CN107069195A - 一种圆极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的金属接地板，还包括设置在绝缘介质板正面的四个金属辐射阵元、以及用于为金属辐射阵元馈电的馈电网络；所述馈电网络包括一个输入端和四个输出端，输入端与绝缘介质板上的馈电输入孔连接，四个输出端分别与四个金属辐射阵元一一对应连接，四个金属辐射阵元位于绝缘介质板上的一个圆周上，四个金属辐射阵元的馈电信号的功率相同且按顺时针或逆时针方向，馈电信号的相位依次相差90度。与现有微带天线相比，本发明所述的微带天线的尺寸小巧、加工简单、且性能稳定，能够更好的满足实际应用需要。
Description
技术领域
本发明涉及电子通讯中的天线技术领域，具体涉及一种圆极化微带天线。
背景技术
专用短程通信(Dedicated Short Range Communication，简称DSRC)是通过车载单元设备(On-Board Units,简称OBU)与路侧单元设备(Road-Side Units，简称RSU)之间的无线通信，将车辆与路网、车辆与车辆联系起来，并结合计算机信息技术和自动控制技术实现交通系统的智能化，提高人们的出行效率，降低车辆管理的成本。天线作为一种能量转换的器件在专用短程通信设备中无线电信号的发射、接收有着关键作用，其性能的优劣可直接体现到用户体验。
智能交通系统中的专用短程通信设备基本都是户外安装，一般采用悬挂的方式安装，设备的体积对其安装的稳定性、抗风能力、施工难易程度、产品外形美观都有很大影响。天线的尺寸是影响设备体积的关键因素之一。微带天线是由金属导体接地板、介质基板及导体薄片而形成的天线，可以在导体薄片与金属导体接地板之间的缝隙产生射频电磁场，并将射频电磁场能量辐射到空间，具有天线结构简单、体积小、重量轻、剖面低、易与载体共形、易于产生圆极化波等优点，广泛应用于卫星通信、射频识别、导航等无线通讯领域。
目前，在微带阵列天线设计中，一种方案通常采用单点馈电的并联馈电结构组阵，阵元通过切角微扰技术产生简并模，实现天线的圆极化性能。为了保证到每个单元天线的相位和功率相同，常采用一分二的T型等功率功分器进行馈电网络设计。但是这种技术方案中存在以下问题：
阵元间相互耦合较强，会影响阵列天线的方向图对称性；
阵列天线轴比带宽较窄，不利于实际应用；
馈电网络与阵列布局不能都中心对称，其能量辐射引起方向图畸变。
另一种设计方案是采用双点馈电技术设计实现天线的圆极化性能，该方案不同程度的提高阵列天线的轴比带宽，将馈电网络与阵元分层设计以降低馈电网络对阵列天线性能的影响。但采用双层结构，破坏了天线低剖面特性，天线成本翻倍增加，且采用双层结构，天线生产工艺要求提升，组装难度增加。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和实际应用的需求，本发明的目的在于
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的金属接地板，还包括设置在绝缘介质板正面的四个金属辐射阵元、以及用于为金属辐射阵元馈电的馈电网络；
所述馈电网包括一个输入端和四个输出端，输入端与绝缘介质板上的馈电输入孔连接，四个输出端分别与四个金属辐射阵元一一对应连接，四个金属辐射阵元位于绝缘介质板上的一个圆周上，四个金属辐射阵元的馈电信号的功率相同且按顺时针或逆时针方向，馈电信号的相位依次相差90度。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，四个金属辐射阵元以绝缘介质板的中心为圆心，依次旋转90度呈2×2矩阵形式排布。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述金属辐射阵元为切角微带天线。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述馈电网络包括第一等功率功分器，第一等功率功分器的输入端与馈电网络的输入端连接，输出端分别第一信号功率及相位调节单元和第二信号功率及相位调节单元连接；
所述第一信号功率及相位调节单元用于将第一等功率功分器输出的一路馈电信号分为功率相等且相位相差90度的两路信号，两路信号的输出端分别与相邻的两个金属辐射阵元连接；
所述第二信号功率及相位调节单元用于将第一等功率功分器输出的另一路馈电信号的相位反转180度后、再分为功率相等且相位相差90度的两路信号，两路信号的输出端分别与另外两个金属辐射阵元连接。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述第一信号功率及相位调节单元包括第一阻抗变换器、第一移相器、第二移相器、第二阻抗变换器和第三阻抗变换器；
第一阻抗变换器的输入端与第一等功率功分器连接，输出端分别与第一移相器和第二移相器的输入端连接，第一移相器通过第二阻抗变换器与所述相邻的两个金属辐射阵元中的一个金属辐射阵元连接，第二移相器通过第三阻抗变换器与另一个金属辐射阵元连接；第一移相器与第二移相器的相位相差90度。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述第一阻抗变换器、第二阻抗变换器和第三阻抗变换器为四分之一波长阻抗变换器。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述第二信号功率及相位调节单元包括180度移相器、第四阻抗变换器、第三移相器第四移相器、第五阻抗变换器和第六阻抗变换器；
180度移相器的输入端与第一等功率功分器连接，输出端与第四阻抗变换器的输入端连接，第四阻抗变换器的输出端分别与第三移相器和第四移相器连接，第三移相器通过第五阻抗变换器与所述另外两个金属辐射阵元中的一个金属辐射阵元连接，第四移相器通过所述第六阻抗变换器与另一个金属辐射阵元连接；第三移相器与第四移相器的相位相差90度。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述第四阻抗变换器、第五阻抗变换器和第六阻抗变换器为四分之一波长阻抗变换器。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述绝缘介质板和金属接地板上对应位置处均设有用于固定绝缘介质板和金属接地板的固定孔。
进一步，如上所述的一种圆极化微带天线，所述金属接地板上与绝缘介质板的馈电输入孔的对应位置处开有面积大于馈电输入孔的孔。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的圆极化微带天线，轴比带宽较宽、增益高、尺寸小巧、加工工艺简单、生产成本低廉、产品性能稳定、抗应用环境干扰能力强等优点，可内置于设备中使用，在智能交通ETC领域具有较高的产业应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中一种圆极化微带天线的侧视图；
图2为本发明实施例中一种圆极化微带天线的俯视图；
图3为本发明实施例中一种圆极化微带天线的仰视图；
图4为本发明实施例中一种馈电网络的电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1、图2和图3分别示出了本发明一个实施中提供的一种圆极化微带天线的侧视图、俯视图和仰视图，所述圆极化微带天线主要包括四个部分，如图1-图3所示，包括绝缘介质板4和设置在绝缘介质板4背面的金属接地板5，还包括设置在绝缘介质板4正面的金属辐射阵元1以及用于为金属辐射阵元1馈电的馈电网络2。
其中，所述馈电网络2包括一个输入端和四个输出端，输入端与绝缘介质板上4的馈电输入孔6连接，四个输出端分别与四个金属辐射阵元1一一对应连接，四个金属辐射阵元1位于绝缘介质板4上的一个圆周上，四个金属辐射阵元1的馈电信号的功率相同且按顺时针或逆时针方向，馈电信号的相位依次相差90度。
其中，四个金属辐射阵元1的馈电信号的相位差按顺时针或逆时针方向依次相差90度，相位增加的方向决定了天线圆极化方向，逆时针依次增加为右旋圆极化天线，顺时针依次增加为左旋圆极化天线。
在本发明的一个实施例中，所述四个金属辐射阵元1的相位依次为0度、90度、180度和270度。
为了更好的保证微带天线的圆极化特征，优选的，所述四个金属辐射阵元1以绝缘介质板4的中心为圆心，依次旋转90度呈2×2矩阵形式排布，即四个金属辐射阵元1以绝缘介质板4的横轴和纵轴均对称分布，如图2所示。
所述金属辐射阵元1优选为切角微带天线，通过调整切角尺寸可以优化阵元的圆极化特征。
在实际应用中，对于所述金属辐射阵元1的样式，可以根据实际需要进行不同的选择，包括但不限于正方形切角的圆极化微带天线(图2中所示)，边馈矩形微带天线、对角馈电的矩形微带天线、圆形的微带天线或者是线极化微带天线等。
为了实现对馈电网络2对金属辐射阵元1的馈电信号的控制，在本发明的一个实施例中，所述馈电网络2包括第一等功率功分器，第一等功率功分器的输入端与馈电网络2的输入端连接，输出端分别第一信号功率及相位调节单元和第二信号功率及相位调节单元连接；
所述第一信号功率及相位调节单元用于将第一等功率功分器输出的一路馈电信号分为功率相等且相位相差90度的两路信号，两路信号的输出端分别与相邻的两个金属辐射阵元连接；
所述第二信号功率及相位调节单元用于将第一等功率功分器输出的另一路馈电信号的相位反转180度后、再分为功率相等且相位相差90度的两路信号，两路信号的输出端分别与另外两个金属辐射阵元连接。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，所述第一信号功率及相位调节单元包括第一阻抗变换器7、第一移相器8、第二移相器9、第二阻抗变换器10和第三阻抗变换器11。其中，第一阻抗变换器7的输入端与第一等功率功分器连接，输出端分别与第一移相器8和第二移相器9的输入端连接，第一移相器8通过第二阻抗变换器10与所述相邻的两个金属辐射阵元中的一个金属辐射阵元1连接，第二移相器9通过第三阻抗变换器11与另一个金属辐射阵元1连接；第一移相器8与第二移相器9的相位相差90度。
其中，所述第一阻抗变换器7、第二阻抗变换器10和第三阻抗变换器11优选为四分之一波长阻抗变换器。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，所述第二信号功率及相位调节单元包括180度移相器12、第四阻抗变换器13、第三移相器14、第四移相器15、第五阻抗变换器16和第六阻抗变换器17；180度移相器12的输入端与第一等功率功分器连接，输出端与第四阻抗变换器13的输入端连接，第四阻抗变换器13的输出端分别与第三移相器14和第四移相器15连接，第三移相器14通过第五阻抗变换器16与所述另外两个金属辐射阵元中的一个金属辐射阵元1连接，第四移相器15通过所述第六阻抗变换器17与另一个金属辐射阵元1连接；第三移相器14与第四移相器15的相位相差90度。
其中，所述第四阻抗变换器13、第五阻抗变换器16和第六阻抗变换器17优选为四分之一波长阻抗变换器。
对于图4中所示的馈电网络结构2，分布在四个金属辐射阵元1的中间位置，射频信号从输入端口6进来后第一次分为两路功率和相位都相同的信号，其中一路信号经过四分之一波长阻抗变换器7后第二次进行等功率、等相位分为两路信号：一路经过移相器8、四分之一波长阻抗变换器10馈入金属辐射阵元；另外一路经过移相器9、四分之一波长阻抗变换器11馈入另外一个辐射阵元，移相器8和移相器9相位差90度。第一次分出的另外一路信号先经过一个180度的移相器12后，再进入四分之一波长阻抗变换器13，进行第二次功率等分：一路经过移相器14、四分之一波长阻抗变换器16馈入金属辐射阵元，另外一路经过移相器15、四分之一波长阻抗变换器17馈入另外一个辐射阵元。经过馈电网络的功率分配和移相，四个输出端口的信号功率相同，相位依次为0度，90度，180度，270度。相位增加的方向决定了阵列天线圆极化方向，逆时针依次增加为右旋圆极化天线，顺时针依次增加为左旋圆极化天线。
在实际应用中，所述的第一信号功率及相位调节单元和第二信号功率及相位调节单元中的功分器、移相器及阻抗变换器等器件均优选微带线结构的器件，即微带线移相器、微带线等功率功分器、微带线阻抗变换器等。
需要说明的是，图4中所示的馈电网络结构只是馈电网络的一种优选的形式，在实际应用中，馈电网络2的排布以及馈电网络2的具体电路结构可以根据实际情况选择电路构成以及布局方式。
在本发明的一个实施例中，所述金属辐射阵元1为正方形切角微带天线，边长为14.7mm，切角的直角边长为2.1mm，极化方式为右旋圆极化，阵元间距16.3mm。
在一个实施例中，所述第二阻抗变阻器10、第三阻抗变阻器11、第五阻抗变阻器16和第六阻抗变阻器17与金属辐射阵元1连接的一端的阻抗为200欧姆，这四个阻抗变阻器的特征阻抗为140欧姆，对应的可知，第一移相器8、第二移相器9、第三移相器14、第四移相器15的特征阻抗约为100欧姆，当馈电网络的输入端口的输入阻抗满足50欧姆标准时，对应的第一阻抗变阻器7和第四阻抗变阻器13的特征阻抗均约为71欧姆。
在实际应用中，对于图1和图4中所示的圆极化微带天线结构，馈电网络结构2优选以绝缘介质板的中心为圆心旋转45度，在方便与金属辐射阵元连接的前提下，降低馈电网络的走线长度。
为了使微带天线的结构更加稳定，所述绝缘介质板4和金属接地板5上对应位置处均设有用于固定绝缘介质板4和金属接地板5的固定孔18，如图2和图3中的绝缘介质板和金属接地板的四角位置。
为了防止焊接时天线短路，所述金属接地板5上与绝缘介质板4的馈电输入孔6对应的位置处开有面积大于所述馈电输入孔6的孔。
在实际应用中，所述绝缘介质板4可以是聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板或其它高频材料。金属接地板5为覆铜层，作为天线的地。金属接地板5、金属辐射阵元1和馈电网络2采用镀金工艺处理。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板(4)和设置在绝缘介质板(4)背面的金属接地板(5)，其特征在于：还包括设置在绝缘介质板(4)正面的四个金属辐射阵元(1)、以及用于为金属辐射阵元(1)馈电的馈电网络(2)；
所述馈电网络(2)包括一个输入端和四个输出端，输入端与绝缘介质板上(4)的馈电输入孔(6)连接，四个输出端分别与四个金属辐射阵元(1)一一对应连接，四个金属辐射阵元(1)位于绝缘介质板(4)上的一个圆周上，四个金属辐射阵元(1)的馈电信号的功率相同且按顺时针或逆时针方向，馈电信号的相位依次相差90度。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：四个金属辐射阵元(1)以绝缘介质板(4)的中心为圆心，依次旋转90度呈2×2矩阵形式排布。
3.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述金属辐射阵元(1)为切角微带天线。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述馈电网络(2)包括第一等功率功分器，第一等功率功分器的输入端与馈电网络(2)的输入端连接，输出端分别第一信号功率及相位调节单元和第二信号功率及相位调节单元连接；
所述第一信号功率及相位调节单元用于将第一等功率功分器输出的一路馈电信号分为功率相等且相位相差90度的两路信号，两路信号的输出端分别与相邻的两个金属辐射阵元连接；
所述第二信号功率及相位调节单元用于将第一等功率功分器输出的另一路馈电信号的相位反转180度后、再分为功率相等且相位相差90度的两路信号，两路信号的输出端分别与另外两个金属辐射阵元连接。
5.根据权利要求4所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第一信号功率及相位调节单元包括第一阻抗变换器(7)、第一移相器(8)、第二移相器(9)、第二阻抗变换器(10)和第三阻抗变换器(11)；
第一阻抗变换器(7)的输入端与第一等功率功分器连接，输出端分别与第一移相器(8)和第二移相器(9)的输入端连接，第一移相器(8)通过第二阻抗变换器(10)与所述相邻的两个金属辐射阵元中的一个金属辐射阵元(1)连接，第二移相器(9)通过第三阻抗变换器(11)与另一个金属辐射阵元(1)连接；第一移相器(8)与第二移相器(9)的相位相差90度。
6.根据权利要求5所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第一阻抗变换器、第二阻抗变换器和第三阻抗变换器为四分之一波长阻抗变换器。
7.根据权利要求4所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第二信号功率及相位调节单元包括180度移相器(12)、第四阻抗变换器(13)、第三移相器(14)、第四移相器(15)、第五阻抗变换器(16)和第六阻抗变换器(17)；
180度移相器(12)的输入端与第一等功率功分器连接，输出端与第四阻抗变换器(13)的输入端连接，第四阻抗变换器(13)的输出端分别与第三移相器(14)和第四移相器(15)连接，第三移相器(14)通过第五阻抗变换器(16)与所述另外两个金属辐射阵元中的一个金属辐射阵元(1)连接，第四移相器(15)通过所述第六阻抗变换器(17)与另一个金属辐射阵元(1)连接；
第三移相器(14)与第四移相器(15)的相位相差90度。
8.根据权利要求7所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第四阻抗变换器(13)、第五阻抗变换器(16)和第六阻抗变换器(17)为四分之一波长阻抗变换器。
9.根据权利要求1至8之一所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述绝缘介质板(4)和金属接地板(5)上对应位置处均设有用于固定绝缘介质板(4)和金属接地板(5)的固定孔(18)。
10.根据权利要求1至8之一所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述金属接地板(5)上与绝缘介质板(4)的馈电输入孔(6)的对应位置处开有面积大于馈电输入孔(6)的孔。
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