CN107579343B - 一种单馈正多边环形圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单馈正多边环形圆极化微带天线，包括一块地板和一块介质基板，两个集总电感或电容器件，同轴线和巴伦。地板位于介质基板下方，介质基板下表面是正多边环形贴片，上表面留有一条铜箔用于馈电。在贴片上开两个缝隙以加载集总电感或电容，两个缝隙位于贴片的对称轴上，集总电感或电容通过焊锡与贴片相连。在贴片上找到合适的馈电位置，并在该位置再开一条用于馈电的缝隙，同轴线和巴伦从下往上穿过地板，并将同轴线外导体与馈电用的缝隙一端的贴片部分相焊接，内导体则穿过介质基板与铜箔相焊接，再用一金属铜柱将铜箔与馈电用的缝隙另一端的贴片部分相连接。本发明具有设计简单、易于加工、重量轻、尺寸小的优点。

Description

一种单馈正多边环形圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及无线通信及天线技术领域，尤其是指一种单馈正多边环形圆极化微带天线。
背景技术
近些年来，卫星导航技术迅猛发展，中国的北斗卫星导航系统也有望在2020年提供全球服务。由于卫星与地面之间的相对运动，为了让地面不同地方都能接收到卫星信号，在卫星上采用圆极化天线成为最佳选择。又由于微带天线具有重量轻的显著优点，所以圆极化微带天线又成为上上之选而备受瞩目。此外，由于天线装在卫星上，所以需要引入地板以实现对地面单向辐射和高增益特性。
我们知道，若存在两个正交放置，幅度相等但相位相差90度的线电流，那么这两个线电流产生的辐射场就会合成一个圆极化电磁波，这正是传统上实现圆极化天线的基本原理。针对微带天线，为了在其表面激励出两个相位相差90度的线电流，有单馈和双馈两种形式可供选择。
单馈是指微带贴片只有一个馈电点，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产生极化正交、幅度相等的两个简并模，但一般不能形成90度相位差，但通过引入几何微扰，使简并正交模的谐振频率产生分离，工作频率选在两个谐振频率之间，当几何微扰选择合适时，对工作频率而言，一个模的阻抗相角超前45度，而另一模的阻抗相角滞后45度，由此形成圆极化辐射。单馈法的优点是无需外加的相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。
多馈法是指采用馈电网络，并且馈电网络输出端信号应该幅度相等，相位正交，以保证圆极化工作条件。馈电网络常采用T形分支或3dB电桥。多馈法的优点是可以提高阻抗带宽及轴比带宽，抑制交叉极化。缺点是馈电网络较复杂，尺寸较大。
为了尽可能减小圆极化微带天线的尺寸和重量以满足卫星通信的要求，我们采取单馈法对微带贴片进行馈电。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种单馈正多边环形圆极化微带天线，能有效实现用于卫星通信的圆极化，具有设计加工简单、体积小、重量轻、单向辐射和高增益等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种单馈正多边环形圆极化微带天线，包括有一块地板和一块介质基板，所述地板设在介质基板的下方，并保持预设距离，以实现最小轴比；所述介质基板的上表面留有用于馈电的铜箔，其下表面制作有正多边形贴片，在所述正多边形贴片的一条对称轴上开有两条缝隙，分别为第一缝隙和第二缝隙，在所述第一缝隙和第二缝隙处加载电感或电容器件，并用焊锡与所述正多边形贴片相连，同时采用同轴线对所述正多边形贴片进行馈电，且采用巴伦以保持平衡馈电，馈电位置为所述正多边形贴片上开设的除上述两条缝隙外的另一条缝隙，为第三缝隙，所述同轴线和巴伦从下往上穿过地板，且所述同轴线的外导体与第三缝隙一端处的贴片部分相焊接，所述同轴线的内导体穿过介质板与预留在介质基板上表面的铜箔相焊接，所述铜箔与第三缝隙另一端处的贴片部分通过金属铜柱相焊接。
所述巴伦为扼流套筒或对称性平衡器或U形环。
所述地板为金属压铸件，或为采用单面或双面覆铜的介质基板。
所述电感和电容器件采用片状结构集成在介质基板上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用单馈形式，无需添加额外电路，减少了天线的尺寸。
2、引入地板，具有单向辐射和高增益等特性，非常贴合卫星通信的需求。
3、本天线易于加工制造，成本低，平面结构易于集成。
附图说明
图1是本发明天线的俯视图。
图2是本发明天线的侧视图。
图3是本发明天线的S11参数仿真结果。
图4是本发明天线的轴比仿真结果。
图5是本发明天线的边射方向增益仿真结果。
图6是本发明天线在中心频率处H面主极化和交叉极化方向图仿真结果。
图7是本发明天线在中心频率处E面主极化和交叉极化方向图仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2所示，本实施例所述的单馈正多边环形圆极化微带天线，采用一块地板1和一块介质基板2，其中，所述地板1尺寸为200mm*200mm，采用两面覆铜的介质基板，当然，所述地板1也可以由金属直接压铸而成，或采用单面覆铜的介质基板代替；而所述介质基板2尺寸为150mm*150mm，其下表面用于制作有正多边形贴片3，而在本实施例具体为正方环形贴片，其内外边长分别是35.8mm和51.8mm，该介质基板2的上表面预留有用于馈电的矩形铜箔4，其长为7mm，宽为2mm。这里我们选用介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4基板，使用机械刻制、激光刻制、电路板腐蚀等技术均可容易地制作。地板1与正多边形贴片3的距离为15mm，我们用塑料螺丝5固定地板1和介质基板2。在正多边形贴片3一个顶角附近开一条宽度为0.3mm的缝隙，为第三缝隙63，用于馈电。在正多边形贴片3的一条对称轴上开两条宽度1mm为的缝隙，分别为第一缝隙61和第二缝隙62，在所述第一缝隙61和第二缝隙62处加载电感或电容器件，可以同时为电感，也可以同时为电容，还可以一个是电感，一个是电容，而在本实施例具体选用电容器件，电容器件采用日本村田公司生产的贴片电容，两个电容均为2pF，将它们放置在事先准备好的细缝中间并将其与两边的贴片焊接起来。同时采用同轴线对正多边形贴片3进行馈电，且采用巴伦7以保持平衡馈电，同轴线和巴伦7从下往上穿过地板1。巴伦7可以是扼流套筒或对称性平衡器，也可以是U形环等其他类型的平衡器，而在本实施例具体采用套筒形式，具体制作方法是用铜片在同轴线外围成一个圆柱形，该圆柱的高度为26.5mm，半径为5.2mm。为了让巴伦7从下而上穿过地板1，需要在地板1上打半径为5.3mm的圆孔81，另外，我们还需要在介质板上打两个半径为0.5mm的圆孔82和83以便馈电。同轴线的内导体91穿过介质基板2与矩形铜箔4相焊接，同轴线的外导体92则与第三缝隙63一端处的贴片部分相焊接。用金属铜柱10穿过圆孔83将矩形铜箔4与第三缝隙63另一端的贴片部分相焊接。
图3是本实施例天线的|S11|仿真结果，由图可见，该天线中心频率为1.68GHz，相对阻抗带宽为11.3％。
图4是本实施例天线的轴比仿真结果，由图可见，该天线的相对轴比带宽为1.8％。
图5是本实施例天线的边射方向增益仿真结果，由图可见，该天线主极化为右旋圆极化，交叉极化为左旋圆极化，中心频率出两者增益分别为9.57dB和-17.77dB，交叉极化比大于27dB。
图6和图7分别是本实施例天线的中心频率处H面以及E面方向图仿真结果。由图可见，H面交叉极化小于-8dB，主极化-3dB主瓣宽度约为60度，前后比大于32dB。E面交叉极化小于-8dB，主极化-3dB主瓣宽度同样约为60度，前后比大于32dB。可见，天线具有良好的单向辐射和高增益特性。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种单馈正多边环形圆极化微带天线，其特征在于：包括有一块地板和一块介质基板，所述地板设在介质基板的下方，并保持预设距离，以实现最小轴比；所述介质基板的上表面留有用于馈电的铜箔，其下表面制作有正多边形贴片，在所述正多边形贴片的一条对称轴上开有两条缝隙，分别为第一缝隙和第二缝隙，在所述第一缝隙和第二缝隙处加载电感或电容器件，并用焊锡与所述正多边形贴片相连，同时采用同轴线对所述正多边形贴片进行馈电，且采用巴伦以保持平衡馈电，馈电位置为所述正多边形贴片上开设的除上述两条缝隙外的另一条缝隙，为第三缝隙，所述同轴线和巴伦从下往上穿过地板，且所述同轴线的外导体与第三缝隙一端处的贴片部分相焊接，所述同轴线的内导体穿过介质板与预留在介质基板上表面的铜箔相焊接，所述铜箔与第三缝隙另一端处的贴片部分通过金属铜柱相焊接；所述巴伦为扼流套筒或对称性平衡器或U形环；所述地板为金属压铸件，或为采用单面或双面覆铜的介质基板。
2.根据权利要求1所述的一种单馈正多边环形圆极化微带天线，其特征在于：所述电感和电容器件采用片状结构集成在介质基板上。
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