CN105071052B - 一种平面互补振子圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面互补振子圆极化天线，在介质基板上分别设计结构相同、尺寸相同、反对称布置的顶层电偶极臂与底层电偶极臂，可以等效为一个电偶极子天线单元。引入平面磁偶极子结构连接顶层电偶极臂与底层电偶极臂。磁偶极子结构和电偶极子结构轴线相互平行，两者通过相移线进行连接。平面磁偶极子天线单元的极化电场垂直于天线所在平面，平面电偶极子天线单元的极化电场平行于天线所在平面，两者合成的圆极化波束平行于天线所在平面。本发明的组合天线采用单点馈电，磁偶极子与电偶极子组合产生平行于天线所在平面的圆极化波束，具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点，其应用范围十分广泛。

Description

一种平面互补振子圆极化天线

技术领域

本发明涉及一种平面互补振子圆极化天线，属于微波技术领域。

背景技术

圆极化天线的实用意义主要体现在：1、圆极化天线可接收任意极化的来波且其辐射波也可由任意极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；2、在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性；3、圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时旋向逆转，因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

目前，圆极化天线的制作大致可以包括三种方法。第一种方法为互补振子实现圆极化；第二种方法为使用旋转结构，如微带平面旋转天线和立体结构的螺旋天线；第三种方法是在贴片或介质谐振腔上产生空间、时间均正交的线极化辐射模式，叠加成圆极化。以上方式基本上是采用在天线平面上产生两个极化和相位正交的线极化辐射模式来实现圆极化，具有宽边辐射特性，其辐射最大方向垂直于天线所在的平面。采用螺旋天线、喇叭天线、八木天线等结构虽然有利于实现端射圆极化特性，然而它们的立体结构不便集成与小型应用，而且波束均垂直于天线所在的平面。在某些需要圆极化波束指向平行于天线所在平面的特殊应用场合下（如：低剖面的手持式射频识别读写器），上述宽边辐射和端射设计方案都不再适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种与以往不同的平面互补振子圆极化天线，该发明使用了互补振子来产生端射圆极化效果，同时保持天线的平面结构。该天线具有良好的圆极化性能，而且波束平行于天线所在的平面，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种平面互补振子圆极化天线，包括介质基板；介质基板的上表面设置有相连的顶层电偶极臂、顶层相移线，下表面设置有底层电偶极臂、底层相移线；其中，顶层电偶极臂、底层电偶极臂的结构与尺寸相同，且相对于介质基板反对称排布；顶层相移线、底层相移线的结构与尺寸相同，且相对于介质基板反对称排布；顶层电偶极臂和底层电偶极臂构成平面电偶极子结构；介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔，该谐振腔的非封闭面垂直于介质基板的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相移线、底层相移线连接。

作为本发明的进一步优化方案，顶层相移线的长度为四分之一波长到八分之三波长。

作为本发明的进一步优化方案，底层相移线的长度为四分之一波长到八分之三波长。

作为本发明的进一步优化方案，谐振腔与顶层相移线、底层相移线之间连接的渐变结构具有下倾角，其范围为60°至80°。

作为本发明的进一步优化方案，介质基板的介电常数为2至20。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明是纯平面结构，制作工艺简单，且无需加载或附加其他馈电器件（如：负载、定向耦合器等），是一种成本低廉、适用于低剖面应用的高性能圆极化天线。

附图说明

图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。

图2是天线的侧面结构与参考坐标示意图。

图3是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。

其中，1是介质基板，2是谐振腔，3是顶层磁偶极臂，4是底层磁偶极臂，5是顶层相移线，6是底层相移线，21是谐振腔的上表面，22是同轴线的内导体，23是谐振腔的下表面，24是同轴线外导体，12是渐变结构的下倾角。

图4是利用IE3D软件计算的天线反射系数特性。

图5是采用IE3D软件计算的天线轴比示意图。

图6是采用IE3D软件计算的天线方向图，其中，（a）是xoy-平面的天线方向图，（b）是zox-平面的天线方向图。

图7是工作频段内的增益特性。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如对照附图1、图2，图3，其结构是：包括介质基板；介质基板的上表面设置有相连的顶层电偶极臂3、顶层相移线5，下表面设置有底层电偶极臂4、底层相移线6；其中，顶层电偶极臂3、底层电偶极臂4的结构与尺寸相同，且相对于介质基板1反对称排布；顶层相移线5、底层相移线6的结构与尺寸相同，且相对于介质基板1反对称排布；顶层电偶极臂3和底层电偶极臂4构成平面电偶极子结构；介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔2，该谐振腔2的非封闭面垂直于介质基板1的表面，该谐振腔2的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相移线5、底层相移线6连接。

反对称布置的顶层电偶极臂与底层电偶极臂，可以等效为一个电偶极子。谐振腔2可以等效为平面磁偶极子，通过相移线连接顶层电偶极臂与底层电偶极臂。磁偶极子结构和电偶极子的结构轴线相互平行，平面磁偶极子天线单元的极化电场垂直于天线所在平面，平面电偶极子天线单元的极化电场平行于天线所在平面，两者合成的圆极化波束平行于天线所在平面。

谐振腔2、顶层电偶极臂3、底层电偶极臂4采用同轴线进行激发，其中，谐振腔2的上表面21与同轴线的内导体22相连，谐振腔2的下表面23与同轴线外导体24相连.

本发明一种平面互补振子圆极化天线，顶层相移线5、底层相移线6的长度为四分之一波长到八分之三波长，其中，优选值为八分之三波长。谐振腔2与顶层相移线5、底层相移线6之间连接的渐变结构具有下倾角，其范围为60°至80°，其中，优选值为70°。

对照附图4，附图4是介质基板1按照相对介电常数为2.65、厚为2毫米，平面磁偶极子与介质板的倾角12（谐振腔2与顶层相移线5、底层相移线6之间连接的渐变结构具有下倾角12）即按照70°，顶层相移线与底层相移线按照八分之三波长，利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图4的结果可见，相对带宽达到了3.31%，覆盖了5.63-5.82GHz频段，中心频率在5.73GHz，该天线具有一定的阻抗带宽；附图5给出了利用IE3D软件仿真计算得到的天线轴比特性。由图5可见，轴比带宽在阻抗带宽的范围之内，天线的3dB轴比带宽覆盖了5.38-5.94GHz，相对轴比带宽约为9.89%。

对照附图1中的参考坐标系与附图6，附图6中的(a)和(b)分别给出了5.70GHz的两个主工作面方向图（xoy-平面与zox-平面），图中的实线为左旋圆极化分量，虚线为右旋圆极化分量；图7给出了工作频段内的增益特性，在天线谐振频率的最大辐射方向上，增益可以达到2.6dBi。由图6和图7可见，在整个工作频段内，天线具有相对稳定的定向辐射特性，可以认为该天线的方向图带宽、增益带宽与阻抗带宽是基本一致的。

综上所述，本发明一种平面互补振子圆极化天线，利用磁偶极子辐射单元与电偶极子辐射单元组合的结构，产生圆极化波束，该组合天线在其所在平面内具有近似的端射特性和良好的圆极化性能，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现，适合应用于小型手持式RFID读写器中。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种平面互补振子圆极化天线，其特征在于，包括介质基板；

介质基板的上表面设置有相连的顶层电偶极臂（3）、顶层相移线（5），下表面设置有底层电偶极臂（4）、底层相移线（6）；其中，顶层电偶极臂（3）、底层电偶极臂（4）的结构与尺寸相同，且相对于介质基板（1）反对称排布；顶层相移线(5)、底层相移线(6)的结构与尺寸相同，且相对于介质基板（1）反对称排布；顶层电偶极臂（3）和底层电偶极臂（4）构成平面电偶极子结构；

介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔（2），该谐振腔（2）的非封闭面垂直于介质基板（1）的表面，该谐振腔（2）的非封闭面的上端和下端分别通过渐变结构与顶层相移线（5）、底层相移线（6）连接；

谐振腔（2）、顶层电偶极臂（3）、底层电偶极臂（4）采用同轴线进行激发。

2.根据权利要求1所述的一种平面互补振子圆极化天线，其特征在于，顶层相移线（5）、的长度为四分之一波长到八分之三波长。

3.根据权利要求1所述的一种平面互补振子圆极化天线，其特征在于，底层相移线（6）的长度为四分之一波长到八分之三波长。

4.根据权利要求1所述的一种平面互补振子圆极化天线，其特征在于，谐振腔（2）与顶层相移线（5）、底层相移线（6）之间连接的渐变结构具有下倾角（12），其范围为60°至80°。

5.根据权利要求1所述的一种平面互补振子圆极化天线，其特征在于，介质基板的介电常数为2至20。