CN107834184B - 一种宽带圆极化缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带圆极化缝隙天线，包括同轴线、第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板的上表面设有圆盘结构，所述第二介质基板的上表面设有顺序相移结构，第二介质基板的下表面设有由顺序相移结构进行馈电的四个辐射缝隙；所述同轴线的内导体穿过第二介质基板与顺序相移结构的起点连接，并穿过第一介质基板与圆盘结构连接，同轴线的外导体与第二介质基板的下表面连接。本发明实现了很好的圆极化特性，具有设计简单、体积小、成本低、特性好的优点，可以解决现有微带圆极化天线频带窄，轴比特性不好的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种缝隙天线，尤其是一种宽带圆极化缝隙天线，属于无线移动通信技术领域。
背景技术
随着现代通信技术的发展,单纯的线极化很难满足通信要求。圆极化天线具有可接收任意极化方式的来波,且其辐射波也可出任意极化方式的天线收到，有旋向正交性,能够抑制云雨干扰和抗多径反射等优点。由于圆极化天线在现代通信中的优越性能,受到人们越来越多的关注。从便携性、经济性、减小RCS以及EMC特性等角度考虑,往往期望可以仅采用一副天线获得多副天线的功能,而圆极化天线具有较强的抗干扰能力,因而收发一体双圆极化天线的研究意义非常重大。
微带圆极化天线由于结合了微带天线和圆极化天线二者的优点及特性，因此被广泛应用于无线应用,如:测量、通信、卫星、航天、全球定位系统和RFID系统等卫星通信、遥控、遥测技术的发展。圆极化微带天线在具有一系列优点的同时，也存在一些缺点，圆极化微带天线由于带宽较窄,其相对带宽一般只有0.7％-7％，因而在实际应用中受到了一定的限制。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2000年，H.Evans，P.Gale，B.Aljibouri等人在“Electric Letters”发表名为“Application of simulated annealing to design of serial feed sequentiallyrotated 2×2antenna array”的文章中，采用顺序相移的四端口馈电网络，通过合理设置端口之间的幅度和相位差，分别对平面上的四个方形贴片进行馈电，从而形成2×2的圆极化天线阵列。然而该设计并不具有宽带圆极化性能，轴比带宽为1.7％，阻抗带宽(VSWR≤2)为9.8％。同时辐射单元采用的是方形贴片天线，而要使得每个单元辐射圆极化波，因此每个端口还分出两路激励贴片，这样增加了结构的面积，不符合天线的集成化的要求。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种宽带圆极化缝隙天线，该天线实现了很好的圆极化特性，具有设计简单、体积小、成本低、特性好的优点，可以解决现有微带圆极化天线频带窄，轴比特性不好的问题。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种宽带圆极化缝隙天线，包括同轴线、第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板的上表面设有圆盘结构，所述第二介质基板的上表面设有顺序相移结构，第二介质基板的下表面设有由顺序相移结构进行馈电的四个辐射缝隙；所述同轴线的内导体穿过第二介质基板与顺序相移结构的起点连接，并穿过第一介质基板与圆盘结构连接，同轴线的外导体与第二介质基板的下表面连接。
进一步的，所述顺序相移结构包括依次连接的90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分，90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分分别对四个辐射缝隙进行馈电。
进一步的，所述第二介质基板的上表面还设有四个相移匹配枝节，四个相移匹配枝节分别与90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分连接。
进一步的，所述四个相移匹配枝节均包括矩形部分和两个L形部分，矩形部分、其中一个L形部分和另一个L形部分依次连接，且宽度依次变宽。
进一步的，所述四个相移匹配枝节关于第二介质基板上表面的中心成中心对称。
进一步的，所述90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分均为弧形结构，且宽度不同。
进一步的，所述90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分的宽度依次变窄。
进一步的，所述四个辐射缝隙均为L形结构。
进一步的，所述四个辐射缝隙加载枝节形成T形缝隙。
进一步的，所述四个辐射缝隙关于第二介质基板下表面的中心成中心对称。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的宽带圆极化缝隙天线设置了两层介质基板，在其中一层介质基板的上表面设有顺序相移结构，下表面设有四个辐射缝隙，顺序相移结构作为馈电网络，其分别对四个缝隙进行馈电，即激励四个辐射缝隙，从而形成圆极化波辐射，实现了更宽的3dB轴比带宽和阻抗带宽；同时，另一层介质基板的上表面设有圆盘结构，通过圆盘结构可以调节天线的阻抗匹配，以实现更宽的阻抗带宽，从而使得天线的阻抗带宽和轴比带宽能够相互匹配。
2、本发明的宽带圆极化缝隙天线中，顺序相移结构包括依次连接的90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分，可以形成四路输出信号幅度相等，相位顺序相差90度的端口。
3、本发明的宽带圆极化缝隙天线中，四个辐射缝隙均为L形结构，每个辐射缝隙加载枝节形成T形缝隙，能够达到更宽的3dB轴比相对带宽，并具有低轴比特性。
4、本发明的宽带圆极化缝隙天线经过仿真结果表明，在1.43GHz～1.83GHz频段范围内，轴比值都小于3dB，相对带宽为24.5％，尤其是1.5dB以下的轴比带宽为1.46Ghz-1.55GHz和1.69Ghz-1.79GHz，相对带宽达到了12.2％，实现了很好的低轴比特性。
附图说明
图1为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线的同轴线与第一介质基板、第二介质基板连接的立体图。
图2为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线正视图
图3为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线俯视图。
图4为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线中第一介质基板上表面的结构图。
图5为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线中第二介质基板上表面顺序相移结构的示意图。
图6为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线中第二介质基板下表面T形缝隙的结构图。
图7为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线S参数的仿真结果曲线图。
图8为本发明实施例1的宽带圆极化缝隙天线AR的仿真结果曲线图。
其中，1-同轴线，2-第一介质基板，3-第二介质基板，4-圆盘结构，5-顺序相移结构，501-第一顺序相移部分，502-第二顺序相移部分，503-第三顺序相移部分，504-第四顺序相移部分，6-第一相移匹配枝节，601-第一矩形部分，602-第一L形部分，603-第二L形部分，7-第二相移匹配枝节，701-第二矩形部分，702-第三L形部分，703-第四L形部分，8-第三相移匹配枝节，801-第三矩形部分，802-第五L形部分，803-第六L形部分，9-第四相移匹配枝节，901-第四矩形部分，902-第七L形部分，903-第八L形部分，10-第一T形缝隙，11-第二T形缝隙，12-第三T形缝隙，13-第四T形缝隙。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1～图3所示，本实施例提供了一种宽带圆极化缝隙天线，该天线包括同轴线1、第一介质基板2和第二介质基板3。
所述第一介质基板2和第二介质基板3均采用PCB板，形状完全相同，介电常数为4.4，损耗角为0.02，其加工工艺成熟，成本低，成品率高，制作过程简单，本实施例的第一介质基板2位于第二介质基板3的上方，且第一介质基板2和第二介质基板3的投影可在水平面上重合。
如图3和图4所示，所述第一介质基板2的上表面设有圆盘结构4，该圆盘结构4是印制在第一介质基板2上表面的圆形金属贴片，圆盘结构4的圆心与第一介质基板2上表面的中心重合，通过该圆盘结构4可以调节天线的阻抗匹配，以实现更宽的阻抗带宽，从而使得天线的阻抗带宽和轴比带宽能够相互匹配。
如图3、图5和图6所示，所述第二介质基板3的上表面设有顺序相移结构5，该顺序相移结构5是印制在第二介质基板3上表面的金属贴片，顺序相移结构5的起点位于第二介质基板3的上表面中心，其作为馈电网络，包括依次连接的第一顺序相移部分501、第二顺序相移部分502、第三顺序相移部分503和第四顺序相移部分504，从图5中可以看到，第一顺序相移部分501、第二顺序相移部分502、第三顺序相移部分503和第四顺序相移部分504均为弧形结构，分别作为90度、180度、270度和360度顺序相移部分，并且各个顺序相移部分的宽度不同，优选地，宽度依次变窄，即可以形成四路输出信号幅度相等，相位顺序相差90度的端口；相应地，第二介质基板3的下表面覆盖金属，在下表面的金属上刻蚀四个辐射缝隙，分别为第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙，第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙均为L形结构；第一顺序相移部分501对第一辐射缝隙进行馈电，第二顺序相移部分502对第二辐射缝隙进行馈电，第三顺序相移部分503对第三辐射缝隙进行馈电，第四顺序相移部分504对第四辐射缝隙进行馈电，从而形成圆极化波辐射，利用顺序相移结构5激励四个辐射缝隙，实现了更宽的3dB轴比带宽和阻抗带宽。
进一步地，所述第二介质基板3的上表面还设有四个相移匹配枝节，四个相移匹配枝节也是印制在第二介质基板3上表面的金属贴片，分别为第一相移匹配枝节6、第二相移匹配枝节7、第三相移匹配枝节8和第四相移匹配枝节9，从图5中可以看到，第一相移匹配枝节6、第二相移匹配枝节7、第三相移匹配枝节8和第四相移匹配枝节9均为阶梯形结构，四个相移匹配枝节可由任一相移匹配枝节关于第二介质基板3上表面的中心旋转得到，即四个相移匹配枝节关于第二介质基板3上表面的中心成中心对称；第一相移匹配枝节6包括依次连接的第一矩形部分601、第一L形部分602和第二L形部分603，其中第一矩形部分601的宽度最窄，第一L形部分602的宽度中等，第二L形部分603的宽度最大，也就是说第一矩形部分601、第一L形部分602和第二L形部分603的宽度依次变宽，第一相移匹配枝节6具体通过第一矩形部分601与第一顺序相移部分501连接，并通过第二L形部分603输出信号为第一辐射缝隙进行馈电；第二相移匹配枝节7包括依次连接的第二矩形部分701、第三L形部分702和第四L形部分703，同样地，第二矩形部分701、第三L形部分702和第四L形部分703的宽度依次变宽，第二相移匹配枝节7具体通过第二矩形部分701与第二顺序相移部分502连接，并通过第四L形部分703输出信号为第二辐射缝隙进行馈电；第三相移匹配枝节8包括依次连接的第三矩形部分801、第五L形部分802和第六L形部分803，同样地，第三矩形部分801、第五L形部分802和第六L形部分803的宽度依次变宽，第三相移匹配枝节8具体通过第三矩形部分801与第三顺序相移部分503连接，并通过第六L形部分803输出信号为第三辐射缝隙进行馈电；第四相移匹配枝节9包括依次连接的第四矩形部分901、第七L形部分902和第八L形部分903，同样地，第四矩形部分901、第七L形部分902和第八L形部分903的宽度依次变宽，第四相移匹配枝节9具体通过第四矩形部分901与第四顺序相移部分504连接，并通过第八L形部分903输出信号为第四辐射缝隙进行馈电。
更进一步地，从图1、图3和图6中可以看到，第一辐射缝隙还可以加载第一枝节，具体在第一辐射缝隙的两条缝隙连接处加载第一枝节，形成第一T形缝隙10；第二辐射缝隙还可以加载第二枝节，具体在第二辐射缝隙的两条缝隙连接处加载第一枝节，形成第二T形缝隙11；第三辐射缝隙还可以加载第三枝节，具体在第三辐射缝隙的两条缝隙连接处加载第三枝节，形成第三T形缝隙12；第四辐射缝隙还可以加载第四枝节，具体在第四辐射缝隙的两条缝隙连接处加载第四枝节，形成第四T形缝隙13，四个T形缝隙可由任一T形缝隙关于第二介质基板3下表面的中心旋转得到，即四个T形缝隙关于第二介质基板3下表面的中心成中心对称；采用T形缝隙结构，能够达到更宽的3dB轴比相对带宽，并具有低轴比特性。
所述同轴线1具有内导体和外导体，其内导体的直径为0.92mm，外导体的直径为3.5mm，内导体首先穿过第二介质基板3与顺序相移结构5的起点连接，即与第二介质基板3上表面的中心连接，然后穿过第一介质基板2与圆盘结构4连接，具体与圆盘结构4的圆心位置连接，即与第一介质基板2上表面的中心连接，外导体与第二介质基板3的下表面连接；同轴线1的底端直接与SMA头连接。
调整本实施例的宽带圆极化缝隙天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的基于顺序相移结构的宽带圆极化缝隙天线进行了验证仿真，如图7所示，给出了该天线在1.3Ghz～1.9Ghz频率范围内的S参数仿真结果的曲线；可以看到，在1.42GHz～1.9GHz频段范围内，S11的值都小于-10dB；如图8所示，给出了该天线在1.4Ghz～1.9Ghz频率范围内的AR仿真结果的曲线，可以看出，在1.43GHz～1.83GHz频段范围内，dB(AxialRatio Value，轴比值)的值都小于3dB，相对带宽为24.5％，尤其是1.5dB以下的轴比带宽为1.46Ghz-1.55GHz和1.69Ghz-1.79GHz，相对带宽达到了12.2％，实现了很好的低轴比特性；仿真结果表明本实施例的宽带圆极化缝隙天线具有较好的低轴比特性，且阻抗带宽能够覆盖轴比带宽。
上述实施例中，所述PCB板采用FR4-epoxy材料构成；所述同轴线1、圆盘结构4、顺序相移结构5、第一相移匹配枝节6、第二相移匹配枝节7、第三相移匹配枝节8、第四相移匹配枝节9采用的金属为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
综上所述，本发明的宽带圆极化缝隙天线设置了两层介质基板，在其中一层介质基板的上表面设有顺序相移结构，下表面设有四个辐射缝隙，顺序相移结构作为馈电网络，其分别对四个缝隙进行馈电，即激励四个辐射缝隙，从而形成圆极化波辐射，实现了更宽的3dB轴比带宽和阻抗带宽；同时，另一层介质基板的上表面设有圆盘结构，通过圆盘结构可以调节天线的阻抗匹配，以实现更宽的阻抗带宽，从而使得天线的阻抗带宽和轴比带宽能够相互匹配。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：包括同轴线、第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板的上表面设有圆盘结构，所述第二介质基板的上表面设有顺序相移结构，第二介质基板的下表面设有由顺序相移结构进行馈电的四个辐射缝隙；所述同轴线的内导体穿过第二介质基板与顺序相移结构的起点连接，并穿过第一介质基板与圆盘结构连接，同轴线的外导体与第二介质基板的下表面连接；
四个辐射缝隙分别为第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙，第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙均为L形结构，L形结构由竖直段和水平段连接而成；
第一辐射缝隙的竖直段和水平段连接处加载第一枝节，形成第一T形缝隙，第一枝节的宽度大于第一辐射缝隙竖直段和水平段的宽度，第一枝节的长度小于第一辐射缝隙竖直段的长度；第二辐射缝隙的竖直段和水平段连接处加载第二枝节，形成第二T形缝隙，第二枝节的宽度大于第二辐射缝隙竖直段和水平段的宽度，第二枝节的长度小于第二辐射缝隙竖直段的长度；第三辐射缝隙的竖直段和水平段连接处加载第三枝节，形成第三T形缝隙，第三枝节的宽度大于第三辐射缝隙竖直段和水平段的宽度，第三枝节的长度小于第三辐射缝隙竖直段的长度；第四辐射缝隙的竖直段和水平段连接处加载第四枝节，形成第四T形缝隙，第四枝节的宽度大于第四辐射缝隙竖直段和水平段的宽度，第四枝节的长度小于第四辐射缝隙竖直段的长度；
第一辐射缝隙和第三辐射缝隙关于第二介质基板下表面的中心成中心对称，第二辐射缝隙和第四辐射缝隙关于第二介质基板下表面的中心成中心对称。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：所述顺序相移结构包括依次连接的90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分，90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分分别对四个辐射缝隙进行馈电。
3.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：所述第二介质基板的上表面还设有四个相移匹配枝节，四个相移匹配枝节分别与90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分连接。
4.根据权利要求3所述的一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：所述四个相移匹配枝节均包括矩形部分和两个L形部分，矩形部分、其中一个L形部分和另一个L形部分依次连接，且宽度依次变宽。
5.根据权利要求3所述的一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：所述四个相移匹配枝节分别为第一相移匹配枝节、第二相移匹配枝节、第三相移匹配枝节和第四相移匹配枝节，第一相移匹配枝节和第三相移匹配枝节关于第二介质基板上表面的中心成中心对称，第二相移匹配枝节和第四相移匹配枝节关于第二介质基板上表面的中心成中心对称。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：所述90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分均为弧形结构，且宽度不同。
7.根据权利要求6所述的一种宽带圆极化缝隙天线，其特征在于：所述90度顺序相移部分、180度顺序相移部分、270度顺序相移部分和360度顺序相移部分的宽度依次变窄。
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