CN107394418A - 一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，包括：介质基板、双馈微带天线、介质谐振天线、地板以及馈电结构；所述介质谐振天线设置在所述介质基板上表面，所述双馈微带天线设置在所述介质基板上表面与所述介质谐振天线之间；所述地板设置在所述介质基板下表面，作为所述介质谐振天线和所述双馈微带天线的共用接地板；所述馈电结构分别向所述介质谐振天线和所述双馈微带天线馈电。本发明提供一种能够提升天线效率，抗干扰能力，缩小结构体积的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线。

Description

一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线。
背景技术
天线是无线电通信和探测系统中不可缺少的重要组成部分，它是发射和接收电磁波的一种设备。随着无线通信技术的发展和无线应用产品的普及，特别是近些年定位系统的广泛应用和渗透于生活，人们对天线的综合性能提出了更高的要求。
在毫米波至太赫兹频段，金属的趋肤效应会变的非常显著，会使天线的辐射损耗变高，从而金属天线的效率会大幅降低。与此同时，近几年手持通信设备的普及和各种无线通信技术的发展，电子设备的功能越来越强大，信号带宽也在不断提高，可是带宽提高的弊端是更容易受到电磁干扰。
发明内容
本发明提供一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，解决现有技术中微带天线趋肤效应严重，辐射效率不高，天线尺寸过大以及抗干扰能力差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，包括：介质基板、双馈微带天线、介质谐振天线、地板以及馈电结构；
所述介质谐振天线设置在所述介质基板上表面，所述双馈微带天线设置在所述介质基板上表面与所述介质谐振天线之间；
所述地板设置在所述介质基板下表面，作为所述介质谐振天线和所述双馈微带天线的共用接地板；
所述馈电结构分别向所述介质谐振天线和所述双馈微带天线馈电。
进一步地，所述介质谐振天线采用圆柱形介质谐振天线。
进一步地，所述圆柱形介质谐振天线采用陶瓷圆柱体结构。
进一步地，所述陶瓷圆柱体结构的半径为20mm。
进一步地，所述介质谐振天线上表面设置“卍”字的金属线条结构。
进一步地，所述“卍”字的金属线条结构的线宽2mm。
进一步地，所述双馈微带天线包括：圆形微带贴片；
所述圆形微带贴片设置在所述介质谐振天线与所述介质基板之间。
进一步地，所述圆形微带贴片半径为13.5mm。
进一步地，所述地板采用圆形地板，半径为19mm。
进一步地，所述馈电结构包括：一分三电桥移相器以及与之相连的第一馈电探针、第二馈电探针和第三馈电探针；
所述一分三电桥移相器设置在所述介质基板下表面，所述第一馈电探针设置在所述介质谐振天线中心；
所述第二馈电探针和所述第三馈电探针采用正交馈电模式。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，采用双馈微带天线以及介质谐振天线构成天线主体，通过介质谐振天线作为辐射体，提高天线的辐射效率；同时高介电常数为很明显的减小天线的尺寸，达到小型化和高效率的目的；并附有完整的馈电网络使该设计更加完整。同馈电结构调节两个天线的馈电相位差，达到实现零点扫描的目的，从而有效抑制干扰信号；同时介质谐振天线本身完全避免了金属趋肤效应。
附图说明
图1为本发明提供的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线结构示意图；
图2为本发明提供的介质谐振天线上表面结构示意图；
图3为本发明提供的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线3D立体图；
图4为本发明提供的一分三的电桥移相器结构示意图；
图5为本发明提供的天线仿真S11结果图；
图6为本发明提供的天线仿真3dB轴比结果图；
图7为本发明提供的馈电点1馈电时的辐射方向图；
图8为本发明提供的第一馈电探针馈电时的轴比结果图；
图9为本发明提供的第二馈电探针和第三馈电探针馈电时的辐射方向图；
图10为本发明提供的第二馈电探针和第三馈电探针馈电时的轴比结果图；
图11为本发明提供的第一馈电探针和第二馈电探针馈电相位差为0°时的辐射方向图；
图12为本发明提供的第一馈电探针和第二馈电探针馈电相位差为90°时的辐射方向图；
图13为本发明提供的第一馈电探针和第二馈电探针馈电相位差为180°时的辐射方向图
图14为本发明提供的第一馈电探针和第二馈电探针馈电相位差为270°时的辐射方向图；
图15为本发明提供的一分三移相器仿真S11结果图；
图16为本发明提供的α＝0°时第二端口与第四端口，第二端口与第三端口的相位差仿真结果图
图17为本发明提供的α＝37.5°时第二端口与第四端口，第二端口与第三端口的相位差仿真结果图；
图18为本发明提供的α＝75°时第二端口与第四端口，第二端口与第三端口的相位差仿真结果图；
图19为本发明提供的α＝-37.5°时第二端口与第四端口，第二端口与第三端口的相位差仿真结果图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，解决现有技术中微带天线趋肤效应严重，辐射效率不高，天线尺寸过大以及抗干扰能力差的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，包括：介质基板1、双馈微带天线2、介质谐振天线3、地板5以及馈电结构。
所述介质谐振天线3设置在所述介质基板1上表面，所述双馈微带天线2设置在所述介质基板1上表面与所述介质谐振天线3之间。
所述地板5设置在所述介质基板1下表面，作为所述介质谐振天线3和所述双馈微带天线2的共用接地板。
所述馈电结构分别向所述介质谐振天线3和所述双馈微带天线2馈电。
具体来说，本实施例提出的小型化零点扫描介质谐振天线总体由两大部分组成，即天线与馈电网络。
该天线又由两部分组成，即位于介质基板1上表面的介质谐振天线3以及位于介质基板1上表面的双馈微带天线2；其中，双馈微带天线2位于介质基板1上表面与介质谐振天线3之间。
天线工作中心频率为2.40GHz，在中心频率点增益最大；一般来说，天线整体尺寸为60×60×13mm3，有效的减小了天线的尺寸。通过调节两个天线的馈电相位差，达到实现零点扫描的目的。
要实现零点扫描的圆极化天线，首先要实现能分别产生轴向辐射和径向辐射的圆极化天线，再将两天线有机的结合在一起，最后通过馈电网络给该整体馈电，实现零点扫描的圆极化天线。
优选的，所述介质谐振天线采用圆柱形介质谐振天线。所述圆柱形介质谐振天线采用陶瓷圆柱体结构。
参见图2，其中，所述介质谐振天线3上表面设置“卍”字的金属线条结构4。所述“卍”字的金属线条结构4的线宽2mm。
另一方面，所述双馈微带天线2包括：圆形微带贴片；所述圆形微带贴片设置在所述介质谐振天线3与所述介质基板1之间。
一般来说，为了让天线的整体体积足够小，本实施例采用了介电常数为20，半径R1为20mm的陶瓷圆柱体，作为实现径向圆极化的天线，这种由介质构成的天线称之为介质谐振天线(DRA)。
本实施例中，所述馈电结构包括：一分三电桥移相器以及与之相连的第一馈电探针6、第二馈电探针7和第三馈电探针8；所述一分三电桥移相器设置在所述介质基板1下表面，所述第一馈电探针6设置在所述介质谐振天线3中心；所述第二馈电探针7和所述第三馈电探针8采用正交馈电模式。
参见图3，并由一插入在圆柱体中心的第一馈电探针6对介质谐振天线3进行馈电，探针高度4mm。为了产生径向圆极化波，由于同轴探针在介质圆柱体的中心馈电，激励起了圆柱体的基模TM01δ模，在该模式下，天线的辐射方向为水平全向。又由于上表面覆有“卍”字的金属，这就在径向上产生了正交的电场，从而实现了径向圆极化波。
由于使用了圆柱介质块作为其中的一个天线，为了不再增加天线整体高度，采用双馈微带天线2产生轴向圆极化波，该天线结构较为简单，介质基板1采用FR4板材，厚度1mm。圆形辐射贴片位于介质基板1的上表面，半径R2为13.5mm，介质基板1的下表面为圆形地板5，与上述介质谐振天线3共用一个地板5，地板半径R3为19mm。该双馈微带天线由两个正交的同轴探针，即第二馈电探针7和第三馈电探针8进行馈电，由于是双馈，所以只需让两个馈源产生90°的相位差，即可在轴向实现圆极化波。
参见图4，天线整体有三个馈电点，使用一个一分三电桥移相器对本天线进行馈电。该移相器采用Taconic RF-35板材，厚度为1mm。信号由移相器的第一端口11进入，经过一个可机械旋转的圆弧形的移相器分两路，一路从第四端口10输出，给介质谐振天线3馈电；另一路又经过了一个90°电桥移相网络分为两路，从第二端口12和第三端口13输出，给圆形微带天线馈电，第二端口12和第三端口13之间相差90°，而第二端口12和第四端口10之间相差0°～360°，具体相位差由枝节转动的角度α决定。再利用同轴线将第四端口10与圆柱形的介质谐振天线3的馈源相连，将第二端口12和第三端口13通过同轴线与圆形的微带天线2相连，这样只需要旋转枝节的角度就可以改变两天线之间的相位差，从而实现零点扫描。
本实施例中，采用的介质谐振天线几乎完全由介质构成，不受趋肤效应的影响，而且介质谐振天线自身的介电常数通常大于10，利用高介电常数可以有效的减小天线的尺寸。因此，介质谐振天线可以利用更小的尺寸，更高效的达到性能需求。与此同时，零点扫描天线可以有效的抑制干扰信号，从而保证天线不受其他电磁能量干扰。在通信及电子对抗中广泛采用圆极化天线的旋向正交性。因为圆极化波入射到对称目标(平面,球面等)时具有旋向逆转的特性，这一特性在移动通信和GPS领域中用来抗雨雾干扰和多径反射是非常有效的。
本实施例针对本天线和馈电结构进行仿真测量，说明本方案的效果。
参见图5对天线进行仿真，在电磁仿真软件HFSS里建立该天线模型进行仿真；由仿真结果可知，天线工作的中心频率为2.4GHz，S11，S22，S33均小于-20dB，达到了很好的匹配。
参见图6，3dB轴比带宽为2.23GHz-2.48GHz。
参见图7，仅由第一馈电探针馈电时，天线产生径向左旋圆极化波，交叉极化大于20dB。
参见图8，轴比带宽为2GHz-2.45GH。
参见图9，而由第二馈电探针和第三馈电探针馈电时，天线会产生轴向左旋圆极化波，交叉极化大于20dB。
参见图10，轴比带宽为1.5GHz-3GHz。
当第一、二、三馈电探针同时馈电，
参见图11，第一馈电探针和第二馈电探针之间相位差为0°时，天线辐射方向为phi＝0°，零点在phi＝180°。
参见图12，第一馈电探针和第二馈电探针之间相位差为90°时，天线辐射方向为phi＝90°，零点在phi＝270°。
参见图13，第一馈电探针和第二馈电探针之间相位差为180°时，天线辐射方向为phi＝180°，零点在phi＝0°。
参见图14，第一馈电探针和第二馈电探针之间相位差为270°时，天线辐射方向为phi＝270°，零点在phi＝90°。
以上天线的左旋圆极化和右旋圆极化之间的交叉极化相差都在20dB以上，具有良好的圆极化性能。
参见图15，建立如图4所示的移相器模型由仿真结果可知，该移相器的中心工作频率为2.4GHz，与天线的工作频率要保持一致。
参见图16，当α＝0°时，第二端口12与第四端口10之间相位差为0°，第二端口12和第三端口13之间相位差为90°。
参见图17，当α＝37.5°时，第二端口12与第四端口10之间相位差为90°，第二端口12和第三端口13之间相位差为90°。
参见图18，当α＝75°时，第二端口12与第四端口10之间相位差为180°，第二端口12和第三端口13之间相位差为90°。
参见图19，当α＝-37.5°时，第二端口12与第四端口10之间相位差为270°，第二端口12和第三端口13之间相位差为90°。
以上数据表明，本发明能够实现零点扫描，并且实现圆极化，而且在不影响性能的前提下，实现了小型化，将天线整体尺寸降低了30％。并且设计出了完整的馈电网络，性能优良，体现出了本发明的完整性。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，采用双馈微带天线以及介质谐振天线构成天线主体，通过介质谐振天线作为辐射体，提高天线的辐射效率；同时高介电常数为很明显的减小天线的尺寸，达到小型化和高效率的目的；并附有完整的馈电网络使该设计更加完整。同馈电结构调节两个天线的馈电相位差，达到实现零点扫描的目的，从而有效抑制干扰信号；同时介质谐振天线本身完全避免了金属趋肤效应。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于，包括：介质基板、双馈微带天线、介质谐振天线、地板以及馈电结构；
所述介质谐振天线设置在所述介质基板上表面，所述双馈微带天线设置在所述介质基板上表面与所述介质谐振天线之间；
所述地板设置在所述介质基板下表面，作为所述介质谐振天线和所述双馈微带天线的共用接地板；
所述馈电结构分别向所述介质谐振天线和所述双馈微带天线馈电。
2.如权利要求1所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振天线采用圆柱形介质谐振天线。
3.如权利要求2所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于：所述圆柱形介质谐振天线采用陶瓷圆柱体结构。
4.如权利要求1所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于：所述陶瓷圆柱体结构的半径为20mm。
5.如权利要求1所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振天线上表面设置“卍”字的金属线条结构。
6.如权利要求5所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于：所述“卍”字的金属线条结构的线宽2mm。
7.如权利要求1所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于，所述双馈微带天线包括：圆形微带贴片；
所述圆形微带贴片设置在所述介质谐振天线与所述介质基板之间。
8.如权利要求7所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于：所述圆形微带贴片半径为13.5mm。
9.如权利要求1所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于，所述地板采用圆形地板，半径为19mm。
10.如权利要求1～9任一项所述的小型化零点扫描的圆极化介质谐振天线，其特征在于，所述馈电结构包括：一分三电桥移相器以及与之相连的第一馈电探针、第二馈电探针和第三馈电探针；
所述一分三电桥移相器设置在所述介质基板下表面，所述第一馈电探针设置在所述介质谐振天线中心；
所述第二馈电探针和所述第三馈电探针采用正交馈电模式。
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