CN106229658A - 一种圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的金属接地板，还包括设置在绝缘介质板正面的金属辐射阵子以及用于为金属辐射阵子馈电的馈电网络，所述金属辐射阵子包括4n个金属贴片，金属贴片在绝缘介质板上按照2×2n矩阵形式排布，馈电网络包括一个输入端和4n个输出端，输入端与绝缘介质板上的馈电输入孔连接，4n个输出端与4n个金属贴片一一对应连接，同列的金属贴片的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按照矩阵列的方向满足2n‑1阶二项式系数。与现有微带天线相比，本发明所述的微带天线的第一旁瓣电平明显减低、波束角度明显变小，更好的满足了低旁瓣、窄波束圆极化的天线需求。
Description
技术领域
本发明涉及电子通讯中的天线技术领域，具体涉及一种圆极化微带天线。
背景技术
微带天线是由金属导体接地板、介质基板及导体薄片而形成的天线，可以在导体薄片与金属导体接地板之间的缝隙产生射频电磁场，并将射频电磁场能量辐射到空间，具有天线结构简单、体积小、重量轻、剖面低、易与载体共形、易于产生圆极化波等优点，广泛应用于卫星通信、雷达、射频识别、导航等无线通讯领域。然而，微带天线也存在一些缺点，例如波束宽、频带窄、增益低、因介质损耗而降低辐射效率等。
在高速公路智能交通中，专用短程无线通信DSRC对信号覆盖的范围有较高的要求。多义路径标识系统在接受车载设备发出的无线电信号时，希望重点覆盖单一车道；在相邻两个车道有尽可能小的重复覆盖范围，这样就需要一个窄波束、低旁瓣的圆极化天线。要得到低旁瓣、窄波束圆极化的天线辐射性能，需要对微带天线进行组阵，对天线的方向图进行综合赋形设计。阵列天线的设计最主要的是对馈电网络的设计、阵列布局以及对天线阵子的选择。
目前在微带天线组阵的设计中，可以采用并联馈电结构进行组阵。这种技术方案大部分是基于“等幅同相”(功率相等、相位相同)馈电(基于“不等幅同相”馈电设计，往往因馈电网络较长而影响天线方向图发生畸变)，为了保证到每个单元天线的相位和功率相同，常采用一分二的T型等功率功分器进行馈电网络设计。但是这种方案的天线阵方向图第一旁瓣电平较高，馈电网络功率分配级数较多，馈电网络上能量损耗较大。
采用串联馈电结构进行微带天线阵的设计也是常用的方法，这种技术方案结构紧凑、体积小，可以是“等幅同相”馈电，也方便设计成“不等幅同相”馈电，但是该方案存在以下问题：
输出端口的驻波较大，各路间隔离度不高；
串联馈电易引起天线方向图偏移；
串联级数较多时，馈电网络中的微带线宽度较大，一定程度上会影响天线方向图。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有低旁瓣、窄波束的圆极化微带天线。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的金属接地板，还包括设置在绝缘介质板正面的金属辐射阵子以及用于为金属辐射阵子馈电的馈电网络，所述金属辐射阵子包括4n个金属贴片，金属贴片在绝缘介质板上按照2×2n矩阵形式排布，所述馈电网络包括一个输入端和4n个输出端，输入端与绝缘介质板上的馈电输入孔连接，4n个输出端与4n个金属贴片一一对应连接，同列的金属贴片的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按照矩阵的列的方向满足2n-1阶二项式系数。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述馈电网络包括信号功率及相位调节单元；
信号功率及相位调节单元，用于使同列的金属贴片的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按照矩阵的列的方向满足2n-1阶二项式系数。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述信号功率及相位调节单元包括第一阻抗变换器、第二阻抗变换器、移相器和等功率功分器；
所述馈电网络的输入端位于所述2×2n矩阵的中心，同列的金属贴片之间按照第一间距排列，同行的金属贴片之间按照第二间距排列，同列的两个金属贴片构成一个辐射单元，每个辐射单元对应一个馈电子网络；
所述馈电子网络包括一个第一阻抗变换器和两个第二阻抗变换器，两个第二阻抗变换器的输入端分别与第一阻抗变换器的输出端连接，两个第二阻抗变换器的输出端分别与辐射单元的两个金属贴片连接，相邻两个辐射单元的馈电子网络的第一阻抗变换器之间通过移相器连接；
所述等功率功分器的输入端与馈电网络的输入端连接、输出端分别与距离矩阵的中心最近的辐射单元的第一阻抗变换器的输入端连接。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述第一阻抗变换器和第二阻抗变换器为四分之一波长微带线阻抗变换器，所述移相器为270度移相器。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述馈电子网络还包括传输延长线，所述第一阻抗变换器的输出端与传输延长线的中心连接，传输延长线的两端分别与两个第二阻抗变换器连接。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述金属贴片的输入阻抗为200欧姆，第二阻抗变阻器的特性阻抗为141欧姆，所述传输延长线的特性阻抗为100欧姆。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述绝缘介质板和金属接地板上对应位置处均设有用于固定绝缘介质板和金属接地板的固定孔。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述金属接地板上与绝缘介质板的馈电输入孔的对应位置处开有面积大于馈电输入孔的孔。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述金属贴片为矩形金属贴片或圆形金属贴片。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述n＝4。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的圆极化微带天线，是一种低旁瓣、窄波束的微带天线，且该微带天线能够满足小型化、结构简单、性能稳定的高增益圆极化天线的需求；另外，该微带天线能够内置于设备中使用，如能够置于智能交通设备中，满足在智能交通应用中对单车道区域覆盖通信的要求。
附图说明
图1为本发明实施例中一种圆极化微带天线的侧视图；
图2为本发明实施例中一种圆极化微带天线的俯视图；
图3为本发明实施例中一种圆极化微带天线的仰视图；
图4为本发明实施例中一种馈电网络的电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1、图2和图3分别示出了本实施方式中提供的一种圆极化微带天线的侧视图、俯视图和仰视图，所述圆极化微带天线主要包括四个部分，如图1-图3所示，包括绝缘介质板10和设置在绝缘介质板10背面的金属接地板20，还包括设置在绝缘介质板10正面的金属辐射阵子30以及用于为金属辐射阵子30馈电的馈电网络40。
所述金属辐射阵子30包括4n个金属贴片31，金属贴片31在绝缘介质板10上按照2×2n矩阵形式排布，所述馈电网络40包括一个输入端41和4n个输出端42，输入端41与绝缘介质板10上的馈电输入孔11连接，4n个输出端42与4n个金属贴片31一一对应连接，同列的金属贴片31的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片31的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按顺序满足2n-1阶二项式系数，即同列的金属贴片等幅同相，不同列的金属贴片同相不等幅。
所述馈电网络40可以利用微带线或同轴探针对金属贴片31馈电。所述馈电网络包括信号功率及相位调节单元，馈电网络40的输入经信号功率及相位调节单元使同列的金属贴片的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按照矩阵的列的方向2n-1阶二项式系数。其中输入经功率及相位调节单元的结构并不是唯一的，可以根据需要选择具体的电路形式及布局方式。一般的，所述信号功率及相位调节单元包括阻抗变换器及移相器等。
为了保证尽可能提高天线的辐射性能，同列的金属贴片之间优选按照第一设定间隔排布，同行的金属贴片之间优选按照第二设定间隔排布。
为了使微带天线的结构更加稳定，所述绝缘介质板10和金属接地板20上对应位置处均设有用于固定绝缘介质板10和金属接地板20的固定孔，如图1和图2中的绝缘介质板10和金属接地板20的四角位置。
本实施方式中，所述绝缘介质板10可以是聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板或其它高频材料。金属接地板20为覆铜层，作为天线的地。金属接地板20、金属辐射阵子30和馈电网络40采用镀金工艺处理。
为了防止焊接时天线短路，所述金属接地板20上与绝缘介质板10的馈电输入孔11对应的位置处开有面积大于所述馈电输入孔11的孔21。
在实际应用中，对于所述金属辐射阵子30，金属贴片31包括但不限于为矩形金属贴片或圆形金属贴片，对于矩形金属贴片，贴片的馈电方式可以是对角馈电(如图1中所示)，也可以是边馈电；在圆极化技术上还可以是贴片切矩形角、切三角形角、中心切矩形、中心切十字星形等方案。
图2示出了本发明实施例中提供的一种圆极化微带天线的具体结构示意图，图4为该结构中馈电网络40的结构示意图。
本实施例中，绝缘介质板10为Taconic品牌的聚四氟乙烯板，介电常数为2.65，厚度为1.5mm，绝缘板四角有固定孔，金属接地板20是覆在绝缘介质板10下表面的铜层，在与馈电输入孔11对应的位置处挖出一个圆形孔，圆形孔的面积大于馈电输入孔，以防止焊接时天线短路。金属辐射阵子30及馈电网络40为覆在绝缘介质板10上表面的铜层。
本实施例中，金属辐射阵子30包括十六个金属贴片31，即n＝4，十六个金属贴片以2*8的阵列形式排布，即两行八列，八列金属贴片31馈电信号的功率比值从左到右或从右到左的呈七阶二项式系数，即比值为1:7:21:35:35:21:7:1，金属贴片为矩形金属贴片，馈电方式为对角馈电，贴片的长与宽分别为14.9mm和14mm，同列的金属贴片31之间按照30.5mm的间距排列，同行的金属贴片31之间按照30.5mm的间距排列。
本实施例中，馈电网络40的信号功率及相位调节单元包括第一阻抗变换器43、第二阻抗变换器44、移相器45和等功率功分器46。同列的两个金属贴片31构成一个辐射单元，每个辐射单元对应一个馈电子网络401，图4中左侧虚线框中所示的部分，每一个馈电子网络401包括一个第一阻抗变换器43和两个第二阻抗变换器44，两个第二阻抗变换器44的输入端分别与第一阻抗变换器43的输出端连接，两个第二阻抗变换器44的输出端分别与辐射单元的两个金属贴片31连接，相邻两个辐射单元的馈电子网络401的第一阻抗变换器43之间通过移相器45(图4中中间虚线框中所示)连接。
馈电网络40的输入端41通过等功率功分器46向两侧的辐射单元馈电，即等功率功分器46的输入端与馈电网络的输入端41连接，等功率功分器46的输出端与距离矩阵的中心最近的辐射单元的第一阻抗变换器43的输入端连接。优选的，所述第一阻抗变换器43和第二阻抗变换器44为四分之一波长微带线阻抗变换器，等功率功分器46为微带线功分器，移相器45为微带线移相器。
在实际电路连接中，为了更好的满足阻抗匹配，所述馈电子网络401还可以包括一传输延长线47(优选微带线)，第一阻抗变换器43的输出端与传输延长线47的中心连接，传输延长线47的两端分别与两个第二阻抗变换器44连接。通过第二阻抗变阻器44和传输延长线47的特性阻抗的匹配，以满足金属贴片31的输入阻抗的要求，通过第一阻抗变阻器43和移相器45的配合实现了不同列辐射单元对于同相不等幅的要求。
本实施例中，金属贴片31的输入阻抗为200欧姆，第一阻抗变换器43和第二阻抗变换器44为四分之一波长微带线阻抗变换器，第二阻抗变阻器44的特性阻抗为141欧姆，传输延长线47的特性阻抗为100欧姆，同列的两个金属贴片并联，不同列的辐射单元串联称为一个整体，馈电网络40对称的分布在金属辐射阵子30的阵列中，馈电网络40的阻抗变换结构以馈电输入孔11为中心左右对称。传输延长线47将同一辐射单元的两个金属贴片31并联在一起，构成一个等功率功分器，同一列的两个金属贴片的馈电功率相等相位相同，移相器45为270度移相器，移相器45与第一阻抗变阻器43配合，在进行相位补偿的同时兼具阻抗变换的作用，不同辐射单元的馈电子网络401通过选择的不同特性阻抗的第一阻抗变阻器43，使不同辐射单元的馈电功率的比值实现1:7:21:35:35:21:7:1，第一阻抗变阻器43和移相器45配合使不同辐射单元的相位相同。
本实施例中，各器件的输入端指的是相对靠近馈电输入孔11的一端。
需要说明的是，图2和图4中所示出的结构中只是金属辐射阵子30和馈电网络40的一种优选的结构示意图，在实际应用中，金属辐射阵子30和馈电网络40的排布以及馈电网络40的具体电路结构可以根据实际情况选择信号功率及相位调节单元的具体的电路构成以及布局方式。
本实施例中所提供的上述圆极化微带天线，辐射阵子以矩阵阵列结构排布，金属贴片之间先并联后串联，根据辐射阵子的排布，通过结构紧凑小巧馈电网络使不同列的金属贴片的馈电功率比接近7阶二项式系数分布，经试验，本实施例所述的微带天线的波束角度约为19度，远窄于普通微带天线65度的角度，天线的第一旁瓣电平约为-26dB，远低于等幅同相馈电方式的-15dB电平。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板(10)和设置在绝缘介质板(10)背面的金属接地板(20)，其特征在于：还包括设置在绝缘介质板(10)正面的金属辐射阵子(30)以及用于为金属辐射阵子(30)馈电的馈电网络(40)，所述金属辐射阵子(30)包括4n个金属贴片(31)，金属贴片(31)在绝缘介质板上(10)按照2×2n矩阵形式排布，所述馈电网络(40)包括一个输入端(41)和4n个输出端(42)，输入端(41)与绝缘介质板上(10)的馈电输入孔(11)连接，4n个输出端(42)与4n个金属贴片(31)一一对应连接，同列的金属贴片(31)的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片(31)的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按照矩阵的列的方向满足2n-1阶二项式系数。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述馈电网络(40)包括信号功率及相位调节单元；
信号功率及相位调节单元，用于使同列的金属贴片的馈电信号等幅同相，不同列的金属贴片的馈电信号同相且馈电信号的功率比值按照矩阵的列的方向满足2n-1阶二项式系数。
3.根据权利要求2所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述信号功率及相位调节单元包括第一阻抗变换器(43)、第二阻抗变换器(44)、移相器(45)和等功率功分器(46)；
所述馈电网络(40)的输入端(41)位于所述2×2n矩阵的中心，同列的金属贴片(31)之间按照第一间距排列，同行的金属贴片(31)之间按照第二间距排列，同列的两个金属贴片(31)构成一个辐射单元，每个辐射单元对应一个馈电子网络(401)；
所述馈电子网络(401)包括一个第一阻抗变换器(43)和两个第二阻抗变换器(44)，两个第二阻抗变换器(44)的输入端分别与第一阻抗变换器(43)的输出端连接，两个第二阻抗变换器(44)的输出端分别与辐射单元的两个金属贴片(31)连接，相邻两个辐射单元的馈电子网络(401)的第一阻抗变换器(43)之间通过移相器(45)连接；
所述等功率功分器(46)的输入端与馈电网络(40)的输入端(41)连接、输出端分别与距离矩阵的中心最近的辐射单元的第一阻抗变换器(43)的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第一阻抗变换器(43)和第二阻抗变换器(44)为四分之一波长微带线阻抗变换器，所述移相器(45)为270度微带线移相器，所述等功率功分器(46)为微带线功分器。
5.根据权利要求3所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述馈电子网络(401)还包括传输延长线(47)，所述第一阻抗变换器(43)的输出端与传输延长线(47)的中心连接，传输延长线(47)的两端分别与两个第二阻抗变换器(44)连接。
6.根据权利要求5所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述金属贴片(31)的输入阻抗为200欧姆，第二阻抗变阻器(44)的特性阻抗为141欧姆，所述传输延长线(47)的特性阻抗为100欧姆。
7.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述绝缘介质板(10)和金属接地板(20)上对应位置处均设有用于固定绝缘介质板(10)和金属接地板(20)的固定孔。
8.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述金属接地板(20)上与绝缘介质板(10)的馈电输入孔(11)的对应位置处开有面积大于馈电输入孔(11)的孔(21)。
9.根据权利要求1至8之一所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述金属贴片(31)为矩形金属贴片或圆形金属贴片。
10.根据权利要求1至8之一所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述n＝4。
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