CN107069205A - 新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线。该天线基于电磁偶极子互补工作原理，使用单馈电方式实现低剖面圆极化电磁偶极子天线,整个结构采用四层PCB组合,大大缩减传统电磁偶极子天线剖面较高这一缺点,另外本设计巧妙地利用电偶极子,磁偶极子旋转对称的方式实现了天线左旋圆极化特性。本作品为低剖面圆极化电磁偶极子天线,具有宽带，低剖面，圆极化，高增益，方向图一致的功能。本发明不仅可以实现天线的宽带效果，而且采用新颖巧妙地结构形式实现圆极化低剖面的优良特性，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及圆极化天线技术领域，尤其涉及一种新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线。
背景技术
圆极化天线因其发射的信号可以被任意极化方式的天线接收到，可以大大减少能量损耗和不必要的极化损失而在电子侦察，电子对抗等很多领域得到普遍的应用。电磁偶极子天线因其利用电磁偶极子互补原理可以在较宽的频带内实现天线方向图的一致性等特性在近年来也受到越来越多研究者的青睐。但是传统的电磁偶极子天线实现圆极化特性都是利用双馈的形式，这无疑增加了天线设计的成本和难度，同时传统的的电磁偶极子天线剖面较高，基本在四分之一个波长，使得其应用范围严重受到限制。
利用PCB技术和曲流技术实现的电磁偶极子天线，相较于传统电磁偶极子天线，可以大大降低天线剖面，另外利用旋转对称方式放置天线的电偶极子，仅使用单馈电的形式就可以将实现天线的圆极化特性。这种馈电方式可以减小天线的复杂度，节约成本。
此外，这种电磁偶极子天线还能在较宽的频带范围内实现天线的方向图的一致性，同时轴比较低，天线的增益较高。因此对这种天线进行研究从而获得更高性能的天线技术指标具有重要的实际工程价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，通过采用PCB技术和曲流技术等方法降低天线的剖面，另外利用旋转对称方式放置天线的电偶极子，施加以适当的单馈电激励，实现天线圆极化特性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，包含第一至第四层PCB板；
所述第一至第四层PCB版均为矩形；
所述第一层PCB板上设有第一至第三贴片，其中，所述第一贴片上设有若干金属化过孔；所述第二贴片和第一贴片关于第一层PCB板的中心旋转对称；所述第三贴片设置在PCB板的中心，其上设有一个非金属化过孔和至少一个金属化过孔；
所述第二层PCB板上设有第四至第七贴片，其中，所述第四贴片上设有和所述第一贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第五贴片上设有和所述第二贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第六贴片上设有和所述第三贴片上的金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第七贴片上设有一个和所述第三贴片上非金属化过孔相对应的非金属化过孔；
所述第三层PCB板上设有第八至第十一贴片，其中，所述第八贴片上设有和所述第四贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第九贴片上设有和所述第五贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第十贴片上设有一个和所述第七贴片上非金属化过孔对应的非金属化过孔；所述第十一贴片和所述第六贴片对应设置；
所述第四层PCB板上设有第十二贴片；所述第十二贴片呈领结形、关于第四层PCB板的中心呈中心对称，其上设有和所述第十贴片上非金属化过孔对应的金属化过孔；
所述第十二贴片上的金属化过孔通过同轴线和第十贴片上的非金属化过孔、第七贴片上的非金属化过孔、第三贴片上的非金属化过孔依次相连；
所述第二贴片、第一贴片形成关于第一层PCB板的中心旋转对称的电偶极子，所述第十二贴片形成磁偶极子，同轴线、第三贴片、第三贴片上的金属化过孔、第六贴片上的金属化过孔一起形成馈电结构，且所述电偶极子与磁偶极子位置相互正交。
作为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线进一步的优化方案，所述第一至第四层PCB板均采用wangling制成，介电常数为2.65，厚度为1.5mm。
作为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线进一步的优化方案，所述第一层PCB板在其两个对角处沿边缘均设有若干金属化过孔，所述两个对角边缘处的金属化过孔均呈L形，所述第二至第四层PCB板上均设有和所述第一层PCB板上金属化过孔对应的金属化过孔。
作为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线进一步的优化方案，所述第一贴片上金属化过孔的数量是6到12个。
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：
1.本发明主要提出一种新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，通过电磁偶极子天线互补原理实现天线宽带圆极化，低剖面，高增益，XOZ面YOZ面方向图良好的一致性。
2. 结构简单：结构为印刷电路板，简单紧凑，方便加工，适合大量生产。
3. 创新性强，技术前瞻性好：本发明使用旋转对称的电偶极子，实现了圆极化特性；同时使用曲流技术和PCB工艺有效地较低天线的剖面，创新性强；拓展了基站天线的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
4.宽带低轴比高增益：宽带双极化天线能够实现轴比带宽23%，XOZ面、YOZ面方向图一致性良好，整个工作频带内天线的增益在5.6dBi以上，且增益稳定。
5.加工成本低：整个天线PCB制作，成本低。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2为本发明中第一层PCB板的结构示意图；
图3为本发明中第二层PCB板的结构示意图；
图4为本发明中第三层PCB板的结构示意图；
图5为本发明中第四层PCB板的结构示意图；
图6为本发明的侧视图；
图7 为本发明的S参数结果图；
图8为本发明的轴比结果图；
图9为本发明的天线增益图；
图10、图11、图12分别为本发明在5.2GHz、5.7GHz、6.2GHz的工作方向图。
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：
本发明公开了一种新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，包含第一至第四层PCB板；
所述第一至第四层PCB版均为矩形；
所述第一层PCB板上设有第一至第三贴片，其中，所述第一贴片上设有若干金属化过孔；所述第二贴片和第一贴片关于第一层PCB板的中心旋转对称；所述第三贴片设置在PCB板的中心，其上设有一个非金属化过孔和至少一个金属化过孔；
所述第二层PCB板上设有第四至第七贴片，其中，所述第四贴片上设有和所述第一贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第五贴片上设有和所述第二贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第六贴片上设有和所述第三贴片上的金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第七贴片上设有一个和所述第三贴片上非金属化过孔相对应的非金属化过孔；
所述第三层PCB板上设有第八至第十一贴片，其中，所述第八贴片上设有和所述第四贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第九贴片上设有和所述第五贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第十贴片上设有一个和所述第七贴片上非金属化过孔对应的非金属化过孔；所述第十一贴片和所述第六贴片对应设置；
所述第四层PCB板上设有第十二贴片；所述第十二贴片呈领结形、关于第四层PCB板的中心呈中心对称，其上设有和所述第十贴片上非金属化过孔对应的金属化过孔；
所述第十二贴片上的金属化过孔通过同轴线和第十贴片上的非金属化过孔、第七贴片上的非金属化过孔、第三贴片上的非金属化过孔依次相连；
所述第二贴片、第一贴片形成关于第一层PCB板的中心旋转对称的电偶极子，所述第十二贴片形成磁偶极子，同轴线、第三贴片、第三贴片上的金属化过孔、第六贴片上的金属化过孔一起形成馈电结构，且所述电偶极子与磁偶极子位置相互正交。
所述第一至第四层PCB板均采用wangling制成，介电常数为2.65，厚度为1.5mm。
所述第一层PCB板在其两个对角处沿边缘均设有若干金属化过孔，所述两个对角边缘处的金属化过孔均呈L形，所述第二至第四层PCB板上均设有和所述第一层PCB板上金属化过孔对应的金属化过孔。
所述第一贴片上金属化过孔的数量是6到12个。
第一至第四层PCB板两个对角边缘处的金属化过孔可以大大提高电磁偶极子的圆极化特性，大大改善天线的方向图，使得天线的XOZ面、YOZ面在整个频带内保持很好的一致性。
电偶极子采用旋转对称的结构，实现天线的圆极化特性。馈线结构包括一个垂直探针，一个位于旋转对称的偶极子中间的矩形贴片，还有一个控制天线电容特性的延伸部分。磁偶极子采用曲流技术，利用第四层上面的领结型贴片将电流进行折叠，有效降低天线剖面。
本发明只需要采用单馈电方式就可以实现圆极化特性，比传统的双馈电结构简单很多，同时采用PCB制作，易于加工，适合大量生产。
本发明基于电磁偶极子互补理论，使用单馈电方式实现低剖面圆极化电磁偶极子天线,整体结构采用四层PCB组合, PCB材料为wangling，介电常数为2.65，厚度为1.5毫米。每层PCB大小都相同，层与层之间采用结构胶粘贴,使其构成一个整体。本发明使用单馈电方式实现低剖面圆极化电磁偶极子天线，大大缩减传统电磁偶极子天线剖面较高这一缺点,另外本设计巧妙地利用电偶极子,磁偶极子旋转对称的方式实现了天线左旋圆极化特性。本作品为低剖面圆极化电磁偶极子天线,具有宽带，低剖面，圆极化，高增益，XOZ面、YOZ面方向图一致的功能。
新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线整体结构如图1所示,使用单馈电方式实现,采用四层PCB组成，每层PCB大小都相同为长度为l0=43.5mm，宽度为w0=41.5mm，厚度为h0=1.5mm。层与层之间采用结构胶粘贴,使其构成一个整体。
图2为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线第一层PCB的主视图。从图中可以看到，天线的电偶极子的两个贴片形状为矩形长度为l1=19mm，宽度为w1=7.7mm，同时在贴片上挖掉一个小矩形长度为l2=5.7mm，宽度为w2=4.7mm，电偶极子采用旋转对称的方式放置实现天线的圆极化特性。馈电结构的中间部分为贴片中间的两个矩形，大尺寸的矩形长度为l3=5mm，宽度为w3=4.8mm，小尺寸的矩形长度为l4=3mm，宽度为w4=1.4mm。前者距电偶极子的距离为s1=0.4mm, 后者距电偶极子的距离为s1=0.35mm,金属化过孔直径为d1=1mm，金属化过孔之间的间距为s=0.5mm。在边缘处金属化过孔中心距贴片边缘的距离为s3=0.25mm。
图3、图4为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线第二、第三层PCB的主视图。两个旋转对称的矩形贴片长度为l6=13.5mm，宽度为w2=1.6mm，他们中间的矩形的矩形贴片为长度为l4=3mm，宽度为w7=1.6mm，正方形贴片的长度为l7=w6=1.6mm。
图5为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线第四层PCB的主视图。从图中可以看出，领结型贴片的短边长度为l8=9mm，长边长度为l8=10mm，挖掉的三角形贴片底为w9=7.2mm,高为l9=2mm。圆柱孔洞直径为2.4mm。圆心距离短边的距离为w10=2.6mm。
图6为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线侧视图。从图中可以看出天线由50欧姆同轴线馈电，同轴的内芯直接由金属化过孔连接到天线顶端的贴片，外面和第四层表面的贴片连接。图中ab部分为馈线的第一部分，传输能量给bc部分；bc部分电感性，将能量耦合至旋转对称的电偶极子贴片；cd部分与邻近的金属化过孔作用，具有电容的特性，消除bc部分带来的额外的电感。磁偶极子利用曲流技术，将其弯折，有效降低天线的剖面。
图7为本发明宽带圆极化低剖面电磁偶极子天线的S参数，从图中可以看出，5.0GHz-6.5GHz整个频带范围的反射系数S11均小于-10dB时，天线的工作带宽较宽。
图8为本发明宽带圆极化低剖面电磁偶极子天线的轴比，5.08-6.41GHz频带内天线的轴比均在3dB以下，且波动较小相对很稳定，充分说明天线实现了良好的圆极化特性。
图9为本发明宽带圆极化低剖面电磁偶极子天线的增益，可以看出在整个频带内天线的轴增益均在5.6dB以上，且相对很稳定。
图10、图11、图12为本发明新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线分别在5.2GHz,5.7 GHz,6.2GHz频带下的方向图，XOZ面YOZ面保持高度的一致性，天线右旋圆极化较小，从而实现左旋圆极化天线，同时充分验证了之前说所叙述的电磁偶极子原理。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，包含第一至第四层PCB板；
所述第一至第四层PCB版均为矩形；
所述第一层PCB板上设有第一至第三贴片，其中，所述第一贴片上设有若干金属化过孔；所述第二贴片和第一贴片关于第一层PCB板的中心旋转对称；所述第三贴片设置在PCB板的中心，其上设有一个非金属化过孔和至少一个金属化过孔；
所述第二层PCB板上设有第四至第七贴片，其中，所述第四贴片上设有和所述第一贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第五贴片上设有和所述第二贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第六贴片上设有和所述第三贴片上的金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第七贴片上设有一个和所述第三贴片上非金属化过孔相对应的非金属化过孔；
所述第三层PCB板上设有第八至第十一贴片，其中，所述第八贴片上设有和所述第四贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第九贴片上设有和所述第五贴片上金属化过孔一一对应的金属化过孔；所述第十贴片上设有一个和所述第七贴片上非金属化过孔对应的非金属化过孔；所述第十一贴片和所述第六贴片对应设置；
所述第四层PCB板上设有第十二贴片；所述第十二贴片呈领结形、关于第四层PCB板的中心呈中心对称，其上设有和所述第十贴片上非金属化过孔对应的金属化过孔；
所述第十二贴片上的金属化过孔通过同轴线和第十贴片上的非金属化过孔、第七贴片上的非金属化过孔、第三贴片上的非金属化过孔依次相连；
所述第二贴片、第一贴片形成关于第一层PCB板的中心旋转对称的电偶极子，所述第十二贴片形成磁偶极子，同轴线、第三贴片、第三贴片上的金属化过孔、第六贴片上的金属化过孔一起形成馈电结构，且所述电偶极子与磁偶极子位置相互正交。
2.根据权利要求1所述的新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一至第四层PCB板均采用wangling制成，介电常数为2.65，厚度为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一层PCB板在其两个对角处沿边缘均设有若干金属化过孔，所述两个对角边缘处的金属化过孔均呈L形，所述第二至第四层PCB板上均设有和所述第一层PCB板上金属化过孔对应的金属化过孔。
4.根据权利要求1所述的新型宽带低剖面圆极化电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一贴片上金属化过孔的数量是6到12个。
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