CN106816691A - Uhf频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化水介质天线，应用于通信技术领域。包括：天线辐射结构、十字形馈电网络、T型偶极子馈电结构、水介质基板结构。天线结构为微带贴片天线结构，天线由三部分组成分别为：天线的辐射结构，天线的复合水介质板结构，天线的馈电和匹配网络。天线主要的性能为：‑10dB回波损耗阻抗带宽为389MHz‑560MHz，阻抗带宽区间内几乎实现全向辐射，增益大于‑6dB，最高可以达到‑2.4dB,阻抗带宽范围内圆极化带宽大于19％，3dB轴比带宽远超阻抗带宽。

Description

UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体地，涉及一种UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化贴片天线。

背景技术

随着现代通信技术的发展，人们对电子设备的要求越来越高，并且要求设备具有宽带化共用化的功能，天线作为无线电系统中的重要组成部分，其小型化和宽带化也越来越受到研究人员的重视。同时UHF频段的天线工作波长长，使用常规的天线尺寸较大，在有限的空间内很难实现宽带等特性。另外由于微带天线本身结构简单，便于加工制作，使用方便等特点，越来越受到研究人员的重视，但是由于微带天线本身结构的限制，使得其具有带宽窄和增益低的特点，是研究人员需要解决的问题。

另外单纯的线极化很难满足通信要求。圆极化天线具有可接收任意极化方式的来波，且其辐射波也可被任意极化方式的天线收到，有旋向正交性，能够抑制云雨干扰和抗多径反射等优点。由于圆极化天线在现代通信中的优越性能，受到人们越来越多的关注。而宽带圆极化可以在很宽范围内实现极化方式为圆极化的方式，便于接收任意方向过来的任意极化形式的电磁波。在RFID、广播电视、移动基站、遥感遥测、航空航天、电子对抗、电子干扰等领域有着广泛的应用前景。

小型化宽带天线的实现方式有很多，按照实现原理大致可以分为两类：一是利用切角或刻缝隙槽来改变天线在该位置的阻抗或延长辐射天线的有效电流长度来达到小型化和宽带的目的，经过一系列文献的阅读，发现这样做只能在很有限的频带范围内改善天线的性能；另一种是使用超材料结构或者超表面结构来实现小型化宽带。经文献检索，SonXuat Ta和Ikmo Park等人2015年在IEEE Trans.Antennas Propag.期刊上发表的文章“Low-Profile Broadband Circularly Polarized Patch Antenna Using Metasurface”提出了一种低剖面宽带圆极贴片天线，但是从他的仿真结果看到，该天线的-10dB带宽和3dB轴比带宽虽然和本文差不多，但是其天线的工作尺寸相对波长来说远远大于本发明所设计的天线。所以总体说来，到目前的研究为止，还没有能同时实现高带宽和小尺寸的贴片天线，所以在这方面，仍然需要深入的研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有小型化低剖面宽带圆极化贴片天线。

根据本发明提供的一种UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，包括天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构、复合水介质板结构、SMA接头；

天线辐射结构连接至阻抗匹配结构；

阻抗匹配结构与馈电结构耦合馈电；

天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构设置在复合水介质板结构上；

SMA接头通过背馈方式对馈电结构进行射频激励。

优选地，采用微带线的阻抗匹配结构包括十字型阻抗匹配网络；

馈电结构包括第一T型偶极子、第二T型偶极子，第一T型偶极子、第二T型偶极子构成被十字型阻抗匹配网络围绕的一组T型偶极子馈电结构；

所述一组T型偶极子馈电结构通过缝隙耦合馈电给十字型阻抗匹配网络。

优选地，天线辐射结构采用微带线结构；

天线辐射结构包括均采用平面螺旋结构且沿圆周方向依次分布的第一螺旋辐射段、第二螺旋辐射段、第三螺旋辐射段、第四螺旋辐射段；

第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段的旋转方向相反；

第二螺旋辐射段、第四螺旋辐射段的旋转方向相反；

第一螺旋辐射段、第四螺旋辐射段的旋转方向相同；

在十字型阻抗匹配网络的相对的两端中，第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段连接十字型阻抗匹配网络的一端，第二螺旋辐射段、第四螺旋辐射段连接十字型阻抗匹配网络的另一端。

优选地，在十字型阻抗匹配网络连接第三螺旋辐射段的一端部处的微带线具有第一缝隙；在十字型阻抗匹配网络连接第二螺旋辐射段的另一端部处的微带线具有第二缝隙。

优选地，电流到达第二螺旋辐射段、第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段、第四螺旋辐射段时，分别实现相位0°、90°、180°、270°的相位差。

优选地，复合水介质板结构包括依次设置的上层介质板、中间层介质板、下层介质板；

上层介质板、下层介质板均为整块固体介质板；

中间层介质板是局部为镂空腔体的固体介质板，镂空腔体内加入有液体；

天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构设置在上层介质板上；

SMA接头在下层介质板中心的下方。

本发明中UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线属于贴片天线，整个贴片天线采用SMA接头背馈方式激励。SMA接头通过背馈的形式给天线的一组T型偶极子馈电结构进行射频激励。所述天线的十字型阻抗匹配网络的第一缝隙、第二缝隙，起到末端电容加载的作用，可以有效的减小天线的工作频率。所述天线通过一组T型偶极子缝隙耦合馈电，十字型阻抗匹配网络在辐射结构交叉处实现辐射结构匹配另一枝节高阻抗的特性，从而使得电流在分别到达四个辐射平面螺旋结构时，使得图1中示出的十字型阻抗匹配网络中的微带线构成的十字型微带线的两侧臂的右上、左上、左下、右下四个螺旋臂实现了相位0°、90°、180°、270°的相位差，构成一组正交偶极子，从而向外辐射圆极化波。所述天线的中间层介质板引进水等液体的作用可以很大范围内降低天线的品质因素，从而能有效的增加天线的工作带宽。所述天线采用背馈的方式进行馈电，由于本身辐射结构的紧凑性，通过简单的优化可以很好的跟50Ω同轴馈电匹配，结构简单，易于加工。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过在介质板中加入液态水，可以有效的降低天线的Q值，从而能在很宽的范围内达到很好的回波损耗。

2、本发明属于小型化天线范围，尺寸大小为工作波长的0.24倍。

3、本发明具有很宽的-10dB阻抗带宽39％。

4、本发明具有阻抗带宽范围内很宽的3dB轴比带宽19％，非阻抗带宽内也有一部分很宽的轴比带宽。

4、本发明的主体为低剖面贴片天线，结构简单容易加工。

5、本发明的宽带实现主要由介质中引入水的结构，降低天线的Q值，可以灵活的控制水的多少来实现天线带宽的增加或减少。

6、本发明的天线形状规则对称，工作频率完全由天线尺寸决定，所以在加工工艺允许范围内，可以很容易的任意更改天线的工作频带。

7、本发明天线结构简单，阻抗带宽范围内的增益大于-6dB,最大达到-2.4dB。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明小型化低剖面宽带圆极化水介质贴片天线的俯视图；

图2为本发明小型化低剖面宽带圆极化水介质贴片天线的中间层介质板结构图，图中的黑色部位为水；

图3为本发明小型化低剖面宽带圆极化水介质天线的三维剖面图；

图4为本发明实施例的本发明小型化低剖面宽带圆极化水介质天线的的回波损耗图；

图5为本发明实施例在300MHz-700MHz的轴比分布图；

图6为本发明实施例在300MHz-700MHz的Realized gain分布图；

图中：

1-第一螺旋辐射段

2-第二螺旋辐射段

3-第三螺旋辐射段

4-第四螺旋辐射段

5-十字型阻抗匹配网络

6-第一T型偶极子

7-第二T型偶极子

8-上层介质板

9-中间层介质板

10-下层介质板

100-阻抗匹配结构与馈电结构之间的缝隙

101-第一缝隙

102-第二缝隙

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1、图2和图3，一种小型化低剖面宽带圆极化水介质贴片天线，包括：天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构、复合水介质板结构、SMA接头。

天线辐射结构为4个平面螺旋结构，通过一段微带线与天线的阻抗匹配结构相连接。通过一组T型偶极子的耦合馈电，在天线的介质板中心之间连接SMA接头进行射频激励。进一步地，天线辐射结构为微带线结构，微带线宽为4mm，平面螺旋结构绕2.5圈，馈电形式采用T型偶极子馈电，偶极子线宽为2.3mm，采用一个十字型阻抗匹配结构。微带线采用蚀刻法蚀刻在介电常数为3.55的罗杰斯4003a介质板，上层介质板和下层介质板均采用罗杰斯4003a介质板，厚度为0.203mm，中间层介质板部分镂空填充水介质，在介质板的中心部分直接采用背馈形式连接SMA头进行射频激励。

本发明宽带圆极化的工作原理如下：

如图1和图2所示，其为本发明小型化低剖面宽带圆极化水介质贴片天线的俯视图和中间层介质板结构。射频激励信号SMA接头从背部对天线馈电，信号经过同轴线进入一组T型偶极子馈电结构，经过微带线耦合进入天线的阻抗匹配结构，通过阻抗匹配结构的传播，在结构第一螺旋辐射段、第二螺旋辐射段、第三螺旋辐射段、第四螺旋辐射段处形成辐射结构阻抗匹配另外直接呈现高阻抗，从而使得在第二螺旋辐射段、第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段、第四螺旋辐射段处有0°、90°、180°、270°的相位差，使得第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段构成偶极子的一臂，第二螺旋辐射段、第四螺旋辐射段构成另一臂实现圆极化。引入高介电常数有耗水介质可以使得天线的品质因素大大降低，使得在原有基础上大大增加天线的阻抗带宽。

如图4所示是本实施例的仿真得到的回波损耗图。从图中可以看出在389MHz-562MHz内回波损耗基本小于-10dB。

如图5所示是本实例的仿真得到的在300MHz-700MHz，phi＝45°方向上的轴比随频率的变化。可以看到在477MHz-563MHz范围内天线的AR小于3dB。

如图5所示是本实例的仿真得到的在300MHz-700MHz范围内增益图。从图中可以看出，在整个阻抗带宽范围内增益大于-6dB,在400MHz可以达到-2.4dB的增益。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，其特征在于，包括天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构、复合水介质板结构、SMA接头；

天线辐射结构连接至阻抗匹配结构；

阻抗匹配结构与馈电结构耦合馈电；

天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构设置在复合水介质板结构上；

SMA接头通过背馈方式对馈电结构进行射频激励。

2.根据权利要求1所述的UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，其特征在于，采用微带线的阻抗匹配结构包括十字型阻抗匹配网络；

馈电结构包括第一T型偶极子、第二T型偶极子，第一T型偶极子、第二T型偶极子构成被十字型阻抗匹配网络围绕的一组T型偶极子馈电结构；

所述一组T型偶极子馈电结构通过缝隙耦合馈电给十字型阻抗匹配网络。

3.根据权利要求2所述的UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，其特征在于，天线辐射结构采用微带线结构；

天线辐射结构包括均采用平面螺旋结构且沿圆周方向依次分布的第一螺旋辐射段、第二螺旋辐射段、第三螺旋辐射段、第四螺旋辐射段；

第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段的旋转方向相反；

第二螺旋辐射段、第四螺旋辐射段的旋转方向相反；

第一螺旋辐射段、第四螺旋辐射段的旋转方向相同；

在十字型阻抗匹配网络的相对的两端中，第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段连接十字型阻抗匹配网络的一端，第二螺旋辐射段、第四螺旋辐射段连接十字型阻抗匹配网络的另一端。

4.根据权利要求3所述的UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，其特征在于，在十字型阻抗匹配网络连接第三螺旋辐射段的一端部处的微带线具有第一缝隙；在十字型阻抗匹配网络连接第二螺旋辐射段的另一端部处的微带线具有第二缝隙。

5.根据权利要求4所述的UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，其特征在于，电流到达第二螺旋辐射段、第一螺旋辐射段、第三螺旋辐射段、第四螺旋辐射段时，分别实现相位0°、90°、180°、270°的相位差。

6.根据权利要求1所述的UHF频段的小型化低剖面宽带圆极化复合水介质天线，其特征在于，复合水介质板结构包括依次设置的上层介质板、中间层介质板、下层介质板；

上层介质板、下层介质板均为整块固体介质板；

中间层介质板是局部为镂空腔体的固体介质板，镂空腔体内加入有液体；

天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构设置在上层介质板上；

SMA接头在下层介质板中心的下方。