CN105896091A - 小型化宽带高增益圆极化微带天线 - Google Patents

小型化宽带高增益圆极化微带天线 Download PDF

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韦佳
彭麟
廖欣
李晓峰
仇玉杰
王昆鹏
康波
谢继杨
郭立伟
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Abstract

本发明公开一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，包括自上而下呈间隔设置的寄生层、辐射层、馈电层和金属反射层；且寄生层、辐射层、馈电层和金属反射层的中心位于同一条垂线上；馈电层由馈电介质基板、微带馈线和金属地板所构成，金属地板上开设有双Y型缝隙；辐射层由辐射介质基板和辐射金属贴片所构成；寄生层由寄生介质基板和寄生金属贴片所构成；辐射金属贴片和寄生金属贴片上开有矩形槽；金属反射层由金属反射板所构成。本天线的体积较小，结构简单、易于加工，适用于宽带通信、卫星通信等领域。

Description

小型化宽带高增益圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种小型化宽带高增益圆极化微带天线。
背景技术
随着无线通信技术发展，小型化宽带高增益圆极化天线越来越受到关注。因为圆极化微带天线有其独特的优势而被广泛的应用在这些通信领域中，能满足在卫星通信、雷达、电子对抗等各方面更严格和更精密的要求。然而，圆极化微带天线3dB轴比带宽一般只有2％左右，且单元增益一般为4-6dBi左右,则需组成阵列以获得高增益,不利于微带天线与载体的共形设计以及小型化的发展需求，更是使得天线结构复杂或者无法实现圆极化。
近几年来，有很多关于小型化与扩展圆极化微带天线带宽技术的研究。如公告号为CN104993227A的中国发明专利申请公开的“小尺寸宽带圆极化贴片天线”，该天线开多个槽可以实现圆极化天线的小型化，但轴比带宽仅为3.8％，驻波带宽仅为6.8％，远未达到宽带通信的需要。而公告号为CN104112898A的中国发明专利申请公开的“新型小型化超宽带圆极化天线”，采用平面等角螺旋与球面螺旋结构，可以实现1～20GHz的超宽带，但天线带内增益在6dB左右，达不到高增益的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有天线存在阻抗带宽与轴比带宽窄、尺寸大和增益低等的问题，提供一种小型化宽带高增益圆极化微带天线。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
小型化宽带高增益圆极化微带天线，包括自上而下呈间隔设置的寄生层、辐射层、馈电层和金属反射层；且寄生层、辐射层、馈电层和金属反射层的中心位于同一条垂线上；上述馈电层由馈电介质基板、微带馈线和金属地板所构成；微带馈线位于馈电介质基板的下表面的中部；金属地板为规则的正方形，并覆于馈电介质基板上表面；金属地板的中部开设有一个呈中心对称的双Y形缝隙；上述辐射层由辐射介质基板和辐射金属贴片所构成；辐射金属贴片为一组对角为切角的正方形，并覆于辐射介质基板的上表面；辐射金属贴片的中央开设有一个辐射贴片矩形槽，该矩形槽的延伸方向与微带馈线的延伸方向相垂直；上述寄生层由寄生介质基板和寄生金属贴片所构成；寄生金属贴片为一组对角为切角的正方形，并覆于寄生介质基板的下表面；寄生金属贴片的中央开设有一个寄生贴片矩形槽，该矩形槽的延伸方向与微带馈线的延伸方向相平行；上述金属反射层由金属反射板所构成；该金属反射板与寄生介质基板、辐射介质基板和馈电介质基板的表面形状和表面尺寸均一致。
上述方案中，金属反射板、寄生介质基板、辐射介质基板和馈电介质基板的表面形状均为规则的正方形。
上述方案中，辐射金属贴片的边长大于寄生金属贴片的边长。
上述方案中，辐射金属贴片的切角即寄生贴片切角与寄生金属贴片的切角即辐射贴片切角方向相一致。
上述方案中，辐射贴片矩形槽与寄生贴片矩形槽的宽度相等，辐射贴片矩形槽的长度大于寄生贴片矩形槽的长度。
上述方案中，所述双Y形缝隙由1条倾斜枝节、2条相互平行的纵向枝节、以及2条相互平行的横向枝节组成；1条纵向枝节的端点与1条横向枝节的端点垂直相交于倾斜枝节的1个端点，另1条纵向枝节的端点与另1条横向枝节的端点垂直相交于倾斜枝节的另1个端点。
上述方案中，倾斜枝节、纵向枝节和横向枝节的宽度相等，纵向枝节的长度长于横向枝节的长度。
上述方案中，所述微带馈线的中线与馈电介质基板中线重合。
上述方案中，微带馈线的一端与馈电介质基板的边缘平齐，微带馈线的另一端延伸地连接有一条微带匹配线，微带匹配线的宽度与微带馈线相同。
上述方案中，馈电介质基板的下表面与金属反射板的上表面之间距离为λ0/4，其中λ0为天线中心频率波长。
与现有技术相比，本发明通过开有双Y型缝隙的金属接地板进行耦合馈电。通过调节倾斜的双Y型缝隙两枝节的长度，即依靠两分叉枝节长度的差异激励起正交简并模，形成右旋圆极化(RHCP)辐射。金属反射板可以使天线实现定向辐射，提高天线增益。通过增加寄生贴片的层叠结构，扩展天线的阻抗带宽，对两贴片切角，进一步增加天线的3dB轴比带宽。再对两贴片开矩形槽，使得两贴片的表面电流绕槽边迂回流过，电流流过的路径变长，等效增加了贴片的尺寸，实现天线的小型化。该天线工作于4.1～5.7GHz，天线在整个频段内VSWR<2，带内增益在9.5dB左右，在4.4～5.4GHz频带范围内，AR<3，且天线的体积较小，结构简单、易于加工，适用于宽带通信、卫星通信等领域。
附图说明
图1为小型化宽带高增益圆极化微带天线的结构展开示意图。
图2为小型化宽带高增益圆极化微带天线的馈电层的结构示意图。
图3为小型化宽带高增益圆极化微带天线的辐射层的结构示意图。
图4为小型化宽带高增益圆极化微带天线的寄生层的结构示意图。
图5为小型化宽带高增益圆极化微带天线的S11曲线。
图6为小型化宽带高增益圆极化微带天线的轴比(AR)曲线。
图7为小型化宽带高增益圆极化微带天线的增益(Gain)曲线。
图8为小型化宽带高增益圆极化微带天线在中心频率处仿真的辐射方向图。
图中标号：
1、寄生层；1-1、寄生介质基板；1-2、寄生金属贴片；1-2-1、寄生贴片矩形槽；1-2-2、寄生贴片切角；
2、辐射层；2-1、辐射介质基板；2-2、辐射金属贴片；2-2-1、辐射贴片矩形槽；2-2-2、辐射贴片切角；
3、馈电层；3-1、馈电介质基板；3-2、金属地板；3-2-1、双Y形缝隙；3-2-1-1、倾斜枝节；3-2-1-2、纵向枝节；3-2-1-3、横向枝节；3-3、微带馈线；3-4、微带匹配线；
4、金属反射层。
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。
小型化宽带高增益圆极化微带天线，如图1所示，包括自上而下呈间隔设置的寄生层1、辐射层2、馈电层3和金属反射层4。且寄生层1、辐射层2、馈电层3和金属反射层4的中心位于同一条垂线上。
参见图2，上述馈电层3由馈电介质基板3-1、微带馈线3-3、微带匹配线3-4和金属地板3-2所构成。微带馈线3-3和微带匹配线3-4均为带状金属微带线，并位于馈电介质基板3-1的下表面的中部。微带馈线3-3的中线与馈电介质基板3-1对边线重合。微带馈线3-3和微带匹配线3-4处于同一条直线上，微带匹配线3-4的宽度与微带馈线3-3相同。微带馈线3-3的一端与馈电介质基板3-1的边缘平齐，微带馈线3-3的另一端与微带匹配线3-4的一端连接，微带匹配线3-4的另一端开路。为了确保匹配到端口阻抗为50欧姆，经过优化，微带匹配线3-4的线宽值为2.5mm，微带匹配线3-4的长度为10mm，使天线各项性能达到要求。金属地板3-2为规则的正方形，并覆于馈电介质基板3-1上表面。金属地板3-2的中部开设有一个呈中心对称的双Y形缝隙3-2-1。所述双Y形缝隙3-2-1由1条倾斜枝节3-2-1-1、2条相互平行的纵向枝节3-2-1-2、以及2条相互平行的横向枝节3-2-1-3组成。1条纵向枝节3-2-1-2的端点与1条横向枝节3-2-1-3的端点垂直相交于倾斜枝节3-2-1-1的1个端点，另1条纵向枝节3-2-1-2的端点与另1条横向枝节3-2-1-3的端点垂直相交于倾斜枝节3-2-1-1的另1个端点。纵向枝节3-2-1-2与微带馈线3-3平行，横向枝节3-2-1-3与倾斜枝节3-2-1-1的夹角为125°。双Y形缝隙3-2-1倾斜位于地板上，与微带馈线3-3存在一定的夹角，此时带有双Y形缝隙3-2-1的金属地板3-2形成一个非对称结构，有利于实现圆极化。纵向枝节3-2-1-2的长度长于横向枝节3-2-1-3的长度。在本发明优选实施例中，纵向枝节3-2-1-2的长度与横向枝节3-2-1-3的长度相差2mm，这长度的差异激励起简并模，可辐射出右旋圆极化波(RHCP)。同时，为了保证低的后向辐射，倾斜枝节3-2-1-1、纵向枝节3-2-1-2和横向枝节3-2-1-3的宽度相等，宽度均选择0.8mm，天线的定向辐射最好。
参见图3，上述辐射层2由辐射介质基板2-1和辐射金属贴片2-2所构成。辐射金属贴片2-2为一组对角为切角的正方形，并覆于辐射介质基板2-1的上表面。在本发明优选实施例中，辐射金属贴片2-2的覆盖面积小于辐射介质基板2-1的表面积。辐射金属贴片2-2的中央开设有一个辐射贴片矩形槽2-2-1，该矩形槽的延伸方向与微带馈线3-3的延伸方向相垂直。
参见图4，上述寄生层1由寄生介质基板1-1和寄生金属贴片1-2所构成。寄生金属贴片1-2为一组对角为切角的正方形，并覆于寄生介质基板1-1的下表面。在本发明优选实施例中，寄生金属贴片1-2的覆盖面积小于寄生介质基板1-1的表面积。寄生金属贴片1-2的中央开设有一个寄生贴片矩形槽1-2-1，该矩形槽的延伸方向与微带馈线3-3的延伸方向相平行。寄生金属贴片1-2使得天线增加了一个新的谐振频率，该频率比辐射层2辐射的频率要低，适合用来覆盖为较为低频的辐射带宽，当两层辐射层2的金属贴片谐振频率相近时，就可扩展天线的阻抗带宽。
辐射金属贴片2-2和寄生金属贴片1-2的形状相同，即辐射金属贴片2-2和寄生金属贴片1-2均是由一个规则的正方形切掉一组对角而成，其中所形成的切角寄生贴片切角1-2-2和辐射贴片切角2-2-2均为45°。辐射金属贴片2-2和寄生金属贴片1-2的切角面积根据公式|ΔS/S|Q0＝0.5来确定，其中ΔS其中为切角面积，S为贴片面积，Q0为天线的品质因数。此外，辐射金属贴片2-2的切角与寄生金属贴片1-2的切角方向也相一致。引入切角结构，进一步增大圆极化性能。其中，上层贴片切角宽度为6mm，辐射贴片切角2-2-2宽度为5mm。辐射金属贴片2-2和寄生金属贴片1-2的尺寸不同，辐射金属贴片2-2的边长大于寄生金属贴片1-2的边长，上述辐射金属贴片2-2和寄生金属贴片1-2的边长指的是没有切掉对角时的规则正方形的边长。在本发明优选实施例中，辐射金属贴片2-2的边长为：L＝c/[2f0εe 1/2]-2ΔL，其中c是真空中光束，εe是介质板材料等效介电常数，ΔL是等效贴片长度伸长，f0为中心频率；而寄生金属贴片1-2的边长比辐射金属贴片2-2小1mm。此外，辐射贴片矩形槽2-2-1与寄生贴片矩形槽1-2-1的宽度相等，辐射贴片矩形槽2-2-1的长度大于寄生贴片矩形槽1-2-1的长度。在本发明优选实施例中，寄生金属贴片1-2和辐射金属贴片2-2的耦合间距为3mm。矩形槽使得两贴片的表面电流绕槽边迂回流过，电流流过的路径变长，等效增加了贴片的尺寸，使贴片小型化。其中寄生金属贴片1-2矩形槽的长为7mm，宽为1mm，辐射金属贴片2-2的矩形槽的长为10mm，宽为1mm。
在本发明优选实施例中，寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1的形状相同，均为规则的正方形，长宽均为35mm。寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1的尺寸(包括表面尺寸和厚度)也相同。寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1三者均采用的材料是F4B-2聚四氟乙烯板，其相对介电常数εr为2.65，厚度h为1mm，损耗角正切为0.009。
上述金属反射层4由金属反射板所构成。该金属反射板与寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1的表面形状相一致，即金属反射板为规则的正方形。金属反射板与寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1的表面尺寸即边长相同。此外，金属反射板与寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1的厚度可以相同也可以不同，在本发明优选实施例中，金属反射板、寄生介质基板1-1、辐射介质基板2-1和馈电介质基板3-1的厚度相同。馈电介质基板3-1的下表面与金属反射板的上表面之间距离为λ0/4，其中λ0为天线中心频率波长。金属反射板可以使天线实现定向辐射，提高天线增益。
图5-7分别是本发明的阻抗带宽、轴比带宽和增益特性图。天线的其中心频率为4.9GHz。本发明可实现的阻抗带宽为32.7％(4.1-5.7GHZ)，3dB轴比带宽达20.8％(4.4-5.4GHZ)，带内增益约为9.5dBi。且天线贴片面积缩减42.5％。该天线具有小型化以及良好的宽带高增益性能和圆极化辐射特性。图8为本发明的辐射方向图。天线定向性好，3dB波束宽度达75°，交叉极化电平小于-25dBi。

Claims (10)

1.小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：包括自上而下呈间隔设置的寄生层(1)、辐射层(2)、馈电层(3)和金属反射层(4)；且寄生层(1)、辐射层(2)、馈电层(3)和金属反射层(4)的中心位于同一条垂线上；
上述馈电层(3)由馈电介质基板(3-1)、微带馈线(3-3)和金属地板(3-2)所构成；微带馈线(3-3)位于馈电介质基板(3-1)的下表面的中部；金属地板(3-2)为规则的正方形，并覆于馈电介质基板(3-1)上表面；金属地板(3-2)的中部开设有一个呈中心对称的双Y形缝隙(3-2-1)；
上述辐射层(2)由辐射介质基板(2-1)和辐射金属贴片(2-2)所构成；辐射金属贴片(2-2)为一组对角为切角的正方形，并覆于辐射介质基板(2-1)的上表面；辐射金属贴片(2-2)的中央开设有一个辐射贴片矩形槽(2-2-1)，该矩形槽的延伸方向与微带馈线(3-3)的延伸方向相垂直；
上述寄生层(1)由寄生介质基板(1-1)和寄生金属贴片(1-2)所构成；寄生金属贴片(1-2)为一组对角为切角的正方形，并覆于寄生介质基板(1-1)的下表面；寄生金属贴片(1-2)的中央开设有一个寄生贴片矩形槽(1-2-1)，该矩形槽的延伸方向与微带馈线(3-3)的延伸方向相平行；
上述金属反射层(4)由金属反射板所构成；该金属反射板与寄生介质基板(1-1)、辐射介质基板(2-1)和馈电介质基板(3-1)的表面形状和表面尺寸均一致。
2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：金属反射板、寄生介质基板(1-1)、辐射介质基板(2-1)和馈电介质基板(3-1)的表面形状均为规则的正方形。
3.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：辐射金属贴片(2-2)的边长大于寄生金属贴片(1-2)的边长。
4.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：辐射金属贴片(2-2)的切角即寄生贴片切角(1-2-2)与寄生金属贴片(1-2)的切角即辐射贴片切角(2-2-2)方向相一致。
5.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：辐射贴片矩形槽(2-2-1)与寄生贴片矩形槽(1-2-1)的宽度相等，辐射贴片矩形槽(2-2-1)的长度大于寄生贴片矩形槽(1-2-1)的长度。
6.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：所述双Y形缝隙(3-2-1)由1条倾斜枝节(3-2-1-1)、2条相互平行的纵向枝节(3-2-1-2)、以及2条相互平行的横向枝节(3-2-1-3)组成；1条纵向枝节(3-2-1-2)的端点与1条横向枝节(3-2-1-3)的端点垂直相交于倾斜枝节(3-2-1-1)的1个端点，另1条纵向枝节(3-2-1-2)的端点与另1条横向枝节(3-2-1-3)的端点垂直相交于倾斜枝节(3-2-1-1)的另1个端点。
7.根据权利要求6所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：倾斜枝节(3-2-1-1)、纵向枝节(3-2-1-2)和横向枝节(3-2-1-3)的宽度相等，纵向枝节(3-2-1-2)的长度长于横向枝节(3-2-1-3)的长度。
8.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：所述微带馈线(3-3)的中线与馈电介质基板(3-1)的中线重合。
9.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：微带馈线(3-3)的一端与馈电介质基板(3-1)的边缘平齐，微带馈线(3-3)的另一端延伸地连接有一条微带匹配线(3-4)，微带匹配线(3-4)的宽度与微带馈线(3-3)相同。
10.根据权利要求1所述的一种小型化宽带高增益圆极化微带天线，其特征在于：馈电介质基板(3-1)的下表面与金属反射板的上表面之间距离为λ0/4，其中λ0为天线中心频率波长。
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