CN106450762A - 一种紧凑的对称馈电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑的对称馈电网络，包括：绝缘介质板、位于绝缘介质板正面的微带馈电网络、位于绝缘介质板背面的金属底板；所述微带馈电网络包括三个功分器：第一功分器、第二功分器和第三功分器、和左微带线、右微带线、移相连接微带线、移相微带线；其特征在于：所述三个功分器、移相微带线的形状为六边形，所述三个功分器和移相微带线呈几何中心对称分布于微带馈电网络上。该馈电网络布局具有结构简单、紧凑、小型化的特点，且能够减少微带线之间的耦合，保证输出端信号幅度一致，可广泛适用于小尺寸高增益的圆极化天线中。

Description

一种紧凑的对称馈电网络
技术领域
本发明涉及的是一种用于天线技术领域，尤其涉及RFID应用技术领域的一种紧凑的对称馈电网络。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification)——射频识别技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。随着RFID核心技术的不断发展和成熟，应用领域日益扩大，已经越来越多的应用在包括军事、航空、仓储物流、商品零售、工业制造、资产管理、交通运输、防伪防盗、卫浴等不同的领域。射频识别系统的硬件部分一般由电子标签，阅读器和天线构成。为了能够保证电子标签摆放的任意性，一般要求天线辐射圆极化电磁波。天线圆极化的实现方式一般有三种：单馈法、双馈法和多元法，这些方式都具有相应的电气和结构优缺点。
其中多元法的优点在于，天线单元结构较为简单，容易实现圆极化，轴比较为容易控制，带宽较宽。其中，实现对天线的宽带4点圆极化馈电网络是天线的一个关键技术。为了实现输出端口四等分，且相位实现依次滞后90°的特性，通常需要设置一个主功分器，两个次级功分器及一些微带线以实现移相功能。在馈电网络设计时，必须要避免微带线之间的强耦合以免信号发生严重的衰减，同时还要避免天线与馈线之间的耦合以保证天线辐射性能的一致性。目前普遍存在的问题是：馈电网络过于复杂，布线折弯过多，存在信号的衰减和耦合现象严重，难以保证各天线单元馈电处的幅度的一致性。
检索的现有技术，专利申请号201120534603.1，专利名称为四点圆极化馈电网络，专利公开号CN 202564548U，该馈电网络采用功分器和宽带相移器串联和并联连接，其中，90°宽带移相器和180°移相器的微带线走线太过接近，容易产生强耦合，使得信号容易发生严重的衰减。另一方面，整个馈电网络局限在直径不超过180mm的圆面，使得该馈电网络占用空间较大，有违目前天线小型化设计的趋势。
因此，在设计基于多元阵列圆极化天线时，有必要先合理的设计馈电网络上的微带线布局。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提供一种紧凑的对称馈电网络，该馈电网络布局具有结构简单、紧凑、小型化等特点，且能够减少微带线之间的耦合，保证输出端信号幅度一致。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种紧凑的对称馈电网络，包括：绝缘介质板、位于绝缘介质板正面的微带馈电网络、位于绝缘介质板背面的金属底板；
所述微带馈电网络包括三个功分器：第一功分器、第二功分器和第三功分器、和左微带线、右微带线、移相连接微带线、移相微带线；所述第一功分器一个输出端通过右微带线连接到第二功分器的输入端；所述第一功分器的另一个输出端依次通过移相连接微带线、移相微带线、左微带线串联连接到第三功分器的输入端；
其特征在于：所述三个功分器、移相微带线的形状为六边形，所述三个功分器和移相微带线呈几何中心对称分布于微带馈电网络上。
作为进一步改进，所述功分器、移相微带线的六边形由一条长边和长度相等的五条短边组成，其中，任意两短边夹角为135°，长边与短边的夹角为90°。
作为进一步改进，所述功分器、移相微带线呈几何中心对称向中心聚拢分布且为六边形的短边向内聚拢；第一功分器的六边形长边为水平状，第二功分器、第三功分器的长边为垂直状分布，移相微带线的长边为水平状分布。
作为进一步改进，所述移相连接微带线微带线、移相微带线串联构成180°移相器，左微带线和右微带线的长度相等呈中心对称分布。
作为进一步改进，所述微带馈电网络还包括一主微带线、一馈电输入端、四个馈电输出端和四个输出链接微带线；所述馈电输入端通过主微带线连接到第一功分器的输入端；所述四个馈电输出端分别通过四个输出链接微带线连接到第二功分器和第三功分器的输出端；所述四个馈电输出端沿顺时针或逆时针分布，所述四个馈电输出端的相位依次相差90°。
作为进一步改进，金属底板上刻蚀一槽缝，所述槽缝位于第二功分器的输入端处。
作为进一步改进，所述每个功分器中各设置一隔离电阻，其电阻值为100欧姆。
作为进一步改进，所述每个功分器为微带功分器，所述功分器通过功分器的输出端将能量二等分，所述功分器的输出端通过微带线与下一级功分器的输入端相连接。
作为进一步改进，所述绝缘介质板为聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板，所述绝缘介质板的边长长度不超过100mm的方形。
作为进一步改进，所述金属底板为覆铜层，连接到地。
与现有技术相比，本发明提供的一种紧凑的对称馈电网络，不仅能将输入端的信号转化为四路依次滞后90°的信号，而且还具有以下优点：
1.馈电网络使用的微带线弯折较少且弯折处均为非锐角连接，其中一微带线和功分器都成六边形形状设计，且短边向内聚拢状，使得馈电网络整体布局紧凑、合理、对称和小型化，保证了馈电网络的小型化设计和周围部件的弱耦合特性；
2.整个微带馈电网络包括功分器和微带线都呈对称形式，即使存在耦合也是相同的耦合，减小了相互之间的差异，避免馈电网络与天线发生强干扰或者不一致的干扰，保证输出端信号的电流幅度一致；
3.通过在位于绝缘介质板背面的金属板上刻蚀一槽缝，有意识的使右路信号通过槽缝可以泄露一部分信号出去，主动泄露电磁能量，进一步有效保证四个输出端的电流幅度一致性。
附图说明
图1是本发明实施例的整体示意图。
图2是本发明实施例中的微带馈电网络的结构示意图。
图3是本发明实施例中的功分器的六边形结构形状示意图。
图4是本发明实施例中的槽缝A部的放大图。
附图标记：
绝缘介质板1 微带馈电网络2 金属底板3
馈电输入端22 第一功分器23 第二功分器24
第三功分器25 第一馈电输出端26 第二馈电输出端27
第三馈电输出端28 第四馈电输出端29 绝缘电阻10
槽缝30 折弯部微带线40 主微带线201
右微带线202 移相连接微带线2031 移相微带线2032
左微带线204
第一输出链接微带线205 第二输出链接微带线206
第三输出链接微带线207 第四输出链接微带线208
具体实施方式
下面将结合附图与具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1~ 3所示，一种紧凑的对称馈电网络，包括：绝缘介质板1、位于绝缘介质板正面的微带馈电网络2、位于绝缘介质板背面的金属底板3；所述微带馈电网络2包括三个功分器：第一功分器23、第二功分器24和第三功分器25、和左微带线204、右微带线202、移相连接微带线2031、移相微带线2032；所述第一功分器23一个输出端通过右微带线202连接到第二功分器的输入端；所述第一功分器的另一个输出端依次通过移相连接微带线2031、移相微带线2032、左微带线204串联连接到第三功分器24的输入端；
所述三个功分器、移相微带线2032的形状为六边形，所述三个功分器和移相微带线2032呈几何中心对称分布于微带馈电网络2上。所述功分器23、24、25、移相微带线2032的六边形由一条长边和长度相等的五条短边组成，其中，任意两短边夹角为135°，长边与短边的夹角为90°。
所述功分器23、24、25、移相微带线2032呈几何中心对称向中心聚拢分布且为六边形的短边向内聚拢；第一功分器23的六边形长边为水平状，第二功分器24、第三功分器25的长边为垂直状分布，移相微带线2032的长边为水平状分布。
所述移相连接微带线微带线2031、移相微带线2032串联构成180°移相器，左微带线204和右微带线202的长度相等呈中心对称分布。
所述微带馈电网络还包括一主微带线201、一馈电输入端22、四个馈电输出端26、27、28、29和四个输出链接微带线205、206、207、208；所述馈电输入端22通过主微带线201连接到第一功分器23的输入端；所述四个馈电输出端26、27、28、29分别通过四个输出链接微带线205、206、207、208连接到第二功分器24和第三功分器25的输出端；所述四个馈电输出端26、27、28、29沿顺时针或逆时针分布，所述四个馈电输出端26、27、28、29的相位依次相差90°。
最优设计时，各功分器六边形的布线长度等于电磁波在介质中的半波长长度，移相连接微带线2031和移相微带线2032的微带线总长度也为半波长长度。此六边形结构设计一方面使得微带馈电网络2的微带线折弯减少，另一方面，使得微带馈电网络2的微带线都是六边形短边向内紧凑分布，且是对称分布，保证天线设计的小型化。
所述绝缘介质板1为聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板，因微带线六边形的紧凑布局设计，绝缘介质板1的大小可做到边长长度不超过100mm的方形。
所述金属底板3为覆铜层，连接到地。金属底板3是在绝缘介质板1的背面全部铺铜形成的，并设有馈电焊盘，能够使得微带馈电网络2呈共面波导的传输特性，可以增加信号的稳定性。
具体地，所述的每个功分器通过功率等分端口将能量二等分，每个功率等分端口通过微带线20与下一级功分器的输入端相连接。每个功分器之间的距离都充分考虑了微带线之间的耦合，使得每个端口都形成相同或者相似的耦合形态，这样可以在保证结构简单紧凑的前提下，天线的输出端口的信号幅度的一致性。
每个功分器中各设置一隔离电阻10，其电阻值为100欧姆。能够有效阻碍分支端口反射信号对其他端口的影响，提高了功分器的稳定性，并且合理的微带线分布和长度设置也保证了天线整体结构的小型化使馈电线结构更加紧凑。
初始信号通过馈电输入端22接入到微带馈电网络2，经过主微带线201连接到第一功分器23。第一功分器23的一个输出端通过右微带线202连接到第二功分器24的输入端；另一个输出端通过移相连接微带线2031、移相微带线2032和左微带线204连接到第三功分器25的输入端；
移相连接微带线2031和移相微带线2032串联成一180°移相器。左微带线204和右微带线202的长度相等。第一功分器23连接到第三功分器25所走的微带线长度多于第一功分器23连接到第二功分器24所走的微带线长度，多余的长度大小为移相连接微带线2031和移相微带线2032的总和。所以第二功分器24的输入端的信号与第三功分器25的输入端的信号相位相差180°。
第二功分器24的一个输出端通过第一输出链接微带线205连接到微带馈电网络2的第一馈电输出端26，将第一馈电输出端26输出的信号电流设定为0°；另一个输出端通过第二输出链接微带线206连接到微带馈电网络2的第二馈电输出端27，可通过调节第二输出链接微带线206的微带线折弯部40使第二馈电输出端27的信号比第一馈电输出端26的信号滞后90°相位差，即第二馈电输出端27输出的信号电流相位为-90°。
第三功分器25的一个输出端通过第三输出链接微带线207连接到微带馈电网络2的第三馈电输出端28；另一个输出端通过第四输出链接微带线208连接到微带馈电网络2的第四馈电输出端29，可通过调节第四输出链接微带线208的微带线折弯部40使第四馈电输出端29的信号比第一馈电输出端28的信号滞后90°相位差。
其中，第一输出链接微带线205的长度与第三输出链接微带线207长度相同，第二输出链接微带线206的长度与第四输出链接微带线208的长度相同。第一馈电输出端26与第三馈电输出端28的相位差等于第二功分器24的输入端与第三功分器25的输入端的信号相位差为180°。所以，第三馈电输出端28输出的信号电流相位为-180°，同理，第四馈电输出端29输出的信号电流相位为-270°。
更进一步的优化，如图4所示，所述金属底板3上刻蚀一槽缝30，所述槽缝30位于第二功分器24的输入端241处。槽缝30的大小可通过软件仿真，或者试验的方法计算出来。槽缝优选为长方形，沿信号流向的方向的长度，范围2~4mm，优选3mm。垂直信号流向的长度大小不作要求。增设槽缝30的作用是可以使右侧的信号幅度减小。其原因在于，一般由于介质总是存在损耗，左侧的信号由于180°相位差微带线长度，因此，信号幅度存在衰减，使得进入第二功分器4处的信号幅度偏大。为了保证四个输出端口的信号幅度一致，通过开设一槽缝30，使得流向右侧馈电输出端26、27的信号泄露一部分以期达到四个输出端的信号幅度一致。
最终，微带馈电网络2的第一至第四馈电输出端26、27、28、29可输出幅度值相等，相位角分别为0°、-90°、-180°、-270°的四路信号。
整个微带馈电网络通过功分器和微带线的六边形结构设计布局，一方面微带线弯折较少，六边形短边向内聚拢状设计大大缩小了微带馈电网络的布局，有利于天线的小型化；另一方面，微带线的走线布局使得天线与微带线之间的耦合大体一致，相互干扰一致性，同时在绝缘底板上有意识的增加槽缝，都是为了保证四个端口的信号幅度一致。该紧凑对称馈电网络的布局设计有利于圆极化天线的小型化设计。
以上所述的实施例仅为本发明的一个较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑的对称馈电网络，包括：绝缘介质板、位于绝缘介质板正面的微带馈电网络、位于绝缘介质板背面的金属底板；
所述微带馈电网络包括三个功分器：第一功分器、第二功分器和第三功分器、和左微带线、右微带线、移相连接微带线、移相微带线；所述第一功分器一个输出端通过右微带线连接到第二功分器的输入端；所述第一功分器的另一个输出端依次通过移相连接微带线、移相微带线、左微带线串联连接到第三功分器的输入端；
其特征在于：所述三个功分器、移相微带线的形状为六边形，所述三个功分器和移相微带线呈几何中心对称分布于微带馈电网络上。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述功分器、移相微带线的六边形由一条长边和长度相等的五条短边组成，其中，任意两短边夹角为135°，长边与短边的夹角为90°。
3.根据权利要求1或2所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述功分器、移相微带线呈几何中心对称向中心聚拢分布且为六边形的短边向内聚拢；第一功分器的六边形长边为水平状，第二功分器、第三功分器的长边为垂直状分布，移相微带线的长边为水平状分布。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述移相连接微带线微带线、移相微带线串联构成180°移相器，所述左微带线和右微带线的长度相等且呈中心对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，金属底板上刻蚀一槽缝，所述槽缝位于第二功分器的输入端处。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述微带馈电网络还包括一主微带线、一馈电输入端、四个馈电输出端和四个输出链接微带线；所述馈电输入端通过主微带线连接到第一功分器的输入端；所述四个馈电输出端分别通过四个输出链接微带线连接到第二功分器和第三功分器的输出端；所述四个馈电输出端沿顺时针或逆时针分布，所述四个馈电输出端的相位依次相差90°。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述每个功分器中各设置一隔离电阻，其电阻值为100欧姆。
8.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述每个功分器为微带功分器，所述功分器通过功分器的输出端将能量二等分，所述功分器的输出端通过微带线与下一级功分器的输入端相连接。
9.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述绝缘介质板可为聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板，所述绝缘介质板的边长长度不超过100mm的方形。
10.根据权利要求1所述的一种紧凑的对称馈电网络，其特征在于，所述金属底板为覆铜层，连接到地。
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