CN105977646A - 一种宽带双模平面端射的圆极化天线 - Google Patents

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高琛
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Abstract

本发明公开了一种宽带双模平面端射的圆极化天线，在相对介电常数为1‑20范围内的介质基板上分别设计结构相同、尺寸相同，反对称布置的扇形环状第一电偶极臂与第二电偶极臂，引入半圆形磁偶极子结构连接第一电偶极臂与第二电偶极臂，并且该磁偶极子与两电偶极臂共圆心。同时在这两个电偶极臂上的相同位置上分别添加一对调谐枝节。电偶极臂上添加的调谐枝节用于天线带宽的扩展。平面磁偶极子与平面电偶极子所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，天线的带宽可比同类天线展宽2倍以上，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

一种宽带双模平面端射的圆极化天线
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种宽带双模平面端射的圆极化天线。
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划分为三种方法。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。微带天线是采用第一种方法的常见天线类型。这种类型天线结构轻巧、便于集成、可与设备共形、加工容易。其中在引入交叉偶极子的情况下可以同时实现圆极化和端射特性。但是这种平面端射圆极化天线的相对带宽一般只有百分之几。这将很难满足通信系统对于带宽的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术存在的问题，提出一种宽带双模平面端射的圆极化天线，使用互补振子来产生端射圆极化效果，保持天线的平面结构，同时加入调谐枝节，利用双模聚合实现了天线工作带宽的扩展。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种宽带双模平面端射的圆极化天线，包括介质基板和设置在介质基板上的非封闭的半圆形磁偶极子结构；
所述介质基板上表面设有第一相移线、第一扇形环状电偶极臂和第一调谐枝节，下表面设有第二相移线、第二扇形环状电偶极臂和第二调谐枝节；
所述磁偶极子结构上表面通过第一相移线与第一电偶极臂相连，下表面通过第二相移线与第二电偶极臂相连；
所述第一调谐枝节、第二调谐枝节分别设置在第一电偶极臂、第二电偶极臂上；
所述第一相移线、第二相移线相互平行，且第一相移线、第二相移线组成的平面分别与介质基板的上表面、下表面垂直；
所述磁偶极子结构关于第一相移线、第二相移线组成的平面对称；
所述第二电偶极臂、第二调谐枝节在介质基板上表面上的投影和第一电偶极臂、第一调谐枝节关于第一相移线对称；
所述第一调谐枝节将第一电偶极臂划分为两段，第二调谐枝节将第二电偶极臂划分为两段，令第一电偶极臂远离第一相移线的一段为A、第二电偶极臂远离第二相移线的一段为B，则A的长度、B的长度、以及AB之间的长度相等；
所述磁偶极子结构上设有馈电结构。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述第一电偶极臂、第二电偶极臂为与磁偶极子结构的圆心相同的扇形圆环。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述第一电偶极臂、第二电偶极臂的弧度范围为25度-40度。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述第一电偶极臂、第二电偶极臂呈矩形长条状，其中，第一电偶极臂与第一相移线之间的夹角为90度，第二电偶极臂与第二相移线之间的夹角为90度。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述第一相移线、第二相移线的长度范围为四分之一个波长到二分之一个波长。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述第一调谐枝节、第二调谐枝节的长度范围为三分之一个波长到二分之一个波长。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述介质基板的相对介电常数的范围为1到20。
作为本发明一种宽带双模平面端射的圆极化天线进一步的优化方案，所述馈电结构为同轴线，其中同轴线外导体与磁偶极子结构的下表面相连，同轴线内导体穿过磁偶极子结构与其上表面相连。
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：
1. 具有良好的端射特性以及圆极化特性；
2. 结构简单、尺寸参数少、体积小、剖面尺寸低且易于制作实现；
3. 能够在保证端射和圆极化特性且维持平面结构的同时，由调谐枝节产生的双模聚合现象得到更宽的工作带宽。
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；
图3是利用HFSS软件计算的天线反射系数特性；
图4是采用HFSS软件计算的天线轴比示意图；
图5是采用HFSS软件计算的天线XY平面方向图；
图6是采用HFSS软件计算的天线YZ平面方向图。
图中，1-介质基板，2磁偶极子结构，3-第一相移线，4-第二相移线，5-第一电偶极臂，6-第二电偶极臂，7-第一调谐枝节，8-第二调谐枝节，9-同轴线内导体，10-同轴线外导体截面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1和图2所示，本发明公开了一种宽带双模平面端射的圆极化天线，包括介质基板和设置在介质基板上的非封闭的半圆形磁偶极子结构；
所述介质基板上表面设有第一相移线、第一扇形环状电偶极臂和第一调谐枝节，下表面设有第二相移线、第二扇形环状电偶极臂和第二调谐枝节；
所述磁偶极子结构上表面通过第一相移线与第一电偶极臂相连，下表面通过第二相移线与第二电偶极臂相连；
所述第一调谐枝节、第二调谐枝节分别设置在第一电偶极臂、第二电偶极臂上；
所述第一相移线、第二相移线相互平行，且第一相移线、第二相移线组成的平面分别与介质基板的上表面、下表面垂直；
所述磁偶极子结构关于第一相移线、第二相移线组成的平面对称；
所述第二电偶极臂、第二调谐枝节在介质基板上表面上的投影和第一电偶极臂、第一调谐枝节关于第一相移线对称；
所述第一调谐枝节将第一电偶极臂划分为两段，第二调谐枝节将第二电偶极臂划分为两段，令第一电偶极臂远离第一相移线的一段为A、第二电偶极臂远离第二相移线的一段为B，则A的长度、B的长度、以及AB之间的长度相等；
所述磁偶极子结构上设有馈电结构。
A、B之间的构成包含四部分：第一电偶极臂靠近第一相移线的一段、第一相移线和第一电偶极臂相连的部分、第二电偶极臂靠近第二相移线的一段、第二相移线和第二电偶极臂相连的部分，其中，由于第一相移线、第二相移线在介质基板的上下表面处于重叠状态。
所述第一电偶极臂、第二电偶极臂可以是与磁偶极子结构的圆心相同的扇形圆环，弧度范围为25度-40度，也可以是矩形长条状，第一电偶极臂与第一相移线之间的夹角为90度，第二电偶极臂与第二相移线之间的夹角为90度。
所述第一相移线、第二相移线的长度范围为四分之一个波长到二分之一个波长。
所述第一调谐枝节、第二调谐枝节的长度范围为三分之一个波长到二分之一个波长。
所述介质基板的相对介电常数的范围为1到20。
所述馈电结构为同轴线，其中同轴线的外导体与磁偶极子结构的下表面相连，同轴线的内导体穿过磁偶极子结构与其上表面相连。
如图3所示，介质基板的相对介电常数为1.2、厚度为4毫米，半圆形磁偶极子结构的半径约为三分之一个波长，第一相移线与第二相移线的长度约为四分之一个波长，调谐枝节的长度约为半个波长，利用HFSS软件仿真得到的天线反射系数频率特性。根据图3的结果可知，其相对带宽达到20.4%，覆盖了2.205-2.705GHz频段，中心频率为2.424GHz。由图4可见，相对轴比带宽可达18.0%。阻抗和轴比的频响曲线均呈现双谐振的宽带特性。
对照附图1中的参考坐标系与附图5、附图6，给出了2.45GHz的两个主工作面方向图（XY平面与YZ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。其中两平面主极化方式为右旋圆极化，图5、图6的波束宽度均约为60。，表现出定向辐射特性。
综上所述，该宽带平面双模端射圆极化天线，首先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，同时在电偶极子上增加调谐枝节使天线的工作带宽大大扩展。再有其结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现等特点，使得该天线拥有十分广泛的应用范围。
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。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，包括介质基板和设置在介质基板上的非封闭的半圆形磁偶极子结构；
所述介质基板上表面设有第一相移线、第一扇形环状电偶极臂和第一调谐枝节，下表面设有第二相移线、第二扇形环状电偶极臂和第二调谐枝节；
所述磁偶极子结构上表面通过第一相移线与第一电偶极臂相连，下表面通过第二相移线与第二电偶极臂相连；
所述第一调谐枝节、第二调谐枝节分别设置在第一电偶极臂、第二电偶极臂上；
所述第一相移线、第二相移线相互平行，且第一相移线、第二相移线组成的平面分别与介质基板的上表面、下表面垂直；
所述磁偶极子结构关于第一相移线、第二相移线组成的平面对称；
所述第二电偶极臂、第二调谐枝节在介质基板上表面上的投影和第一电偶极臂、第一调谐枝节关于第一相移线对称；
所述第一调谐枝节将第一电偶极臂划分为两段，第二调谐枝节将第二电偶极臂划分为两段，令第一电偶极臂远离第一相移线的一段为A、第二电偶极臂远离第二相移线的一段为B，则A的长度、B的长度、以及AB之间的长度相等；
所述磁偶极子结构上设有馈电结构。
2.根据权利要求1所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述第一电偶极臂、第二电偶极臂为与磁偶极子结构的圆心相同的扇形圆环。
3.根据权利要求2所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述第一电偶极臂、第二电偶极臂的弧度范围为25度-40度。
4.根据权利要求1所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述第一电偶极臂、第二电偶极臂呈矩形长条状，其中，第一电偶极臂与第一相移线之间的夹角为90度，第二电偶极臂与第二相移线之间的夹角为90度。
5.根据权利要求1所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述第一相移线、第二相移线的长度范围为四分之一个波长到二分之一个波长。
6.根据权利要求1所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述第一调谐枝节、第二调谐枝节的长度范围为三分之一个波长到二分之一个波长。
7.根据权利要求1所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数的范围为1到20。
8.根据权利要求1所述的宽带双模平面端射的圆极化天线，其特征在于，所述馈电结构为同轴线，其中同轴线外导体与磁偶极子结构的下表面相连，同轴线内导体穿过磁偶极子结构与其上表面相连。
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