CN107026321A - 一种宽波束平面圆极化天线 - Google Patents

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李笑乾
杨华权
许璐
王雷杰
刘超男
王康
王东东
朱洪波
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Abstract

本发明公开了一种宽波束平面圆极化天线，在介质上分别设计结构相同、反对称布置的平面扇形磁偶极子和反对称排布的V形电偶极子，利用相位转换带线实现90°时间相位差，使天线具有宽波束圆极化辐射特性。本发明实现的圆极化天线，具有15dB以上的前后比，且可实现波束宽度达180°的半球状圆极化波束，分别受控于V形电偶极子围绕扇形磁偶极子中轴线旋转的角度、V形电偶极子的形状和宽度。最大辐射方向平行于天线所在平面，且具有较宽的阻抗带宽，这是以往小型平面微带天线不能实现的特性。本发明具有剖面低、结构简单，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的圆极化性能的特点，在物联网相关的各种射频识别系统中有广泛的应用前景。

Description

一种宽波束平面圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种宽波束平面圆极化天线，属于物联网与微波技术领域。
背景技术
圆极化天线可以接收任意方向的来波，且其辐射波也可由任意极化的天线收到，故在电子侦察和干扰、通信和雷达的极化分集工作、电子对抗方面受到了广泛的应用。圆极化天线的制作大致可以划分为三种方法。第一种方法为互补振子实现圆极化；第二种方法为使用旋转结构，如微带平面旋转天线和立体结构的螺旋天线；第三种方法为在辐射贴片或介质谐振腔上产生交叉偶极子，这两个交叉偶极子的模极化和相位正交。微带天线是采用第一种方法的常见天线类型。这种类型天线结构轻巧、便于集成、可与设备共形、加工容易。其中在引入交叉偶极子的情况下可以同时实现圆极化和端射特性。但是这种平面端射圆极化天线的相对带宽一般只有百分之几。这将很难满足通信系统对于带宽的要求。
天线的前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。在物联网领域中，各个天线分布比较密集，选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱。所以就要想办法提高天线的前后比，抑制天线的后瓣。
而在卫星导航、通信和射频识别等领域中，还需要天线具有足够宽的3dB轴比波束宽度（即：极化波束宽度），要求天线具有接近180°（半球状）、甚至超过180°的轴比波束宽度。尽管平面旋转对称结构的圆极化天线也能实现宽波束，但往往不超过150°，并且波束多垂直于天线的平面,如果想要获得平行于天线平面的圆极化波束，就难免要引入一些非平面结构，所以如何设计一个半球状3dB轴比波束，而且波束指向平行于天线平面所在方向的平面天线是一个难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽波束平面圆极化天线，该组合天线不仅具有良好的圆极化性能，辐射方向平行于天线平面，且具有15dB左右的前后比，3dB圆极化波束张角可展宽至180°。该天线剖面低、结构简单，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的圆极化性能，在物联网相关的各种射频识别系统中有广泛的应用前景。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种宽波束平面圆极化天线，包括非封闭的扇形平面磁偶极子、顶层相位转换带线、顶层V形辐射单元、底层相位转换带线、底层V形辐射单元；
所述扇形平面磁偶极子的非封闭端的上表面通过顶层相位转换带线与顶层V形辐射单元连接，下表面通过底层相位转换带线与底层V形辐射单元连接；扇形平面磁偶极子的上表面、顶层相位转换带线与顶层V形辐射单元在同一平面，扇形平面磁偶极子的下表面、顶层相位转换带线与顶层V形辐射单元在同一平面；
所述顶层相位转换带线与底层相位转换带线的结构与尺寸相同，且关于非封闭的扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布；
顶层V形辐射单元与底层V形辐射单元的结构与尺寸相同，且关于非封闭的扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布；顶层V形辐射单元在底层V形辐射单元所在平面上的投影与底层V形辐射单元有重叠区域；
所属非封闭的扇形平面磁偶极子上设置有馈电结构。
作为本发明的进一步优化方案，所述扇形平面磁偶极子的圆心角大于90°且小于360°。
作为本发明的进一步优化方案，所述重叠区域与相位转换带线相连的顶角为0°-30°，以便调控天线的前后比。
作为本发明的进一步优化方案，馈电结构为同轴线。
作为本发明的进一步优化方案，该天线的上下表面之间填充任意介电常数的介质。
作为本发明的进一步优化方案，所述底层相位转换带线与顶层相位转换带线长度范围在四分之一波长到八分之三波长之间。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明能够在使用平面结构的同时，前后比可以达到15dB左右，能确保3dB圆极化波束张角达到180°，具有良好的圆极化特性和端射特性，该天线剖面低、结构简单，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的圆极化性能，在物联网相关的各种射频识别系统中有广泛的应用前景。
附图说明
图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。
图2是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。
图3是采用IE3D软件计算的天线在YZ面的辐射方向图。
图4是采用IE3D软件计算的天线反射系数特性。
图5是采用IE3D软件计算的天线轴比图。
其中，1是扇形磁偶极子，2是顶层相位转换线，3是底层相位转换线，4是顶层V形辐射单元，5是底层V形辐射单元，6是同轴接头外导体，7是同轴线内导体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明将提出一种宽波束平面端射圆极化天线的设计方法，除实现圆极化波束平行于天线所在平面外，具有15dB以上的前后比，足够宽的3dB轴比波束宽度，且天线剖面低、结构简单，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的圆极化性能，在物联网相关的各种射频识别系统中有广泛的应用前景。
对照附图1、图2，本发明一种宽波束平面圆极化天线的结构是：该天线可以制作在任意合适的介电常数的介质上，该天线的整体辐射单元由扇形平面磁偶极子1、顶层V形辐射单元4、底层V形辐射单元5构成。扇形平面磁偶极子1为非封闭结构，由两个相同的扇形贴片以及连接两个扇形贴片的直边的垂直短路壁构成。顶层V形辐射单元4、底层V形辐射单元5的结构、尺寸完全相同，并关于扇形平面磁偶极子1的中轴线对称布置。扇形平面磁偶极子1的非封闭端，其上表面通过顶层相位转换带线2与顶层V形辐射单元4相连接，下表面通过底层相位转换带线3与底层对跖V形辐射单元5相连接。顶层相位转换带线2与底层相位转换带线3的结构、尺寸完全相同,长度和宽度均可调节。顶层V形辐射单元4和底层V形辐射单元5围绕天线中轴线10旋转一定的角度，角度范围在5°-15°之间。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，其中，本实施例中采用空气介质、扇形平面磁偶极子1上下表面之间的间距为6毫米，扇形平面磁偶极子1的半径为36mm，圆心角9的度数为180°，顶层相位转换带线2与底层相位转换带线3的长度均为四分之一波长，顶层V形辐射单元4、底层V形辐射单元5围绕天线中轴线旋转的角度为15°，利用IE3D软件仿真计算得到的天线各项特性。
图3是采用IE3D软件计算的天线在YZ面的辐射方向图，天线的工作频率在2.4GHz，虚线表示右旋圆极化，实线表示左旋圆极化。可以看出该天线的极化方向为右旋圆极化，且在0°-180°均具有15dB的前后比，波束宽度为180°，具有很宽的波束宽度。
图4是采用IE3D软件计算的天线反射系数特性，图5是采用IE3D软件计算的天线轴比图。根据附图4和图5的结果可见，该天线阻抗带宽覆盖了2.26-2.51GHz频段，相对带宽为10.33％，中心频率在2.42GHz，可以看出该天线具有较宽的阻抗带宽。该天线具有小于3dB的轴比带宽，轴比带宽为2.83-2.41GHz。
综上所述，本发明一种宽波束平面端射圆极化天线的3dB圆极化波束张角可达180°，并且最大辐射方向平行于天线平面。该天线具有螺旋天线的圆极化半球波束性能和其他天线的端射特性，具有高达15dB以上的前后比，3dB圆极化波束张角达到180°，而且剖面低、结构简单，无需外加复杂的移相功分网络即可实现优良的圆极化性能，在物联网相关的各种射频识别系统中有广泛的应用前景。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，包括非封闭的扇形平面磁偶极子、顶层相位转换带线、顶层V形辐射单元、底层相位转换带线、底层V形辐射单元；
所述扇形平面磁偶极子为非封闭结构，由两个相同的扇形贴片以及连接两个扇形贴片的直边的垂直短路壁构成。
2.所述扇形平面磁偶极子的非封闭端的上表面通过顶层相位转换带线与顶层V形辐射单元连接，下表面通过底层相位转换带线与底层V形辐射单元连接；扇形平面磁偶极子的上表面、顶层相位转换带线与顶层V形辐射单元在同一平面，扇形平面磁偶极子的下表面、顶层相位转换带线与顶层V形辐射单元在同一平面；
所述顶层相位转换带线与底层相位转换带线的结构与尺寸相同，且关于非封闭的扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布；
顶层V形辐射单元与底层V形辐射单元的结构与尺寸相同，且关于非封闭的扇形平面磁偶极子的中轴线对称分布；顶层V形辐射单元在底层V形辐射单元所在平面上的投影与底层V形辐射单元有重叠区域；
所属非封闭的扇形平面磁偶极子上设置有馈电结构。
3.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，所述扇形平面磁偶极子的圆心角大于90°且小于360°。
4.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，所述重叠区域与相位转换带线相连的顶角为0°-30°。
5.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，馈电结构为同轴线。
6.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，该天线的上下表面之间填充任意介电常数的介质。
7.根据权利要求1所述的一种宽波束平面圆极化天线，其特征在于，所述底层相位转换带线与顶层相位转换带线长度范围在四分之一波长到八分之三波长之间。
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