CN106450778A - 一种宽带圆极化dra及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带圆极化DRA及其设计方法，该圆极化DRA通过调节正交耦合器可以实现任意耦合因子、增加带宽、带通滤波和宽带谐波抑制，减少由于极化不匹配而带来的损耗，同时改善多径失真现象，将滤波器和天线统一设计，降低由于器件之间的相互影响而导致系统性能降低的可能性，结构简单，设计方便。

Description

一种宽带圆极化DRA及其设计方法

技术领域

本发明涉及通信中使用的天线领域，更具体地，涉及一种宽带圆极化DRA及其设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，天线作为其核心器件也得到了飞速的发展。其广泛应用于各种无线通信设备中，在雷达，个人通信，导航，卫星通讯等系统中发挥着重要的作用。

天线在无线系统的作用是将空间中传播的电磁波转换成电路中的电流(接收端)或者把电路中的电流转换成空间中传播的电磁波(发射端)。因此天线是任何一个无线通信系统都必不可少的器件，是无线通信系统的重要标志。天线的性能将直接影响通信系统接收信号的好坏，对后端射频电路的设计复杂度也有重要影响。滤波器同样是通信系统中的重要器件，用来过滤掉通带之外的干扰信号，从而避免交调失真或互调失真。目前主流的设计方法是将天线和滤波器作为两个独立的器件来进行设计和优化，然后采用直接级联的方法将两个器件组合起来。这种方法由于没有考虑两个器件之间的相互影响，而导致级联之后整体的性能下降，甚至不能工作。同时由于两个器件分开设计然后级联，会造成系统整体尺寸过大的问题，与现代无线通信系统小型化的趋势相违背。

为了能够集成滤波器功能和天线功能，目前主流的方法主要有以下几种：(1)在天线辐射方向上使用频率选择面(FSS)(2)用辐射单元代替带通滤波器的最末级谐振器(3)采用级联的方法，但把天线和滤波器做为一个整体来设计和优化(4)模糊设计(Fusion-Design)。此种设计方法直接通过在天线中引入新颖的结构，如：金属过孔、U型槽等来实现滤波器的特性。

然而之前滤波天线主要是针对线极化天线和滤波器的集成，而圆极化天线由于其可以减少极化不匹配损耗、改善多径失真等优势，被广泛应用于电磁环境比较复杂的无线通信系统，如卫星通信、射频识别技术等。目前仅有一款圆极化滤波天线的产品，但是其工作带宽仅有12.3％，并不能够满足现代宽带无线通信系统对带宽的要求，并且该产品并没有能够将谐波抑制同时考虑在设计中，因而当信号经过非线性器件时可能发生交调失真等现象从而引起系统整体性能的降低

现有的无线通信天线中，介质谐振器天线(DRA)是一种谐振式天线，由低损耗的微波介质材料构成，它的谐振频率由谐振器尺寸、形状和相对介电常数所决定，可以考虑介质谐振器天线(DRA)应用到能够集成滤波器功能和天线功能的天线设计中。

发明内容

本发明提供一种具有带通滤波特性和谐波抑制功能宽带圆极化DRA。

本发明的又一目的在于提供一种宽带圆极化DRA的设计方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种宽带圆极化DRA，包括从上至下依次排布的四层结构：第一层为空心的介质谐振器(101)，第二层为微带正交耦合器(102)，第三层为基板(103)，第四层为金属地层(104)；其中微带正交耦合器(102)的两个输出端口与两条垂直的金属条带相连，从而激励矩形DRA的两个正交模式，形成圆极化；该圆极化DRA(200)由空心矩形DR(201)和两个附加的矩形DR部分(202)组成。

进一步地，所述微带正交耦合器(102)位于空心矩形DR(201)的空心部分中，其包括四个互相衔接且夹角为90度的扇形微带片状单元A1-A4、四条阻抗匹配狭槽B1-B4、四条狭槽C1-C4和四个1/4波长耦合线D1-D4；所述四个互相衔接且夹角为90度的扇形微带片状单元A1-A4的结构均一致；所述四条阻抗匹配狭槽B1-B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交界线重合，且每一条阻抗匹配狭槽的宽度和深度均一致；所述狭槽C1-C4分别由四个扇形的边沿向内延伸，狭槽的中线与扇形的中线重合，且尺寸两两对称相等；所述四个1/4波长耦合线D1-D4均与相应的阻抗匹配狭槽连接，呈圆弧状，且圆弧与四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元同心，其中1/4波长耦合线D1作为正交耦合器的输入端，和1/4波长耦合线D2作为正交耦合器的隔离端，这两条耦合线通过50Ω的微带线从矩形DR(201)的空心部分延伸出来分别与输入端口和匹配负载相连接；耦合器的另外两个输出端口四个1/4波长耦合线D3-D4与紧贴空心矩形DR(201)壁的金属条带相连，提供激励信号。

进一步地，所述四条阻抗匹配狭槽B1-B4的形状和大小均一致；所述四条狭槽C1-C4分为两组，第一组狭槽为狭槽C1和狭槽C3，位于扇形片状单元A1和扇形片状单元A3上；第二组狭槽为狭槽C2和狭槽C4，位于扇形片状单元A2和扇形片状单元A4上；四个1/4波长耦合线部分D1-D4的形状和大小均一致，每个1/4波长耦合线部分与相应的阻抗匹配狭槽由一条长为L₀、宽为W₃的微带线连接，且在每个耦合线部分中，均有两条间距为G_e、宽分别为W₃和W₂、电长度均为90度的微带线互相耦合，其中宽为W₂的微带线的一端连接了一条宽为W₀的微带线与空心矩形DR(201)外壁的金属条带相连；作为正交耦合器输入端的1/4波长耦合线D1和隔离端的1/4波长耦合线D2，这两条耦合线通过一段阻抗为50欧姆的微带线从空心矩形DRA(200)的空心区域延伸出来。

进一步地，所述空心矩形DR(201)采用介电常数为9.7的介电材料，在该空心矩形DR(201)相邻的两个侧壁上各有一条金属条带为空心矩形DR(201)提供具有相等幅度和正交相位差的信号。

进一步地，所述两个附加的矩形DR部分(202)分别被加在空心矩形DR(201)的对角上，用以增加轴比带宽，其大小和形状均一致，采用介电常数为9.7的介电材料。

进一步地，所述金属地层(104)为铺满良导体的金属地层。

一种宽带圆极化DRA的设计方法，包括以下步骤：

S1：根据所需要的中心频率和介质基板的相对介电常数，借助全波电磁仿真软件设计一个具有带通滤波特性和谐波抑制功能的微带正交耦合器；

S2：利用全波电磁仿真软件设计一个空心矩形DR和两个附加的矩形DR，通过调节附加矩形DR的参数实现重叠带宽的扩展；

S3：将设计好的微带正交耦合器放在空心矩形DR的空心部分中，进行联合仿真完成设计。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明的圆极化DRA通过调节正交耦合器可以实现任意耦合因子、增加带宽、带通滤波和宽带谐波抑制，减少由于极化不匹配而带来的损耗，同时改善多径失真现象，将滤波器和天线统一设计，降低由于器件之间的相互影响而导致系统性能降低的可能性，结构简单，设计方便。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例第一层介质谐振器的结构示意图；

图3为本发明实施例第二层正交耦合器的结构示意图；

图4为本发明实施例第一层和第二层的位置关系图；

图5为本发明实施例正交耦合器有无耦合线的S11响应结果对比图；

图6为本发明实施例正交耦合器有无耦合线的其他S参数响应结果对比图；

图7为本发明实施例仿真和测量的反射系数和θ＝0°、时右旋圆极化增益对比图；

图8为本发明实施例在θ＝0°、时仿真和测量的轴比对比图；

图9为本发明实施例仿真和测量的方向图对比图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1-4所示，一种具有带通滤波特性和宽带谐波抑制的宽带圆极化DRA，包括从上至下依次排布的四层结构：第一层为介质谐振器101，第二层为微带正交耦合器102，第三层为基板103，第四层为金属地层104；其中微带正交耦合器的两个输出端口与两条垂直的金属条带相连，从而激励矩形DRA的两个正交模式，形成圆极化。

该宽带圆极化DRA 200由空心矩形DR 201和两个附加的矩形DR部分202组成。

雪花型片状微带正交耦合器102位于空心DRA的空心部分中，其包括四个互相衔接且夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4、四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4、四条狭槽C1、C2、C3、C4和四个1/4波长耦合线部分D1、D2、D3、D4；所述四个互相衔接且夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4的结构均一致，且半径均为R；所述四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交界线重合，且每一条阻抗匹配线对应地嵌入交界线重合的两个扇形微带片状单元，每条微带线的左右都有相等的空隙；所述狭槽C1、C2、C3、C4分别由四个扇形的边沿向内延伸，狭槽的中线与扇形的中线重合；所述四个1/4波长耦合线部分D1、D2、D3、D4均与相应的阻抗匹配线连接，呈圆弧状，且圆弧与四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元同心，其中作为正交耦合器的输入端D1和隔离端D2的两条耦合线通过50Ω的微带线从空心DR的空心部分延伸出来分别与输入端口和匹配负载相连接；耦合器的另外两个输出端口D3、D4与紧贴DR壁的金属条带相连，提供激励信号。

四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的形状和大小均一致，均为宽W0，长Li，每条阻抗匹配线的左右两边均有一条宽Gi、长Li的间隙。

所述四条狭槽C1、C2、C3、C4分为两组，第一组狭槽为C1、C3位于扇形片状单元A1、A3上，其宽度为Ws1，长度为Ls1；第二组狭槽为C2、C4位于扇形片状单元A2、A4上，其宽度为Ws2，长度为Ls2。

所述四个1/4波长耦合线部分D1、D2、D3、D4的形状和大小均一致，每个耦合线部分与相应的阻抗匹配线由一条长为L0、宽为W3的微带线连接，且在每个耦合线部分中，均有两条间距为Ge、宽分别为W3和W2、电长度均为90度的微带线互相耦合，其中宽为W2的微带线的一端连接了一条宽为W0的微带线与空心矩形DRA的内壁相连；作为正交耦合器输入端D1和隔离端D2的两条耦合线通过一段阻抗为50欧姆的微带线从空心DRA的空心区域延伸出来。

空心矩形DR 201用介电常数为9.7的介电材料，其内外壁的长、宽、高分别为a、a、ha和b、b、hb，在该空心矩形DR相邻的两个侧壁上各有一条宽为Ws、长为Ls的带状线，为空心矩形DRA提供具有正交相位差的等幅信号。

两个矩形DR部分202别被加在空心矩形DR的对角上，用以增加带宽，其大小和形状均一致，长、宽、高分别为Ls3、Ws3、hb，采用介电常数为9.7的介电材料。

基板103采用厚度为0.63mm的RO6005材料，其介电常数为6.16。

金属地层104为铺满良导体的金属地层104。

具有带通滤波特性带谐波抑制的宽带圆极化DRA的设计可以通过改变1/4波长耦合线的宽度和长度，实现带宽增加；通过改变微带阻抗匹配线两旁间隙的深度和宽度实现谐波抑制功能；通过调节狭槽的宽度和深度，实现设计所需要的频率；通过调节DR部分的长度，实现对轴比AR的控制，增加3dB轴比带宽，进而增加本发明总的重叠带宽。

所述宽带圆极化DRA工作在1.8GHz，回波损耗小于12.4dB与轴比小于3dB的重叠带宽高达27.8％，带内平均增益达6dBi，带内增益不平坦度小于1dB,带外抑制增益-10dB到6GHz处。

所述一种具有带通滤波特性和宽带谐波抑制的宽带圆极化DRA的设计方法：首先，根据所需要的中心频率(本例为1.8GHz)和介质基板的相对介电常数，借助全波电磁仿真软件设计一个具有带通滤波特性和谐波抑制功能的微带正交耦合器；然后，再次利用全波电磁仿真软件设计一个空心矩形DR和两个附加的矩形DR，通过调节附加矩形DR的参数实现重叠带宽的扩展；然后再将设计好的微带正交耦合器放在空心矩形DR的空心部分中，进行联合仿真。

正交耦合器的参数为：R＝15mm,Ls1＝10.6mm,Ws1＝2.7mm,Ls2＝3.5mm,Ws2＝8.9mm,Li＝5.2mm,Gi＝3.5mm,W0＝0.93mm,W1＝0.58mm,W2＝0.4mm,W3＝0.1mm,Ge＝0.1mm,L0＝1mm,L＝15.2mm。

基本空心矩形DRA和两个DR部分的参数为：a＝4mm,b＝50mm,ha＝13mm,hb＝23mm,Ls3＝25mm,Ws3＝11mm,Ls＝20mm,Ws＝1.5mm。

基板的参数为：G＝113.2mm。

参照图5(本发明实施例正交耦合器有无耦合线的S11响应结果对比图)和图6(本发明实施例正交耦合器有无耦合线其他S参数的响应结果对比图)，该正交耦合器具有带通滤波特性，阻抗带宽高达22％，在1.6GHz–2GHz的通带范围内可以实现功率等分，且耦合因数S21和S31之间的差距小于0.8dB，幅度平滑度好，同时输出端口的相位差在90o±5°之间，带外抑制增益-30dB到6GHz处。

参照图7(本发明实施例仿真和测量的反射系数和θ＝0°、时右旋圆极化增益对比图)，测量和仿真的增益峰值十分接近，分别为6.5dBi和6.3dBi，同时在通带内，增益相对平缓；3dB带宽为35％，在通带边缘1.6GHz和2.2GHz处引入了两个零点，使得频率选择性较好；反射系数和增益的谐波抑制能力均较强，在低频阻带(0-1.5GHz)和高频阻带(2.3–6GHz)的抑制能力都大于19dB。

参照图8(本发明实施例在θ＝0°、时仿真和测量的轴比对比图)，3dB AR带宽从1.58GHz到2.09GHz，宽达27.8％，即总的带宽也为27.8％，大约是以前滤波圆极化天线的两倍。

参照图9(本发明实施例仿真和测量的方向图对比图)，该宽带圆极化DRA实现的是右旋圆极化，在主瓣处测量的右旋圆极化场比左旋圆极化场大15dB，仿真和测量的结果基本一致。

参照图5、6、7、8、9，所用的基板材料为RO6005，介电常数为6.16，基板厚度为0.63mm，所用的介质材料的介电常数为9.7的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带圆极化DRA，其特征在于，包括从上至下依次排布的四层结构：第一层为空心的介质谐振器(101)，第二层为微带正交耦合器(102)，第三层为基板(103)，第四层为金属地层(104)；其中微带正交耦合器(102)的两个输出端口与两条垂直的金属条带相连，从而激励矩形DRA的两个正交模式，形成圆极化；该圆极化DRA(200)由空心矩形DR(201)和两个附加的矩形DR部分(202)组成。

2.根据权利要求1所述的宽带圆极化DRA，其特征在于，所述微带正交耦合器(102)位于空心矩形DR(201)的空心部分中，其包括四个互相衔接且夹角为90度的扇形微带片状单元A1-A4、四条阻抗匹配狭槽B1-B4、四条狭槽C1-C4和四个1/4波长耦合线D1-D4；所述四个互相衔接且夹角为90度的扇形微带片状单元A1-A4的结构均一致；所述四条阻抗匹配狭槽B1-B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交界线重合，且每一条阻抗匹配狭槽的宽度和深度均一致；所述狭槽C1-C4分别由四个扇形的边沿向内延伸，狭槽的中线与扇形的中线重合，且尺寸两两对称相等；所述四个1/4波长耦合线D1-D4均与相应的阻抗匹配狭槽连接，呈圆弧状，且圆弧与四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元同心，其中1/4波长耦合线D1作为正交耦合器的输入端，和1/4波长耦合线D2作为正交耦合器的隔离端，这两条耦合线通过50Ω的微带线从矩形DR(201)的空心部分延伸出来分别与输入端口和匹配负载相连接；耦合器的另外两个输出端口1/4波长耦合线D3-D4与紧贴空心矩形DR(201)壁的金属条带相连，提供激励信号。

3.根据权利要求2所述的宽带圆极化DRA，其特征在于，所述四条阻抗匹配狭槽B1-B4的形状和大小均一致；所述四条狭槽C1-C4分为两组，第一组狭槽为狭槽C1和狭槽C3，位于扇形片状单元A1和扇形片状单元A3上；第二组狭槽为狭槽C2和狭槽C4，位于扇形片状单元A2和扇形片状单元A4上；所述四个1/4波长耦合线部分D1-D4的形状和大小均一致，每个1/4波长耦合线部分与相应的阻抗匹配狭槽由一条长为L₀、宽为W₃的微带线连接，且在每个耦合线部分中，均有两条间距为G_e、宽分别为W₃和W₂、电长度均为90度的微带线互相耦合，其中宽为W₂的微带线的一端连接了一条宽为W₀的微带线与空心矩形DR(201)外壁的金属条带相连；作为正交耦合器输入端的1/4波长耦合线D1和隔离端的1/4波长耦合线D2，这两条耦合线通过一段阻抗为50欧姆的微带线从空心矩形DRA(200)的空心区域延伸出来。

4.根据权利要求3所述的宽带圆极化DRA，其特征在于，所述空心矩形DR(201)采用介电常数为9.7的介电材料，在该空心矩形DR(201)相邻的两个侧壁上各有一条金属条带为空心矩形DR(201)提供具有相等幅度和正交相位差的信号。

5.根据权利要求4所述的宽带圆极化DRA，其特征在于，所述两个附加的矩形DR部分(202)分别被加在空心矩形DR(201)的对角上，用以增加轴比带宽，其大小和形状均一致，采用介电常数为9.7的介电材料。

6.根据权利要求5所述的宽带圆极化DRA，其特征在于，所述金属地层(104)为铺满良导体的金属地层。

7.一种如权利要求6所述的宽带圆极化DRA的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所需要的中心频率和介质基板的相对介电常数，借助全波电磁仿真软件设计一个具有带通滤波特性和谐波抑制功能的微带正交耦合器；

S2：利用全波电磁仿真软件设计一个空心矩形DR和两个附加的矩形DR，通过调节附加矩形DR的参数实现重叠带宽的扩展；

S3：将设计好的微带正交耦合器放在空心矩形DR的空心部分中，进行联合仿真完成设计。