的第一、二、三短路壁,第一、二、三短路壁为金属铜导体;所述第一、二金属矩形贴片2、3尺寸相同,第一、二金属矩形贴片2、3呈相互正对和平行的关系,所述第一、二金属矩形贴片2、3上分别开设有平行的第一、二缝隙4、5,第一、二缝隙4、5位于同轴馈电点1的两侧,且同轴馈电点1到第一、二缝隙4、5的垂直距离相等,所述第一、二缝隙4、5还与第一、二金属矩形贴片2、3的宽度方向平行,第一、二、三短路壁的高度与介质基片的厚度相等;第一、二金属矩形贴片2、3之间的三个侧面(第一侧面6、第二侧面7、第三侧面8)分别连接有第一、二、三短路壁,第一、二金属矩形贴片2、3的第四侧面9呈开放状态。
所述天线结构的三个侧面均以金属铜导体壁连接第一、二金属矩形贴片,剩余一个侧面不加闭合,形成四个侧面中三面封闭的结构。由于一个侧面未封闭,在馈电的作用下,该侧面的上下边缘存在电压差,故在垂直方向存在着电场,与横向磁偶极子叠加,在远场就会实现圆极化,再由电场的方向和横向偶极子的分布,可得其为左旋圆极化。
上述天线是基于基片集成波导上下贴片之间的横向缝隙形成磁偶极子,贴片上的缝隙形成电偶极子,经过适当的调节,能实现幅度上的大小一致,因此能在远场叠加构成圆极化。本发明通过精心的设计能实现在与天线结构平行的平面上(即铅垂平面)全方向辐射,在轴比带宽内均能实现垂直面上任意角度的圆极化。本发明天线的全向性具有“广播式”特性,能在铅垂面上覆盖360度的范围,易于扩展成天线阵列,可广泛应用于移动通信系统和对抗电子干扰。与上述现有技术相比,本天线的全方向圆极化特性可以在铅垂平面的任意角度内实现圆极化,而不是仅仅局限于某个角度范围的圆极化。
本实施例中,第一、二缝隙为长宽相等的矩形缝隙,其缝隙的开端口朝向第四侧面9,缝隙宽度理论上应远远小于λ/10,以产生磁偶极子,本实施例中缝隙离天线长度中心点的距离d=3.5mm,实际缝隙宽度为S_W=0.8mm,缝隙长度S_L=9.7mm;其次介质基片采用Rogers5880,其介电常数为2.2,厚度为3.1mm。
本实施例中,本天线的馈电方法为单馈源法,馈电位置位于同轴馈电点1,通过SMA接头连接贴片,再引出同轴线,由此实现馈电;其中的馈电元件为同轴导体。
如图2,全向性圆极化平面天线的物理尺寸如下表:
参数 W L S_L S_W b d h
尺寸(mm) 14 41 9.7 0.8 7.1 3.5 3.1
利用电磁仿真软件AnsoftHFSS对上述全向性圆极化平面天线进行建模和仿真。得到实例所述的天线仿真模型的S11参数如图3所示,该天线小于-10dB阻抗带宽为5.1GHz到5.7GHz,带宽约为10.7%。得到实例所述的天线仿真模型的输入阻抗图如图4所示,在阻抗带宽范围内,天线对应的输入阻抗在45欧姆附近。得到实例所述的天线仿真模型的轴比图如图5,在Phi=90度的垂直平面上,无论Theta取值角度为多大,其轴比均小于3dB,故可视为本天线在垂直平面内能实现任意角度的圆极化。从图6可得天线工作频率附近的轴比带宽图为2.4%,从图中还可得,在低频点3.6GHz出现了额外的轴比小于3dB的频段,为3.43GHz到3.94GHz,得到此段轴比带宽为14.7%,故得到两段的总轴比带宽为17.1%。图7给出了本发明天线的增益图,得其最大增益在2.8dBi左右。天线的极化旋向由图8给出,因GainLHCP曲线的数值始终大于GainRHCP,故为左旋圆极化,且其交叉极化水平始终处于较低的水平,极化纯度较高。最后图9给出了天线的3D辐射方向图,可以清楚看出天线的辐射方向在垂直方向呈现类似“车轮”的形状,说明它在此平面为全方向性辐射。仿真结果表面,该全向性圆极化平面天线性能优良,各方面参数均符合天线指标定义,其小型化和强大的圆极化、全向性特点在具体应用中具有突出优点。
与现有技术相比,本发明具有剖面低,尺寸小,易共面等小型化优势,且馈电网络简单,仅使用单馈,易于在单层板上实现。其圆极化特性主要利用了平面上开的缝隙以及上下表面间形成的电场,由于二者相距很近,经过适当的优化调整,可在远场实现圆极化。再者,天线主要通过缝隙进行辐射,可以等效为在同一个轴向上的电流,近似于半波偶极子的电流分布,故其辐射方向图在垂直方向上为全方向性。
以上所述的本发明的实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全向性圆极化平面天线,其特征在于,是一种同轴馈电天线,包括微带天线、支撑微带天线的介质基片以及位于天线中心点处的同轴馈电点;所述微带天线包括位于介质基片上下表面的第一、二金属矩形贴片以及连接第一、二金属矩形贴片的第一、二、三短路壁,所述第一、二金属矩形贴片尺寸相同,第一、二金属矩形贴片呈相互正对和平行的关系,所述第一、二金属矩形贴片上分别开设有平行的第一、二缝隙,第一、二缝隙位于同轴馈电点的两侧,且同轴馈电点到第一、二缝隙的垂直距离相等,所述第一、二缝隙还与第一、二金属矩形贴片的宽度方向平行,第一、二、三短路壁的高度与介质基片的厚度相等;第一、二金属矩形贴片之间的三个侧面分别连接有第一、二、三短路壁,第一、二金属矩形贴片的第四个侧面呈开放状态。
2.根据权利要求1所述的全向性圆极化平面天线,其特征在于,所述第一、二、三短路壁为金属铜导体。
3.根据权利要求1所述的全向性圆极化平面天线,其特征在于,所述介质基片为介电常数为2.2,厚度h=3.1mm的介质基片。
4.根据权利要求3所述的全向性圆极化平面天线,其特征在于,所述介质基片为长方体,其横截面为矩形。
5.根据权利要求4所述的全向性圆极化平面天线,其特征在于,第一、二金属矩形贴片的金属为铜。
6.根据权利要求1所述的全向性圆极化平面天线,其特征在于,所述第一、二缝隙为长宽相等的矩形缝隙。
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