CN105186123A - 一种平面圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面圆极化天线，由V形开口环与振子天线构成。在介质基板上分别设计结构相同、尺寸相同、反对称布置的一对对跖V形振子单元构成的开口环和一对反对称平行振子组合，V形结点的连线垂直于振子天线的轴线，振子关于V形开口环单元开口端与馈电点的连线呈反对称排布，馈电点位于V形开口环单元的开口端，通过控制V形开口环天线臂长与振子天线臂长的长度差,使天线产生双向反旋圆极化波束。本发明的组合天线采用单点馈电，开口环和振子组合产生近似的双向反旋圆极化波束，具有结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉等特点，在无线射频识别(RFID)系统中作为读写器天线有广泛的应用前景，也有望用作穿戴式天线。

Description

一种平面圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种平面圆极化天线，属于微波技术领域。
背景技术
圆极化天线的研究可以追溯到1940年。因为圆极化天线可以抗降雨的干扰，可以接受任意极化的波，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线接收到，也不需要复杂的跟踪系统就可以实现较好的匹配，因而在RFID、无线通信、卫星通信等诸多领域具有广阔的应用前景。
目前，圆极化天线的制作大致可以划分为三种方法。第一种方法为产生两个极化和相位正交的模，从而实现圆极化；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；第三种方法为在辐射贴片或介质谐振腔上产生交叉偶极子，这两个交叉偶极子的模极化和相位正交。微带天线是实现第一种方法的常见天线类型。为了达到产生两个极化和相位正交的模，微带天线有三种主要的方法，分别是单馈、多馈以及多元法。实现方式多以在辐射贴片上进行切角、表面开槽或采用准方形、近圆形的辐射贴片来实现。因此，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模，从而实现圆极化，其辐射最大方向垂直于天线所在的平面(即：边射特性)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新的纯平面结构双向圆极化天线，其波束为双向圆极化特性，且垂直于于天线所在的平面，具有结构简单，剖面尺寸低，体积小等特点，有利于平面化设计和小型应用。
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圆极化天线，包括介质基板；介质基板上表面设置有顶层对跖V形辐射单元、顶层振子单元、顶层馈电枝节、顶层匹配枝节，顶层对跖V形辐射单元的V形结点通过顶层匹配枝节与顶层振子单元连接，顶层对跖V形辐射单元的一端与顶层馈电枝节连接；介质基板下表面设置有底层对跖V形辐射单元、底层振子单元、底层馈电枝节、底层匹配枝节，底层对跖V形辐射单元的V形结点通过底层匹配枝节与底层振子单元连接，底层对跖V形辐射单元的一端与底层馈电枝节连接；顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元的结构、尺寸相同，且相对于介质基板反对称排布；顶层振子单元与底层振子单元的结构、尺寸相同，且相对于介质基板反对称排布；顶层馈电枝节与底层馈电枝节的结构、尺寸相同，且相对于介质基板对称排布；顶层匹配枝节与底层匹配枝节的结构、尺寸相同，且相对于介质基板反对称排布；顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元构成开口环单元，顶层振子单元与底层振子单元构成振子天线单元，开口环单元与振子天线单元组合产生双向反旋的圆极化波束。
作为本发明的进一步优化方案，顶层振子单元在顶层对跖V形辐射单元的中垂线方向，底层振子单元在底层对跖V形辐射单元的中垂线方向.
作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元的V形夹角范围均为60°至140°。
作为本发明的进一步优化方案，开口环单元的单元臂长与振子天线单元的单元臂长之差为十六分之一至四分之一波长。
作为本发明的进一步优化方案，振子单元关于V形开口环单元开口端与馈电点的连线呈反对称排布。
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：
本发明使用平面结构的开口环和振子组合，产生垂直于天线平面的双向辐射波束，实现双向圆极化特性，并且制作工艺简单，成本低廉；本发明在垂直天线方向上产生的圆极化波束可接收任意极化的波，其实现的双向圆极化特性适用于手持式RFID读写器天线；同时，本发明也可以实现与衣物的共形设计，利用人体作为反射体，向人体以外的方向形成单一极化的圆极化波束，用于读取物联网环境中可能存在的各种标签，在物联网系统中将有十分广泛的应用前景。
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是顶层对跖V形辐射单元，3是底层对跖V形辐射单元，4是顶层振子单元，5是底层振子单元，6是顶层馈电枝节，7是底层馈电枝节，8是V形开口环夹角，11是顶层匹配枝节，12是底层匹配枝节。
图3采用IE3D软件计算的天线轴比示意图。
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：
对照附图1、图2，其结构是：天线制作在介质基板1上，辐射单元由介质板上顶层对跖V形开口环单元2、底层对跖V形开口环单元3、顶层振子单元4与底层振子单元5构成，顶层对跖V形开口环单元2与底层对跖V形开口环单元3结构、尺寸完全相同，并在介质基板的顶层和底层反对称布置；顶层振子单元4与底层振子单元5结构、尺寸完全相同，并在介质基板的顶层和底层反对称布置；顶层对跖V形开口环单元2通过顶层匹配枝节11与顶层振子单元4相连接，底层对跖V形开口环单元3通过底层匹配枝节12与底层振子单元5相连接,V形结点的连线垂直于振子天线的轴线。
对照附图3，附图3是介质基板1按照相对介电常数为2.2、厚为1毫米，V形开口环单元的夹角为100o，V形开口环单元臂长与振子单元臂长差值为λ/4，利用IE3D软件仿真计算得到的天线轴比特性。由图3可见，轴比带宽基本在阻抗带宽的范围之内，天线的3dB轴比带宽覆盖了2.34GHz-2.42GHz,中心频率在2.38GHz,相对轴比带宽约为3.4%。
综上所述，一种平面圆极化天线的设计方法，由V形开口环单元与振子天线组合产生双向反旋的圆极化波束，该组合天线在垂直该平面具有良好的圆极化性能，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。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如该天线的V形开口环单元与振子天线亦可做成共面排布，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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 (6)

1.一种平面圆极化天线，其特征在于，包括介质基板（1）；
介质基板（1）上表面设置有顶层对跖V形辐射单元(2)、顶层振子单元（4）、顶层馈电枝节（6）、顶层匹配枝节（11），顶层对跖V形辐射单元(2)的V形结点通过顶层匹配枝节（11）与顶层振子单元（4）连接，顶层对跖V形辐射单元(2)的一端与顶层馈电枝节（6）连接；
介质基板（1）下表面设置有底层对跖V形辐射单元（3）、底层振子单元（5）、底层馈电枝节（7）、底层匹配枝节（12），底层对跖V形辐射单元（3）的V形结点通过底层匹配枝节（12）与底层振子单元（5）连接，底层对跖V形辐射单元（3）的一端与底层馈电枝节（7）连接；
顶层对跖V形辐射单元(2)与底层对跖V形辐射单元(3)的结构、尺寸相同，且相对于介质基板（1）反对称排布；顶层振子单元（4）与底层振子单元（5）的结构、尺寸相同，且相对于介质基板（1）反对称排布；顶层馈电枝节（6）与底层馈电枝节（7）的结构、尺寸相同，且相对于介质基板（1）对称排布；顶层匹配枝节（11）与底层匹配枝节（12）的结构、尺寸相同，且相对于介质基板（1）反对称排布；
顶层对跖V形辐射单元(2)与底层对跖V形辐射单元(3)构成开口环单元，顶层振子单元（4）与底层振子单元（5）构成振子天线单元，开口环单元与振子天线单元组合产生双向反旋的圆极化波束。
2.根据权利要求1所述的一种平面圆极化天线，其特征在于，顶层振子单元（4）在顶层对跖V形辐射单元(2)的中垂线方向，底层振子单元（5）在底层对跖V形辐射单元(3)的中垂线方向。
3.根据权利要求1所述的一种平面圆极化天线，其特征在于，顶层对跖V形辐射单元(2)与底层对跖V形辐射单元(3)的V形夹角范围均为60°至140°。
4.根据权利要求1所述的一种平面圆极化天线，其特征在于，开口环单元的单元臂长与振子天线单元的单元臂长之差为十六分之一至四分之一波长。
5.根据权利要求1所述的一种平面圆极化天线，其特征在于，振子单元关于V形开口环单元开口端与馈电点的连线呈反对称排布。
6.根据权利要求1所述的一种平面圆极化天线，其特征在于，介质基板的介电常数为2至20。
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