CN105161847B - 宽带高增益圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带高增益圆极化天线，由第一介质基板、第二介质基板和金属反射板组成；第一介质基板、第二介质基板和金属反射板三者相互平行且自上而下依次间隙叠置。第二介质基板的上表面覆有金属接地板，该金属接地板上开设有一个S形的耦合缝隙。第二介质基板的下表面覆有长条状的微带馈线；微带馈线的延伸方向与S形的耦合缝隙的延伸方向垂直，且S形的耦合缝隙的中心区投影在微带馈线内。第一介质基板的下表面即朝向第二介质基板的一面覆有金属辐射贴片。本发明能够在实现天线宽带高增益圆极化的同时还具有尺寸小、造价低、结构简单且易与其他设备集成的特点。

Description

宽带高增益圆极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高增益圆极化天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，特别是宽带无线通信技术和卫星通信技术的发展，宽带高增益圆极化天线的应用就显得十分重要。圆极化天线具备很强的抗干扰能力和接收各种线极化及椭圆极化方式的无线电波。在空间位置不定的飞行器上装置圆极化天线，除可减少信号漏失外，还可消除由电离层法拉第旋转效应引起的畸变影响。在卫星通信领域，随着通信技术的发展，对通信天线的带宽、增益都提出了更高的要求，同时在限定的口径内，对天线的尺寸、重量方面等通常都提出了比较苛刻的要求。

微带天线具有剖面低、重量小和共形性好等优点，通过合理的结构设计即可实现宽频带高增益工作。对现有技术进行检索发现，公开号为CN101170213A的中国发明专利公开了一种“低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线”，该缝隙天线采用背腔圆环形缝隙及共面波导馈电结构，虽然天线结构简单、尺寸小，但是带宽较窄，只有90MHz轴比带宽。专利公开号为CN102891360A的中国发明专利申请公开了“一种宽频带小型化双旋圆极化天线”，该宽带圆极化天线采用H形缝隙，多层金属辐射贴片结构，尺寸是50mm×50mm×15mm，尺寸较大，其相对带宽却只有30％多，并且馈电网络复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有天线存在带宽窄和尺寸大等问题，提供一种宽带高增益圆极化天线。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

宽带高增益圆极化天线，包括天线本体，所述天线本体主要由第一介质基板、第二介质基板和金属反射板组成；第一介质基板、第二介质基板和金属反射板三者相互平行且自上而下依次间隙叠置，即第一介质基板平行置于第二介质基板的正上方，且第一介质基板和第二介质基板之间存在一定间隙；金属反射板平行置于第二介质基板的正下方，且金属反射板和第二介质基板之间存在一定间隙；

第二介质基板的上表面即朝向第一介质基板的一面覆有金属接地板，该金属接地板上开设有一个S形的耦合缝隙；上述S形的耦合缝隙由2个对数螺旋缝隙组合而成，其中第一对数螺旋缝隙与第二对数螺旋缝隙的相对内侧相交于S形的耦合缝隙的中心区，且第一对数螺旋缝隙和第二对数螺旋缝隙关于该中心区呈中心对称分布；第一对数螺旋缝隙与第二对数螺旋缝隙的相对外侧一直延伸至金属接地板的边缘，并形成边缘截断的开放结构；

第二介质基板的下表面即朝向金属反射板的一面覆有长条状的微带馈线；微带馈线的延伸方向与S形的耦合缝隙的延伸方向垂直，且S形的耦合缝隙的中心区投影在微带馈线内；

第一介质基板的下表面即朝向第二介质基板的一面覆有金属辐射贴片。

上述方案中，每个对数螺旋缝隙由内曲线和外曲线包围而成，其中内曲线和外曲线为2条在极坐标下极径不等的对数螺旋曲线；内曲线和外曲线的极坐标零点重合，并形成S形的耦合缝隙的中心区。

上述方案中，金属反射板的上表面与第二介质基板的微带馈线之间的距离为λ₀/4，其中λ₀为天线本体的中心频率波长。

上述方案中，第一介质基板的金属辐射贴片与第二介质基板的金属接地板之间的距离为5mm～8mm。

上述方案中，所述第一介质基板、第二介质基板和金属反射板的形状和尺寸相一致，且三者的中心位于同一条垂线上。

上述方案中，所述金属辐射贴片为方形或圆形。

上述方案中，所述微带馈线的首端开始于第二介质基板的一侧边缘处，微带馈线的末端结束于第二介质基板相对一侧边缘处或第二介质基板的中部。

上述方案中，所述微带馈线为金属微带馈线。

与现有技术相比，本发明的金属辐射贴片通过开有耦合缝隙的金属接地板耦合馈电。微带馈线与开有耦合缝隙的金属接地板激励出圆极化场；金属反射板可以使天线实现定向辐射，提高增益。通过采用对数螺旋缝隙耦合馈电结构，展宽了微带天线的阻抗带宽、圆极化轴比带宽并实现了小型化，本发明的尺寸可达到24mm×24mm×16mm，相对带宽达到37％；通过对数螺旋缝隙加金属反射板结构有效提高了天线的增益。因此，本发明能够在实现天线宽带高增益圆极化的同时还具有尺寸小、造价低、结构简单且易与其他设备集成的特点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2为微带馈线的结构示意图。

图3为金属接地板的结构示意图。

图4是本发明的阻抗带宽特性图。

图5是本发明的轴比带宽特性图。

图6是本发明的增益特性图。

图7是本发明在中心频率处的仿真辐射方向图。

图中标号：1、第一介质基板；2、金属辐射贴片；3、金属接地板；4、耦合缝隙；4-1、中心区；4-2、对数螺旋缝隙；5、第二介质基板；6、微带馈线；7、金属反射板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

宽带高增益圆极化天线，如图1-3所示，包括天线本体，所述天线本体主要由第一介质基板1、第二介质基板5和金属反射板7组成。第一介质基板1、第二介质基板5和金属反射板7三者相互平行且自上而下依次间隙叠置，即第一介质基板1平行置于第二介质基板5的正上方，且第一介质基板1和第二介质基板5之间存在一定间隙。金属反射板7平行置于第二介质基板5的正下方，且金属反射板7和第二介质基板5之间存在一定间隙。在本发明中，所述第一介质基板1、第二介质基板5和金属反射板7的形状和尺寸相一致，且三者的中心位于同一条垂线上。在本发明优选实施例中，所述第一介质基板1、第二介质基板5和金属反射板7均为边长相等的正方形。

第二介质基板5的上表面即朝向第一介质基板1的一面覆有金属接地板3，该金属接地板3上开设有一个S形的耦合缝隙4。上述S形的耦合缝隙4由2个对数螺旋缝隙4-2组合而成。具体来说，每个对数螺旋缝隙4-2由内曲线和外曲线包围而成，其中内曲线和外曲线为2条在极坐标下极径不等的对数螺旋曲线。内曲线和外曲线的极坐标零点重合，并形成S形的耦合缝隙4的中心区。第一对数螺旋缝隙4-2与第二对数螺旋缝隙4-2的相对内侧相交于S形的耦合缝隙4的中心区，且第一对数螺旋缝隙4-2和第二对数螺旋缝隙4-2关于该中心区呈中心对称分布。即第二对数螺旋缝隙4-2相当于第一对数螺旋缝隙4-2旋转180°

第一对数螺旋缝隙4-2与第二对数螺旋缝隙4-2的相对外侧一直延伸至金属接地板3的边缘，并形成边缘截断的开放结构。S形的耦合缝隙4的两端属于开放结构，能有效的改善带宽特性，实现了小型化。同时其螺旋性很容易满足圆极化特性。

第二介质基板5的下表面即朝向金属反射板7的一面覆有长条状的微带馈线6。微带馈线6的延伸方向与S形的耦合缝隙4的延伸方向垂直，且S形的耦合缝隙4的中心区投影在微带馈线6内。所述微带馈线6可以为1字形，7字形或其他形状，在本发明中，所述微带馈线6为1字形。无论何种形状，微带馈线6的首端必须开始于第二介质基板5的一侧边缘处，而微带馈线6的末端则根据需要进行设计，其可以结束于第二介质基板5相对一侧边缘处，也可以结束于第二介质基板5的中部。在本发明中，所述微带馈线6为金属微带馈线6。金属微带馈线6的宽度和长度在当前基板材料下满足特性阻抗为50Ω。

第一介质基板1的下表面即朝向第二介质基板5的一面覆有金属辐射贴片2。金属辐射贴片2的尺寸小于金属接地板3的尺寸。所述金属辐射贴片2的形状根据性能和设计需求设定，可以为方形、圆形或其他形状。在本发明优选实施例中，所述金属辐射贴片2为圆形。

金属辐射贴片2、开有耦合缝隙4的金属接地地板、微带馈线6和金属反射板7在垂直方向上位置相对应，构成一个具有较好的轴比带宽的天线单元。金属辐射贴片2通过开有耦合缝隙4的金属接地板3耦合馈电。微带馈线6与开有耦合缝隙4的金属接地板3激励出圆极化场；金属反射板7可以使天线实现定向辐射，提高增益。

相对于介质基板的厚度而言，覆于介质基板表面的金属辐射贴片2、金属接地板3和微带馈线6的厚度极小，从工艺上来说，是在介质板上敷铜。改变金属反射板7与第二介质基板5的距离，其所设计的天线的增益会随之改变。通过优化，当金属反射板7的上表面与第二介质基板5的微带馈线6之间的距离为λ₀/4时，其中λ₀为天线本体的中心频率波长，能够有效减小天线后瓣辐射，从而提高天线增益。改变第一介质基板1和第二介质基板5之间的距离，其所设计的天线的轴比和增益都会随之改变。通过优化，当第一介质基板1的金属辐射贴片2与第二介质基板5的金属接地板3之间的距离为5mm～8mm之间时，天线的轴比和增益得到比较好的权衡。

图4-6分别是本发明的阻抗带宽、轴比带宽和增益特性图。宽带高增益圆极化天线在3.85GHz～5.6GHz频带范围内反射系数小于-10dB，相对阻抗带宽为37％。轴比带宽为16％。在5GHz～5.6GHz范围内，增益大于8dBi，最大增益达到8.7dBi。

图7是本发明在中心频率处的仿真辐射方向图。宽带高增益圆极化天线在5GHz处3dB波束宽度为70.8°，本实施例的工程过程为：所述的微带馈线6外接信号源，外加激励信号通过金属接地板3耦合到金属辐射贴片2，然后通过金属辐射贴片2辐射出去，完成无线通信功能。采用对数螺旋缝隙4-2结构提高了天线圆极化特性，并结合缝隙耦合馈电技术增加了带宽，最终实现宽带高增益圆极化微带天线。本发明具有宽带高增益圆极化特性外，还具有结构尺寸小、结构简单、造价低、易与其他设备集成的特点。

Claims (7)

1.宽带高增益圆极化天线，包括天线本体，所述天线本体主要由第一介质基板(1)、第二介质基板(5)和金属反射板(7)组成；第一介质基板(1)、第二介质基板(5)和金属反射板(7)三者相互平行且自上而下依次间隙叠置，即第一介质基板(1)平行置于第二介质基板(5)的正上方，且第一介质基板(1)和第二介质基板(5)之间存在一定间隙；金属反射板(7)平行置于第二介质基板(5)的正下方，且金属反射板(7)和第二介质基板(5)之间存在一定间隙；

其特征在于：

第二介质基板(5)的上表面即朝向第一介质基板(1)的一面覆有金属接地板(3)，该金属接地板(3)上开设有一个S形的耦合缝隙(4)；上述S形的耦合缝隙(4)由2个对数螺旋缝隙(4-2)组合而成，每个对数螺旋缝隙(4-2)由内曲线和外曲线包围而成，其中内曲线和外曲线为2条在极坐标下极径不等的对数螺旋曲线；内曲线和外曲线的极坐标零点重合，并形成S形的耦合缝隙(4)的中心区；其中第一对数螺旋缝隙(4-2)与第二对数螺旋缝隙(4-2)的相对内侧相交于S形的耦合缝隙(4)的中心区，且第一对数螺旋缝隙(4-2)和第二对数螺旋缝隙(4-2)关于该中心区呈中心对称分布；第一对数螺旋缝隙(4-2)与第二对数螺旋缝隙(4-2)的相对外侧一直延伸至金属接地板(3)的边缘，并形成边缘截断的开放结构；

第二介质基板(5)的下表面即朝向金属反射板(7)的一面覆有长条状的微带馈线(6)；微带馈线(6)的延伸方向与S形的耦合缝隙(4)的延伸方向垂直，且S形的耦合缝隙(4)的中心区投影在微带馈线(6)内；

第一介质基板(1)的下表面即朝向第二介质基板(5)的一面覆有金属辐射贴片(2)。

2.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线，其特征在于：金属反射板(7)的上表面与第二介质基板(5)的微带馈线(6)之间的距离为λ₀/4，其中λ₀为天线本体的中心频率波长。

3.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线，其特征在于：第一介质基板(1)的金属辐射贴片(2)与第二介质基板(5)的金属接地板(3)之间的距离为5mm～8mm。

4.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线，其特征在于：所述第一介质基板(1)、第二介质基板(5)和金属反射板(7)的形状和尺寸相一致，且三者的中心位于同一条垂线上。

5.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线，其特征在于：所述金属辐射贴片(2)为方形或圆形。

6.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线，其特征在于：所述微带馈线(6)的首端开始于第二介质基板(5)的一侧边缘处，微带馈线(6)的末端结束于第二介质基板(5)相对一侧边缘处或第二介质基板(5)的中部。

7.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线，其特征在于：所述微带馈线(6)为金属微带馈线(6)。