CN106025533A - 一种左旋圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种左旋圆极化天线，包括上层微带板、下层微带板；上层微带板为单层板，上层介质的下表面有四块寄生贴片，各寄生贴片为对角被切角的方形切角贴片，以上层介质中心为中心对称分布，各寄生贴片的切角沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度；下层微带板为双层板，下层介质的上表面有馈电网络和四块谐振贴片，四块谐振贴片为对角被切角的方形切角贴片，以下层介质的中心为中心对称分布，四块谐振贴片位于对应的寄生贴片的正下方，与各对应的寄生贴片组成4组贴片单元。馈电网络采用串行连续旋转馈电方式，按0°，‑90°，‑180°，‑270°的馈电顺序为四块谐振贴片馈电。

Description

一种左旋圆极化天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种左旋圆极化天线。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是以卫星作为导航台的星基无线电导航系统，能为全球陆、海、空、天的各类载体提供全天候、24小时连续的高精度三维位置、速度和精密时间信息，在各个领域已有广泛应用。GNSS-R技术是GNSS的一个新型分支，是国内外遥感探测和导航技术领域的研究热点之一。该技术在接收卫星导航信号的同时也接收信号经反射面后的反射信号，通过对反射信号的精确估计和接收处理，实现对反射面物理特性的估计与反演。目前利用该技术进行目标遥感与探测的研究主要集中在海面测风、测高、海冰探测、土壤湿度、移动目标等领域。

卫星导航信号实质是一种电磁波，其极化特性主要为右旋圆极化，因此目前导航卫星信号接收天线主要是右旋圆极化天线。而卫星导航信号经海面等反射面反射后，极化特性会发生改变，右旋极化波转换为左旋极化波。对于GNSS-R技术来说，接收左旋极化波的反射信号是必不可少的环节。接收左旋极化波的天线不仅需要足够宽的工作带宽，由于经海面等反射的信号非常微弱，需要非常高的增益。作为天线这一环节，目前尚未有成熟的设备可以提供，影响到了海面测风、测高、海冰探测、土壤湿度、移动目标的检测灵敏度。

发明的目的在于提供一种左旋圆极化天线，具有足够宽的工作带宽和增益。

发明内容

本发明的第一技术方案为一种左旋圆极化天线，包括上层微带板1、下层微带板4，所述上层微带板1和下层微带板4之间由空气或泡沫板隔开；

所述上层微带板1为单层板，在上层介质3的下表面或上表面覆盖有四块寄生贴片2，所述四块寄生贴片2为对角被切角的方形切角贴片，四块寄生贴片2以上层介质3的中心为中心对称分布，各个寄生贴片2的侧边互相对齐，切角沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度；

所述下层微带板4为双层板，在下层介质7的上表面覆盖有馈电网络6和四块谐振贴片5，下表面覆盖有接地板10，四块谐振贴片5以下层介质7的中心为中心对称分布，各谐振贴片5分别位于对应的寄生贴片2的下方并且中心相同，各谐振贴片5的切角与寄生贴片2的切角位于同一位置，分别沿左旋极化方向按顺序旋转90度；

所述馈电网络6包括第一微带线61、第二微带线62、第三微带线63、第四微带线64、第五微带线65、第六微带线66、第七微带线67，连接在各谐振贴片5侧边上的4条第一微带线61分别沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度，两条第二微带线62、第三微带线63分别与对角上的两谐振贴片5的第一微带线61连接，第二微带线62与第一微带线61呈直角连接，第三微带线63与第一微带线61呈直线连接，相邻的第二微带线62、第三微带线63通过第四微带线64连接，第五微带线65、第六微带线66呈两侧高低不等的U字形状，位于以下层介质7的中心为中心旋转180度的位置，各高端侧线分别连接在第四微带线64的中间偏外部位，各低端侧线位于两谐振贴片5的中间位置，互相连接成一直线，连接点在下层介质7的中心，第七微带线67由三条夹角为直角的直线构成，外侧的直线为信号输出端，位于第五微带线65、第六微带线66各低端侧线的延长线上，内侧的直线连接在第六微带线66的底线的中间偏向高端侧线的部位。

本发明的第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于：所述寄生贴片2的整个外形尺寸大于谐振贴片5。

第三技术方案基于第一技术方案，其特征在于：第二微带线62的宽度比第一微带线61窄，第三微带线63由宽度不同的两部分组成，宽的部分与第一微带线61连接，宽度与第二微带线62的宽度相同，第四微带线64的宽度与第三微带线63的窄的部分的宽度相同，第五微带线65的宽度与第二微带线62的宽度相同，第六微带线66由宽度不同呈L形的两部分组成，窄的部分的长度大于宽的部分，宽的部分的宽度与第二微带线62的宽度相同，窄的部分的宽度与第三微带线63的窄的部分相同，宽的部分与第四微带线64连接，第七微带线67的宽度与第二微带线62的宽度相同。

第四技术方案基于第一技术方案，其特征在于：所述上层微带板1与下层微带板4之间通过绝缘立柱9固定连接。

第五技术方案基于第一至第四中任一技术方案，其特征在于：下层微带板4的上表面设置有低噪声放大器，所述低噪声放大器位于第七微带线67的外侧直线的外侧，与外侧直线连接。

第六技术方案基于第一至第四中任一技术方案，其特征在于：所述上下层微带板1、4采用罗杰斯板材4350，下层微带板4为厚度0.762mm的双层微带板，上层微带板1为厚度1.524mm的单层板，所述寄生贴片2、谐振贴片5、馈电网络6通过腐蚀法制取。

本发明的优点和有益效果：本发明提供的左旋圆极化天线具有增益高、驻波比低、工作带宽更宽的优点。

附图说明

图1是左旋圆极化天线的侧视图，

图2是左旋圆极化天线的斜视图(为方便观察，上层微带板的一部分被截取)，

图3是上层微带板下表面的结构示意图，

图4是下层微带板上表面的结构示意图，

图5是左旋圆极化天线效果的仿真测试图。

附图标记：

1-上层微带板， 2-寄生贴片，

3-上层介质， 4-下层微带板，

5-谐振贴片， 6-馈电网络，

7-下层介质， 8-低噪声放大器(LNA)，

9-绝缘立柱， 61-第一微带线，

62-第二微带线， 63-第三微带线，

64-第四微带线， 65-第五微带线，

66-第六微带线， 67-第七微带线。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1至4所示，本发明的包括上层微带板1、下层微带板4，所述上层微带板1和下层微带板4之间由空气或泡沫板隔开。

所述上层微带板1为单层板，在上层介质3的下表面或上表面覆盖有四块寄生贴片2，如图3所示，四块寄生贴片2为对角被切角的方形切角贴片，四块寄生贴片2以上层介质3的中心为中心对称分布，各个寄生贴片2的侧边互相对齐，切角沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度。

如图4所示，所述下层微带板4为双层板，在下层介质7的上表面覆盖有馈电网络6和四块谐振贴片5，下表面覆盖有接地板10，四块谐振贴片5以下层介质7的中心为中心对称分布，各谐振贴片5分别位于对应的寄生贴片2的下方并且中心相同，各谐振贴片5的切角与寄生贴片2的切角位于同一位置，分别沿左旋极化方向按顺序旋转90。

如图4所示，所述馈电网络6包括第一微带线61、第二微带线62、第三微带线63、第四微带线64、第五微带线65、第六微带线66、第七微带线67。连接在各谐振贴片5侧边上的4条第一微带线61分别沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度，两条第二微带线62、第三微带线63分别与对角上的两谐振贴片5的第一微带线61连接，第二微带线62与第一微带线61呈直角连接，第三微带线63与第一微带线61呈直线连接，相邻的第二微带线62、第三微带线63通过第四微带线64连接，第五微带线65、第六微带线66呈两侧高低不等的U字形状，位于以下层介质7的中心为中心旋转180度的位置，各高端侧线分别连接在第四微带线64的中间偏外部位，各低端侧线位于两谐振贴片5的中间位置，互相连接成一直线，连接点在下层介质7的中心，第七微带线67由三条夹角为直角的直线构成，外侧的直线为信号输出端，位于第五微带线65、第六微带线66各低端侧线的延长线上，内侧的直线连接在第六微带线66的底线的中间偏向高端侧线的部位。

本实施方式中，利用上下两层贴片2和5之间的相互耦合作用，产生两个相近的谐振频率点，从而达到增加微带天线频带宽度的目的，如能实现同时接收GPS、北斗二号(BD2)和Galileo的不同频率的效果，适用范围广；

四块谐振贴片5构成的方形微带天线获得圆极化波的条件是：

2Δ_s/s＝a₁/a＝1/2Q

2Δs/s＝a1/a＝1/2Q

其中，Q为介质材料的品质因数，但由于天线辐射能量，实际上Q值要小于理论值，

天线单元谐振长度α近似等于其工作频率的半波长：

$a=\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$

式中：f是天线的工作频率，ε_e是介质材料的有效介电常数，c自由空间的光速；

选择介质基板(下层介质7)厚度时，要尽可能地避免激励高次模，TM和TE模表面波的截止频率分别为：

n＝0,1,2,…，(TMn模)

n＝0,1,2,…，(TEn模)

f_c代表截止频率，h是介质基板，c是光速，n是模式序号；

根据上述公式，选用介电常数ε_r合适的介质基片，既能够使天线的尺寸降低，又能够保证天线的辐射效率；

单元贴片(谐振贴片5、寄生贴片2)采用双层贴片结构还有利于减小单个辐射单元的波束宽度，提高微带天线整体增益并抑制远区副瓣，提升信号接收效果；

本发明通过对双层贴片采用切角的方式来实现辐射单元的圆极化工作，馈电设计中采用微带线共面馈电方式对谐振贴片5进行馈电，采用的这种方式馈电的优点是天线结构简单，有利于与LNA的一体化设计；同时在阵面馈电方式上采用0°，-90°，-180°，-270°的旋转顺序馈电有利于实现宽带圆极化的低轴比性能；在尺寸上，本发明的左旋圆极化天线如可做到226mm*266mm*20mm的大小，由于面积小，使用极其方便。

本发明的微带天线为双层贴片天线，上层微带板1与下层微带板4之间通过绝缘立柱9固定连接，利用两层贴片之间的相互耦合作用，产生两个相近的谐振频率点，达到增加微带天线频带宽度的目的，从而实现能同时接收GPS、北斗二号(BD2)和Galileo的不同频率的效果，适用范围广。

本实施方式的效果归纳如下：

a)辐射单元采用微带线馈电切角方形贴片，利用正交模式电抗感容差异实现单元谐振点附近的圆极化；

b)利用单元贴片的沿极化方向的顺序旋转，并利用馈电网络顺序(0°，-90°，-180°，-270°)，实现宽带范围内的低轴比；

c)利用双层贴片技术方案，实现天线的宽带阻抗匹配。

因此，本发明提供的左旋圆极化天线具有增益高、驻波比低、工作带宽更宽的优点。

第一实施例，

寄生贴片2的整个外形尺寸大于谐振贴片5。

第二实施例

如图4所示，第二微带线62的宽度比第一微带线61窄，第三微带线63由宽度不同的两部分组成，宽的部分与第一微带线61连接，宽度与第二微带线62的宽度相同，第四微带线64的宽度与第三微带线63的窄的部分的宽度相同，第五微带线65的宽度与第2微带线62的宽度相同，第六微带线66由宽度不同呈L形的两部分组成，窄的部分的长度大于宽的部分，宽的部分的宽度与第二微带线62的宽度相同，窄的部分的宽度与第三微带线63的窄的部分相同，宽的部分与第四微带线64连接，第七微带线67的宽度与第2微带线62的宽度相同。

第三实施例

下层微带板4的上表面设置有低噪声放大器，低噪声放大器位于第七微带线67的外侧直线的外侧，与外侧直线连接。

第四实施例

上下层微带板1、4采用罗杰斯(Rogers)4350，下层微带板4为厚度0.762mm的双层微带板，上层微带板1为厚度1.524mm的单层板，寄生贴片2、谐振贴片5、馈电网络6通过腐蚀法制取。

由于上下层微带板1、4采用罗杰斯(Rogers)4350制成，进一步提高了谐振贴片5、寄生贴片2的性能，获得更高的增益。

图5是左旋圆极化天线效果的仿真测试图，由表示驻波比与频率关系的曲线a可知，本发明的左旋圆极化天线在GPS和北斗频点附近驻波比可降低到非常低的程度。理论低频增益也可得到12.3dB。

另外，低噪声放大器(LNA)8设置于下层微带板4的上表面，与天线阵面一体化设计，使得LNA尽可能靠近天线输入口，减小了传输路径损耗，能够降低馈电网络的馈电损耗。

谐振贴片5、寄生贴片2的具体尺寸以及各微带线的具体宽度、长度、低噪声放大器(LNA)8的位置可通过仿真确定，也可利用现有的计算方法计算得到，在此就不在赘述。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (6)

1.一种左旋圆极化天线，其特征在于：包括上层微带板(1)、下层微带板(4)，所述上层微带板(1)和所述下层微带板(4)之间由空气或泡沫板隔开；

所述上层微带板(1)为单层板，在上层介质(3)的下表面或上表面覆盖有四块寄生贴片(2)，所述四块寄生贴片(2)为对角被切角的方形切角贴片，四块所述寄生贴片(2)以所述上层介质(3)的中心为中心对称分布，各个所述寄生贴片(2)的侧边互相对齐，切角沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度；

所述下层微带板(4)为双层板，在下层介质(7)的上表面覆盖有馈电网络(6)和四块谐振贴片(5)，下表面覆盖有接地板(10)，四块所述谐振贴片(5)以所述下层介质(7)的中心为中心对称分布，各所述谐振贴片(5)分别位于对应的所述寄生贴片(2)的下方并且中心相同，各所述谐振贴片(5)的切角与所述寄生贴片(2)的切角位于同一位置，分别沿左旋极化方向按顺序旋转90度；

所述馈电网络(6)包括第一微带线(61)、第二微带线(62)、第三微带线(63)、第四微带线(64)、第五微带线(65)、第六微带线(66)、第七微带线(67)，连接在各所述谐振贴片(5)侧边上的4条所述第一微带线(61)分别沿左旋极化方向按顺序分别旋转90度，两条所述第二微带线(62)、所述第三微带线(63)分别与对角上的两所述谐振贴片(5)的所述第一微带线(61)连接，所述第二微带线(62)与所述第一微带线(61)呈直角连接，所述第三微带线(63)与所述第一微带线(61)呈直线连接，相邻的所述第二微带线(62)、所述第三微带线(63)通过所述第四微带线(64)连接，所述第五微带线(65)、所述第六微带线(66)呈两侧高低不等的U字形状，位于以所述下层介质(7)的中心为中心旋转180度的位置，各高端侧线分别连接在所述第四微带线(64)的中间偏外部位，各低端侧线位于两所述谐振贴片(5)的中间位置，互相连接成一直线，连接点在所述下层介质(7)的中心，所述第七微带线(67)由三条夹角为直角的直线构成，外侧的直线为信号输出端，位于所述第五微带线(65)、所述第六微带线(66)各低端侧线的延长线上，内侧的直线连接在所述第六微带线(66)的底线的中间偏向高端侧线的部位。

2.根据权利要求1所述的左旋圆极化天线，其特征在于：所述寄生贴片(2)的整个外形尺寸大于所述谐振贴片(5)。

3.根据权利要求1所述的左旋圆极化天线，其特征在于：所述第二微带线(62)的宽度比所述第一微带线(61)窄，所述第三微带线(63)由宽度不同的两部分组成，宽的部分与所述第一微带线(61)连接，宽度与所述第二微带线(62)的宽度相同，所述第四微带线(64)的宽度与所述第三微带线(63)的窄的部分的宽度相同，所述第五微带线(65)的宽度与所述第二微带线(62)的宽度相同，所述第六微带线(66)由宽度不同呈L形的两部分组成，窄的部分的长度大于宽的部分，宽的部分的宽度与所述第二微带线(62)的宽度相同，窄的部分的宽度与所述第三微带线(63)的窄的部分相同，宽的部分与所述第四微带线(64)连接，所述第七微带线(67)的宽度与所述第二微带线(62)的宽度相同。

4.根据权利要求1所述的左旋圆极化天线，其特征在于：所述上层微带板(1)与所述下层微带板(4)之间通过绝缘立柱(9)固定连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的左旋圆极化天线，其特征在于：所述下层微带板(4)的上表面设置有低噪声放大器，所述低噪声放大器位于所述第七微带线(67)的外侧直线的外侧，与外侧直线连接。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的左旋圆极化天线，其特征在于：所述上下层微带板(1、4)采用罗杰斯4350，所述下层微带板(4)为厚度0.762mm的双层微带板，所述上层微带板(1)为厚度1.524mm的单层板，所述寄生贴片(2)、所述谐振贴片(5)、所述馈电网络(6)通过腐蚀法制取。