CN107834186A - 一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线及其设计方法 - Google Patents

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赵超凡
向炳洁
夏明华
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Abstract

本发明提供一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线及其设计方法，该天线包括圆柱形微波介质辐射单元、双层电路基板及微带电路、馈电同轴和扼流套；所述圆柱形微波介质辐射单元设置在双层电路基板的上层电路基板上；所述双层电路基板包括上、中、下三层，上层是带有交叉缝隙的覆铜地板，中层是矩形微带，下层是圆形贴片，上层和下层通过金属过孔连接；扼流套连接在下层的圆形贴片上，馈电同轴穿在扼流套中经金属过孔连接到矩形微带。该天线升带宽和波束宽度，同时又具有较低结构复杂度。

Description

一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线及其设计方法
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体地，涉及一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线及其设计方法。
背景技术
随着现代无线通信系统的发展，圆极化天线受到越来越多的重视。圆极化辐射可用于减少雨雾干扰和抗多径反射，以及对于接收双方的定位要求灵活性高，在很多无线通信应用中，越来越有吸引力。除此之外，较宽的3-dB轴比波束宽度也是重要的设计要求。在全球导航定位系统中，所用到的圆极化天线一般要求3-dB轴比波束宽度大于120°，以保证无线信号可以在地球上的任何一个地方接收。
目前已有的实现宽轴比带宽的方法包括利用多个偶极子的组合，或者采用角锥形或其他的地板形状或辐射结构。这些方法在拓宽轴比波束宽度的同时也大大提高了系统结构的复杂度，不利于集成和推广应用。
介质谐振天线因具有高辐射效率、低剖面、设计灵活、便于加工等优点逐渐受到关注。介质谐振天线实现圆极化的方法有单馈法和多馈法。多馈法可以提供更大的带宽，但一般要用到功分器、耦合器等附加电路，复杂度高，不利于小型化。单馈法结构简单，但可提供的圆极化带宽也比较窄，目前有通过阶梯形或者类似形状的介质结构等方法来拓展带宽，但尚无一种方法可以同时提升带宽和轴比波束宽度。因此找到一种能够同时提升带宽和波束宽度，同时又具有较低结构复杂度的方法是十分有意义的。
发明内容
本发明提供一种提升带宽和波束宽度，同时又具有较低结构复杂度的宽带宽波束圆极化介质谐振天线。
本发明的又一目的在于提供一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线的设计方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线，包括圆柱形微波介质辐射单元、双层电路基板及微带电路、馈电同轴和扼流套；所述圆柱形微波介质辐射单元设置在双层电路基板的上层电路基板上；所述双层电路基板包括上、中、下三层，上层是带有交叉缝隙的覆铜地板，中层是矩形微带，下层是圆形贴片，上层和下层通过金属过孔连接；扼流套连接在下层的圆形贴片上，馈电同轴穿在扼流套中经金属过孔连接到矩形微带。
优选地，所述覆铜地板和圆形贴片是厚度0.813mm的Rogers 4003C材料基板。
优选地，所述覆铜地板和圆形贴片的介电常数是3.38。
优选地，所述扼流套是铝管。
一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线的设计方法，包括以下步骤：
S1：根据所需要的中心频率，介质基板的相对介电常数，计算出圆柱形介质辐射单元的尺寸；
S2：根据天线所工作的中心频率设计交叉缝隙的尺寸，进而获得圆极化的辐射特性；
S3：通过调节地板大小来实现宽带宽波束的特性，同时对具体的参数进行微调优化。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明首次提出了一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线，通过引入小地板的方法，可以在单点馈电的的较低复杂度情况下，实现了轴比带宽和波束宽度的同时提升，性能比较突出，可以在无线通信系统中发挥重要作用；本发明的特点还包括：1、采用圆柱形介质，易于加工；2、微带电路简单，没有复杂的设计；3、尺寸小，易于与其他器件或设备集成；4、结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例侧面结构示意图；
图2为本发明实施例最上层电路示意图；
图3为本发明实施例中间层电路示意图；
图4为本发明实施例最下层电路示意图；
图5为本发明实施例的仿真与实测的阻抗匹配结果；
图6为本发明实施例仿真与实测的轴比结果图；
图7为本发明实施例在2.38GHz时两个参考面上仿真与实测的轴比随方向角变化情况；
图8为本发明实施例在2.40GHz时两个参考面上仿真与实测的轴比随方向角变化情况；
图9为本发明实施例在2.58GHz时两个参考面上仿真与实测的轴比随方向角变化情况；
图10为本发明实施例增益的实测与仿真结果图；
图11为本发明实施例在2.4GHz时x-z平面的实测与仿真的方向图；
图12为本发明实施例在2.4GHz时y-z平面的实测与仿真的方向图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-4所示，一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线，包括圆柱形微波介质辐射单元、双层电路基板及微带电路、馈电同轴和扼流套；所述圆柱形微波介质辐射单元设置在双层电路基板的上层电路基板上；所述双层电路基板包括上、中、下三层，上层是带有交叉缝隙的覆铜地板，中层是矩形微带，下层是圆形贴片，上层和下层通过金属过孔连接；扼流套连接在下层的圆形贴片上，馈电同轴穿在扼流套中经金属过孔连接到矩形微带。
圆柱形微波介质辐射单元的介电常数为εr1，其半径为a,高度为h；覆铜地板的地板尺寸为G×G，是实现宽带宽波束的重要原因。交叉缝隙的长度分别为Ls1和Ls2，宽度均为Ws，夹角为θ；中间层为覆铜矩形微带，长度为L，宽度为W，距地板边界为d；圆形贴片，半径为R。其中最上层和最底层电路通过四个金属化过孔(metalized holes)连接，过孔的半径为r，过孔的长度为两块电路板的厚度。
覆铜地板和圆形贴片是厚度0.813mm的Rogers 4003C材料基板；覆铜地板和圆形贴片的介电常数是3.38；扼流套是铝管。
一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线的设计方法，包括以下步骤：
S1：根据所需要的中心频率，介质基板的相对介电常数，计算出圆柱形介质辐射单元的尺寸；
S2：根据天线所工作的中心频率设计交叉缝隙的尺寸，进而获得圆极化的辐射特性；
S3：通过调节地板大小来实现宽带宽波束的特性，同时对具体的参数进行微调优化。
本设计中经过优化采用的参数如下：a＝23mm,h＝12.6mm,εr1＝9.7,h0＝0.813mm,G＝57mm,εr＝3.38,Ls1＝44mm,Ls2＝18mm,Ws＝1mm,W＝1.88mm,L＝21.2mm,d＝16.3mm,θ＝73°,P＝17mm,R＝5mm。
在本案中，参照图5-6，所述宽带宽波束圆极化介质谐振天线满足3-dB轴比带宽达到14.0％(2.32GHz-2.67GHz)；参照图7-9，在2.38GHz到2.58GHz内实现小于3-dB的轴比波束宽度均大于175°，达到8.1％；参照图10，在整个带宽内增益稳定在4.8dBic和5.2dBic之间；另外在整个带宽范围内，辐射方向图保持稳定。
如图11-12所示，通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带宽波束圆极化介质谐振天线，其特征在于，包括圆柱形微波介质辐射单元、双层电路基板及微带电路、馈电同轴和扼流套；所述圆柱形微波介质辐射单元设置在双层电路基板的上层电路基板上；所述双层电路基板包括上、中、下三层，上层是带有交叉缝隙的覆铜地板，中层是矩形微带，下层是圆形贴片，上层和下层通过金属过孔连接；扼流套连接在下层的圆形贴片上，馈电同轴穿在扼流套中经金属过孔连接到矩形微带。
2.根据权利要求1所述的宽带宽波束圆极化介质谐振天线，其特征在于，所述覆铜地板和圆形贴片是厚度0.813mm的Rogers 4003C材料基板。
3.根据权利要求2所述的宽带宽波束圆极化介质谐振天线，其特征在于，所述覆铜地板和圆形贴片的介电常数是3.38。
4.根据权利要求3所述的宽带宽波束圆极化介质谐振天线，其特征在于，所述扼流套是铝管。
5.一种如权利要求4所述的宽带宽波束圆极化介质谐振天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据所需要的中心频率，介质基板的相对介电常数，计算出圆柱形介质辐射单元的尺寸；
S2：根据天线所工作的中心频率设计交叉缝隙的尺寸，进而获得圆极化的辐射特性；
S3：通过调节地板大小来实现宽带宽波束的特性，同时对具体的参数进行微调优化。
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