CN106384881A - 一种对称的宽带平面端射圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及端射圆极化天线，具体是一种对称的宽带平面端射圆极化天线。本发明解决了现有端射圆极化天线带宽不足的问题。一种对称的宽带平面端射圆极化天线，包括介质基板、上层金属贴片、下层金属贴片；所述上层金属贴片包括上层菱形金属贴片、上层耦合传输线、上层臂状磁偶极子、上层端射圆；所述下层金属贴片包括下层菱形金属贴片、下层耦合传输线、下层臂状磁偶极子、下层端射圆；上、下层的菱形金属贴片、耦合传输线和端射圆正对；上、下层的臂状磁偶极关于X轴对称；同时，上、下层菱形金属贴片的三个角部贯通开设有三个短路金属过孔；上层端射圆的中央和下层端射圆的中央之间贯通开设有一个短路金属过孔。本发明适用于无线通信。

Description

一种对称的宽带平面端射圆极化天线
技术领域
本发明涉及端射圆极化天线，具体是一种对称的宽带平面端射圆极化天线。
背景技术
随着通信技术的发展，圆极化天线因其抑制雨雾和抗多径反射的优点，在雷达、电子对抗、卫星通信等领域得到广泛应用。实现圆极化天线的原理是产生两个空间上正交的线极化分量，并使两者幅度相等，相位差90度。目前，实现圆极化的方式主要有以下四种类型：第一种，单馈法实现圆极化；第二种，多馈法实现圆极化；第三种，多元法实现圆极化；第四种，行波法实现圆极化。
近年来，端射圆极化天线作为一种辐射效率较高的圆极化天线成为人们研究的热点，出现了多种实现端射圆极化的方法。2015年，Wen-Jun Lu等人在IEEE Antenna andWireless Propagation Letters发表了“Planar End-fire Circularly PolarizedAntenna Using Combined Magnetic Dipoles”，该文采用矩形状的短路平行板谐振腔和对称的磁偶极子结合实现了平面端射圆极化天线，可以得到的有效带宽为2.4%。2016年，Wen-Hai Zhang等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表了“A PlanarEnd-Fire Circularly Polarized Complementary Antenna With Beam in ParallelWith Its Plane”，该文采用矩形的短路平行板谐振腔和对称的电偶极子结合实现了平面端射圆极化天线，实现的有效圆极化带宽为1.9%。综上所述，目前端射圆极化天线设计的突出问题是带宽不足，成为制约端射圆极化天线广泛应用的主要因素。
发明内容
本发明为了解决现有端射圆极化天线带宽不足的问题，提供了一种对称的宽带平面端射圆极化天线。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种对称的宽带平面端射圆极化天线，包括介质基板、上层金属贴片、下层金属贴片；
上层金属贴片和下层金属贴片分别贴装于介质基板的上表面和下表面；
所述上层金属贴片包括上层菱形金属贴片、上层耦合传输线、上层臂状磁偶极子、上层端射圆；
所述下层金属贴片包括下层菱形金属贴片、下层耦合传输线、下层臂状磁偶极子、下层端射圆；
其中，上层菱形金属贴片和下层菱形金属贴片相互正对；上层菱形金属贴片的中央和下层菱形金属贴片的中央之间贯通设置有同轴馈电点；
上层菱形金属贴片的三个角部和下层菱形金属贴片的三个角部之间贯通开设有三个短路金属过孔；上层菱形金属贴片、下层菱形金属贴片、三个短路金属过孔共同构成菱形短路平行板谐振腔；
上层耦合传输线延伸设置于上层菱形金属贴片的第四个角部；上层臂状磁偶极子延伸设置于上层耦合传输线的末端右侧；上层端射圆延伸设置于上层臂状磁偶极子的末端；
下层耦合传输线延伸设置于下层菱形金属贴片的第四个角部；下层臂状磁偶极子延伸设置于下层耦合传输线的末端左侧；下层端射圆延伸设置于下层臂状磁偶极子的末端；
上层端射圆和下层端射圆相互正对；上层端射圆的中央和下层端射圆的中央之间贯通开设有一个短路金属过孔。
工作时，菱形短路平行板谐振腔产生垂直极化波E θ，臂状磁偶极子（上层臂状磁偶极子和下层臂状磁偶极子）产生水平极化波E φ。垂直极化波E θ和水平极化波E φ共同作用实现天线的圆极化辐射特性。在此过程中，通过调整菱形短路平行板谐振腔的前后口径和臂状磁偶极子的弯曲角度，即可改善天线阻抗匹配，由此实现宽带平面端射圆极化性能。与现有端射圆极化天线相比，本发明所述的一种对称的宽带平面端射圆极化天线通过引入菱形短路平行板谐振腔和臂状磁偶极子，实现了宽带平面端射圆极化，由此显著增大了带宽（-10 dB阻抗带宽可达14.1%，3 dB轴比带宽可达16.4%），从而满足了无线通信的发展需求。同时，本发明通过引入端射圆，增大了端射方向的电流幅度，由此显著提高了天线的平均增益。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有端射圆极化天线带宽不足的问题，适用于无线通信。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是采用长方形、倒三角形、正三角形短路平行板谐振腔时天线的S 11示意图。
图3是采用长方形、倒三角形、正三角形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比示意图。
图4是本发明的S 11和3 dB轴比示意图。
图5是未加载端射圆时和加载端射圆后天线的增益示意图。
图6是频率为7.9 GHz时本发明在xoz面的方向图。
图7是频率为7.9 GHz时本发明在xoy面的方向图。
图8是频率为8.6 GHz时本发明在xoz面的方向图。
图9是频率为8.6 GHz时本发明在xoy面的方向图。
图1中：1-介质基板，2-上层菱形金属贴片，3-上层耦合传输线，4-上层臂状磁偶极子，5-上层端射圆，6-下层菱形金属贴片，7-下层耦合传输线，8-下层臂状磁偶极子，9-下层端射圆，10-同轴馈电点，11-短路金属过孔。
具体实施方式
一种对称的宽带平面端射圆极化天线，包括介质基板1、上层金属贴片、下层金属贴片；
上层金属贴片和下层金属贴片分别贴装于介质基板1的上表面和下表面；
所述上层金属贴片包括上层菱形金属贴片2、上层耦合传输线3、上层臂状磁偶极子4、上层端射圆5；
所述下层金属贴片包括下层菱形金属贴片6、下层耦合传输线7、下层臂状磁偶极子8、下层端射圆9；
其中，上层菱形金属贴片2和下层菱形金属贴片6相互正对；上层菱形金属贴片2的中央和下层菱形金属贴片6的中央之间贯通设置有同轴馈电点10；
上层菱形金属贴片2的三个角部和下层菱形金属贴片6的三个角部之间贯通开设有三个短路金属过孔11；上层菱形金属贴片2、下层菱形金属贴片6、三个短路金属过孔11共同构成菱形短路平行板谐振腔；
上层耦合传输线3延伸设置于上层菱形金属贴片2的第四个角部；上层臂状磁偶极子4延伸设置于上层耦合传输线3的末端右侧；上层端射圆5延伸设置于上层臂状磁偶极子4的末端；
下层耦合传输线7延伸设置于下层菱形金属贴片6的第四个角部；下层臂状磁偶极子8延伸设置于下层耦合传输线7的末端左侧；下层端射圆9延伸设置于下层臂状磁偶极子8的末端；
上层端射圆5和下层端射圆9相互正对；上层端射圆5的中央和下层端射圆9的中央之间贯通开设有一个短路金属过孔11。
具体实施时，上层耦合传输线3和下层耦合传输线7均采用长度为0.4λg的金属条带。上层端射圆5的半径和下层端射圆9的半径均为2mm。
如图2所示，曲线1表示采用长方形短路平行板谐振腔时天线的S 11，曲线2表示采用倒三角形短路平行板谐振腔时天线的S 11，曲线3表示采用正三角形短路平行板谐振腔时天线的S 11。通过图2可以看出：采用长方形短路平行板谐振腔在7.85 GHz附近产生谐振，实现的阻抗带宽为7.75-7.95 GHz。采用倒三角形短路平行板谐振腔在8.45 GHz处引入新的谐振点，阻抗带宽为7.8-8.61 GHz，S 11得到了展宽。采用正三角形短路平行板谐振腔时天线的S 11从7.6-7.95 GHz小于-10 dB。
如图3所示，曲线1表示采用长方形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比，曲线2表示采用倒三角形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比，曲线3表示采用正三角形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比。通过图3可以看出：采用长方形短路平行板谐振腔时天线的3dB轴比为7.85-7.98 GHz。采用倒三角形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比为8.03-8.66GHz。采用正三角形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比为7.7-7.95GHz。
如图4所示，曲线1表示采用菱形短路平行板谐振腔时天线的S 11，曲线2表示采用菱形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比。通过图4可以看出：采用菱形短路平行板谐振腔时天线的S 11为7.68-8.82 GHz。采用菱形短路平行板谐振腔时天线的3 dB轴比为7.71-8.94GHz。与采用长方形、倒三角形、正三角形短路平行板谐振腔相比，菱形短路平行板谐振腔分别在7.9 GHz和8.6 GHz处引入了两个新的谐振频率，两个频带连接在一起实现了宽带圆极化性能。
如图5所示，曲线1表示未加载端射圆时天线的增益，曲线2表示加载半径为1.5 mm的端射圆时天线的增益，曲线3表示加载半径为2 mm的端射圆时天线的增益，曲线4表示加载半径为2.5 mm的端射圆时天线的增益。通过图5可以看出：未加载端射圆时，在阻抗带宽小于-10 dB (7.68-8.82 GHz)的频段范围内，天线的最大增益为0.21 dBi，平均增益为-0.147 dBi。加载半径为1.5 mm的端射圆时，在7.68-8.82 GHz频段内天线的最大增益和平均增益分别增加到0.753 dBi、0.095 dBi。加载半径为2 mm的端射圆时，在7.68-8.5 GHz频率范围内天线增益增加比较明显，然而，从8.5-8.82 GHz波动较小，在有效带宽范围内(7.68-8.82 GHz)天线的最大增益增加到1.247 dBi，平均增益增加到0.728 dBi。加载半径为2.5 mm的端射圆时，增益从7.66-8.82 GHz变差。因此，选择半径为2 mm的端射圆能够获得最理想的增益曲线。端射圆的引入可增大端射方向的电流幅度，所以提高了天线增益。
如图6所示，曲线1表示频率为7.9 GHz时天线的xoz面左旋圆极化，曲线2表示频率为7.9 GHz时天线的xoz面右旋圆极化。如图7所示，曲线3表示频率为7.9 GHz时天线的xoy面左旋圆极化，曲线4表示频率为7.9 GHz时天线的xoy面右旋圆极化。如图8所示，曲线1表示频率为8.6 GHz时天线的xoz面左旋圆极化，曲线2表示频率为8.6 GHz时天线的xoz面右旋圆极化。如图9所示，曲线3表示频率为8.6 GHz时天线的xoy面左旋圆极化，曲线4表示频率为8.6 GHz时天线的xoy面右旋圆极化。通过图6-图9可以看出：由于短路金属过孔的存在，使得在90°，180°，270°方向上的辐射较大。在端射方向交叉极化较小，表现出良好的端射左旋圆极化特性。

Claims (3)

1.一种对称的宽带平面端射圆极化天线，其特征在于：包括介质基板（1）、上层金属贴片、下层金属贴片；
上层金属贴片和下层金属贴片分别贴装于介质基板（1）的上表面和下表面；
所述上层金属贴片包括上层菱形金属贴片（2）、上层耦合传输线（3）、上层臂状磁偶极子（4）、上层端射圆（5）；
所述下层金属贴片包括下层菱形金属贴片（6）、下层耦合传输线（7）、下层臂状磁偶极子（8）、下层端射圆（9）；
其中，上层菱形金属贴片（2）和下层菱形金属贴片（6）相互正对；上层菱形金属贴片（2）的中央和下层菱形金属贴片（6）的中央之间贯通设置有同轴馈电点（10）；
上层菱形金属贴片（2）的三个角部和下层菱形金属贴片（6）的三个角部之间贯通开设有三个短路金属过孔（11）；上层菱形金属贴片（2）、下层菱形金属贴片（6）、三个短路金属过孔（11）共同构成菱形短路平行板谐振腔；
上层耦合传输线（3）延伸设置于上层菱形金属贴片（2）的第四个角部；上层臂状磁偶极子（4）延伸设置于上层耦合传输线（3）的末端右侧；上层端射圆（5）延伸设置于上层臂状磁偶极子（4）的末端；
下层耦合传输线（7）延伸设置于下层菱形金属贴片（6）的第四个角部；下层臂状磁偶极子（8）延伸设置于下层耦合传输线（7）的末端左侧；下层端射圆（9）延伸设置于下层臂状磁偶极子（8）的末端；
上层端射圆（5）和下层端射圆（9）相互正对；上层端射圆（5）的中央和下层端射圆（9）的中央之间贯通开设有一个短路金属过孔（11）。
2.根据权利要求1所述的一种对称的宽带平面端射圆极化天线，其特征在于：上层耦合传输线（3）和下层耦合传输线（7）均采用长度为0.4λg的金属条带。
3.根据权利要求1所述的一种对称的宽带平面端射圆极化天线，其特征在于：上层端射圆（5）的半径和下层端射圆（9）的半径均为2mm。
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