CN106207474B - 一种馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线 - Google Patents

一种馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线领域，是基于多层电路技术的宽频带高集成度天线,具体涉及一种馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线。该天线包含两形状、大小相同且相互垂直的偏馈偶极子。两偏馈偶极子利用两个相同的圆环形金属导带，在相对应馈点位置上相互连接并由带有附加并联谐振环的平行双线进行偏馈，平行双线中带有附加并联谐振环的一根线连接到50Ω平面传输线，另一根线连接到地。整个天线由该平面传输线进行馈电。本发明实现了22％的阻抗匹配带宽和17％的3‑dB轴比带宽，十分适合采用LTCC、多层PCB等多层电路加工技术实现，具有很高的集成度。

Description

一种馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线
技术领域
本发明涉及天线领域，是基于多层电路技术的宽频带高集成度天线,具体涉及馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线。
背景技术
天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文以及电子对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一。
近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活的日益现代化和社会化，对电子技术的应用提出了更高的要求。在许多应用领域中，如电视、广播、遥测技术、宇航和卫星通讯等，不仅要求高质量地传输信息，还要求设备的宽带化。为此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。
圆极化天线具有抗雾雨干扰和多径反射能力，并且能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变等优势，越来越受到人们的重视。
与此同时，作为众多天线类型之一的偶极子天线，以其简单的结构、稳定的性能，至今仍被广泛应用。但是，传统的偶极子天线阻抗匹配带宽很小，同时，利用偶极子天线实现圆极化的方法也很少。因此，实现宽阻抗匹配和宽3-dB轴比带宽的圆极化偶极子天线是一个巨大的挑战。为此，国内外许多研究者做出了巨大的努力。
2005年，Fan Yang和YahyaRahmat-Samii利用人工地结构，实现了圆极化偶极子天线(F.Yang and Y.Rahmat-Samii,“A low profile single dipole antennaradiatingcircularly polarized waves,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.53,no.9,pp.3083–3086,Sep.2005.)，但其3-dB轴比带宽只有5.6％。2008年，J.-W.Baik，K.-J.Lee，W.-S.Yoon，T.-H.Lee和Y.-S.Kim提出了一种交叉偶极子(J.W.Baik,K.J.Lee,W.S.Yoon,T.H.Lee,and Y.S.Kim,“Circularlypolarized printed crossed dipole antennas withbroadband axial ratio,”Electron.Lett.,vol.44,no.13,pp.785–786,2008.)，可以实现较宽的3-dB轴比，并利用该圆极化单元，进一步设计了圆极化阵列，展宽了轴比带宽，该圆极化单元可以实现15.6％的3-dB轴比带宽。2014年，Yejun He，Wei He和Hang Wong设计了一种交叉偶极子圆极化天线(Y.J.He,W.He,and H.Wong,“A wideband circularlypolarized crossdipoleAntenna,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.13,pp.67–70,Jan.2014.)，该天线拥有50.2％的阻抗匹配带宽以及27％的3-dB轴比带宽。
上述文献中提到的交叉偶极子天线，大多采用同轴馈电，此种馈电方式不利于天线集成。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决馈电方式不利于天线集成的问题，本发明提供了一种馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线。
该馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，包含两个偏馈偶极子、平行双线和50Ω平面传输线。采用平行双线垂直馈电，该平行双线垂直连接带有地板的50Ω平面传输线，整个天线由该平面传输线进行馈电。
两个偏馈偶极子的形状、大小相同且相互垂直，设置于天线最上方，并通过两个相同的圆环形金属导带即相位延迟线，在相对应馈点位置上相互连接，并由平行双线进行偏馈；偏馈偶极子单个总长度为0.5～0.6λ，偏馈比例即长短臂比值为：1.3比1～1.5比1，宽度为0.05～0.1λ，距离地0.2～0.3λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
平行双线的其中一条并联一个谐振环，谐振环设有一个用于连接该条线且大小相适应的缺口，然后该条线通过地所设的圆形缺口连接到50Ω平面传输线，另一条线连接到地，50Ω平面传输线位于天线最下方。
所述谐振环分为上、下两部分，由两个并联半环组成，两半环的一端通过金属化过孔相连，另一端设有上述缺口；谐振环内径为0.03～0.05λ，外径为0.06～0.08λ，距离地0.1～0.15λ。
综上所述，本发明天线具有22％的阻抗匹配带宽和17％的3-dB轴比带宽，十分适合采用LTCC、多层PCB等多层电路加工技术实现，采用平面传输线馈电，便于集成，具有很高的集成度。
附图说明
图1是实施例的立体图；
图2是实施例的俯视图；
图3是实施例的侧视图；
图4是实施例的|S11|仿真结果；
图5是实施例的增益仿真结果；
图6是实施例的轴比仿真结果；
图7是实施例35GHz的方向图仿真结果；
图7中，a为E面方向图，b为H面方向图，实线代表主极化方向图，虚线代表交叉极化方向图；
附图标记：w1为50Ω微带线(8)线宽，w2为偶极子宽度，l1为偶极子单个总长度，l2为偶极子长臂长度，l3为偶极子短臂长度，r1为并联谐振环(3)的内径，r2为并联谐振环(3)的外径，r3为相位延迟线(4)的内径，r4为相位延迟线(4)的外径，r5为相位延迟线(4)的圆心到两偶极子虚拟交点的距离，d1 为内层地圆形缺口(6)直径，d2为谐振环(3)终端附加圆盘直径，d3为馈电平行双线(5)附加圆盘直径，d4为馈电平行双线(5)直径，h1为天线总厚度，h2为交叉偶极子距离内层地(7)的距离，h3为并联谐振环(3)距离内层地(7)的距离。
具体实施方式
下面结合附图说明和实例对本发明作详细说明。
本实例采用LTCC多层电路加工技术实现，基板材料为FerroA6M,介电常数为5.9，每层基板厚度为0.094mm，每层金属厚度为0.01mm，表层金属为金，内层金属为银。天线工作频段为Ka频段。
该实例天线共10层，即h1＝0.094mm×10＝0.94mm。其中，偶极子(1)、(2)位于第1层介质正面，即顶层。平行双线(5)为多层堆叠金属化过孔，设有直径d2的附加圆盘(保证平行双线的电连通性)，其中一根线，带有附加谐振环(3)，贯通10层介质并通过内层地(7)中的圆形缺口(6)连接到50Ω微带线(8)。另一根线，贯通1到9层介质，与内层地(7)相连。其中，附加谐振环(3)分为上、下两部分，上部位于第4层正面，下部位于第5层正面，上、下两部分通过金属化过孔相连。内层地(7)位于第10层介质正面，50Ω微带线(8)位于第10层介质背面，即底层背面。如图1所示。
由于附加谐振环的加入，阻抗匹配带宽与3-dB轴比带宽均得到了提高。
结合图1、2、3，本发明馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线的具体尺寸如下表所示(单位：mm)：
表1

Claims (5)

1.一种馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，包含两个偏馈偶极子、平行双线和50Ω平面传输线，其特征在于：
采用平行双线垂直馈电，该平行双线垂直连接带有地板的50Ω平面传输线，整个天线由该平面传输线进行馈电；
两个偏馈偶极子的形状、大小相同且相互垂直，设置于天线最上方，并通过两个相同的圆环形金属导带即相位延迟线，在相对应馈点位置上相互连接，并由平行双线进行偏馈；偏馈偶极子单个总长度为0.5～0.6λ，偏馈比例即长短臂比值为：1.3比1～1.5比1，宽度为0.05～0.1λ，距离地0.2～0.3λ；
平行双线的其中一条并联一个谐振环，谐振环设有一个用于连接该条线且大小相适应的缺口，然后该条线通过地所设的圆形缺口连接到50Ω平面传输线，另一条线连接到地；50Ω平面传输线位于天线最下方；
所述谐振环分为上、下两部分，由两个并联半环组成，两半环的一端通过金属化过孔相连，另一端设有上述缺口；谐振环0.03～0.05λ，外径为0.06～0.08λ，距离地0.1～0.15λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长；
该馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，采用LTCC或多层PCB的多层电路加工技术实现，采用平面传输线馈电，实现高集成度。
2.如权利要求1所述馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述50Ω平面传输线为50Ω微带线。
3.如权利要求1所述馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述平行双线为多层堆叠金属化过孔。
4.如权利要求3所述馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于：所述平行双线在谐振环终端设有直径d2的附加圆盘，保证平行双线的电连通性。
5.如权利要求1所述馈电结构带有谐振环的宽频带圆极化交叉偶极子天线，其特征在于：具有22％的阻抗匹配带宽和17％的3-dB轴比带宽，采用多层电路加工技术实现。
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